民用飛機無線航空電子內部通信網絡技術綜述

范祥輝，陳長勝，史巖，楊建茜

(中國航空工業集團有限公司 西安航空計算技術研究所， 西安 710068)

0 引 言

航空電子技術的發展極大地提高了民用客機的安全性及自動化水平，各子系統之間通過航空數據總線交換信息，當前航空器線纜及相關連接裝置的重量占航空器總重量的2%～5%。大量通信線纜的使用給飛機的制造和運營維護帶來了額外的成本。據估計，電氣線路問題平均每個月造成兩次飛行中的火災、超過1 077次任務中止，每年損失超過10萬個任務小時。電纜損壞不僅會影響與故障導線相關的系統，還會影響相鄰系統。飛機運營成本的13%與維護、維修有關，此外，線纜的大量使用還給航空通信系統的配置、維護、故障排除帶來了挑戰。

為了進一步減輕重量、降低成本、提高民用飛機飛行的安全性和可靠性，使用無線通信替代部分有線通信，是未來航空制造業的發展方向之一。無線航空電子內部通信(Wireless Avionics Intra-communications，簡稱WAIC)網絡可實現同一架飛機上多個設備(兩個及以上)的無線連接，適用于安全相關和常規飛行相關的應用，例如煙霧探測、客艙壓力、防除冰、緊急照明、起落架等。以空客A380-800為例，全機線纜長度約470 km，線纜質量約5.7 t，其中30%的線纜(約1.7 t)可以用無線通信替代。

本文綜述WAIC網絡概念以及國內外研究現狀,分析WAIC網絡架構及需要解決的關鍵技術。

1 WAIC網絡概念

1.1 WAIC網絡含義

WAIC網絡旨在替代單個飛機上的面向特定業務的有線通信，借助安裝在航空器上不同位置的無線傳感器，實現航空器駕駛艙與機翼、發動機、客艙和貨艙等重要位置的無線通信傳輸，其應用主要包括航空器結構健康監測、關鍵位置感知控制、航空運行信息實時傳輸等。WAIC網絡并不提供飛機與地面工作站、多架飛機之間、飛機和衛星之間、以及乘客無線上網的相關服務。根據傳感器安裝位置和數據傳輸速率的不同，在國際電信聯盟(International Telecommunication Union，簡稱ITU)報告書中為WAIC系統確定了四種不同的傳輸模式，分別是高速率內部傳輸模式(HI)、低速率內部傳輸模式(LI)、高速率外部傳輸模式(HO)、低速率外部傳輸模式(LO)；并針對不同的傳輸模式建立了對應的傳輸模型。

1.2 WAIC網絡特點

作為下一代民用飛機機內通信發展的方向，WAIC網絡具備以下特點：

(1) 低復雜性：WAIC網絡的引入極大地降低了電氣布線和線束使用的復雜性。當前，線束設計是決定設計新飛機所需時間的關鍵因素之一，設計并部署數英里的線路給飛機制造人員帶來了極大的挑戰，此外，在飛機長時間生命周期內對密集線路進行周期性維護也具有很大難度。

(2) 高經濟性：電纜和布線對飛機制造商、運營商以及乘客來說都是一筆巨大的費用。主要成本包括線束設計、線束制造、連接器的維護和更換，以及飛行過程中電纜和連接器自重所帶來的相關運營成本。

(3) 高靈活性：機艙無線通信設備安裝的靈活性可顯著提高通信網絡的可重構性。此外，WAIC網絡由于其易拓展性，可以以更低的難度和費用安裝新的傳感器。更重要的是，WAIC網絡的引入還可以對運動或者旋轉部件的參數進行可靠監控，比如發動機轉子軸承，這些都是有線通信難以實現的。

(4) 高可靠性：減少線纜的使用在一定程度上可降低線纜切斷或有缺陷接線的風險，簡單的使用線束冗余來提供容錯機制容易受到“共模故障”的影響，使用無線鏈路冗余方式則不存在該情況，且在一定程度上能夠降低無線通信帶來的不穩定問題。此外，無線通信的引入使得機組人員可以實時可靠地監控航空器各部位的運行情況，極大地提高了航空器的運行效率和安全飛行能力。

2 國內外研究現狀

2.1 國外研究現狀

2010年世界無線電通信大會(WRC-10)通過了M.2197報告，該報告的內容代表了國際商用航空業所預期的WAIC系統應用的現狀。2013年世界無線電通信大會(WRC-13)上通過M.2283報告，該報告介紹了WAIC網絡應用特性、系統特性以及WAIC網絡頻譜要求。2014年2月發布M.2059標準,提供了無線電高度儀的操作和技術特性以及保護標準。2014年11月發布M.2318標準，表明4.2～4.4 GHz頻段是滿足WRC-15議程要求的15.7 GHz以下的唯一選擇；同月發布M.2319標準，研究WAIC系統和現有系統在4.2～4.4 GHz頻段的兼容性。2015年世界無線電通信大會(WRC-15)發布標準M.2285，正式確定了4.2～4.4 GHz作為WAIC的通信頻段。

WAIC網絡自提出以來，工業界和學術界在標準的制定和技術的選擇方面進行了積極的探索。早在2013年，文獻[5]中就提出了一系列受益于此類網絡部署及其要求的應用并給出了較為詳細的系統設計。近兩年的研究熱點主要集中在WAIC網絡與現有機載系統的共存、WAIC網絡與工業無線傳感器網絡的結合、WAIC網絡通信模型的建立等方面。

關于WAIC網絡與現有機載系統的共存問題，文獻[13]在不同飛行場景中測試了WAIC網絡與航空無線電導航業務、衛星地球探測業務(無源)和固定業務的最壞潛在干擾影響，結果表明：通過合理的配置，采用諸如降低外部WAIC網絡的天線發射功率、使用定向天線等措施，WAIC網絡與航空無線電導航業務、衛星地球探測業務(無源)和固定業務可共用4.2～4.4 GHz頻段。

關于WAIC網絡與現有工業無線傳感器網絡的融合問題，P.Park等在滿足飛行認證的前提下，從丟包率和最大允許丟包率等方面分析了具有代表性的工業無線協議(LLDN、Wirelesshart、WISA和ISA100.11a)在安全關鍵航空電子設備應用中的性能和可行性，從側面說明了自適應的MAC層協議是決定網絡魯棒性的關鍵因素；文獻[5]以IEEE 802.15.4和IEEE 802.11a/g標準為例分析了協議應考慮的介質訪問機制，主要包括通信開銷、信道化開銷因子以及調制效率等多方面因素。

關于WAIC網絡通信模型建立方面，M.Suryanegara等綜合功率因數、調制效率、頻譜以及OPS數量等多方面因素建立了測量模型，詳細分析了GMSK、QPSK、16-PSK、8-FSK等調制方法的技術特性，結合WAIC網絡低速率傳輸、高效率調制、寬頻譜和大數量OPS的技術要求，得出QPSK在WAIC網絡中具有較好的適用性。

關于數據傳輸的吞吐率，S.Das等討論了一種利用OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)作為物理層的傳輸技術，其在WARP (Wireless Open-Access Research Platform)硬件中實現了基于FPGA的測試，首次在實驗床中完成且測試了WAIC網絡在2.4和4.5 GHz頻段的高吞吐量通信。

就傳播模型而言，文獻[5]對空客A320-200飛機機艙進行建模并使用全3D-FDTD (Three-Dimensional Finite Difference Time Domain)方法分析估算了機內WAIC網絡無線電發射機的基本傳播特性，分別在距機艙地板0.5、1.0和1.5 m處測量了信號傳播損耗值，表明與自由空間傳播相比，在4.4 GHz頻段飛機機艙平面每個高度的傳播損耗平均值約為10 dB。

上述工作對于WAIC網絡相關標準的建立和技術的發展具有重要的參考意義。

2.2 國內研究現狀

有關在飛機上應用無線通信技術，目前國內的研究主要集中在客艙內為乘客提供娛樂服務的無線網絡，在機體上為飛機健康管理提供數據采集監控的無線傳感器網絡，以及為飛機與地面廊橋間提供無線連接，完成數據快速上傳下載的機場無線網絡等。但這些研究都與WAIC網絡不同，WAIC網絡是飛機控制網絡的延伸，屬于飛機控制網絡的一部分，國內針對WAIC網絡的研究尚處于起步階段，需要進一步開展更深入的研究。

3 關鍵技術

3.1 WAIC網絡架構設計

飛機內部通信應用數量眾多而且功能差異極大，幾千個應用節點的傳輸速率從每秒幾個字節到每秒幾兆字節不等，對傳輸延時的要求也大不相同。此外，飛機內部復雜的電磁環境，艙室之間隔板對電磁信號的影響等復雜的應用狀況也給WAIC網絡架構的設計帶來了嚴峻的考驗。本文以典型客機空客A320作為應用模型對WAIC網絡規模和部署進行研究。A320飛機內部主要包含如下部件和艙段：駕駛艙、客艙、輔助動力裝置(APU)艙、設備艙、前貨艙、后貨艙、散艙、艙底、發動機短艙、中央油箱、機翼油箱、垂直尾翼和水平尾翼、主起落架艙、前起落架艙、縫翼和襟翼艙等，如圖1所示。

圖1 A320飛機主要部件和艙段[18]

從系統需求來看，WAIC網絡需要對飛機所有區域(內部和外部)提供全面覆蓋。為了減小飛機內部艙室隔板和金屬外殼等對射頻信號的削弱作用，可以對系統采取劃分子網的方式解決該問題。針對飛機上復雜的應用場景進行設計優化，將飛機內部通信按照位置劃分為飛機外部應用和飛機內部應用，按照傳輸速率分為高速應用和低速應用。針對不同類型的應用制定適合的設計方案。系統設計則必須考慮節點的最佳數量和位置，以及射頻功率和頻譜資源的劃分。針對該問題M.2283給出了一種網絡架構,如圖2所示。該架構將WAIC網絡應用根據傳感器所在位置和數據傳輸速率劃分為內部高速應用、內部低速應用、外部高速應用和外部低速應用四種類型。

圖2 WAIC網絡應用分類[5]

針對高速和低速兩種應用的特點提出兩種解決方案。針對低速應用，其單個鏈路數據速率小于10 kbit/s，提出以IEEE 802.15.4為基礎進行網絡協議開發；針對高速應用，其單個鏈路數據速率范圍從12.5 kbit/s到1.6 Mbit/s不等，凈峰值數據速率可達4.8 Mbit/s,提出以IEEE 802.11 a/g為基礎進行網絡協議開發。

針對上述WAIC網絡架構，M.2283-0以一架典型客機為模型，對WAIC的無線頻譜開銷進行了估算。在考慮了應用的數據傳輸速率、協議開銷、信道化開銷、調制效率等多個因素后，計算出WAIC網絡總頻譜需求為145 MHz。

因此，在WAIC網絡架構設計時，要充分考慮其與位置、速率的相關性，提取共性技術，借鑒現有成熟民用無線網絡通信作為基礎協議，在此基礎上進行增強型開發，以保證網絡傳輸的可靠性。范祥輝等給出了機載無線傳感器網絡架構是由無線網絡作為子網，并接入骨干網的整體架構，同樣，WAIC網絡在整個民用飛機通信網絡平臺中也是作為子網存在，并通過網關接入骨干網AFDX (Avionics Full Duplex Switched Ethernet)網絡。因此，在設計中要充分考慮WAIC網絡與現有骨干網絡AFDX的兼容性。

3.2 WAIC網絡同步技術

時間同步對于WAIC網絡完成一系列基礎性操作至關重要，尤其體現在網絡調度和數據可靠傳輸方面。受WAIC網絡業務模式的影響，WAIC節點所處的環境差異較大，節點晶體震蕩受環境影響所產生的累積誤差也隨之增大，這給WAIC網絡實現精準同步帶來了極大的挑戰。

根據WAIC網絡拓撲結構(如圖3所示)和自身特點，結合現有工業無線傳感器網絡協議，綜合考慮集中式和分布式時間同步技術的適用條件，采用TPSN協議可以達到理想的同步效果。協議采用分層結構，基于發送者-接收者模式，可提供全網范圍內的時間同步。

圖3 WAIC網絡應用拓撲結構示意圖

首先由網關節點廣播層次消息，直接接收者屬于層次1，即為網關節點的子節點組；再由層次1的節點依次轉發廣播消息，分別建立層次2的節點組；以此類推，建立所有節點的樹狀結構。

節點與父節點之間通過雙向握手進行同步，首先子節點

S

在

T

時間發送包含子節點級別和

T

時間戳的分組給父節點

R

，節點

R

在

T

時間收到分組，得到

T

=

T

+

d

+Δ；然后在

T

時間發送應答分組給節點

S

，分組中包含父節點的級別和時間戳

T

，

T

，

T

的信息，如圖4所示。在子節點處可得

T

=

T

+

d

-Δ，由此：

子節點在得到

d

和Δ的具體值后，將時間值同步至父節點。

圖4 TPSN協議示意圖

由于時鐘精度、算法實現平臺和測量方式的差異性，實際同步精度性能通常難以估量，相關資料顯示TPSN協議的時間單跳同步精度高達16.9 μs。相較于其他同步算法而言，TPSN協議在WAIC系統網絡環境中也可實現符合要求的時間同步效果。

3.3 WAIC網絡管理技術

WAIC網絡規模大、節點數量多、涵蓋業務種類差別廣，給WAIC網絡管理帶來了巨大挑戰。以空客A320為例，安裝LI鏈路數量可能高達4 150個，安裝LO鏈路數量可能高達400個，安裝HI鏈路數量可能高達125個，安裝HO鏈路數量可能高達65個。

飛機可以被認為是不同艙室的集合，其與RF信號或多或少地相互隔離。每個隔間被劃分成一個子網，每個子網包括以下組件：

(1) 網絡節點，WAIC網絡實體，能夠使用無線接口連接并與另一個WAIC網絡實體通信。

(2) 網關節點，網絡節點，將WAIC網絡(或其部分)連接到其他有線機載網絡。

(3) 終端節點，網絡節點，能夠使用WAIC無線電接口在網關節點和傳感器、作動器之間提供連接，提供無線鏈路中繼功能。

網關節點負責整個子網的設備接入、退出和通信調度，對整個子網的實時運行狀態、配置、性能進行基于策略的控制。當設備發送消息，其需要向網關節點申請“合同”(Contract)。當網關節點接收到合同申請，網關節點根據其掌握的整個網絡當前的調度信息(鏈路、時隙、路由路徑、設備容量等)，計算是否可以滿足合同申請。如果可以滿足，則計算一條滿足合同的調度(同樣包含上述信息)，并配置沿途的設備，最后向源節點返回批準合同，否則不會批準建立合同。

3.4 WAIC網絡安全技術

飛機上傳輸的數據，尤其是飛機健康監測數據和控制指令，對于飛機的運行、管理和安全至關重要。因此，WAIC網絡對安全性(Security)要求較高，其應能夠解決來自乘客或機上實體以及地面或其他飛機的不同類型的攻擊。

目前，無線通信主要面臨數據完整性、真實性、保密性、鏈路密鑰建立、信道干擾、安全路由等安全性問題。這些安全威脅都有可能對WAIC系統造成極大的威脅。

WAIC網絡尚未指定具體的安全舉措，根據WAIC網絡特點，結合工業無線傳感器網絡現有安全方案和先前機載網絡無線網絡安全架構，綜合考慮網絡的高效性和安全性，可以采取以下措施：

(1) 設備之間的通信采用雙向認證，通過密鑰協商機制完成設備鑒權，并確保消息來源于已認證的設備并且沒有被其他無關設備篡改；

(2) 對于設備間的通信使用輕量級加密算法保護數據，隱藏消息載荷所攜帶的內容；

(3) 設置適當的閾值來保證消息傳輸時間和順序；

(4) 從系統管理層次上抽出安全模塊，組合使用TCP (Transmission Control Protocol)SYN-Cookie和Backlog技術應對SYN洪泛攻擊。

4 WAIC網絡節點設計

WAIC網絡使用4.2～4.4 GHz頻段，基于該頻段的射頻芯片較少，且硬件平臺需要考慮功耗、體積等因素，還需要兼容WAIC網絡高速、低速應用需求，具有較高的設計難度。WAIC網絡硬件平臺設計思路有兩個：基于集成度較高的無線協議芯片或者基于軟件無線電平臺技術。

采用集成射頻處理電路的IEEE 802.15.4或IEEE 802.11a/g協議芯片構建WAIC網絡硬件平臺，其需解決的問題是將2.4 GHz頻率調整到4.2 GHz頻率，可選的方案是在2.4 GHz集成芯片外接一個混頻器電路，發射信號時，混頻器將輸出的2.4 GHz信號與1.8 GHz本振混頻，通過高通濾波器過濾掉低頻信號，得到4.2 GHz信號，在信號接收端，再將接收到的4.2 GHz信號與1.8 GHz本振混頻，通過低通濾波器還原出2.4 GHz頻段信號。該方法理論上可以達到信號無損轉換，但具體實現效果有待考證，且2.4 GHz的頻寬低于WAIC網絡所需頻寬。該方案的優點在于可以利用現有的芯片及協議，功耗??；缺點是射頻部分設計復雜，低速和高速需要使用不同的芯片，不易作為WAIC網絡技術解決方案。

軟件無線電的硬件平臺可根據需求對通信頻段進行設置，具有很強的靈活性和開放性。以AD9361+ZYNQ7000設計的軟件定義無線電平臺具有高集成度、寬頻段的特點，支持從10 MHz到6 GHz頻段超寬頻率范圍，通過GNU radio編程，利用普通計算機對數據處理，具有非常強的可塑造型，可運行不同協議，該硬件平臺支持高速、低速兩種速率要求。其缺點在于需要對該平臺進行改造，使其適用于嵌入式環境，同時需在該平臺上開發IEEE 802.15.4協議以及IEEE 802.11a/g協議支持包，并移植到該平臺上?；跓o線電平臺的無線節點硬件架構設計如圖5所示，信號接口模塊包括天線和巴倫，完成信號的接入和發出；AD9361模塊主要完成信號放大、A/D和D/A轉換、混頻、濾波等處理；FPGA模塊與AD9361連接，實現AD9361工作頻段4.2～4.4 GHz的設置，WAIC網路協議以及必要的調試接口等；電源模塊完成各模塊電路的直流電源供電。

圖5 無線節點硬件架構

綜合WAIC網絡需求及其特點，從工程實踐角度來看，軟件定義無線電射頻前端+FPGA (Field Programmable Gata Array)的實現方式是目前評估最靈活最有效的設計方式。尤其是在目前未定義WAIC網絡協議的條件下，軟件定義無線電技術給物理層的設計帶來了超高靈活性，以及FPGA的高性能、靈活性的特點可以作為WAIC網絡協議實現的載體，滿足WAIC網絡不同的應用場景需求。

5 結束語

作為一個新興的研究領域，無線航空電子內部通信(WAIC)網絡具有巨大的潛力，可以降低飛機總重量及維護成本，提高飛機安全性，實現更具成本效益的飛行操作。本文從WAIC網絡概述、研究現狀、關鍵技術等方面介紹了WAIC網絡，著重介紹了WAIC網絡架構、時間同步、網絡管理及網絡安全等關鍵技術，給出基于軟件無線電平臺設計WAIC網絡無線節點的技術方法。就WAIC網絡的發展來說，已確定其通信頻段為4.2～4.4 GHz，但尚未形成標準協議，同時存在應用場景和技術問題亟待解決，下一步應重點研究高安全實時數據傳輸問題、WAIC網絡子網頻譜資源劃分管理問題、子網內消息分時調度傳輸問題以及節點硬件設計問題等。

WAIC網絡正在不斷地發展完善，可靠性和安全性問題也會逐步得到解決，機內無線通信將會部分替代有線通信，用于機內傳感器與處理機或處理機之間的數據傳輸，其技術將在下一代軍用、民用飛行器中得到應用。