(海軍裝備軟件管理中心 北京 100841)

基于跨層的戰(zhàn)術柵格通信網絡體系結構分析*

徐勇

(海軍裝備軟件管理中心 北京 100841)

戰(zhàn)術柵格通信網絡必須首先保證重要數(shù)據能夠安全、準確、平穩(wěn)地傳輸,其網絡通信需要高效可靠的通信體系架構,而海戰(zhàn)場的通信環(huán)境十分復雜,論文以提高艦艇內和大型艦艇編隊節(jié)點間通信的可靠性以及業(yè)務服務質量(QoS)的可保障能力,降低通信延遲,提高網絡帶寬為目的,通過研究海上戰(zhàn)術柵格無線通信網中網絡層AODV協(xié)議與鏈路層Spatial-TDMA數(shù)據服務質量保障技術及數(shù)據傳輸結構和涉及的相關關鍵技術,研究基于跨層協(xié)議的戰(zhàn)術柵格無線網絡系統(tǒng)數(shù)據處理流程,構建跨層的戰(zhàn)術柵格通信網絡架構,為新時期海軍航母編隊作戰(zhàn)群執(zhí)行多樣化作戰(zhàn)任務時提供可靠、高效的網絡通信保障。

戰(zhàn)術柵格;通信網絡

ClassNumberTN918

1 引言

戰(zhàn)術柵格無線通信網絡是海上網絡中心戰(zhàn)環(huán)境下的信息基礎設施的重要組成部分[1～3],它以各式作戰(zhàn)艦艇、作戰(zhàn)飛機為通信節(jié)點,通過各式軍用數(shù)據鏈,組成具有移動和自組織特點的海上無線通信網絡。目前我國海軍正在實施從近海防御向中遠海作戰(zhàn)進行轉移的戰(zhàn)略方針,航母等大型艦艇編隊作戰(zhàn)群的作戰(zhàn)任務將越來越多樣化,作戰(zhàn)環(huán)境會變得越來越復雜,節(jié)點移動速度也越來越快,這對海上戰(zhàn)術柵格無線通信網提出了更高的要求,特別在海戰(zhàn)場復雜的電磁環(huán)境下,對節(jié)點間的可靠連接能力、業(yè)務服務質量的可保障能力等方面的需要進一步加強[4～5]。傳統(tǒng)網絡體系結構是基于分層思想的體系結構,雖然可以降低網絡設計難度,但已經不能很好地適應海上柵格戰(zhàn)術柵格無線通信網絡的移動特點、網絡效率、QoS(Quality of Service)支持以及可靠性保障等方面的要求,而且分層結構不利于整體架構與性能的優(yōu)化[6～7]。移動自組織網絡中協(xié)議棧的跨層設計方法,可以通過層間交互及時共享不同網絡層次的本地信息,減少數(shù)據處理與通信的開銷,從而優(yōu)化系統(tǒng)整體性能[8]。因此,可以利用移動自組織網絡跨層設計方法來建立基于跨層的海上柵格戰(zhàn)術柵格無線通信網絡體系,通過網絡層路由協(xié)議與鏈路層MAC協(xié)議的聯(lián)合設計為網絡提供可靠的QoS保障,同時利用網絡層路由協(xié)議與鏈路層MAC協(xié)議的交互,使得鏈路層Spatial-TDMA協(xié)議能夠在通信調度過程中完成網絡層AODV路由表查找,從而有效減少網絡開銷。

戰(zhàn)術柵格無線通信網絡旨在使海上各網絡節(jié)點的多用戶實現(xiàn)自動化的通信。這種自動化的網絡節(jié)點包括岸基指揮通信節(jié)點、海軍陸戰(zhàn)隊節(jié)點、航空母艦戰(zhàn)斗群和海上艦艇編隊各編成艦艇節(jié)點以及艦載飛機節(jié)點等等。利用各網絡節(jié)點的計算機可以與海軍內部通信網絡通信。

通過研究高效可靠的戰(zhàn)術柵格無線通信網絡體系結構,提高航母等大型艦艇編隊節(jié)點間通信的可靠性以及業(yè)務服務質量(QoS)的可保障能力,同時降低通信延遲,提高網絡帶寬。突破海上戰(zhàn)術柵格無線通信網中網絡層AODV協(xié)議與鏈路層Spatial-TDMA協(xié)議跨層設計所涉及的相關關鍵技術,為新時期海軍航母編隊作戰(zhàn)群執(zhí)行多樣化作戰(zhàn)任務時提供可靠、高效的網絡通信保障。

2 戰(zhàn)術柵格無線網絡系統(tǒng)設計目標

傳統(tǒng)的沒有QoS控制機制的分組交換網絡,對所有的業(yè)務都提供盡力而為型服務,所有的業(yè)務公平地共享網絡資源,網絡中間節(jié)點盡最大努力將數(shù)據分組傳輸?shù)狡淠康亩?網絡出現(xiàn)擁塞時后到的業(yè)務直接被丟棄[9～10]。這種方式思想簡單,適合于對實時性要求較低的如Email等的網絡業(yè)務,但是隨著視頻會議、遠程教育等復雜網絡應用的出現(xiàn),盡力而為的服務方式已經暴露出很多的弊端,這種服務方式已經不能滿足網絡應用發(fā)展的需要[11]。

對于戰(zhàn)術柵格無線通信網,盡力而為的服務方式顯然是不合適的。戰(zhàn)術柵格無線通信網,或者其它軍用網絡對數(shù)據分組都要求有一定的區(qū)分度,戰(zhàn)場上的數(shù)據總是有輕重緩急的,軍用通信網絡必須首先保證重要數(shù)據能夠安全、準確、平穩(wěn)地傳輸,而且也能夠容忍丟棄相對次要的信息。

基于戰(zhàn)術柵格無線通信網對重要業(yè)務優(yōu)先服務的原則,系統(tǒng)設計必須在集成服務與區(qū)分服務相結合的體系結構中,能夠區(qū)分出重要業(yè)務和相對次要的業(yè)務,并保證重要業(yè)務的傳輸和調度,在系統(tǒng)出現(xiàn)擁塞時能夠及時發(fā)現(xiàn)并解決擁塞。

3 戰(zhàn)術柵格無線網絡系統(tǒng)設計關鍵技術

· 基于AODV路由表的Spatial-TDMA協(xié)議時隙調度技術

路由協(xié)議與MAC協(xié)議的跨層交互設計的關鍵在于其信息的共享,通過改變傳統(tǒng)方式,把AODV的路由表信息共享給Spatial-TDMA協(xié)議,使得Spatial-TDMA在時隙調度過程中就完成了路由功能,這樣不但能夠簡化數(shù)據傳遞過程,還能節(jié)省網絡帶寬,提高節(jié)點間連接的可靠性,并進一步提高Spatial-TDMA的時隙空間復用性,減少節(jié)點間的通信沖突。

· 基于AODV路由發(fā)現(xiàn)與Spatial-TDMA時隙分配的QoS支持技術

將AODV協(xié)議路由發(fā)現(xiàn)過程與Spatial-TDMA時隙分配過程相融合,在路由發(fā)現(xiàn)過程,進行QoS要求申請,使得Spatial-TDMA進行時隙分配時充分考慮相應的QoS請求,以達到可靠的網絡業(yè)務質量保障。

4 戰(zhàn)術柵格無線網絡系統(tǒng)結構

傳統(tǒng)的戰(zhàn)術無線網絡采用分層結構體系,已經不能夠適應新時期海上編隊作戰(zhàn)群執(zhí)行多任務的需要。同時由于海上無線通信網絡的通信手段與商用的移動自組網存在較大差異,因此需要根據海上無線通信網自身的特點,利用移動自組網的跨層設計方法,建立基于跨層思想的海上柵格戰(zhàn)術柵格無線通信網絡體系結構,以保障節(jié)點的可靠連接和QoS支持。戰(zhàn)術柵格無線通信網是一個多級互聯(lián)的系統(tǒng),其數(shù)據發(fā)送方可能來自于不同的作戰(zhàn)部門,也可能來自于執(zhí)行任務的單兵,其通信過程是非常復雜的。其中,數(shù)據生成與發(fā)送端生成帶有優(yōu)先級標記的數(shù)據分組,模擬從其它節(jié)點收到的數(shù)據,之后將這些帶有優(yōu)先級標記的數(shù)據分組發(fā)送給數(shù)據接收端。數(shù)據接收端收到這些數(shù)據分組后,按設定的隊列調度機制和擁塞控制策略完成對隊列調度和擁塞控制的模擬。

戰(zhàn)術柵格無線通信網將戰(zhàn)場各種通信平臺、指揮控制平臺、情報處理平臺相互鉸鏈在一起,從而實現(xiàn)態(tài)勢感知和指揮控制信息在指揮通信系統(tǒng)內部橫向和縱向傳遞以及和上級指控所的無縫連接,其主要功能是承載數(shù)據業(yè)務,完成戰(zhàn)斗單元動態(tài)組網與協(xié)調通信。其體系結構包括如下部分:

1)無線分組子網層:主要有艦載內部單工戰(zhàn)術電臺和單工調頻電臺組網,用于提供艦內節(jié)點連接。

2)無線分組網層:由艦載寬帶數(shù)據電臺及其終端構成通信網絡,用于提供編隊簇內節(jié)點連接。

3)無線干線網層:由多部艦載大功率電臺組成,用于提供編隊簇間連接。

4)數(shù)據中繼網層:主要由戰(zhàn)術衛(wèi)星、戰(zhàn)略衛(wèi)星和民用衛(wèi)星構成的衛(wèi)星通信系統(tǒng),以及由無人機為重點的空中信息轉發(fā)平臺。

其中,無線干線網與無線分組網之間采用戰(zhàn)術多網網關來實現(xiàn)無縫連接;無線分組子網與無線分組網之間采用互聯(lián)網控制器來實現(xiàn)無縫連接,每個互聯(lián)網控制器都是一個無線路由器節(jié)點?；诜謱拥膽?zhàn)術柵格無線通信網絡的結構如圖1所示。

圖1 分層戰(zhàn)術柵格無線通信網絡結構

在最高層,主要由戰(zhàn)術衛(wèi)星、戰(zhàn)略衛(wèi)星和民用衛(wèi)星構成的衛(wèi)星通信系統(tǒng),滿足從戰(zhàn)略到戰(zhàn)術層次的全方位的信息傳輸需要。

在大氣層以下應發(fā)展以無人機(UAV)為重點的各種空中信息轉發(fā)平臺,克服各種高速無線數(shù)據傳輸系統(tǒng)視距傳輸?shù)南拗?滿足單兵和各作戰(zhàn)平臺高速信息傳輸?shù)男枰AV通常需要長時間工作,因此需要限制其傳輸功率來節(jié)省電能;位于一定范圍內的多個UAV可以組成一個特殊的空中多跳戰(zhàn)術柵格網絡,這種空中骨干網絡可以完成戰(zhàn)場監(jiān)視、情報收集、協(xié)調攻擊等任務,并可以與Internet互連來為遠程的指揮中心提供通信和指揮能力。

無線干線網層和無線分組子網層包括具有不同通信能力和處理能力的各種艦載通信設備和單兵可攜帶的通信設備,可以看成一個異質戰(zhàn)術柵格網絡,在這種異質網絡中,簇頭的選擇比較容易,一般由功能較強的指揮艦充當。各作戰(zhàn)單元可以選擇離其較近的簇頭來將網絡劃分成簇,按這種組網方式,艦艇之間的協(xié)同通信將變得非常簡單。

5 戰(zhàn)術柵格網絡系統(tǒng)數(shù)據處理流程

為了簡化系統(tǒng)的設計,將AODV數(shù)據處理協(xié)議進行擴充,實現(xiàn)其跨層次處理,并將其簡化為數(shù)據的生成與發(fā)送端、數(shù)據接收端兩個網絡節(jié)點。基于戰(zhàn)術柵格無線通信網的相關需求,重點在這兩個節(jié)點之間實現(xiàn)QoS過程并驗證相關算法的有效性。系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作時首先打開數(shù)據接收端的偵聽功能,其次,數(shù)據生成與發(fā)送端向接收端發(fā)送連接請求,在地址及端口號正確的情況下就建立起這兩個通信節(jié)點的連接了。之后,數(shù)據生成與發(fā)送端不斷地向數(shù)據接收端發(fā)送模擬指令。

數(shù)據接收端接收這些模擬指令,并根據這些指令的優(yōu)先級將其放入相應的緩沖區(qū)中。如果數(shù)據接收端的緩沖區(qū)未滿,則依次調度并處理優(yōu)先級為高、中、低的緩沖區(qū)中的模擬指令,統(tǒng)計延遲時間;如果數(shù)據接收端的緩沖區(qū)為滿,則數(shù)據接收端向數(shù)據生成與發(fā)送端發(fā)送擁塞信號并進行擁塞處理,擁塞解除后向數(shù)據生成與發(fā)送端發(fā)送擁塞解除信號,使發(fā)送端重新開始發(fā)送數(shù)據。數(shù)據生成與發(fā)送端在收到數(shù)據接收端發(fā)送的擁塞信號以及擁塞解除信號時會做出一些反應。

數(shù)據生成端在與數(shù)據接收端建立連接之后,就開始向數(shù)據接收端發(fā)送模擬指令,當它收到數(shù)據接收端發(fā)送的擁塞信號時,停止生成和發(fā)送模擬指令的動作,等待數(shù)據接收端擁塞的解除;當它收到數(shù)據接收端返回的擁塞解除信號時,開始重新生成并發(fā)送模擬指令的動作。

數(shù)據接收端在和數(shù)據生成與發(fā)送端建立連接之后開始接收發(fā)送端發(fā)送的模擬指令。數(shù)據接收端不斷地接收模擬指令,并根據指令的優(yōu)先級將其放入對應優(yōu)先級的緩沖區(qū),并按順序依次調取處理優(yōu)先級為高、中、低的緩沖區(qū)中的模擬指令,統(tǒng)計出處理30條模擬指令所需的延遲時間。緩沖區(qū)的大小有固定值,當模擬指令進緩沖區(qū)的速度大于出緩沖區(qū)的速度時,緩沖區(qū)會達到飽和狀態(tài),此時,數(shù)據接收端向數(shù)據生成與發(fā)送端發(fā)送擁塞信號,數(shù)據生成與發(fā)送端收到這個信號之后就不再發(fā)送模擬指令了,數(shù)據接收端在沒有新指令到達的情況下進行擁塞處理。當擁塞解除時,數(shù)據接收端向數(shù)據生成與發(fā)送端發(fā)送擁塞解除信號,數(shù)據生成與發(fā)送端重新生成并發(fā)送模擬指令,數(shù)據接收端接收并處理這些指令,直到下一次擁塞的出現(xiàn)。

6 結語

通過開展基于跨層協(xié)議設計方法的戰(zhàn)術柵格無線通信網絡體系結構的研究,從整體上優(yōu)化戰(zhàn)術柵格無線通信網絡的性能,提高網絡連接的可靠性,降低網絡控制開銷,節(jié)省無線信道帶寬資源,提高QoS的支持保障能力,為新時期我海軍航母等大型艦艇編隊作戰(zhàn)群中遠海作戰(zhàn)提供可靠高效的網絡通信保障,對建立和完善海軍未來通信體系架構,提高海戰(zhàn)場通信對抗能力等有著重要的意義。

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AnalysisofTacticalCommunicationNetworkArchitectureofGridSystemBasedonCrossLayerFramework

XU Yong

(Naval Equipment Software Management Center, Beijing 100841)

In order to ensure important data can be safely, accurately and smoothly transmited, Tactical grid communication network needs efficient and reliable network communication architecture. And the communication environment of sea battlefield is complex. In order to improve the ship and a large fleet of inter node communication reliability and quality of service(QoS)ability, reduce the communication latency, improve the bandwidth for the purpose of network, through the study of maritime tactical grid in a wireless communication network AODV protocol of the network layer and link layer spatial-TDMA data quality of service technology and data processing tactical grid wireless network system based on cross layer protocol, tactical grid communication network architecture for cross layer, for the new era of naval aircraft carrier formation the combat group performing diversified operations are researched to provide reliable, efficient network communication.

tactical grid, communication network

2013年11月8日,

:2013年12月27日

徐勇,男,碩士,工程師,研究方向:計算機應用、綜合電子信息系統(tǒng)等。

TN918DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.05.004