经济性和安全性是民用客机持续追求的目标，航空电子的发展提高了民用客机的安全性及自动化水平，但用于连接航空电子设备的线缆占航空器自重的 2% ～ 5% ，容易出现短路、断路问题，且装配、维修及排除故障都很困难。为了进一步减轻重量、降低成本、提高民用飞机飞行的安全性、可靠性和经济性，使用无线通信替代部分有线通信，是未来航空制造业的发展方向之一。无线航空电子内部通信( WAIC，wireless avionics intra-communications)网络实现同一架飞机上多个设备( 2 个及以上) 的无线连接，适用于安全相关和常规飞行相关的应用，如烟雾探测、防除冰、紧急照明、起落架等。

无线网络技术种类繁多，如IEEE802011a /b/g /n， IEEE802.15.4，ZigBee，ISA100.11a，第4代移动通信系统( 4G，the forth generation of mobile communications system) 和第5代移动通信系统( 5G，the fifth generation of mobile communications system) 等，各种技术具有不同特点，适用于不同需求。WAIC 网络与地面无线网络的关键区别在于其应用需求不同，飞机应用环境更为复杂、恶劣，对可靠性和安全性的要求更高。首先，WAIC 网络不能对机上其他设备产生干扰，其他设备也不应干扰 WAIC 网络的运行；其次，WAIC 网络应支持可靠传输，降低链路访问冲突，提供确定性数据传输机制；最后，WAIC 网络应根据航空设备应用的特点，支持安全协议及应用协议；总之，在实现机载无线网络替代有线网络时，数据传输的安全性、可靠性等指标不能降低，且不能带来额外的负面影响。Park 等较为全面地分析了WAIC 网络的优势、挑战及解决方法，并基于工业无线网络 IEEE802.15.4、蓝牙及IEEE802.11等提出了 WAIC 网络体系结构、协议框架和资源管理等，以支持 WAIC 网络在机载领域的应用。根据机载网络使用商用网络进行协议增强改进，如航空电子全双工交换式以太网( AFDX，avi- onics full duplex switched ethernet) 、军用光纤网络、军用 1394B 总线和 ARINC825 总线等，以满足航空应用需求的发展趋势，总结分析了 WAIC 网络概念以及国内外研究现状，明确 WAIC 网络特点，提出了WAIC网络的系统模型，并根据通信模型对WAIC网络协议各层级的研究内容现状进行描述，提取核心的技术、问题进行分析，并将其与商用网络对比，明确其差异以及下一步重点开展研究的方向。

1 系统模型

WAIC 网络系统是针对民用飞机中使用无线通信代替部分有线通信而定制研发的机载网络，其具有特殊的应用需求，并需要满足不低于机载有线网络的可靠性要求，因此，WAIC 网络模型及对应的技术要素与商用网络相比，有相似之处，也有较大的区别。

1.1 应用模型

WAIC 网络系统是一个无线传输系统，其节点分布于同一架飞机上的不同部位，完成不同应用数据传输功能，可用于无线感知、健康管理、结构监控、燃油测量、语音通信、视频监控、数据总线传输等。飞机舱段结构件一般由金属材质或复合材料组成，如图1所示，以中型客机为例，将飞机按舱段和结构部件划分成16个不同区域，考虑 WAIC 网络发射机的安装位置和发射的射频能量相关，根据WAIC 系统发射天线安装位置将其分为机身内、外，根据应用对数据传输速率的要求不同，将其分为高速、低速． 建议书( ITU-R M.2283-0)为WAIC网络确定了 4 种不同的传输模式，分别是高速率内部传输模式( HI，high inside)、低速率内部传输模式( LI，low inside)、高速率外部传输模式( HO，high outside)和低速率外部传输模式( LO，low inside)，并针对不同的传输模式建立了对应的应用模式。

图1 飞机舱段区域划分

根据M.2283-0中描述，提取 WAIC 网络分类及特点，如表 1 所示． LI 模式应用于机舱内压力、烟雾等慢变物理量的数据监控，其数量可达4150个，广泛分布于飞机的各个舱段；LO模式应用于机舱外压力、温度等慢变物理量及结构应力、轮速位置等快变物理参量的监控，其数量达400个；HI模式应用于机舱内音频、图像或数据总线等高速通信，数量为125个；HO模式应用于机舱外视频监控、数据总线等高速通信，数量为65个。

表1  WAIC 网络分类及特点

1.2 拓扑模型

WAIC 网络根据位置和速率分成了LI，LO，HI和HO共4种模式，其由终端节点、中继节点和根节点以及网关节点组成。终端节点具备无线通信能力，能够通过无线传输收发数据；中继节点具备无线数据中继转发能力，是实现多跳传输的基础；根节点是WAIC子网的主控节点，负责子网设备管理和调度管理；网关节点具备 WAIC 子网与飞机主干网络(如AFDX) 数据转换的能力，其内置子网的根节点及AFDX端系统。

整个飞机网络是一个混合网络，涵盖WAIC网络4种模式的子网和AFDX主干网，其拓扑结构如图2所示。WAIC 网络以子网的形式存在，每个子网络包括一个网关节点和一个或多个终端节点，子网之间通过AFDX进行通信。在物理位置上，每个舱段至少配备一个网关节点。较大的舱室，如客舱，可根据需要配备2~3个网关节点。由于舱壁或舱室设施( 如厨房、隔断) 引起的信号衰减太大，网关节点仅能服务于其覆盖区域内的所有终端节点，不允许网关节点为其所在舱室以外的节点提供服务。

图2 飞机网络混合拓扑结构

1.3 通信模型

通用机载网络将OSI七层模型简化为5层，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。WAIC 网络数据传输通信模型如图3所示，以数据上传为例，终端节点获取感知数据后，数据依次通过终端节点、中继节点及网关设备到达主干网AFDX网络目的节点。

图3  WAIC网络传输模型

2 物理层

WAIC网络的物理层处于通信模型的最底层，提供物理介质中保证比特流正确传输所需的功能，主要包括: 频段选择、信号传播、调制解调等。

2.1 频段选择

飞机上电子设备众多，电磁环境复杂，为了保证WAIC网络的可靠性和安全性，选择合适的频段是开展WAIC网络研究的基础。以 WAIC 网络技术特点和兼容性为主要指标，国际电信联盟组织( ITU，international telecommunications union) 指定4.2~4.4 GHz 是WAIC网络的首选频段，22~23 GHz作为WAIC网络的备用频段，并发布M.2318，M.2319标准。ITU对不同飞行中WAIC网络与航空无线电导航业务和卫星地球探测业务(无源)潜在的最坏干扰进行了测试，结果表明，通过合理的设计方法，如采用降低外部WAIC网络的天线发射功率、使用定向天线等措施，WAIC 网络与其同频业务可共存，互不干扰，其中，M.2085-0建议对 于WAIC网络外部应用，其最大等效全向功率密度不超过6 dBm/MHz，Park 等通过软件无线电平台实现了4.2~4.4 GHz的通信。

2.2 信号传播

飞机机体结构由金属和复合材料构成，机舱内部人员移动、货物存放等均会对无线信号的传播造成影响，研究无线信号在机舱内的传播特性是开展WAIC网络设计的重要工作内容。这些工作对于WAIC网络相关标准的建立和技术的发展具有极大的参考意义。针对WAIC网络信号传播模型，Tet- suya等以空客A320-200飞机为例，对机舱进行建模并使用全三维时域有限差分法估算了机内WAIC网络无线电发射机的基本传播特性，分别在距机舱地板0. 5 m，1. 0 m和1. 5 m处测量了信号传播损耗值，结果表明，与自由空间传播相比，在4.4 GHz频段飞机机舱平面每个高度的传播损耗平均值约为10 dB。Saghir等在CRJ700支线客机上测量了客舱内无线信道特征，分别对2.45 GHz和5.8 GHz 频段提取了大尺度和小尺度参数，为研究机内视距和非视距条件下的无线传递衰减奠定了基础。

2.3 调制解调

Zhang等根据表1中的4种模式下WAIC网络的速率和链路数量，结合其特性，预估了各自应用模式下频宽、天线功率以及两点之间的最大距离要求，如表2所示。

表2  4种模式下WAIC网络的频宽、功率和距离

正交频分多路复用(OFDM，orthogonal frequency division multiplexing)技术提高了频谱利用率，使用离散傅里叶反变换( IDFT，inverse discrete fourier transform)和离散傅里叶变换( DFT，discrete fourier transform)代替多载波调制和解调，具有抗衰落能力强、频率利用率高以及适合高速传输的特点，应用于IEEE 802.11，IEEE 802.16 和LTE等，也可作为WAIC网络技术使用。OFDM自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪音背景的不同使用不同的调制方式，如二进制相移键控(BPSK， binary phase shift keying)、正交相移键控(QPSK， quadrature phase shift keyed)、8相相移键控(8PSK，8-phase shift keyed)和64正交幅相调制(64QAM，64 quadrature amplitude modula)等。以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则，当信道条件好时，采用效率高的调制方式，当信道条件差时，采用抗干扰能力强的调制方式。Suryanegara等综合功率因数、调制效率、频谱等多方面因素建立了测量模型，详细分析了QPSK，16PSK等调制方法的技术特性，结合WAIC网络低速率传输、高效率调制和宽频谱的技术要求，得出QPSK调制方式适用于WAIC网络低速率传输模式；针对高速率传输模式，研究了32QAM，64QAM等调制方法的技术特性，结合WAIC网路对于高速应用模式的要求，64QAM调制方式更适用于 WAIC网络高速率传输。Das等讨论了一种利用 OFDM 作为物理层的传输技术，首次在实验室完成WAIC网络在2.4 GHz和4.5 GHZ频段的高吞吐量通信测试。Jian等介绍了OFDM在航空应用下的一个高速率应用实例。Bang等基于通用软件无线电外设(USRP，universal software radio peripheral)及IEEE802.11对WAIC网络信道进行测试。

3 数据链路层

基于WAIC网络应用模式，其应被设计为面向分组的传输机制而不是面向链路的传输机制，鉴于多个应用共享一个传输信道，必须提供介质访问控制(MAC，media access control)机制，允许不同的基于分组的应用程序共享该信道。WAIC 网络中数据链路层的功能主要是将物理层提供的不可靠的物理连接改造为逻辑上无差错的逻辑链路，使之对网络层表现为一条无差错的链路。具体功能主要包括邻居发现、介质访问、时间同步及可靠传输等方面。有关WAIC网络数据链路层的研究内容较少，基于商用网络技术特点以及WAIC网络需求，在充分借鉴商用网络设计思想的基础上，低速传输可参考ISA100.11a，高速传输可参考IEEE 802.11a，对WAIC网络的数据链路层进行研究。

3.1 邻居发现

邻居发现协议负责在链路层发现其他节点及相应的地址，并维护和确定可用路由，保证和其他活动节点的信息可达性。其是WAIC网络协议实现多跳传输的重要组成部分，用于快速高效地发现通信范围内的邻居节点，为其他协议和应用提供邻居信息。邻居发现是实现多跳传输的基础，也是实现终端设备分布式协同通信的关键． 邻居发现通常通过广播的方式得以实现，根据参与设备执行功能的不同，ISA100.11标准将邻居发现分为主动式邻居发现和被动式邻居发现2种方式，对于主动式邻居发现，由参与设备主动进行消息广播，网络中邻居设备在接收到请求信息后按一定的策略反馈响应消息。对于被动式邻居发现，参与设备采用一定的策略进行网络监听，在接收到广播信息后，和网络中相应的设备建立连接，用以加入网络和信息传输。因其应用环境和拓扑结构，WAIC 网络更适合选用被动式邻居发现策略，可由根节点定时发送广播消息，其他节点监听后建立连接。

3.2 介质访问

数据链路层介质访问是实现确定性传输的关键，介质访问旨在满足网络时延约束、顺序约束、干扰约束等多约束条件的基础上，最大效率地完成通信资源的分配。工业无线网络通常采用时分多址(TDMA，time division multiple access)和 频分多址(FDMA，frequency division multiple access)机制相结合的方式进行设计，网络通信资源可用<时隙，信道>的二元组表示。对于确定性网络调度，通常使用集中控制的方式，由系统管理设备进行网络信息的汇总和处理，并下发控制指令到现场设备完成对网络的集中控制。以ISA100.11a为例，其标准中并未指定网络介质访问所采用的具体算法，但提供了超帧机制完成系统管理器与终端设备之间的指令交互。WAIC网络共LI，LO，HI 和HO 4种模式，可用频段为4.2~4.4 GHz，可用频宽为200 MHz，其介质访问应分为2级，在相同模式内使用同频段、分时访问，在不同模式间使用不同频段、同时访问。为了避免同频干扰，4种模式应根据其传输数据量需求，结合协议开销因子、信道化因子及协议调制效率，确定其各自所需的频宽，并进行各自独立分段划分，确保4种模式需求可同时独立工作。在同一种模式下共享该频段资源，通过合理的介质访问策略提高传输可靠性。WAIC网络作为机载网络，其可靠性和确定性要求都高于工业无线网络，参考机载有线网络，如AFDX、军用1394B和1553B等共享总线的调度方法，且鉴于WAIC网络为典型的树形拓扑结构，根节点和其他节点之间为主从关系，因此，WAIC网络相同模式、同频段内介质访问策略可借鉴军用1394B总线使用的AS5643协议，在采用集中控制调度策略及带宽预分配机制，通过根节点定时传输时间同步信息，各节点通过 TDMA 方式分时访问共享信道资源。

3.3 可靠传输

网络可靠传输包含两方面: 一方面指消息传输的无差错控制，另一方面指链路传输的可靠性。在机载有线网络中，可靠传输需要满足的必备条件为既能提供可靠无冲突的介质访问，又能提供一次链路故障冗余。目前有3种可靠传输机制，第1种为类似1553B总线的命令响应型传输，消息的传输调度均由控制器通过发出的命令字实现对各设备数据收发控制，该机制在链路层提供有连接服务，即当消息传输过程中出现错误时，控制器可在另外一个通道重试；第2种是类似军用1394B总线的TDMA传输，通过控制器提供周期同步包，通过预配置方式分时访问总线，消息传输无需接收端响应，通过环结构提供链路一次故障冗余功能；第3 种为类似AFDX、光纤网络的双冗余交换机传输机制。针对WAIC网络，考虑到无线链路易受影响的特点，结合其拓扑结构，建议WAIC网络底层选用类似分布式协调功能有链接的通信服务，以及军用1394B总线的TDMA传输方法，避免消息冲突，并通过在2个信道上冷备份传输数据实现一次链路故障冗余，保证传输的可靠性，为避免同频干扰，2个互为备份通道的频宽间隔应尽量大。

4 网络层

网络层主要功能是路由选择和数据转发，路由协议的设计是网络层需要解决的核心问题。Zigbee网络层使用按需距离矢量路由( AODV，adhoc on-de- mand distance vector routing) 算法来实现网络路由． AODV 算法是在传统的按需路由算法动态源路由(DSR，dynamic source routing)和目的节点序列距离矢量(DSDV，destination sequenced distance-vector)协议上发展而来，采用动态路由发现、维护机制和目的序列，以DSDV为基础，结合DSR的按需路由思想进行改进。ISA100.11a子网路由支持2种路由协议：源路由协议和图路由协议。源路由协议中，路由节点序列由通信源节点指定，并携带于数据包的数据链路层的包头中。源路由一般用于对传输质量要求较低的诊断信息传输。图路由协议是一种多径

路由协议，提供冗余路径的机制，相对于源路由协议而言，在网络可靠性方面有明显优势。针对WAIC网络的路由协议，目前相关的研究资料极少，应参考工业传感网路由协议，结合WAIC网络自身特点，制定 WAIC 网络路由协议。WAIC 网络是典型的树状结构，路由跳数不超过3跳，网络拓扑结构相对稳定，可靠性和安全性要求较高等，因此，建议WAIC网络应选择基于表驱动的静态图路由协议，预定义各节点的路由配置表，并通过链路连接质量优选当前传输路径。

5 传输层

传输层是网络体系结构中高低层之间衔接的一个接口层． 传输层不仅是一个单独的结构层，也是整个分析体系协议的核心。传输层主要为用户提供端到端服务，处理数据包错误、乱序等传输问题。传输层向高层屏蔽了下层数据的通信细节，使用户完全不用考虑物理层、数据链路层和网络层工作的详细情况。WAIC 网络传输层提供有连接的服务，同时负责协议帧头的装载和解析，信息管理库的管理和传输层的安全，提供端到端的通信服务。为了应对可能对WAIC网络产生的安全威胁，需要通过双向认证的方式验证设备接入的合法性，同时提供载荷

数据的加密措施，保证数据传输的安全性。会话完整性密钥(SIK，session integrity key)是保证飞机通信会话(单个飞行航段)的数据完整性所必需的。每个传感器在会话开始时与服务器协商一个单独的密钥。密钥用于计算要附加到实际消息有效负载的消息身份验证代码。该消息认证码通过SIK和其他一些变化的参数(例如帧计数器)重新计算，从而为每个MAC帧生成一个唯一的消息认证码，进而减少重放攻击的风险。考虑到认证代码的额外开销以及一次飞行的最大持续时间(低于18 h)，认为长度为128位(16 byte)的消息认证码可有效地降低攻击风险。Robles等介绍了安全连接可信事物的安全无线航空电子设备内部通信用例的目标和体系结构。

6 应用层

应用层定义了不同节点应用进程间交互和通信的规则协议，其主要作用是通过应用进程间的交互来完成特定的网络应用。WAIC 网络规模大、节点数量多、涵盖业务种类多，除WAIC网络节点之间通信外，无线节点还需要和AFDX网络上的端系统进行通信，这给WAIC网络应用层的通用性设计带来了巨大的挑战。WAIC网络应用层应提供统一的消息格式和处理方法，提供统一的接口服务，提供协议在不同应用模式、不同厂商使用的兼容性，进而提高WAIC 网络的可用性和易用性。因此，为降低应用软件对全网数据获取和解析的复杂度，WAIC 网络应用层可采用航空领域常用的匿名消息签署协议，将应用载荷数据与节点位置、IP 地址等实体相关信息解耦，通过唯一的消息ID索引该消息。对全网数据流进行预规划，建立各设备消息 ID 的配置表，为WAIC网络系统中不同设备应用进程之间的数据交互提供基础。

7 结束语

作为新兴研究领域，WAIC网络具有巨大的潜力，可以降低飞机总重量及维护成本，提高飞机的安全性，实现更低成本、更高效益的飞行操作，这将成为未来航空器发展的一项重要技术。在研究国内外大量文献的基础上，结合航空网络发展趋势及在机载网络的技术研究及工程研制经验，笔者在通用机载网络通信 5 层模型的基础上，提出了WAIC网络的通信协议框架，描述了WAIC网络在每层协议上的主要研究内容、进展情况以及当前存在的问题和可能的解决方法，并给出下一步的重点研究方向。可为 WAIC 网络协议的制定提供基础，是开展WAIC网络产品设计、组网测试等研发工作的前提。

该文章由李士宁（西北工业大学教授）、范祥辉（西北工业大学、中国航空工业集团公司西安计算技术研究所）等合作完成。