張世偉　郝　威　于　錢

(1.海軍工程大學電子工程學院　武漢　430033)(2.92941部隊95分隊　葫蘆島　125001)

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艦艇編隊通信組網策略研究*

張世偉1郝威1于錢2

(1.海軍工程大學電子工程學院武漢430033)(2.92941部隊95分隊葫蘆島125001)

立足信息化條件下海上編隊作戰(zhàn)需求,在分析海上軍事通信需求的基礎上,給出了艦艇編隊通信組網策略。基于分布式TDMA的組網模式,提出有中心與無中心相結合的拓撲結構建立策略和動態(tài)按需分配的時隙分配策略,并給出了相應的入退網策略和安全策略。最后,提出艦艇編隊組網優(yōu)化關鍵技術框架,為艦艇編隊通信組網優(yōu)化方法的研究提供了理論基礎。

艦艇編隊; 組網策略; 拓撲結構; 時隙分配; 組網優(yōu)化

Class NumberTP302.1; TN915

1　引言

艦艇編隊通信網絡規(guī)模龐大、移動性強,如何通過合理的組網策略使通信網絡滿足信息化條件下聯(lián)合作戰(zhàn)的要求,是一項復雜的系統(tǒng)工程[1]。通信組網策略應包含通信模式、拓撲關系、資源分配規(guī)則、入退網機制和安全措施等內容[2],是通信組網優(yōu)化的基本依據。

信息化戰(zhàn)爭條件下,海上作戰(zhàn)空間廣闊,參戰(zhàn)單元復雜,作戰(zhàn)強度大,持續(xù)時間長,突發(fā)事件多,各類作戰(zhàn)保障部門對通信組網要求更高。艦艇編隊通信網絡系統(tǒng)作為指揮命令、戰(zhàn)場態(tài)勢等重要信息傳遞的基礎,是海軍履行新世紀新階段軍隊歷史使命、打贏高技術條件下海上戰(zhàn)爭的重要保證。

2　艦艇編隊通信組網需求

現(xiàn)代海戰(zhàn)以艦艇編隊為主,作戰(zhàn)任務艱巨,更加突出集陸、海、空等多軍兵種參與的聯(lián)合作戰(zhàn)模式[3]。由于海上戰(zhàn)場態(tài)勢及戰(zhàn)場壞境多變,指揮關系復雜,信息流通量大,在實時性、高效性和保密抗擾能力等方面對軍事通信網絡都提出了更高的要求。主要從三個方面分析艦艇編隊通信組網的需求:

1) 實時性

在執(zhí)行海上任務時,戰(zhàn)場態(tài)勢動態(tài)性強,攻防轉換迅速,通信的實時性是確保指揮所與戰(zhàn)斗單元進行戰(zhàn)場態(tài)勢融合、作戰(zhàn)效能釋放的基礎。通信的實時性主要包括話音通信和數據通信的實時性要求。要滿足實時性要求,必須選擇合理的通信方式,并科學分配通信資源。

2) 高效性

通信實時性是通信高效性的前提,通信高效性是指通信鏈路的建立、信息的分發(fā)、信息的傳輸高效可靠。現(xiàn)代海戰(zhàn)要求信息準確,即通信傳輸需要采取合理的拓撲結構(傳輸鏈路)、傳輸方式保證信息的準確傳輸。

3) 保密抗擾能力

信息化條件下,海戰(zhàn)場信息對抗激烈。極端情況下,還應該具有一定的抗毀性。保密性和抗干擾性是緊密相關的,保密性主要是采取加密技術,提高我通信的隱蔽性和可認證性,以降低敵方截獲、還原信息、制造假信息的可能性；而抗干擾性是采取通信抗干擾技術,在遭到敵通信干擾的情況下,保持我方的通信系統(tǒng)正常運轉。

3　艦艇編隊通信組網方式

在現(xiàn)有的數據鏈系統(tǒng)中,大多以時分多址(TDMA)作為接入算法。TDMA具有使用簡單,系統(tǒng)效率高的特點,但同時也存在系統(tǒng)結構固定,容納動態(tài)接入性能較差等缺點。TDMA作為一種有效的通信手段已得到廣泛應用[5～7],其多址接入技術特有的突發(fā)通信模式具有良好的抗截獲和抗干擾能力,安全保密性能強。另外,TDMA使用的是“時間維”信道,組網靈活性強,更加適應多變的環(huán)境。因此,軍用戰(zhàn)術通信網大量使用了TDMA技術。

艦艇編隊通信采用基于TDMA的組網方式,其拓撲結構建立和時隙資源分配是TDMA組網的重要內容。同時,由于艦艇通信網絡的動態(tài)變化性和安全保密性,還需要考慮入退網策略和安全策略。

3.1拓撲結構建立策略

通信網絡拓撲結構一般分為三種:點對點組網、星形組網和網狀組網[8]。點對點組網要求每個時刻每個通信節(jié)點只能與另一個通信節(jié)點通信,該類結構一般只適用于只有兩個通信節(jié)點的通信；星形組網對中心節(jié)點要求較高,中心節(jié)點控制每個終端節(jié)點,各終端節(jié)點均可以經過中心節(jié)點進行通信(經過二跳),星形組網抗毀能力較弱；網狀組網則是每個終端節(jié)點均可不經過中心節(jié)點而完成通信,即只經過一跳變就可以完成任意兩節(jié)點之間的通信,該種組網方式抗毀能力強,單通信鏈路過多,會造成資源浪費。

圖1　通信網絡拓撲結構種類

一般認為戰(zhàn)術通信網應采用無中心節(jié)點的端到端結構形式,以提高靈活性和抗毀性。商業(yè)通信采用的蜂窩體制中,其每個小區(qū)都有自己的中心節(jié)點,基站各用戶間通信均通過基站控制和轉發(fā)。相反,端到端結構的網絡因其各成員用戶均直接互通而具有較好的抗毀性,但由于沒有統(tǒng)一的協(xié)調控制,其系統(tǒng)容量及信道使用效率相對較低,這往往難以滿足現(xiàn)代化戰(zhàn)爭高密度、大強度信息交換的要求。

對于典型的通信數據鏈網絡,其拓撲結構又可分為有中心網絡和無中心網絡是兩種典型的網絡結構。有中心數據鏈網絡管理方便,但對中心節(jié)點的通信質量及可靠性要求非常高,當執(zhí)行任務的節(jié)點數量較多時,會導致時隙輪詢周期延長、通信實時性下降、通信質量和傳輸速率降低等問題,因此中心式網絡結構對大型水面艦艇中心節(jié)點數據鏈通信裝備的性能提出了更高的要求。而對于無中心網絡具有更好的穩(wěn)健性,更適用于在艦載機等臨時性節(jié)點上使用,但是當節(jié)點較多時難以進行網絡管理與規(guī)劃。

圖2　有中心節(jié)點與無中心節(jié)點相結合的拓撲結構

因此,提出采用有中心節(jié)點與無中心節(jié)點相結合的艦艇編隊通信組網拓撲結構,如圖2所示。在這種組網結構中,雖然設置中心節(jié)點,但各普通節(jié)點(端節(jié)點)間可以不通過中心節(jié)點進行通信。在某些普通節(jié)點間建立通信鏈路以減輕中心節(jié)點的壓力,同時這種組網方式既考慮了通信網絡的抗毀能力,又兼顧了通信資源的利用率。

3.2時隙資源分配策略

以TDMA為多址接入方式的戰(zhàn)術通信網中一個關鍵問題就是時隙資源分配。時隙分配是否合理將影響到通信組網的性能。目前,時隙分配策略主要有固定分配和按需分配兩種[9]。但常規(guī)的固定時隙TDMA網絡對時隙的利用率較低,當業(yè)務量變化較大時,會導致大量資源浪費,甚至會造成某些節(jié)點無法順利完成規(guī)定通信業(yè)務?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭形勢瞬息萬變,固定時隙分配方法得到的時隙預分配方案很難滿足戰(zhàn)場通信要求,難以應對如通信業(yè)務突然增加、節(jié)點突然如退網等緊急情況。因此,艦艇編隊通信組網中應采用按需分配的時隙資源分配方式,使各通信節(jié)點的時隙資源能夠根據實戰(zhàn)中的情況進行改變。

時隙需求由以下幾個方面來決定[10]:

1) 業(yè)務量。表示報告周期的某類業(yè)務的數量。所需時隙數隨著業(yè)務量增大而增大。

2) 業(yè)務消息量。業(yè)務消息量表示一個業(yè)務要發(fā)送消息的個數。業(yè)務消息量也會影響所需時隙數量。

3) 消息容量。即時隙包格式限制。消息容量表示一個時隙能夠最大發(fā)送消息的數量,它受時隙包格式的影響。

4) 業(yè)務周期與時隙動態(tài)分配周期。業(yè)務的報告周期一般與時隙動態(tài)分配周期不相同,需要將報告周期所需的時隙數量轉換到時隙動態(tài)分配周期所需的時隙數量。

按需分配又可分為靜態(tài)分配方式和動態(tài)分配方式。靜態(tài)分配方式是在數據鏈系統(tǒng)使用之前,結合網絡組織的節(jié)點規(guī)模、應用場景、作戰(zhàn)任務、業(yè)務大小等,按照提前的通信需求預判為各通信節(jié)點分配相應的時隙資源,其網絡簡單,具有較高的通信可靠性,但通信網絡不夠靈活。動態(tài)分配方式則是在組網過程中完成,根據通信拓撲結構變化、通信業(yè)務量需求變化等信息,為各通信節(jié)點動態(tài)分配時隙資源。動態(tài)分配方式能有效提高數據鏈系統(tǒng)的靈活性和時隙資源利用效率,動態(tài)時隙分配流程如圖3所示。

在海上軍事通信組網過程中,不同的任務階段,不同的時刻,不同的作戰(zhàn)區(qū)域,其通信節(jié)點的位置、通信業(yè)務量都是變化的。而固定分配或者靜態(tài)分配方式不足以支持參與作戰(zhàn)的平臺的實際任務需求,為了使信息能夠在有限的時隙資源內完全共享,艦艇編隊通信組網應采用動態(tài)按需的時隙分配策略,以實現(xiàn)時隙資源按需動態(tài)調整。

圖3　動態(tài)按需時隙分配流程圖

3.3入退網策略

節(jié)點入網按入網節(jié)點在入網過程中所處的狀態(tài),可以分為主動入網和被動入網[11]。被動入網是指網絡中的主節(jié)點按照一定規(guī)則在整個空域內發(fā)送入網消息,新節(jié)點一直處于掃描接收狀態(tài),當收到入網消息后,新節(jié)點完成入網應答,加入網絡。主動入網是指新節(jié)點主動發(fā)送申請入網消息,在網絡中的節(jié)點一旦接收到申請入網消息,就向簇首節(jié)點申報發(fā)現(xiàn)新節(jié)點消息。簇首節(jié)點允許新節(jié)點加入后,就會為其分配通信時隙,使之加入網絡。

圖4　節(jié)點入網策略示意圖

無論是主動入退網策略還是被動入退網策略,都會引起組網的網絡拓撲結構及時隙資源分配的改變。因此,入退網優(yōu)化實際上是解決拓撲結果優(yōu)化和時隙資源分配優(yōu)化兩個方面的問題。傳統(tǒng)方式下,入網節(jié)點根據與子網的距離選擇加入哪個子網,時隙資源將從冗余時隙中進行分配；節(jié)點退網時,釋放時隙資源,而其節(jié)點分配時隙資源不隨之改變。傳統(tǒng)入退網策略比較固定,不能靈活多變,降低網絡的穩(wěn)定性,影響資源的利用率。

圖5　節(jié)點退網策略示意圖

在艦艇編隊協(xié)同通信中,作戰(zhàn)平臺(通信節(jié)點)種類多且分布不穩(wěn)定,由于任務的緊急性以及作戰(zhàn)單元到達指定位置時間的不確定性,新節(jié)點的入網具有隨機性的特點。新節(jié)點一般不會剛好在前一個動態(tài)周期結束和下一個周期開始之間到達,因此新節(jié)點入網前需要等待下一個調整周期的到來,在此之前只與所進入子網的節(jié)點建立通信鏈路,并與之爭用時隙資源。節(jié)點退網時,將增加冗余時隙,同時也影響到與之建立通信鏈路節(jié)點的拓撲關系。在下一個動態(tài)周期到來,時重新調整通信節(jié)點的拓撲結構和時隙資源分配。

3.4安全策略

安全抗干擾能力是軍事通信網絡的重要指標,主要提出如下安全策略:

1) 用戶分級保護策略

對不同密級的用戶訪問應有控制措施,用戶在管理上應相互區(qū)分。

2) 物理隔離策略

重要通信設備應與其他設備進行物理隔離,進行單獨管理。重要通信網絡應該獨立,不與其他子通信系統(tǒng)建立鏈路。

3) 信息加密策略

為確保信息系統(tǒng)在傳輸過程中的安全保密,防止信息系統(tǒng)的非法竊取和篡改,軍事通信信息傳輸過程中都應采用加密措施,保證傳輸信息系統(tǒng)的保密性。

4) 流量監(jiān)測策略

對鏈路上傳輸的通信流量和信息系統(tǒng)內容應進行安全監(jiān)測,及時發(fā)現(xiàn)通信鏈路上出現(xiàn)的異常流量。

5) 訪問控制策略

節(jié)點入網必須經過嚴格的身份驗證,嚴格控制訪問加入通信網絡的用戶,建立一定的口令對接制度。

6) 方案及設備備用策略

為防止通信網絡遭受毀滅性的打擊,應建立預案管理機制,通過緊急方案迅速建立通信網絡；每個通信平臺應存放備用通信設備。

4　艦艇編隊通信組網關鍵技術

本文中艦艇編隊通信組網采用有中心與無中心相結合的拓撲結構策略,采用動態(tài)按需分配的時隙分配策略。通信網絡是按照動態(tài)周期進行調整的,節(jié)點間的通信鏈路不是固定的,分配的時隙資源也隨著實際業(yè)務需求而變化。

圖6　艦艇編隊通信組網技術框架

每個新的調整周期開始,系統(tǒng)都將根據實際的戰(zhàn)場態(tài)勢和作戰(zhàn)任務進行拓撲結構和時隙資源分配的優(yōu)化,以適應新的戰(zhàn)場環(huán)境。拓撲結構優(yōu)化采用改進的遺傳算法,時隙資源分配采用改進的粒子群優(yōu)化算法。通過兩個智能優(yōu)化算法來解決通信組網的關鍵問題,為艦艇編隊通信組網提供最優(yōu)組網方案,技術框架如圖6所示。

5　結語

本文首先分析了艦艇編隊通信組網的實際需求,分別從拓撲結構建立、時隙資源分配、入退網機制和安全抗毀性四個方面闡述和分析了海上軍事通信組網策略,并根據組網策略提出海上軍事通信的關鍵技術,為后續(xù)研究提供了基本技術參考,對信息化條件下軍事通信網絡系統(tǒng)建設具有重要意義。

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Communication Networking Strategy of Warship Formation

ZHANG Shiwei1HAO Wei1YU Qian2

(1. Electrical Engineering School, Naval University of Engineering, Wuhan430033) (2. Unit 95, No. 92941 Troops of PLA, Huludao125001)

Be established in the demand of the sea formation attack under information condition, and based on the analysis of the demand of maritime military communication, the strategy of formation communication network is presented. Based on the network model of distributed TDMA, a strategy combining the central and non-central topological structure and the dynamic on-demand allocation of time slot allocation strategy is proposed. Then the relevant strategy of entry or exit of the network and security strategy is presented. At last, the key technology framework of warship formation network optimization is proposed, which provides a theoretical basis for the research of the optimization method of communication network.

warship formation, networking strategy, topological structure, slot allocation, network optimization

2016年4月3日,

2016年5月26日

張世偉,男,碩士研究生,助理工程師,研究方向:通信組織與指揮、軍事通信、信息安全等。郝威,男,碩士研究生,副教授,研究方向:通信組織與指揮、軍事通信等。于錢,男,碩士研究生,助理工程師,研究方向:智能優(yōu)化技術、軍事通信、衛(wèi)星導航等。

TP302.1; TN915

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.019