劉曉鵬,陳西宏,胡茂凱

(空軍工程大學 導彈學院,陜西 三原 713800)

一種基于短波和散射通信的自組網(wǎng)新方案

劉曉鵬,陳西宏,胡茂凱

(空軍工程大學 導彈學院,陜西 三原 713800)

結(jié)合地空導彈網(wǎng)絡化作戰(zhàn)對于通信網(wǎng)絡的需求,分析了無線自組網(wǎng)在其中的應用。針對短波通信帶寬小、時延大以及信道不穩(wěn)定的缺點,將對流層散射通信引入到短波自組網(wǎng)中,設計了多信道的無線自組網(wǎng)?？刂菩诺啦捎枚滩?數(shù)據(jù)業(yè)務信道采用散射通信,可以滿足組網(wǎng)的靈活性和實時的業(yè)務傳輸。最后對短波控制網(wǎng)絡在OPNET中進行設計和仿真,分析了不同路由協(xié)議的性能。所做工作可為地空導彈網(wǎng)絡化作戰(zhàn)的通信網(wǎng)絡的構(gòu)建提供參考。

網(wǎng)絡化作戰(zhàn);短波信道;對流層散射通信;無線自組網(wǎng)

1 引 言

信息時代的到來使得地空導彈武器系統(tǒng)必須要由平臺中心戰(zhàn)向網(wǎng)絡中心戰(zhàn)轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變使通信方式發(fā)生深刻變化,通信網(wǎng)絡不但要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽俊蚀_和快速,還應具有一定的抗干擾能力、靈活性和抗毀性[1-2]。文獻[3]針對防空作戰(zhàn)信息化、網(wǎng)絡化作戰(zhàn)的需要,闡述了防空網(wǎng)絡化作戰(zhàn)無線自組網(wǎng)的客觀必要性。無線自組網(wǎng)以其抗毀性強、不依靠任何的固定設施、組網(wǎng)靈活、節(jié)點融入和撤出方便等無可比擬的優(yōu)勢能夠更好地適應復雜的戰(zhàn)場環(huán)境,滿足防空導彈網(wǎng)絡化作戰(zhàn)體系中各單元對戰(zhàn)時敏感信息的需求,對提高通信保障能力具有十分重要的意義。作為無線自組網(wǎng)的一個發(fā)展趨勢,多信道無線自組網(wǎng)能夠使得節(jié)點工作在不同的信道上,從而獲得不同的傳輸范圍和傳輸性能,能夠滿足不同信息的傳輸需求[4]。短波自組網(wǎng)已經(jīng)在各種作戰(zhàn)系統(tǒng)中得到廣泛應用,如美軍的“高頻特遣內(nèi)部系統(tǒng)”(HF-ITF)、高頻數(shù)據(jù)網(wǎng)(HFDN)以及澳大利亞的“長魚”短波自組織網(wǎng)絡等。文獻[5-6]指出對流層散射通信具有集成度高、組網(wǎng)靈活、便于機動的特點,相比于短波通信,在傳輸速率、傳播可靠度、抗干擾抗截獲能力等方面有很大的優(yōu)勢,在軍事通信網(wǎng)中有著廣闊的應用前景。

本文結(jié)合短波通信和對流層散射通信的特點,提出了一種短波、散射相結(jié)合的多信道無線自組網(wǎng)方案,對短波控制網(wǎng)的節(jié)點進行了設計并在OPNET中進行了網(wǎng)絡仿真,分析了其性能。

2 多信道無線自組網(wǎng)系統(tǒng)設計

2.1 軍用無線自組網(wǎng)

無線自組網(wǎng)是由系統(tǒng)中的無線移動通信節(jié)點通過分布式協(xié)議算法互聯(lián)或組織起來的網(wǎng)絡系統(tǒng),是一種自組織、自愈合的網(wǎng)絡,其中的無線移動節(jié)點可以自由而動態(tài)地自組織成任意臨時性的網(wǎng)絡拓撲。網(wǎng)絡中各節(jié)點既可以是終端,又能夠具有路由的功能,具有很強的抗毀性,能很好地適合戰(zhàn)場環(huán)境,是數(shù)字化戰(zhàn)場通信的一項重要技術。

無線自組網(wǎng)最初應用于軍事領域,它的研究起源于美軍20世紀70年代戰(zhàn)場環(huán)境下分組無線網(wǎng)數(shù)據(jù)通信項目,是分組交換技術在無線傳輸環(huán)境中的應用,其后又在1983年和1994年進行了抗毀自適應網(wǎng)絡(Survivable Adaptive Network,SURAN)和全球移動信息系統(tǒng)(Global Information Systems,GloMo)項目的研究。上述的網(wǎng)絡形式形成了軍用無線自組網(wǎng)技術發(fā)展的基礎[7]。目前,已有數(shù)十種以自組網(wǎng)為網(wǎng)絡環(huán)境的路由協(xié)議,主要分為先應式路由、反應式路由以及混合式路由等。

將無線自組網(wǎng)應用于地空導彈網(wǎng)絡化作戰(zhàn),可以通過無線網(wǎng)絡使各級指控節(jié)點共享空情信息和協(xié)同決策,避免態(tài)勢認知和決策計劃上的盲目,為防空網(wǎng)絡化作戰(zhàn)提供更加快速、準確、高效的決策和控制服務。通過無線組網(wǎng)可提升控制系統(tǒng)的整體生存能力,抗擊敵方的信息干擾和攻擊,保持區(qū)域防空網(wǎng)絡化作戰(zhàn)指揮控制的整體穩(wěn)定、連續(xù)和不間斷,還可以通過無線網(wǎng)絡滿足對戰(zhàn)場指揮控制移動性和實時性的要求,適應防空網(wǎng)絡化作戰(zhàn)靈活機動的特點。

2.2 系統(tǒng)設計

已進行的軍用無線自組網(wǎng)研究中,一般是基于某一種通信手段進行,反映在網(wǎng)絡組織上,局限在短波或超短波等單一設備的應用。具體做法可以概括為:在網(wǎng)絡組織上預留專門的網(wǎng)絡控制信道,或者網(wǎng)絡控制信息和數(shù)據(jù)傳輸同步進行,結(jié)合信息傳輸需求對數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚傻冗M行控制。

由于防空導彈網(wǎng)絡化作戰(zhàn)通常采用較大范圍的分散布防模式,通信距離一般從幾公里到幾十公里甚至上百公里,通過單一的通信手段難以滿足實時性的要求或者大范圍超視距戰(zhàn)術協(xié)同的需求。如果僅使用短波實現(xiàn)無線自組網(wǎng),雖然在通信距離上能滿足大范圍戰(zhàn)術協(xié)同的需要,但是由于短波傳輸速率及信道穩(wěn)定性的限制,不能很好地滿足實時性要求,網(wǎng)絡的安全性和抗干擾能力也會降低。如果僅依靠散射通信方式進行組網(wǎng),雖然在實時性和安全性等方面得到保障,但其采用的是波束極窄的定向天線,天線對準之后才能進行通信,也就意味著網(wǎng)絡一旦需要重組則需要花費一定的時間來重新構(gòu)建網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)。短波通信和對流層散射通信的性能對比如表1所示。

表1 短波通信和散射通信性能比較Table I Performance comparison between HF and troposcatter communication

基于上述分析,結(jié)合短波、散射通信設備的特點,兩者的優(yōu)勢互補,依據(jù)“短波實現(xiàn)需求管理,散射通信完成數(shù)據(jù)傳輸”的思想,提出了防空導彈網(wǎng)絡化作戰(zhàn)中無線自組網(wǎng)的組織形式,即用短波實現(xiàn)無線自組網(wǎng)的控制,完成節(jié)點間信息傳輸需求和可用路由的計算,進而依托散射通信對數(shù)據(jù)傳輸進行控制。

網(wǎng)絡中的各個節(jié)點同時具有短波電臺和散射通信設備。在需要組網(wǎng)時,由短波實現(xiàn)無線自組網(wǎng)的控制,根據(jù)路由協(xié)議計算可用路由,確定網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu),繼而調(diào)度相應節(jié)點的散射天線相互對準,構(gòu)建散射通信網(wǎng)絡,依托散射通信網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù),達到靈活組網(wǎng)和實時可靠傳輸?shù)碾p重目的。

3 短波控制網(wǎng)絡節(jié)點協(xié)議棧

國際標準化組織(ISO)于1981年制定了一個網(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)構(gòu),即開放系統(tǒng)互連(Open System Interconnection,OSI)模型。本文依據(jù)OSI模型以及Zigbee協(xié)議棧的架構(gòu)思想,將短波控制網(wǎng)節(jié)點劃分為4個層,由低層到高層依次是物理層、媒體訪問控制層、網(wǎng)絡層和應用層,如圖1所示。

圖1 短波控制網(wǎng)節(jié)點協(xié)議棧Fig.1HF control network protocol stack

物理層:將上層傳送來的比特流轉(zhuǎn)換成電磁信號,通過短波電臺和短波信道傳遞給其他電臺。其主要目的是提高短波通信的傳輸速率、傳輸效能和抗干擾能力,為上層的各種應用提供高速、高可靠的短波通信保障。

媒體訪問控制層:主要任務是提供一種可靠的通過物理介質(zhì)傳輸數(shù)據(jù)的方法。在這一層,定義了數(shù)據(jù)幀的種類、幀結(jié)構(gòu)、基本的數(shù)據(jù)收發(fā)和應答的方式等。

網(wǎng)絡層:主要負責定址與尋址、確定網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)、路由的建立和選擇、消息的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則等。由于短波信道的不穩(wěn)定性,短波路由技術是短波自組織網(wǎng)網(wǎng)絡技術研究的難點,需要依據(jù)短波信道的實際環(huán)境進行路由的研究與設計。

應用層:應用層則是根據(jù)用戶功能需求,定義相關功能的命令等。能夠為戶提供各類業(yè)務,包括話音、文電、傳真與e-mail等。本設計中應用層應能夠通過獲取的相應節(jié)點的相關信息,如位置、坐標等信息,利用這些信息實現(xiàn)散射通信的組網(wǎng)。

各個層之間相互配合,各自完成相應的功能。

4 基于OPNET的短波控制網(wǎng)的仿真與分析

在OPNET中對短波控制網(wǎng)的節(jié)點和網(wǎng)絡進行構(gòu)建并仿真。

4.1 節(jié)點模型

按照上文提出的短波控制網(wǎng)節(jié)點模型,在OPNET自帶節(jié)點模型的基礎上進行構(gòu)建,使其體現(xiàn)短波通信的特點。一個網(wǎng)絡節(jié)點包括物理層的無線發(fā)射機和接收機、媒體訪問控制層的MAC模塊、網(wǎng)絡層的IP模塊組、應用層模塊等。構(gòu)建的節(jié)點模型如圖2所示。

圖2 節(jié)點模型Fig.2 Node model

4.1.1 無線發(fā)射機和接收機

對無線收發(fā)模塊的管道階段[8]進行修改,主要修改閉合階段和傳播時延。OPNET仿真中閉合階段的計算是基于物理上的考慮,如障礙物、地球表面對信號的遮蔽。由于短波主要依靠天波進行傳輸,不考慮通信盲區(qū)的話,可認為一個節(jié)點對于其他任意節(jié)點都是可達的。

傳播時延管道是用來計算分組數(shù)據(jù)在無線信道上的傳播時間。OPNET中,信號傳輸距離為發(fā)射與接收無線節(jié)點之間的直線距離,來計算信號傳播時間。但短波遠距離通信是依靠電離層反射實現(xiàn)的,故需要修改信號傳輸距離的計算方法。此外,在短波電離層反射信道中,發(fā)射端發(fā)射的電波可能通過多條路徑傳播到達接收端。由于不同的路徑對電磁波的延時不同,信號到達接收端的時間有先有后,其最大的時間差稱為多徑時延。多徑時延應是傳播時延的一個組成部分。多徑時延隨傳播距離的不同而動態(tài)變化,在100～300 km的短波線路上,由于電離層與地面之間的多次反射,多徑時延可以達到8 ms[9]。綜上分析,傳播時延的計算方法為

式中,d為發(fā)射與接收節(jié)點之間的直線距離;h為反射點高度,選用晝夜存在的F2層作為反射層,反射點高度固定選取300 km;Δτ為多徑時延。

4.1.2 媒體訪問控制模塊

MAC層模塊由OPNET Modeler自帶的wlan mac模塊修改而得到。由于wlanmac模塊中要求的最大傳播時延為1 μ s,不符合短波通信的特點,故將wlan mac對傳播時延的限制進行修改,使其能滿足短波通信的特點。另外,wlan mac模塊對數(shù)據(jù)速率的要求達到2 Mbit/s以上,故修改其數(shù)據(jù)速率為9.6 kbit/s,使其支持短波通信的數(shù)據(jù)速率。

4.1.3 其他模塊

節(jié)點模型中的其余模塊選用軟件自帶模塊。其中,rte-mgr模塊定義了節(jié)點所使用的路由協(xié)議;traf-src模塊主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務的產(chǎn)生和接收;網(wǎng)絡層模塊組實現(xiàn)網(wǎng)絡尋址、路由生成、路由維護功能。

4.2 網(wǎng)絡模型

在節(jié)點模型搭建完成的基礎上,搭建短波控制網(wǎng)網(wǎng)絡模型,如圖3所示。網(wǎng)絡由10個節(jié)點組成,隨機分布在200 km×200 km的范圍內(nèi)。

圖3 網(wǎng)絡模型Fig.3 Network model

4.3 仿真結(jié)果及分析

仿真參數(shù)設置如表2所示。

表2 仿真參數(shù)Table 2 Simulation parameters

在不同的協(xié)議下,對協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)時間、路由開銷性能評估參數(shù)進行仿真,性能比較結(jié)果如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 DSR平均路由發(fā)現(xiàn)時間Fig.4 Average router discovery time in DSR

圖5 AODV平均路由發(fā)現(xiàn)時間Fig.5 Average router discovery time in AODV

圖6 OLSR網(wǎng)絡拓撲變化次數(shù)Fig.6 Topology changes in OLSR

圖4和圖5表示反應式路由DSR(Dynamic Source Routing Protocol)和AODV(Ad hoc On-Demand Distance Vector)的平均路由發(fā)現(xiàn)時間。反應式路由在需要傳輸時才啟用路由發(fā)現(xiàn)機制,其路由開銷較小。由圖可以看出,DSR的平均路由發(fā)現(xiàn)時間在10 s左右,而AODV的平均路由發(fā)現(xiàn)時間明顯優(yōu)于DSR,在2～3 s之間。先應式路由OLSR(Optimized Link State Routing Protocol)需要周期地廣播路由信息。由圖6可以看出,網(wǎng)路拓撲結(jié)構(gòu)在7 min內(nèi)始終在變化,約7 min之后不再變化,網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)才能穩(wěn)定,故OLSR的路由開銷較大,確定網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)花費時間較長。

5 結(jié) 論

本文著眼于地空導彈網(wǎng)絡化作戰(zhàn)對通信網(wǎng)絡的需求,結(jié)合實際,針對短波時延大、實時性差以及帶寬小的缺點,將對流層散射通信引入到短波無線自組網(wǎng)中,對基于短波和散射通信的無線自組網(wǎng)方案進行了設計,充分發(fā)揮兩種通信手段的特點,既能夠彌補短波組網(wǎng)通信容量小的缺點,又能夠提高散射組網(wǎng)的靈活性充分發(fā)揮散射通信的特點;既能夠滿足地空導彈網(wǎng)絡化作戰(zhàn)大范圍分散布防協(xié)同的需求,又能夠保證通信服務的質(zhì)量,為地空導彈網(wǎng)絡化作戰(zhàn)的通信網(wǎng)絡設計提供了一定的參考。

同時,重點對短波控制網(wǎng)的鏈路層協(xié)議和路由協(xié)議進行了研究,并在OPNET中進行了仿真。由于短波通信的窄帶寬,路由開銷較大的先應式路由不能應用于短波網(wǎng)絡中,而反應式路由的路由發(fā)現(xiàn)時間會直接影響短波網(wǎng)絡的時延性能。因此,針對短波通信的特點,結(jié)合反應式路由和先應式路由各自的優(yōu)缺點,開發(fā)適合短波自組網(wǎng)的高性能路由協(xié)議將是下一步的重要研究方向。

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LIU Xiao-peng was born in Yicheng,Shanxi Province,in 1988.He received the B.S.degree from Air Force Engineering U-niversity in 2010.He is now a graduate student.His research concerns the tactics missile weapon system network technology.

Email:lxp4925110@163.com

陳西宏(1961—),男,陜西藍田人,教授、博士生導師,主要從事導彈工程和通信技術的研究;

CHEN Xi-hong was born in Lantian,Shaanxi Province,in 1961.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor.His research concerns missilery and communication technology.

胡茂凱(1985—),男,江蘇沭陽人,2010年于空軍工程大學獲碩士學位,現(xiàn)為博士研究生,主要從事戰(zhàn)術導彈通信對抗技術研究。

HU Mao-kai was born in Shuyang,Jiangsu Province,in 1985.He received the M.S.degree from Air Force Engineering U-niversity in 2010.He is currently working toward the Ph.D.degree.His research concerns tactics missile communication countermeasure technology.

A New Ad Hoc Scheme Based on HF and Troposcatter Communication

LIU Xiao-peng,CHEN Xi-hong,HU Mao-kai
(The Missile Institute,Air Force Engineering University,Sanyuan 713800,China)

According to the demand of communication network inground-to-air missile network operation,the advantages of application of Ad Hoc are analysed.The troposcatter communication is introduced to the HF Ad Hoc and a multi-channel Ad Hoc network is designed,due to the disadvantagesof HF communication,such as narrow bandwidth,long delay and instable channel.The usages of HF in control channel and troposcatter communication in date channel are enough to content the agility of network and real time communication.Finally,HF control network is designed and simulated in OPNET,and performances of different router protocols are investigated.These workswill provide some of referencesfor constructing anAd Hoc network adapting to the airdefense missile network operation.

network operation;HF channel;troposcatter communication;Ad Hoc network

TN92;TN915

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.036

1001-893X(2012)06-1009-05

2011-12-21;

2012-02-22

劉曉鵬(1988—),男,山西翼城人,2010年于空軍工程大學獲學士學位,現(xiàn)為碩士研究生,主要從事戰(zhàn)術導彈武器系統(tǒng)網(wǎng)絡技術的研究;