姬雨初，王 阳
（中国民航大学 电子信息与自动化学院，天津 300300）
机场飞行区内，为了确保机场正常运转与航空器的地面保障，需要大量地面特种车辆与地面操作人员共同完成多项工作。特种车辆、地面操作人员、旅客以及航空器构成了机场地面多种类且移动特性各不相同的节点。上述节点的有序运行关乎机场地面运行安全，同时，有效的调度与管理可以提高机场地面运行效率和航空器保障效率。对于上述移动节点的管理，目前使用信息化管理手段，构成网络系统。
然而，受制于节点类型、传输需求与分步建设的限制，实际的机场移动节点信息系统涵盖多种传输协议、多个子网。以某大型国际机场的实际网络为例，不同类型的移动节点使用的通信协议不同，例如，航空器通过机场移动航空通信系统（Aeronautical Mobile Airport Communications System,AeroMACS）实现宽带数据接入，飞行区内特种车辆、作业人员往往通过机场自建的生产网或无线传感网实现与管理中心服务器的连接，连接方式通常为工作在1.8 GHz频段，基于LTE协议的机场蜂窝专网、4G/5G公共基础网络、NBIoT/LoRa窄带物联网等。实际的飞行区物联网是一个多协议异构重复覆盖网络，不同类型的节点之间通信存在底层协议不相通现象，只能通过服务器端进行上层通信实现有限的数据交互，其拓扑结构如图1所示。
图1 飞行区异构网络拓扑结构示意图
为实现节点互通，通常采用的方法：
（1）在服务器端建立传输连接，由服务器实现数据的转发，如文献[6]、文献[7]对异构物联网资源交互平台、互操作与服务发现方法进行研究。然而，此方案往往存在沟通与建设难度大、通信链路长、QoS难以保障的情况。
（2）设计了一种互通传输站（Data Interaction Station,DIS），以实现协议节点在网络层间互联。互通传输站相对于服务器端连接具有低延时与高效的优势，但存在硬件实现成本高、潜在互通传输站数量需求大等问题。在车联网中也有类似的方法应用。
考虑到飞行区航空器保障过程、地面保障设备等待过程的特点为：大量节点密集存在于机坪这一有限范围内，空间范围较小、持续时间较长、存在较大的节点间数据交互需求。这一特点明确了飞行区内使用互通传输站方案成本与数量均是非发散且可控的，即互通传输站方案具有可行性。本文给出了基于互通传输站的传输模型与先请求先发送转发方案；
在此基础上，考虑到不同优先级数据存在不同的QoS需求，提出了重要数据优先的改进算法，以保证高优先级数据的有效性，并给出了相应的仿真结果。
考虑一个互通传输站覆盖范围内，存在若干个移动节点与数据包传输请求，不同类型的移动节点使用不同的无线协议。为了方便分析，作如下定义。
（1）飞行区中存在种调制方式，定义为 {,,...,M}。互通传输站设备中包含上述种调制方式的收发单元，工作在半双工模式。假设DSI的转发过程中，可以实现任意两种协议之间的转换，其内部具有足够的多线程信号处理与运算资源，可以同时处理不同调制方式接收器所接收的信号，不同的调制方式收发模块可以同时工作。
（2）在DSI覆盖范围内，定义某一时间段内，存在个接入节点，这些节点的集合为 {,,...,S}。对于节点S，考虑其移动性，定义()为该节点预期离开当前DSI工作范围的时刻，即节点在()时刻后无法继续通信。
（3）定义传输的最小时间单元为时隙，每一次上行或下行传输，至少占用1个时隙的时长，时隙的长度为毫秒级。为了衡量互通传输站的互联效果，设置一个观测周期，记为。考虑到传输时隙的特征与机场移动节点的移动速度特征，观测周期的时间长度为5～10 s。观测周期并不代表实际的传输功能周期划分。
（4）一个观测周期内，互通传输站存在个传输请求。定义其中某一传输请求为()，包含参数 {,,,,,,}，其中，为所发送信息块的长度，和分别为发送节点和接收节点，和分别为发送节点和接收节点所使用调制方式的带宽，为该数据包的优先级。定义信息大小、带宽、时隙之间的关系满足：
式中，N()和N"()分别为传输请求I上行、下行所占用的时隙数。
（5）结合飞行区运行数据，定义数据包优先级包含4级，分别为：
=4：突发应急通知消息，优先QoS传输，保证在一定时间内覆盖所有节点；
=3：调度与重要通知消息，QoS传输，保证在一定时间内覆盖相关节点；
=2：一般通知消息，在带宽允许的情况下使用QoS传输，覆盖相关节点；
=1：其他信息，包括旅客请求数据与娱乐数据等，不保证传输质量。
2.1 先请求先发送模式
当有传输请求时，首先将传输请求发送给互通传输站，对其分配供上下行的频谱资源，基本的转发规则遵循先请求先发送（First Require First Transmit, FRFT）规则，即传输请求后，查找最近的空闲传输资源，并不对已被占用的传输资源进行调整。为了方便管理传输资源，定义资源分配表为：
式中，s表示第个调制方式中第个时隙的资源分配情况表，取值为：
式中，I()为I的优先级。
为了衡量一个观察周期内的传输请求完成率，定义传输达成向量为：
式中，q的取值为：
先请求先发送的转发规则如下：
算法1：FRFT转发规则
Input：(1),(2),...,(),(1),(2),...,()
Output：，
Step 1 ：查找(1),(2),...,()中最大的()。
Step 2 ：计算I的N,N"
Step 3：分配上行链路时隙：自开始在中查找上行调制方式下连续N()个0，标记为I()，并将最后的时隙标号记录为()，即上行传输结束时刻。
Step 4 ：若()＜()且()＜，则上行资源分配成功，跳转至Step 5；
否则，上行资源分配失败，Step 3中赋值清0，跳转至Step 1。
Step 5：分配下行链路时隙：自()开始在中查找下行调制方式下连续N"()个0元素，标记为I()，并将最后的时隙标号记作()，即下行传输结束时刻。
Step 6 ：若()＜()且()＜，则数据下行成功，q=1；
否则，数据下行失败，Step 3和Step 5中赋值清除。
Step 7 ：返回 Step 1，直至遍历所有()。
Step 8 ：输出，。
End
2.2 重要数据优先模式
实际运行环境下，传输资源往往被大量优先级较低的用户数据占据。为保证高优先级数据的有效传输，提出重要数据优先（Important Packet First Transmit, IPFT）传输模式，该模式的思路为牺牲低优先级数据的传输资源以满足高优先级数据的QoS传输。
定义()是优先级的数据所能容忍的最大端到端延时，为简化分析，定义相同优先级的数据具有相同的延时需求，且优先级越高，延时要求越高，即()越小。对于=1的数据传输请求，考虑其往往为旅客娱乐数据或其他非重要数据，()=∞。
基于FRFT算法，提出重要数据优先的传输调度方法，以控制重要数据的传输延时，其基本思想：传输请求后，查找最近的空闲传输资源，若无法满足()，则在已被占用的传输资源中查找出低优先级数据资源并占用，推迟低优先级数据的传输。
算法2：IPFT转发规则
Input：(1),(2),...,(),(1),(2),...,()
Output：，
Step 1 ：查找(1),(2),...,()中最大的()。
Step 2 ：计算()的N、N"。
Step 3：执行算法1中的Step3～Step6，为()分配传输资源，若无法分配，跳转至Step 5。
Step 4 ：计算()传输延时()，其中()=min((),())-；
若()≤()，跳转至 Step 7，若()＞()，跳转至 Step 5。
Step 5：查找()的潜在传输时隙，即自至()时隙满足s＜I()，其含义是该时间段内未分配或已分配且优先级低于()的时隙，记其个数为()。
Step 6 ：
若()＜()+()，跳转至Step 7，若()＞()+()，则从潜在传输时隙集合中依时间顺序提取()+()个时隙，用于I的传输，原传输数据推迟至最近的空闲时隙发送。
Step 7 ：()不分配传输资源。
Step 8 ：返回 Step 1，直至遍历所有()。
Step 9 ：，。
End
重要数据优先算法在先请求先发送算法的基础上，对数据包的优先级进行判断，并在可控的时隙内对高优先级的数据包进行插包。考虑到大部分协议的控制字段中均有表示优先级的字段，因此互通传输站可以不对数据内容进行解析，设备硬件复杂度可控。另一方面，由于每次调整的时隙间隔有限，调整复杂度较低。
本章中，对上述算法进行仿真。首先假设飞行区内无线网络场景如下：接入节点可以与基站、互通传输站建立连接；
存在4种调制方式，其传输带宽分别为5 Mb/s、1 Mb/s、10 Mb/s；
每个时隙的长度为5 ms，仅分配给一个接入节点使用；
定义观测周期长度为5 s；
考虑到接入节点的移动性，其进入互通传输站、离开互通传输站的时刻随机分布在观测周期内。
观测周期内，存在100～5 000个传输请求，记作(1),(2),...,(5 000)。每个传输请求的随机分布在观测周期内且早于节点离开时间；
数据包的最大长度分别被限制在20 Kb和100 Kb。传输数据的优先级随机定义为1、2、3或4级，相对应的()被设置为不限制、100 ms、50 ms、20 ms。
当数据包的最大长度限制在20 Kb和100 Kb时，根据传输达成向量统计本文给出的先请求先发送算法与重要数据优先算法传输完成率，分别如图2和图3所示。
图2 数据传输完成率（数据包最大长度20 Kb）
图3 数据传输完成率（数据包最大长度100 Kb）
由仿真结果可以看出，使用FRFT方法，不同的优先级完成概率相近。在5 s观测周期内，随着传输请求数的增加，数据传输完成率逐渐下降。
使用IPFT算法，当数据包个数为2 000时，对于20 Kb的短数据包和100 Kb的长数据包，IPFT算法相对于FRFT算法，优先级为4的数据转发完成率分别可以提高50%和30%；
优先级为3的数据转发完成率分别可以提高15%和5%；
较低优先级的数据转发完成率会低于FRFT算法，即：IPFT算法牺牲了较低优先级的数据以提高高优先级数据的完成率，符合该算法的设计初衷。
仿真反映出节点的移动性对数据完成率影响较大，当传输请求较为密集时，会导致大量传输请求堆积和顺延，此时若节点移动性较大，会导致节点还未分配时隙便离开互通传输站的情况发生。实际系统部署中，可以通过限制整体传输请求、扩大互通传输站范围、降低节点移动性等手段加以改善。另一方面，结合高层传输协议的控制，可进一步控制系统转发性能。
针对飞行区多协议异构重复覆盖的网络现状，本文利用互通传输站实现了不同子网节点的数据互通传输，在常规“先请求先发送”转发模式的基础上，结合飞行区交互数据的特点，提出了“重要数据优先”转发模式，牺牲部分低优先级数据的传输资源，以保障高优先级数据的传输。除了机场飞行区应用场景，本方法也适用于环境相近场景，如工厂场区、校园、港口，以及具有固定运行路线的移动设备等。当场景环境满足空间受限、接入节点存在聚集行为两个特点时，使用互通传输站方案成本可控；
根据传输数据的具体需求划分优先级与最大容忍延时，结合高层协议可满足相应的传输需求。