甘 翼

(中國西南電子技術研究所，四川 成都610036)

0 引言

1990年成立了IEEE 802.11無線局域網（WLAN,Wireless Local Area Networks）標準工作組。該標準定義了物理層（PHY，Physical）和媒體訪問控制層（MAC，Media Access Control）協議規(guī)范。物理層協議定義了數據傳輸的信號特征和調制方式，并規(guī)定無線局域網工作的頻段范圍和層次劃分。

1999年9 月IEEE 802.11b被正式批準，其規(guī)定的數據傳輸速率達到 11 Mb/s。該標準是對 IEEE 802.11的一個補充，采用點對點模式和基本模式兩種工作模式，在數據傳輸速率方面可以根據實際情況在 11 Mb/s、5.5 Mb/s、2 Mb/s、1 Mb/s的不同速率間自動切換，在2 Mb/s、1 Mb/s速率時與802.11兼容。2003年批準的IEEE802.11g標準是對流行的802.11b的提速(速度從 802.11b的 11 Mb/s提高到54 Mb/s)。802.11g接入點支持802.11b和802.11g客戶設備。2009年底，無線局域網標準工作組提出的802.11n被正式批準，該標準將無線局域網的最高傳輸速度提高到了600 Mb/s，并向下兼容802.11b/g協議[1-2]。

由于受成本、安全等因素的影響，無線局域網從2005年開始才在全球進入快速發(fā)展階段，現在全球使用人數已經超過 4.5億。在西歐和日本，無線局域網已經被廣大的數據運營商采用，其接入點（AP,Access Point）被廣泛布置于酒店、機場、商場、住宅區(qū)、高速公路兩側等人群密集的地區(qū)[3]。中國三大通信運營商在多個大城市都開始廣泛開展無線局域網業(yè)務，新建的四星級以上酒店、機場包括一些高檔車站、商場都開始架設無線局域網設備，提供該項服務。

1 無線局域網安全性和抗毀性問題

無線局域網信號由于在空間中自由傳播，較有線以太網，其通信內容較容易被他人截獲，存在一定的安全隱患。為解決該問題，802.11標準化小組從1999年～2005年先后提出了3種基于物理層的加密體制以維護用戶數據的安全性和私密性。

第1種是有線等效協議（WEP，Wired Equivalent Privacy）加密方式，其加密原理如所示。WEP加密方式于1999年與802.11協議一同發(fā)布，該加密方式由于密鑰空間較小，產生密鑰的初始化向量（IV，Initial Vector）數量有限，較容易被破解。對于64 bit WEP加密密鑰破解，僅需要50 MB左右的有效數據即可，對于 128 bit WEP加密密鑰破解，則需要120 MB左右的有效數據。

因此在WEP加密的時代，由于存在這樣的安全隱患，無線局域網在政府、軍事、企業(yè)和高私密性私人網絡系統(tǒng)中都被禁止使用。

第 2種是臨時密鑰完整性協議(TKIP, Temporal Key Integrity Protocol）加密方式，其加密原理如圖2所示。從本質上將TKIP加密模式是一次擴大了密碼空間并將通信數據與時間相關后得到的加密數據[4]。

TKIP加密方式是，數據終端或無線接入點（AP）將無線接入點分配的臨時密鑰，與進行了預先時間排序和計數后的 MAC層協議數據單元以及數據幀進行混合，形成預計發(fā)送的幀密鑰。同時將要發(fā)送的數據幀與MIC完整性校驗數據段混合，形成經過交織的數據幀+奇偶校驗的數據段。最后將這兩段數據通過WEP方式進行第2層加密。

經過3次兩層加密，特別是數據幀不僅與MIC完整性校驗數據通過Michael完整性檢查方式交織，同時與預先計算的要發(fā)送的數據幀順序以及臨時密鑰混合，使得解密難度大大提高。

雖然從理論上講，TKIP在WEP的基礎上發(fā)展得來，最后一級WEP加密可以破解分別得到Phase2 Key Mixing和Fragment，但是從Phase2 Key Mixing和Fragment反推出Phase1 Key Mixing和PlaintextMSDU+MIC以及最后解密MAC層數據幀的難度也較大，因為這兩級也采用了MD5或SHA-1算法加密，且由其認證時的隨機數Anonce、Snonce產生的TA、MIC Key也必須在獲取認證幀的基礎上才有可能推出，并且產生TA和MIC Key的算法同樣為 MD5和 SHA-1不可反解HASH算法[5-6]。當TKIP加密方式出現后，多個西方政府放松了在高安全需求領域對無線局域網的限制。允許政府公共管理部門、軍隊后勤部門等非最高安全等級的系統(tǒng)使用無線局域網。

第 3種是基于先進加密標準(AES, Advanced Encryption Standard）的計數器模式密碼塊鏈消息完整碼協議（CCMP, CTR with CBC-MAC Protocol）加密方式，其加密原理如圖3所示。

CCMP是一種更加先進安全的加密方式，其密碼空間相比 TKIP更大，且每級加密和數據混合均采用了SHA-1算法[7]，該算法加密強度遠強于MD5，即使在獲得大量數據的基礎上也無法破解。根據現有資料，現在還無成功破解CCMP加密方式的案例。

與此同時，無線局域網安全協議（IEEE802.11i）將基于安全有線網絡的認證技術：基于端口的網絡訪問控制技術（IEEE802.1X）集成到協議中[8]，該協議使用開放式安全平臺，可以集成例如：數字證書、USBKey等軟硬件加密認證方式，對IEEE802.11數據及管理幀進行二次封裝。認證時通過公共不可控端口（Uncontrolled Port）進行，認證一旦通過，每個終端和接入點的數據交互都通過獨立且不同的可控端口（Controlled Port）進行。由于采用802.1X可以集成任何外聯式加密手段，使數據傳輸和認證過程的安全性和可靠性變得非常強大，而且隨著技術的發(fā)展可以隨時更新其安全策略。缺點在于2次加密封裝帶來的有效數據率的下降，根據現有文獻資料和實際測試，采用不同的數字證書其傳輸效率下降5%～20%不等。不過這種損失對于高可靠性應用，如戰(zhàn)術互聯網以及軍工企業(yè)內部網絡是完全可以接受的。

2004年，IEEE802.1X集成到IEEE802.11i無線局域網安全協議以及CCMP加密方式出現后，美國國防部開始考慮是否用增強安全性和抗毀性的無線局域網作為“全球信息柵格的最后一英里”。政府部門則放開了無線局域網的使用禁令，允許各級政府部門使用“安全”的無線局域網。

在數據碰撞及仲裁方面，無線局域網在 MAC子層采用沖突避免載波偵聽(CSMA/CA, Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)技術實現無線信道資源的共享，主要包括物理載波偵聽機制、虛擬載波偵聽機制、隨機回退機制、基于xISF的優(yōu)先接入控制機制等。因此，如果敵方針對上述載波偵聽的弱點，比如連續(xù)發(fā)射高優(yōu)先級信號長期占據物理信道，或連續(xù)發(fā)送管理幀或數據幀[8]，同時將這些幀的網絡分配矢量字段(NAV)設為最大值，都可以達到中斷無線局域網通信的目的。

因此，無線局域網在抗毀性上具有較大的弱點，若用于軍事用途需對其抗毀性進行升級或改造。

2 WIN-T及WLAN在其中應用情況簡介

無線局域網由于擁有架設簡單、快速、傳輸帶寬大、成本較低和接入路由策略靈活的特點，從其誕生之日開始就有被納入戰(zhàn)術互聯網短視距（D≤30 km）寬帶通信的呼聲。但是由于當時無線局域網傳輸距離較近、傳輸數據量較小和安全性抗毀性較差等原因，一直沒有被納入戰(zhàn)術互聯網體系。直到2003年，美軍陸軍提出發(fā)展下一代寬帶戰(zhàn)術互聯網：戰(zhàn)術級指戰(zhàn)員信息網[9]。

戰(zhàn)術級指戰(zhàn)員信息網（WIN-T, Warfighter Information Network-Tactical）又被稱為下一代高級戰(zhàn)術互聯網，是美國陸軍歷史上第二次大規(guī)模重建的戰(zhàn)術通信網，用以代替現役的三軍聯合戰(zhàn)術通信系統(tǒng)和移動用戶設備系統(tǒng)。該通信網絡面向未來信息化戰(zhàn)爭的需求，提供無線電、衛(wèi)星、互聯網等多種物理層、鏈路層接口，能夠支持戰(zhàn)役到戰(zhàn)斗級的各種信息服務，同時支持移動實時組網，是美軍全球信息柵格（GIG）的重要組成部分。

2005年第4季度，WIN-T增量1開始交駐伊拉克和阿富汗美軍測試，該部分主要以保密無線電與移動通信和“快停通”衛(wèi)星通信為主。

增量2于2008年3月下旬完成初步用戶測試，并于當年進入低速生產并小批量實驗裝備第三和第四機步師，該部分集成了窄帶“動中通”衛(wèi)星通信和“快停通”寬帶空地、星地以及星空數據通信業(yè)務，可實時協調高速移動中的戰(zhàn)術分隊、地面與空中載具、武器系統(tǒng)乃至基地的指揮、控制與通信。同時在增量2后續(xù)集成了增強安全和抗毀性能滿足軍用需求的商用無線寬帶局域網/城域網技術：IEEE802.11與IEEE 802.16e，主要用于旅及其以下級別的單兵/戰(zhàn)車視距通信系統(tǒng)，有資料顯示指揮官還將可以使用3G手機。該增量裝備將于2009年～2015年之間完成。

增量3將于2014年開始設計，該增量將完善三層網絡結構和互操作能力，進一步采用高安全性的商用衛(wèi)星通信與寬帶網絡技術、綜合網絡動作，完善全“動中通”能力。在“動中通”的情況下地面及空中載具與衛(wèi)星的最高數據傳輸率將達到12 Mb/s，預計將于2025年與增量4同時完成全軍部署，與此同時，GPS二代（軍碼）也將集成到WIN-T。

增量4將集成下一代移動寬帶網絡與衛(wèi)星通信技術，高速移動中的通信帶寬更寬、抗毀壞性與安全性更強，現在還在論證階段，預計在2014年后會下發(fā)預研合同，2025年左右在美國陸軍完成部署WIN-T戰(zhàn)術級指戰(zhàn)員信息網。WIN-T星空及星地通信主干網絡主要工作于Ka與Ku頻段，地面通信干線網絡工作在C頻段。

進入二十一世紀后，美國為降低其軍費開支，同時使軍用設備在物理層面能夠和商用設備同步升級或互換，提出了一個新的概念：基于現成商業(yè)產品經改造后用于軍事領域（COTS, Commercial-Off-The-Shelf）。通過這種方式大大降低了軍用設備的研制和維護成本、延長了其生命周期。無線局域網則作為COTS的低成本典范，在由美國國防部指定的Ciso和Fortress公司經過安全性和抗毀性改造后，直接作為WIN-T的營連級寬帶無線接入點，與單兵攜帶的傳感器共同作用，結合無線局域網的大數據帶寬形成小范圍內的傳感器網絡，使營連級指揮員能夠了解每一個士兵的狀態(tài)和觀察的信息。

2005年，德國開發(fā)了第一部基于無線局域網IEEE802.11協議的點對點單兵互聯網電臺，最大通信數據率≥300 Mb/s，最遠通信距離D≥40 km。該單兵互聯網電臺使用了后來 IEEE802.11n規(guī)定的多種新技術，并提高了發(fā)射功率，改善了接收機的接收動態(tài)范圍，使其能夠滿足軍用安全性、抗毀性和高帶寬的要求。

3 WLAN在戰(zhàn)術互聯網中的應用可行性

根據前面對無線局域網在外軍戰(zhàn)術互聯網中的應用分析，無線局域網擁有加改裝方便、毀壞后恢復時間較短、成本極低等特點；因此無線局域網主要用于作戰(zhàn)部署極為靈活且損失相對偏高的陸軍營連級無線接入點（含裝甲部隊），以及重點單兵目標的寬帶通信，如：特種部隊。

無線局域網要實際用于戰(zhàn)術互聯網，需解決以下3個問題。

（1）安全性問題

雖然隨著TKIP和CCMP安全協議的提出，無線局域網的安全性已經大大提高。在現有資料尚未發(fā)現有人破解數據密鑰，還原出傳輸數據。同時也只有少量無線局域網發(fā)燒友，通過輪詢和試錯的方式經過較長的時間才能破解 TKIP的預共享密鑰，而基于CCMP方式的加密，現在尚無資料介紹有破解成功的實例。

但是如果用于軍事領域，敵方數據偵察和密鑰破解手段則更加先進，因此還需要在安全性上做進一步考慮。其中在不改變加密算法的基礎上，將密鑰與時間同步具有較高的性價比，同時數據和預共享密鑰的加密強度將大大提高。其實現的具體流程是：數據加密方式依然使用TKIP或CCMP方式，預共享密鑰（TK）隨時間改變而改變，其改變時間T根據安全等級要求的場合不同，可是秒、分鐘或小時級，新共享密鑰以舊共享密鑰產生的數據密鑰加密的方式傳輸。

在這種情況下，即使被敵方獲取了原來的預共享密鑰，由于數據密鑰在預共享密鑰的基礎上經過時間同步產生，如果時間不同步，敵方也不可能獲取通信內容。即使敵方做到了與我方通信的時間同步，只要丟掉一幀數據則需重新同步和重新解密，以獲取新預共享密鑰，通過這種方式，數據通信的安全性得到較大的提高。美軍在WIN-T營連級無線接入點密鑰策略中也采用了密鑰隨時間變化的方式，根據現有資料，其更新時間大約為半小時，由旅團級指揮中心下發(fā)。

（2）抗毀性問題

在第1章中提到了無線局域網在MAC子層采用的沖突避免載波偵聽(CSMA/CA)技術，以實現無線信道資源的共享。這種方式在軍事應用中，有著極大的弱點，因為無論是數據終端還是無線接入點并不對信道占據方的身份進行認證，只要對方長期占據無線信道，且其在幀頭內的優(yōu)先級字為最高，占據時間最大，則回退等待。

因此，在無線局域網在戰(zhàn)術互聯網中則需要在MAC層采用其他技術來實現無線信道資源的共享。其中較為常用的就是應對虛擬機制的優(yōu)先級占據，使用中心點分配的方式，給不同的終端分配不同的優(yōu)先級，且優(yōu)先級和終端設備號對應，如果出現其他優(yōu)先級或非法設備號的目標則當作干擾丟棄；對應物理層的載波監(jiān)聽機制，則是當接入點或終端發(fā)現有非法目標信號長期占據通信信道，如時間 T≥1 s，則根據無線信道選擇矩陣中規(guī)定的下一跳信道自動切換。

（3）傳輸距離問題

無線局域網在商業(yè)上主要用于小范圍內的小區(qū)、企業(yè)或家庭組網，在采用54 Mb/s傳輸率的時候，通視條件下最大距離D≤200 m，2 Mb/s傳輸率的時候通視條件下最大距離D≤2 km，并不滿足戰(zhàn)術互聯網營連級作戰(zhàn)單位的作戰(zhàn)扇區(qū)，因此需增加無線局域網的有效作用距離。

以IEEE802.11g規(guī)定的54 Mb/s傳輸率為例，協議規(guī)定最低可解調的信號強度為-65 dBm。按自由空間中波的傳播公式：

式中，Pr為接收功率，最小值為-65 dBm；d為傳輸距離，d=30 km；f為信號頻率，f=2.4 GHz。代入式(1)，得到為了滿足協議要求的最小接收功率，軍用無線局域網設備的最小等效輻射功率（EIRP）為64.58 dBm，若天線增益為 20 dBi，則發(fā)射功率≥45 dBm（30 W）即可。另一方面從接收方向計算，根據接收機噪聲計算公式：

式中，B為帶寬，單位為Hz，IEEE802.11協議規(guī)定的最大傳輸帶寬為20 MHz；考慮天線和接收機的噪聲系數NC為15 dB，則接收機的底噪功率為：-87 dBm。再結合式(1)計算的信號強度，SNR≥22 dBc，滿足解調要求。

因此若要增加作用距離，則需要在現有IEEE802.11協議的基礎上增大發(fā)射功率，降低天饋和接收機引入的噪聲系數。

綜上所述，在解決上述3個問題的基礎上，無線局域網可較好的應用于戰(zhàn)術互聯網中的營連級組網通信或單兵/裝甲連隊通信。其營連級組網工作的模式如圖4所示。連隊內任何一個終端都可以和就近的無線接入點相連，并通過無線中繼和其他終端之間傳輸數據，IP地址可以自動分配也可以通過命令手動分配。如果一個節(jié)點被損壞，與其相連的終端自動選擇就近的其他節(jié)點聯接，具有極強的自我修復能力。單兵/裝甲連隊通信如圖5所示，通過調整通信雙方使用的信道，并設置一個主發(fā)起人，則可以實現單兵/裝甲連隊無中心節(jié)點通信。無中心節(jié)點通信，完成數據傳輸仲裁的額外開銷較小，傳輸的有效數據率較高。

4 典型應用場景分析

下面詳細分析一個連級裝甲部隊在平原作戰(zhàn)環(huán)境中，利用無線局域網完成戰(zhàn)術互聯網底層節(jié)點—連級戰(zhàn)術自組網的方法。

一個裝甲連標準編制為4輛戰(zhàn)車，單車間距離約為1～4 km不等，相對運動速度0～15 m/s。為統(tǒng)一多車對敵方單車進行分布式目標打擊或綜合共享作戰(zhàn)區(qū)域內敵情及我方戰(zhàn)損情況，需交互以下數據：

1）戰(zhàn)場指揮控制命令。

2）敵方目標所在位置信息。

3）發(fā)現該目標的我方戰(zhàn)車位置信息。

4）微光夜視儀、紅外熱成像儀所觀察的環(huán)境及敵方目標圖像信息。

5）我方戰(zhàn)車的車輛情況，含運動速度、運動方向、受損情況、彈藥儲備、車內人員傷亡等。

根據上述數據需求估算數據量：戰(zhàn)場指控命令需要大約64個32 bit字表示（含后續(xù)擴展），傳輸率最快為1幀每秒；敵方和我方戰(zhàn)車以相對縱橫坐標及相對觀測高度進行表示，精確到米級。一個目標或戰(zhàn)車位置信息共需3個32 bit字，傳輸率為8幀每秒，與實時圖像配合；微光夜視儀、紅外熱成像儀所觀察的環(huán)境及敵方目標圖像信息用320×240的256階灰度圖像表示，傳輸率恒定為24幀每秒；我方車輛情況根據車載傳感器數量不同可能會有所差別，在定義時都是數字信息表述，且運動速度、運動方向（以正北坐標系為參考）、受損部件代碼、彈藥種類代碼及儲備和人員傷亡情況所需代碼種類不會太多，因此經測算采用32個32 bit字表示即可，傳輸率最快為2幀每秒。

根據上述數據兩測算單車在最快數據傳輸時要求的有效數據率為：EDTR=64×32+3×32×8+480×320×24+32×32×2≈1.8 Mb/s。考慮基于信源層的校驗引入10%的額外數據量，無線局域網基于MAC層的數據加密和抗干擾措施引入15%的額外數據量，在物理層采用 3/4卷積編碼，物理層數據包誤碼帶來的數據重傳開銷為編碼后數據率的10%。物理層實際雙向最高傳輸率為：DTR=1.8×1.1×1.15×（4/3）×1.1×2≈6.1 Mb/s。

結合無線局域網特性，可以有兩種網絡架構可以選擇：

（1）基于單一信道接入點的中心節(jié)點架構

中心節(jié)點架構如圖4所示，根據4車編制計算，其物理層最高數據傳輸率為 24.6 Mb/s，采用IEEE802.11g/n物理層協議均能滿足要求。但同時也存在兩個問題：IEEE802.11g/n采用OFDM+16QAM/64QAM調制，傳輸距離受幀頭時間同步參數約束，傳輸距離有限；另一方面，采用高數據承載率的16QAM或64QAM調制在遠距離傳輸時誤碼率急劇上升，當物理層數據誤包率 PER≥30%，會自動變?yōu)?QPSK或 BPSK調制，物理層數據率則下降到18 Mb/s，不能滿足作戰(zhàn)使用要求。

（2）基于多信道的無中心節(jié)點架構

由圖5得到無中心節(jié)點的基本架構，即4車編制兩兩之間采用獨立信道通信，信道帶寬均采用10 MHz標準帶寬。在物理層編碼上采用DSSS+QPSK的調制方式，最高數據傳輸率為9 Mb/s，在2 km以上的數據傳輸誤碼率較低，根據現有設備測試誤包率 PER≤10%，滿足戰(zhàn)術自組網的最大穩(wěn)定數據傳輸率要求，同時也減少了同一信道內的數據碰撞與仲裁。較中心節(jié)點架構而言，更適合特種部隊單兵/裝甲連隊的組網需求。

常規(guī)野戰(zhàn)軍營連級組網，由于單兵數據量不大，且接入點太多，因此可采用基于單一信道接入點的中心節(jié)點架構。

5 WLAN的應用前景

無線局域網在中國軍事和政府等高安全等級部門的應用尚處于起步階段，由于以前無線局域網的安全性原因，很多保密單位、部門和軍隊都禁止使用無線局域網。

隨著無線局域網安全技術的發(fā)展，以及外軍在提升安全性、抗毀性后通過無線局域網發(fā)展的一系列短視距通信裝備和系統(tǒng)，已經證明無線局域網經過安全性和抗毀性升級后，并增加一定的作用距離，可作為低成本方案用于戰(zhàn)術互聯網。相對于寬帶數據鏈，無線局域網成本低、架設簡單、戰(zhàn)損后的快速恢復能力強。作為營連一級的支線戰(zhàn)術網絡比寬帶數據鏈具有更好的適應性和經濟性。美軍也是采用以寬帶數據鏈作為陸軍戰(zhàn)術互聯網干線，軍用無線城域網作為旅團級寬帶通信第二級干線，軍用無線局域網作為營連級和單兵級通信支線，而 WGS衛(wèi)星的寬帶星地數據鏈完成戰(zhàn)略數據傳輸的方式，構成下一代戰(zhàn)術互聯網。

因此，如果將無線局域網經過升級后用于連隊級組網通信以及單兵點對點通信，可以實現最基層軍事主官對每一個士兵狀態(tài)和面臨敵情的直觀掌握，配合單兵傳感器可以將這些情況數字化后傳入指揮點，自動和人工相結合判斷信息的重要等級，并快速作出響應。另外，相比使用單兵數據鏈終端和中繼處理機，無線局域網終端和接入點具有成本極低和易于生產的特點，更適合大量裝備。

6 結語

隨著無線局域網技術的發(fā)展，當前的無線局域網已具有較好的安全性和抗毀性，在美國和德國等國家都已獲得軍事上的應用。根據美國“基于現成商業(yè)產品經改造后用于軍事領域”的發(fā)展理念和在現役裝備上的廣泛應用，無線局域網在軍事上有著更大的發(fā)展空間。以此為參考，結合信息化的發(fā)展需求，無線局域網在未來的寬帶戰(zhàn)術互聯網中有著廣泛的應用前景，能夠使我軍以較快的速度和較低的成本實現對“全球信息柵格最后一英里”的覆蓋。

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