黃天章

(1.通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北石家莊050081;2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)是近幾年比較熱點(diǎn)的研究課題,其概念源于“認(rèn)知無線電”。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)是認(rèn)知無線電技術(shù)在系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)高度的擴(kuò)展。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)廣義上不只限于無線網(wǎng)絡(luò),而是適用于有線和無線均可的網(wǎng)絡(luò)范圍。認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)可以看作是認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的一種具體實(shí)現(xiàn)形態(tài)。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的自認(rèn)知、重配置的特點(diǎn),適用于網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。在軍事通信應(yīng)用場景下,適用于解決通信網(wǎng)絡(luò)的抗毀和重建,以及運(yùn)動中的通信問題?；趯φJ(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的研究,從具體工程應(yīng)用的角度,針對軍事通信網(wǎng)拓樸變化頻繁、網(wǎng)絡(luò)要求抗毀重建等特點(diǎn),將認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的概念和要素,引入到軍事通信網(wǎng)絡(luò)體系中,初步提出構(gòu)建軍事認(rèn)知通信網(wǎng)絡(luò),解決通信保障的服務(wù)質(zhì)量問題。

1 應(yīng)用需求

1.1 網(wǎng)絡(luò)抗毀與快速重建需求

在戰(zhàn)場應(yīng)用環(huán)境情況下,已有的軍事通信網(wǎng)絡(luò)會遭到嚴(yán)重?fù)p壞,原有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、網(wǎng)絡(luò)能力和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境會發(fā)生不可預(yù)測的重大變化。同時(shí)在特種應(yīng)急環(huán)境下,會綜合應(yīng)用無線、蜂窩、衛(wèi)星以及有線等多種通信手段,覆蓋不同的區(qū)域環(huán)境,如指揮中心、醫(yī)療中心、前沿指揮所以及后勤中心等。每一類區(qū)域可用的通信手段不一定相同,通信需求和通信方式也不相同。因此對通信網(wǎng)絡(luò)要保障為用戶提供不間斷的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提出了更高的要求。

1.2 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量QoS的需求

從最近的伊拉克和阿富汗戰(zhàn)爭來看,戰(zhàn)爭條件下的電磁環(huán)境、氣候環(huán)境和應(yīng)用環(huán)境情況越來越復(fù)雜多變,通信網(wǎng)絡(luò)的拓樸也要快速地隨之變化,與之相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)也相關(guān)地發(fā)生變化。而網(wǎng)絡(luò)用戶對已經(jīng)建立連接的服務(wù)質(zhì)量和將要建立連接的服務(wù)質(zhì)量要求不變。因此需要更有效的、新的方法和技術(shù)來解決通信網(wǎng)絡(luò)保障,為用戶提供不變的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

1.3 網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)性互連互通的需求

軍事通信網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)性包括3方面：一是接入技術(shù)的異構(gòu)性,典型的通信技術(shù)包括光纖、散射、微波、衛(wèi)通、WiFi以及藍(lán)牙等;二是終端的異構(gòu)性,例如：具有不同程度的智能無線終端、適配多制式網(wǎng)絡(luò)的多模終端、基于軟件無線電技術(shù)的可重配置終端、計(jì)算機(jī)終端、手持PDA等;三是組網(wǎng)方式的異構(gòu)性,如IP數(shù)據(jù)網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)、電臺網(wǎng)、有線電話網(wǎng)、單跳式無線網(wǎng)絡(luò)以及多跳式的無線自組織網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)等。目前的軍用通信網(wǎng)絡(luò),包括有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò),還無法做到各終端與節(jié)點(diǎn)間、各節(jié)點(diǎn)間、各網(wǎng)絡(luò)間采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的物理端口和協(xié)議,它們之間還采用多種不同物理層接口和協(xié)議來達(dá)到互連互通。由于使用的協(xié)議和接口不同,使得重組網(wǎng)絡(luò)的動作比較復(fù)雜、困難。需要更有效的、新的方法和技術(shù)來解決網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)性互連互通的問題。

2 網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

2.1 網(wǎng)絡(luò)組成和功能實(shí)體

目前在現(xiàn)有軍事通信網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)中已經(jīng)具備一些網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的感知或自動選擇功能雛型,但是僅限于某一功能或某一設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備還沒有實(shí)現(xiàn)“認(rèn)知—決策—重配置”的自動過程,還沒有全面地、系統(tǒng)化地從整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)角度進(jìn)行研究和實(shí)現(xiàn)。

針對上節(jié)描述的需求,目前的軍事通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和具備功能尚不能達(dá)到要求。因此引入認(rèn)知概念,有意識地、系統(tǒng)化地采用“認(rèn)知—決策—重配置”自動過程,構(gòu)建軍事認(rèn)知通信網(wǎng)絡(luò),可以在戰(zhàn)場復(fù)雜環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)拓樸頻繁變化的情況下,解決軍事通信網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)性互連互通的問題,保障網(wǎng)絡(luò)安全,為用戶提供不間斷的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和不變的高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。認(rèn)知概念應(yīng)用到廣義的軍事通信網(wǎng)絡(luò)中,提出構(gòu)建軍事認(rèn)知通信網(wǎng)絡(luò),也可以認(rèn)為是“智能”的軍事通信網(wǎng)絡(luò)。

軍事認(rèn)知通信網(wǎng)絡(luò)可以劃分由策略生成分系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)認(rèn)知與重配置控制分系統(tǒng)和可編程通信網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)3部分組成,對應(yīng)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的層面模型,如圖1所示。

圖1 軍事認(rèn)知通信網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)與層面參考模型關(guān)系

可編程通信網(wǎng)絡(luò)分系統(tǒng)由可編程路由交換節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)傳感器組成,可編程路由交換節(jié)點(diǎn)是軍事認(rèn)知通信網(wǎng)絡(luò)的控制實(shí)體,采用物理接口統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、鏈路速率可編程自適應(yīng)、鏈路協(xié)議可編程自適應(yīng)和路由協(xié)議可編程自適應(yīng)等方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接口和協(xié)議設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)傳感器完成網(wǎng)絡(luò)外部環(huán)境網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)(如電磁環(huán)境、天氣環(huán)境、地理環(huán)境等自然環(huán)境)的感知和狀態(tài)報(bào)告,以及完成網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部環(huán)境網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)(網(wǎng)絡(luò)不同接口種類、不同接口速率、不同協(xié)議等網(wǎng)絡(luò)多種條件環(huán)境)的感知和狀態(tài)報(bào)告。同時(shí)接受網(wǎng)絡(luò)重配置策略,按照策略完成網(wǎng)絡(luò)的重組。可編程通信網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)著認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)層面參考模型中的實(shí)體層和服務(wù)層之網(wǎng)絡(luò)子層。

網(wǎng)絡(luò)感知與重配置控制分系統(tǒng)完成網(wǎng)絡(luò)環(huán)境感知信息的匯總和初步分析,包括網(wǎng)絡(luò)物理接口狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)以及網(wǎng)絡(luò)安全狀態(tài)等信息,提交給策略生成單元;在控制方面,采用帶寬資源控制、流量資源控制以及優(yōu)先級鏈路控制、優(yōu)先級隊(duì)列控制等策略,將策略生成的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)重配置策略轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)重配置參數(shù),完成網(wǎng)絡(luò)資源的分配和路由交換的管理。

策略生成分系統(tǒng)是將網(wǎng)絡(luò)感知單元提交的“局部”網(wǎng)絡(luò)環(huán)境認(rèn)知信息經(jīng)過融合處理形成通信網(wǎng)絡(luò)“全局”的網(wǎng)絡(luò)資源認(rèn)知信息,然后通過智能決策系統(tǒng)形成必要的網(wǎng)絡(luò)重配置策略。

網(wǎng)絡(luò)感知與重配置控制分系統(tǒng)和策略生成分系統(tǒng)對應(yīng)實(shí)現(xiàn)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)層面參考模型中的服務(wù)層之應(yīng)用子層。

2.2 工作流程

軍事認(rèn)知通信網(wǎng)絡(luò)認(rèn)知工作流程如下：

①軍事認(rèn)知通信網(wǎng)絡(luò)通過可編程路由交換節(jié)點(diǎn)中或與之相連的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)傳感器感知網(wǎng)絡(luò)外部自然環(huán)境狀態(tài)或內(nèi)部環(huán)境網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)生成狀態(tài)報(bào)告;

②通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給通信網(wǎng)絡(luò)感知控制單元,經(jīng)過初步的分析處理,匯總到網(wǎng)絡(luò)認(rèn)知環(huán)境單元;

③網(wǎng)絡(luò)認(rèn)知環(huán)境單元將“局部”網(wǎng)絡(luò)環(huán)境認(rèn)知信息經(jīng)過融合處理形成與當(dāng)前現(xiàn)實(shí)環(huán)境相對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)認(rèn)知環(huán)境,然后通過智能決策系統(tǒng)的智能化推理形成必要的網(wǎng)絡(luò)重配置策略;

④通信網(wǎng)絡(luò)資源管理單元將策略生成的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)重配置策略轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)帶寬、標(biāo)識、鏈路等重配置參數(shù),控制可編程路由交換節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu);

⑤可編程路由交換節(jié)點(diǎn)按照重配置參數(shù)完成網(wǎng)絡(luò)的重組。

2.3 網(wǎng)絡(luò)要素

表1給出了認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)要素在軍事認(rèn)知通信網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)例化說明。目的在于將認(rèn)知概念引入到軍事通信網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層面要素,從整個(gè)軍事通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)角度進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的研究和實(shí)現(xiàn)。

表1 軍事認(rèn)知通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)要素

3 功能特點(diǎn)分析比較

3.1 功能特點(diǎn)分析

軍事認(rèn)知通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)功能特點(diǎn)有：

(1)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)抗毀與快速重建功能

軍事認(rèn)知通信網(wǎng)絡(luò)會根據(jù)環(huán)境條件自適應(yīng)地選擇可用網(wǎng)絡(luò);快速自動地適配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓约熬W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的加入和退出;保證高優(yōu)先等級通信的連接;確保指揮信息的跨區(qū)域通信連接;保障重要通信業(yè)務(wù)的安全性。為用戶提供不間斷的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

(2)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量QoS功能

軍事認(rèn)知通信網(wǎng)絡(luò)可以管理一個(gè)連接的服務(wù)質(zhì)量。隨著應(yīng)用環(huán)境情況的變化,通信網(wǎng)絡(luò)的拓樸快速變化,與之相關(guān)連的周圍相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)要素也發(fā)生變化。軍事認(rèn)知通信網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)所處網(wǎng)絡(luò)環(huán)境現(xiàn)狀,快速感知網(wǎng)絡(luò)變化的信息,確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸,評估網(wǎng)絡(luò)連接的可靠性,決策選擇可用的有線或無線接入網(wǎng)絡(luò),迅速作出自適應(yīng)的調(diào)整;并且綜合利用多層網(wǎng)絡(luò)的能力,改變服務(wù)優(yōu)先順序,優(yōu)化運(yùn)作行為,重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓樸,優(yōu)化通信路由和鏈路,從而達(dá)到為用戶提供不變的高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的目標(biāo)。

(3)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連互通功能

軍事認(rèn)知通信網(wǎng)絡(luò)通過認(rèn)知過程,確認(rèn)不同的網(wǎng)絡(luò)、協(xié)議和接口,選擇優(yōu)化后的連接。軍事認(rèn)知通信網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)所處網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的感知信息,決策選擇可用的互連網(wǎng)絡(luò),克服每個(gè)節(jié)點(diǎn)的沖突并優(yōu)化連接,將網(wǎng)絡(luò)由混亂變?yōu)橛行?實(shí)現(xiàn)采用不同有線或無線接入技術(shù)和不同的終端組成的異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)之間的互連互通,從而保障為用戶提供不變的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

(4)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全功能

軍事認(rèn)知通信網(wǎng)絡(luò)增加接入控制、隧道、信任管理或入侵檢測等安全措施,達(dá)到安全目的。軍事認(rèn)知通信網(wǎng)絡(luò)通過對網(wǎng)絡(luò)各層的反饋進(jìn)行分析,通過采取改變規(guī)則、協(xié)議、加密和分組成員的設(shè)置、認(rèn)證等行為,預(yù)防、阻止和化解網(wǎng)絡(luò)被破壞的風(fēng)險(xiǎn),以提高網(wǎng)絡(luò)的安全性。

3.2 功能特點(diǎn)比較

軍事認(rèn)知通信網(wǎng)絡(luò)較之以前的軍事通信網(wǎng)絡(luò)的不同特點(diǎn)是：①按照“認(rèn)知—決策—重配置”的方法,系統(tǒng)化、有意識地增強(qiáng)對外界的電磁環(huán)境、天氣環(huán)境等環(huán)境的復(fù)雜多元素感知自動化,以及對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部不同網(wǎng)絡(luò)接口種類、不同接口速率、不同協(xié)議等多種條件環(huán)境的認(rèn)知自動化;②分析網(wǎng)絡(luò)環(huán)境認(rèn)知信息,得出共性特征,并利用過去獲得的和新學(xué)習(xí)得到的知識信息,參與決策,以得到更優(yōu)化的配置策略;③進(jìn)行統(tǒng)一處理,增加對越來越復(fù)雜環(huán)境的認(rèn)知和智能化處理,增加決策策略多種選擇的智能化處理,增強(qiáng)對網(wǎng)絡(luò)重配置的可控制力和執(zhí)行力。④實(shí)現(xiàn)循環(huán)“認(rèn)知——決策——重配置”的自動化過程,從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能化重構(gòu),達(dá)到滿足為用戶提供不間斷的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和不變的高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)服務(wù)要求。

4 關(guān)鍵技術(shù)

基于軍事認(rèn)知通信網(wǎng)絡(luò)“認(rèn)知——決策——重配置”自動過程對應(yīng)的功能實(shí)現(xiàn)所必須的技術(shù),重點(diǎn)提出相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 認(rèn)知環(huán)境多域認(rèn)知技術(shù)

多域認(rèn)知是指對多個(gè)領(lǐng)域環(huán)境的認(rèn)知,包括物理環(huán)境、氣候環(huán)境、無線電磁環(huán)境、有線環(huán)境以及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等多個(gè)領(lǐng)域中、多屬性要素的認(rèn)知。

要解決如何實(shí)現(xiàn)認(rèn)知信息的海量攝入、認(rèn)知信息的傳遞融合以及認(rèn)知信息的挖掘利用。多域認(rèn)知是軍事認(rèn)知通信網(wǎng)絡(luò)首先需要解決的關(guān)鍵問題。

認(rèn)知環(huán)境多域認(rèn)知技術(shù)研究網(wǎng)絡(luò)多域認(rèn)知模型與認(rèn)知方法,研究信息網(wǎng)絡(luò)多域認(rèn)知信息的獲取、傳送、表示、融合和利用技術(shù),研究網(wǎng)絡(luò)環(huán)境參數(shù)快速感知、網(wǎng)絡(luò)全局感知信息快速融合處理和網(wǎng)絡(luò)全局環(huán)境態(tài)勢生成技術(shù)。

4.2 認(rèn)知智能決策技術(shù)

軍事認(rèn)知通信網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)具有智能的主體,可以將機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、推理機(jī)制引入認(rèn)知智能決策,使得通信網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境自適應(yīng)。

認(rèn)知智能決策技術(shù)研究信息網(wǎng)絡(luò)資源虛擬控制機(jī)理,研究基于網(wǎng)絡(luò)認(rèn)知信息對可重配置網(wǎng)絡(luò)要素和網(wǎng)絡(luò)功能的快速決策機(jī)制,研究可重配置網(wǎng)絡(luò)要素與網(wǎng)絡(luò)的智能化管理與配置技術(shù)。

4.3 重配置技術(shù)

軍事認(rèn)知通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)最終要落實(shí)到實(shí)體的重配置。重配置的對象不僅包含終端重配置,還包含網(wǎng)絡(luò)重配置和服務(wù)重配置;重配置的作用范圍不僅限于單個(gè)節(jié)點(diǎn),而且還要實(shí)現(xiàn)端到端重配置,即覆蓋端到端路徑上的所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),其復(fù)雜度和重要性要高于單一的終端重配置。

重配置技術(shù)研究軍事認(rèn)知通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式、路由方式和連接方式等要素的可重配置能力,研究基于可調(diào)整參數(shù)或軟件可編程平臺的路由交換實(shí)現(xiàn)技術(shù),研究智能網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和跨層設(shè)計(jì)技術(shù)。

5 結(jié)束語

軍事認(rèn)知通信網(wǎng)絡(luò)是在通信網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層面和實(shí)體上實(shí)現(xiàn)認(rèn)知概念,從而使整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)體系上具備認(rèn)知功能。與非認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)相比,認(rèn)知可以用于改善資源管理、服務(wù)質(zhì)量(QoS)、接入控制、安全或其他網(wǎng)絡(luò)目的。軍事認(rèn)知通信網(wǎng)絡(luò)能為網(wǎng)絡(luò)用戶提供更好的端到端性能。隨著通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,軍事智能化通信網(wǎng)絡(luò)將是發(fā)展方向。為用戶提供不間斷的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和不變的高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)服務(wù),是軍事通信網(wǎng)絡(luò)持續(xù)追求的目標(biāo)。

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