馮 瑀，何 彬

( 裝甲兵工程學(xué)院 信息工程系，北京 100072)

隨著信息技術(shù)和武器裝備的不斷發(fā)展，軍事通信作為作戰(zhàn)指揮的基本手段，在戰(zhàn)爭(zhēng)中的地位和作用越來越重要。由于現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)作戰(zhàn)形式日益多樣化，戰(zhàn)場(chǎng)通信時(shí)常在不可能存在固定通信基礎(chǔ)設(shè)施的環(huán)境中進(jìn)行，而且時(shí)刻面臨著敵方火力的攻擊或電磁干擾的危險(xiǎn)，因此要保障各作戰(zhàn)要素之間縱向和橫向的信息傳輸，就要求通信系統(tǒng)不但要具有可靠、靈活、易操作、全天候等特點(diǎn)，還要適應(yīng)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的要求，適合快速部署，無需固定設(shè)施支持，能夠支持話音、數(shù)據(jù)、圖像、視頻等，同時(shí)具有高機(jī)動(dòng)性、高抗干擾性和高抗毀性［1］。

無線分布式網(wǎng)絡(luò)起源于20 世紀(jì)70年代美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究規(guī)劃署( DARPA)為提升美軍在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下數(shù)據(jù)通信不受固定或有線的基礎(chǔ)設(shè)施限制所資助的一項(xiàng)特別研究——分組無線網(wǎng)絡(luò)( PRNET)。1994年，DARPA 在PRNET取得一定成果的基礎(chǔ)上對(duì)能夠滿足軍事應(yīng)用需要的、可快速展開、高抗毀性的移動(dòng)信息系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，由此開啟了移動(dòng)自組網(wǎng)( mobile Ad Hoc network，簡(jiǎn)稱Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)或MANET)研發(fā)的先河。隨著研究的不斷深入，衍生出了特定應(yīng)用環(huán)境下具有不同于移動(dòng)Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)特性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)( wireless sensor network ，WSN)和無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)( wireless mesh network，WMN，又稱無線網(wǎng)狀網(wǎng)等)［2］。這3 種網(wǎng)絡(luò)都采用了分布式、自組織組網(wǎng)思想，作為主要的無線分布式網(wǎng)絡(luò)在我軍的軍事通信中也廣為研究和應(yīng)用。本文著重就這3 種無線分布式網(wǎng)絡(luò)的基本概念、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和軍事應(yīng)用進(jìn)行研究和比較。

1 移動(dòng)Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)

1.1 基本概念

移動(dòng)Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)是一種由一組無線移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的、能快速部署的、自組織的臨時(shí)性分布網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有路由功能，可以隨意移動(dòng)，不在彼此覆蓋范圍內(nèi)的無線節(jié)點(diǎn)之間的通信可經(jīng)中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)來完成，因此，它不依賴基站或其它固定設(shè)施，也不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)節(jié)點(diǎn)或某部分而癱瘓，具有很強(qiáng)的抗毀性［3-4］。移動(dòng)Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 移動(dòng)Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2 特點(diǎn)

1)網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立性。網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立性是移動(dòng)Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)最大的特點(diǎn)。它可以在任意地點(diǎn)、任意時(shí)刻，不依基礎(chǔ)設(shè)施的支持，快速構(gòu)成一個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。

2)分布式的網(wǎng)絡(luò)組織形式。移動(dòng)Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)就是采用分布式的結(jié)構(gòu)，即網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無中心，所有節(jié)點(diǎn)地位平等，而且網(wǎng)絡(luò)允許節(jié)點(diǎn)隨時(shí)加入、隨時(shí)離開，因而整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有高抗毀性。

3)動(dòng)態(tài)拓?fù)?。移?dòng)Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)允許節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)變化的。

4)多跳路由。移動(dòng)Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)不僅要作為一個(gè)獨(dú)立主機(jī)存在，而且要具備路由器的功能。當(dāng)無線節(jié)點(diǎn)間通信時(shí)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在源節(jié)點(diǎn)的通信范圍內(nèi)，可直接進(jìn)行通信;當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)超出源節(jié)點(diǎn)的通信范圍時(shí)，可通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中繼，實(shí)現(xiàn)多跳轉(zhuǎn)發(fā)。這種“多跳”不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的“多跳”，它不需要由專門的設(shè)備來完成路由，而是通過網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)路由選擇，從而節(jié)約節(jié)點(diǎn)能量和擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。

5)有限的通信帶寬且不穩(wěn)定。移動(dòng)Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的通信都是通過無線傳輸實(shí)現(xiàn)，因此，無線信道能提供的數(shù)據(jù)通信帶寬相對(duì)于有線信道要窄很多，加之在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，受到復(fù)雜地形引起的多徑、衰落、噪聲以及敵方干擾的影響，無線鏈路容量易變化、不穩(wěn)定。

6)節(jié)點(diǎn)能源有限。移動(dòng)Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中的無線主要依靠電池或其他可耗盡能源來供電，這使得節(jié)點(diǎn)能源有限，進(jìn)而限制了節(jié)點(diǎn)的性能。

7)安全性不高。移動(dòng)Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)所采用的分布式結(jié)構(gòu)和無線技術(shù)進(jìn)行通信，使其在通信過程中易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊，例如主動(dòng)入侵、被動(dòng)竊聽、拒絕服務(wù)等。此外，由于移動(dòng)Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)自身具備路由器的功能，所以該網(wǎng)絡(luò)中不存在“網(wǎng)絡(luò)邊界”，許多適用于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的安全機(jī)制和策略不適用于移動(dòng)Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)，所以，移動(dòng)Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)安全措施的設(shè)計(jì)是非常必要的。

2 Mesh 網(wǎng)絡(luò)

2.1 基本概念

無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)是一種基于IP 協(xié)議的大容量、高速率的多點(diǎn)到多點(diǎn)的無線多跳網(wǎng)絡(luò)，與Adhoc 網(wǎng)絡(luò)類似，都具有無中心、自組網(wǎng)自管理、多跳路由等特性。但無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)包含了3 種節(jié)點(diǎn)類型: 用戶節(jié)點(diǎn)、無線Mesh 路由器( wireless router，WR)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)［5-7］。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)具體配置的不同，無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)不一定包含以上所有類型節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)是高速連接外部網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)。Mesh 路由器移動(dòng)性不強(qiáng)，可通過長(zhǎng)距離高速無線技術(shù)互相連通，組成一個(gè)多跳的無線Mesh 骨干網(wǎng)絡(luò)。Mesh 用戶之間可構(gòu)成一個(gè)小型對(duì)等的點(diǎn)到點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)，以保障在沒有基礎(chǔ)設(shè)施的情況下進(jìn)行通信，同時(shí)用戶可以通過Mesh 路由器接入Mesh 骨干網(wǎng)絡(luò)，與其他一些網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連接擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，由此形成Mesh 網(wǎng)絡(luò)的混合結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。在軍事通信中主要采用了這種Mesh 網(wǎng)絡(luò)混合結(jié)構(gòu)，除此之外還有骨干網(wǎng)Mesh 結(jié)構(gòu)( 分級(jí)結(jié)構(gòu))、客戶端Mesh 結(jié)構(gòu)( 平面結(jié)構(gòu))。

2.2 特點(diǎn)

1)多無線設(shè)備、多信道的通信接口。Mesh 網(wǎng)絡(luò)允許節(jié)點(diǎn)之間使用不同的通信頻道及無線模式進(jìn)行通信( 包括Mesh 路由節(jié)點(diǎn)之間、Mesh 客戶節(jié)點(diǎn)之間及路由節(jié)點(diǎn)與客戶節(jié)點(diǎn)之間)，從而盡量避免信道沖突，大大提高了Mesh 網(wǎng)絡(luò)的性能。

2)專用的無線路由設(shè)施。Mesh 網(wǎng)絡(luò)將主要的路由任務(wù)放在Mesh 路由節(jié)點(diǎn)上，且不用考慮能耗問題。因此，在Mesh 路由節(jié)點(diǎn)之間可形成無線骨干網(wǎng)，提高了網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬和可靠性，同時(shí)，也降低了無線客戶節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，減少了客戶節(jié)點(diǎn)的無線通信量和能源的消耗。

3)移動(dòng)性與節(jié)點(diǎn)類型相關(guān)。Mesh 網(wǎng)絡(luò)中無線Mesh 路由器和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)作為提供基礎(chǔ)服務(wù)的設(shè)施，移動(dòng)性最小。而用戶節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)中的端節(jié)點(diǎn)，可以完全固定，也可以處于不停的移動(dòng)之中，因此在設(shè)計(jì)路由協(xié)議的時(shí)候，也需要考慮不同節(jié)點(diǎn)類型所帶來的不同影響。

4)多跳路由。Mesh 網(wǎng)絡(luò)采用多跳路由，在不犧牲信道容量的情況下，提供非視距連接，擴(kuò)展了無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

5)多種網(wǎng)絡(luò)集成及兼容能力。Mesh 網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)及其中的節(jié)點(diǎn)提供了多種網(wǎng)絡(luò)訪問接口，保證了它為不同的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供相應(yīng)服務(wù)的能力，能實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的無縫連接和通信。

圖2 Mesh 網(wǎng)絡(luò)的混合結(jié)構(gòu)

3 傳感器網(wǎng)絡(luò)

3.1 基本概念

WSN 網(wǎng)絡(luò)是一種由隨機(jī)分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微小節(jié)點(diǎn)以自組織的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)。它屬于一種特殊的Adhoc 網(wǎng)絡(luò)，但與傳統(tǒng)Adhoc 網(wǎng)絡(luò)相比，節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，分布密集，節(jié)點(diǎn)在大多數(shù)情況下是靜止的。受戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和所承擔(dān)任務(wù)的制約，WSN 節(jié)點(diǎn)往往成本和功耗較低、硬件設(shè)備資源有限，數(shù)據(jù)處理能力和存儲(chǔ)能力都比較弱［8］。傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.2 特點(diǎn)

1)分布式網(wǎng)絡(luò)組織形式。WSN 網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)對(duì)等式的網(wǎng)絡(luò)，無中心，允許節(jié)點(diǎn)隨時(shí)加入、隨時(shí)離開。

2)動(dòng)態(tài)拓?fù)?。WSN 網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)可以隨處移動(dòng)，因此網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)拓?fù)浣M織功能。

3)多跳路由。如果超過節(jié)點(diǎn)的通信范圍，可通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中繼、轉(zhuǎn)發(fā)。

4)節(jié)點(diǎn)體積小、成本低、數(shù)量眾多、分布密集。為了對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)某一個(gè)區(qū)域執(zhí)行監(jiān)測(cè)任務(wù)，同時(shí)避免敵方發(fā)現(xiàn)，因此傳感器節(jié)點(diǎn)往往體積較小、成本低、在監(jiān)測(cè)區(qū)域分布得較為密集，利用節(jié)點(diǎn)之間高度連接性來保證系統(tǒng)的容錯(cuò)性和抗毀性。

5)電源容量有限。WSN 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般由電池供電，而且在使用過程中也不能給電池充電或更換電池，因此，WSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)都要考慮電源節(jié)能。

6)節(jié)點(diǎn)資源有限。由于受到低成本、小體積和低功耗的限制，WSN 節(jié)點(diǎn)的硬件、軟件資源都非常有限。

4 三種網(wǎng)絡(luò)的對(duì)比及軍事應(yīng)用

顯然，這3 種典型的無線分布式網(wǎng)絡(luò)都具有無中心、自組織的、動(dòng)態(tài)拓?fù)洹⒍嗵酚傻奶攸c(diǎn)。然而，三者之間還是存在一些區(qū)別，3 種網(wǎng)絡(luò)的對(duì)比如表1 所示。

表1 Adhoc、Mesh、WSN 網(wǎng)絡(luò)對(duì)比

通過對(duì)比可以看出，Adhoc 網(wǎng)絡(luò)由于用戶節(jié)點(diǎn)自身具有路由功能，不需要專門的路由設(shè)備，節(jié)點(diǎn)之間能實(shí)現(xiàn)多跳路由通信，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性是3 種網(wǎng)絡(luò)中最為突出的，因此它主要側(cè)重應(yīng)用于小范圍的移動(dòng)環(huán)境中，能夠確保網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在高速移動(dòng)情況下的可靠通信，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)流可以包括語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和多媒體信息。無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)雖然Mesh 路由和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性不強(qiáng)，但正是由于這2 種節(jié)點(diǎn)的使用，增強(qiáng)了Mesh 網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)的兼容性及互操作性，擴(kuò)大了覆蓋范圍。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)的一種特殊形式，側(cè)重于實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)區(qū)域的物理現(xiàn)象的監(jiān)測(cè)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流為低速率的數(shù)據(jù)。

在軍事應(yīng)用方面，正是考慮到戰(zhàn)場(chǎng)的特殊環(huán)境及這三種網(wǎng)絡(luò)的不同特點(diǎn)，構(gòu)建了由這3 種網(wǎng)絡(luò)組成的戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。其中:WSN 網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⒏黝悅鞲衅飨到y(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，把采集到的各種態(tài)勢(shì)感知、情報(bào)偵察等信息進(jìn)行傳輸，因此WSN 網(wǎng)絡(luò)用作戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)中最末端的信息感知網(wǎng)絡(luò)，為指揮控制系統(tǒng)、戰(zhàn)術(shù)部隊(duì)和武器平臺(tái)提供及時(shí)的信息服務(wù); 移動(dòng)Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)由于其良好的移動(dòng)性、抗毀性，能為身處戰(zhàn)場(chǎng)前沿的戰(zhàn)術(shù)部隊(duì)提供小范圍可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，以滿足機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)情況下戰(zhàn)術(shù)部隊(duì)內(nèi)各作戰(zhàn)單元的信息傳輸交換，它主要包括戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)網(wǎng)、單兵通信系統(tǒng)和戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈等;Mesh 網(wǎng)絡(luò)由于其Mesh 路由和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的使用，擴(kuò)大了覆蓋范圍，增強(qiáng)了與其他網(wǎng)絡(luò)的兼容性，因此在戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)中主要作為骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)，包括由戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星通信、大容量升空系留平臺(tái)中繼通信構(gòu)成的空基Mesh 骨干網(wǎng)和地域通信網(wǎng)構(gòu)成的地面Mesh 骨干網(wǎng)，采用柵格狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以為各戰(zhàn)術(shù)部隊(duì)、指揮控制系統(tǒng)、武器平臺(tái)之間的信息交互提供大容量的傳輸鏈路，實(shí)現(xiàn)整個(gè)戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)的縱橫、交叉互聯(lián)互通。由此構(gòu)成的戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)充分發(fā)揮了3 種網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，不僅實(shí)現(xiàn)了作戰(zhàn)部隊(duì)在機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)情況下及時(shí)快速的組網(wǎng)通信，又能使網(wǎng)內(nèi)用戶有多條路由互聯(lián)通信，即使干線節(jié)點(diǎn)被毀或某些信道被干擾的情況下，也能始終保持通信，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的抗毀性和靈活性。

圖4 分布式戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

5 結(jié)束語(yǔ)

雖然在軍事通信中這3 種典型的無線分布式網(wǎng)絡(luò)都已經(jīng)發(fā)揮了各自的優(yōu)勢(shì)，有了一定的研究和應(yīng)用，但在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下仍存在數(shù)據(jù)通信帶寬有限、安全性存在隱患、節(jié)點(diǎn)電池容量有限、節(jié)點(diǎn)能源有限等問題，都將是在下一步的研究重點(diǎn)。

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