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基于跨層的戰(zhàn)術(shù)柵格通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分析*

徐勇

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戰(zhàn)術(shù)柵格通信網(wǎng)絡(luò)必須首先保證重要數(shù)據(jù)能夠安全、準(zhǔn)確、平穩(wěn)地傳輸,其網(wǎng)絡(luò)通信需要高效可靠的通信體系架構(gòu),而海戰(zhàn)場的通信環(huán)境十分復(fù)雜,論文以提高艦艇內(nèi)和大型艦艇編隊(duì)節(jié)點(diǎn)間通信的可靠性以及業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量(QoS)的可保障能力,降低通信延遲,提高網(wǎng)絡(luò)帶寬為目的,通過研究海上戰(zhàn)術(shù)柵格無線通信網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)層AODV協(xié)議與鏈路層Spatial-TDMA數(shù)據(jù)服務(wù)質(zhì)量保障技術(shù)及數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)和涉及的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù),研究基于跨層協(xié)議的戰(zhàn)術(shù)柵格無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程,構(gòu)建跨層的戰(zhàn)術(shù)柵格通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),為新時期海軍航母編隊(duì)作戰(zhàn)群執(zhí)行多樣化作戰(zhàn)任務(wù)時提供可靠、高效的網(wǎng)絡(luò)通信保障。

戰(zhàn)術(shù)柵格;通信網(wǎng)絡(luò)

ClassNumberTN918

1 引言

戰(zhàn)術(shù)柵格無線通信網(wǎng)絡(luò)是海上網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)環(huán)境下的信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分[1～3],它以各式作戰(zhàn)艦艇、作戰(zhàn)飛機(jī)為通信節(jié)點(diǎn),通過各式軍用數(shù)據(jù)鏈,組成具有移動和自組織特點(diǎn)的海上無線通信網(wǎng)絡(luò)。目前我國海軍正在實(shí)施從近海防御向中遠(yuǎn)海作戰(zhàn)進(jìn)行轉(zhuǎn)移的戰(zhàn)略方針,航母等大型艦艇編隊(duì)作戰(zhàn)群的作戰(zhàn)任務(wù)將越來越多樣化,作戰(zhàn)環(huán)境會變得越來越復(fù)雜,節(jié)點(diǎn)移動速度也越來越快,這對海上戰(zhàn)術(shù)柵格無線通信網(wǎng)提出了更高的要求,特別在海戰(zhàn)場復(fù)雜的電磁環(huán)境下,對節(jié)點(diǎn)間的可靠連接能力、業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的可保障能力等方面的需要進(jìn)一步加強(qiáng)[4～5]。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是基于分層思想的體系結(jié)構(gòu),雖然可以降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)計難度,但已經(jīng)不能很好地適應(yīng)海上柵格戰(zhàn)術(shù)柵格無線通信網(wǎng)絡(luò)的移動特點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)不利于整體架構(gòu)與性能的優(yōu)化[6～7]。移動自組織網(wǎng)絡(luò)中協(xié)議棧的跨層設(shè)計方法,可以通過層間交互及時共享不同網(wǎng)絡(luò)層次的本地信息,減少數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計方法來建立基于跨層的海上柵格戰(zhàn)術(shù)柵格無線通信網(wǎng)絡(luò)體系,通過網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議與鏈路層MAC協(xié)議的聯(lián)合設(shè)計為網(wǎng)絡(luò)提供可靠的QoS保障,同時利用網(wǎng)絡(luò)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(diào)度過程中完成網(wǎng)絡(luò)層AODV路由表查找,從而有效減少網(wǎng)絡(luò)開銷。

戰(zhàn)術(shù)柵格無線通信網(wǎng)絡(luò)旨在使海上各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的多用戶實(shí)現(xiàn)自動化的通信。這種自動化的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括岸基指揮通信節(jié)點(diǎn)、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)節(jié)點(diǎn)、航空母艦戰(zhàn)斗群和海上艦艇編隊(duì)各編成艦艇節(jié)點(diǎn)以及艦載飛機(jī)節(jié)點(diǎn)等等。利用各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的計算機(jī)可以與海軍內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)通信。

通過研究高效可靠的戰(zhàn)術(shù)柵格無線通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),提高航母等大型艦艇編隊(duì)節(jié)點(diǎn)間通信的可靠性以及業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量(QoS)的可保障能力,同時降低通信延遲,提高網(wǎng)絡(luò)帶寬。突破海上戰(zhàn)術(shù)柵格無線通信網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)層AODV協(xié)議與鏈路層Spatial-TDMA協(xié)議跨層設(shè)計所涉及的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù),為新時期海軍航母編隊(duì)作戰(zhàn)群執(zhí)行多樣化作戰(zhàn)任務(wù)時提供可靠、高效的網(wǎng)絡(luò)通信保障。

2 戰(zhàn)術(shù)柵格無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

傳統(tǒng)的沒有QoS控制機(jī)制的分組交換網(wǎng)絡(luò),對所有的業(yè)務(wù)都提供盡力而為型服務(wù),所有的業(yè)務(wù)公平地共享網(wǎng)絡(luò)資源,網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)盡最大努力將數(shù)據(jù)分組傳輸?shù)狡淠康亩?網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時后到的業(yè)務(wù)直接被丟棄[9～10]。這種方式思想簡單,適合于對實(shí)時性要求較低的如Email等的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù),但是隨著視頻會議、遠(yuǎn)程教育等復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的出現(xiàn),盡力而為的服務(wù)方式已經(jīng)暴露出很多的弊端,這種服務(wù)方式已經(jīng)不能滿足網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用發(fā)展的需要[11]。

對于戰(zhàn)術(shù)柵格無線通信網(wǎng),盡力而為的服務(wù)方式顯然是不合適的。戰(zhàn)術(shù)柵格無線通信網(wǎng),或者其它軍用網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)分組都要求有一定的區(qū)分度,戰(zhàn)場上的數(shù)據(jù)總是有輕重緩急的,軍用通信網(wǎng)絡(luò)必須首先保證重要數(shù)據(jù)能夠安全、準(zhǔn)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(shù)柵格無線通信網(wǎng)對重要業(yè)務(wù)優(yōu)先服務(wù)的原則,系統(tǒng)設(shè)計必須在集成服務(wù)與區(qū)分服務(wù)相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)中,能夠區(qū)分出重要業(yè)務(wù)和相對次要的業(yè)務(wù),并保證重要業(yè)務(wù)的傳輸和調(diào)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(shù)柵格無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

· 基于AODV路由表的Spatial-TDMA協(xié)議時隙調(diào)度技術(shù)

路由協(xié)議與MAC協(xié)議的跨層交互設(shè)計的關(guān)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(diào)度過程中就完成了路由功能,這樣不但能夠簡化數(shù)據(jù)傳遞過程,還能節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬,提高節(jié)點(diǎn)間連接的可靠性,并進(jìn)一步提高Spatial-TDMA的時隙空間復(fù)用性,減少節(jié)點(diǎn)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(shù)

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(jìn)行QoS要求申請,使得Spatial-TDMA進(jìn)行時隙分配時充分考慮相應(yīng)的QoS請求,以達(dá)到可靠的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)質(zhì)量保障。

4 戰(zhàn)術(shù)柵格無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)無線網(wǎng)絡(luò)采用分層結(jié)構(gòu)體系,已經(jīng)不能夠適應(yīng)新時期海上編隊(duì)作戰(zhàn)群執(zhí)行多任務(wù)的需要。同時由于海上無線通信網(wǎng)絡(luò)的通信手段與商用的移動自組網(wǎng)存在較大差異,因此需要根據(jù)海上無線通信網(wǎng)自身的特點(diǎn),利用移動自組網(wǎng)的跨層設(shè)計方法,建立基于跨層思想的海上柵格戰(zhàn)術(shù)柵格無線通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),以保障節(jié)點(diǎn)的可靠連接和QoS支持。戰(zhàn)術(shù)柵格無線通信網(wǎng)是一個多級互聯(lián)的系統(tǒng),其數(shù)據(jù)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(wù)的單兵,其通信過程是非常復(fù)雜的。其中,數(shù)據(jù)生成與發(fā)送端生成帶有優(yōu)先級標(biāo)記的數(shù)據(jù)分組,模擬從其它節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù),之后將這些帶有優(yōu)先級標(biāo)記的數(shù)據(jù)分組發(fā)送給數(shù)據(jù)接收端。數(shù)據(jù)接收端收到這些數(shù)據(jù)分組后,按設(shè)定的隊(duì)列調(diào)度機(jī)制和擁塞控制策略完成對隊(duì)列調(diào)度和擁塞控制的模擬。

戰(zhàn)術(shù)柵格無線通信網(wǎng)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(shí)現(xiàn)態(tài)勢感知和指揮控制信息在指揮通信系統(tǒng)內(nèi)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(jù)業(yè)務(wù),完成戰(zhàn)斗單元動態(tài)組網(wǎng)與協(xié)調(diào)通信。其體系結(jié)構(gòu)包括如下部分:

1)無線分組子網(wǎng)層:主要有艦載內(nèi)部單工戰(zhàn)術(shù)電臺和單工調(diào)頻電臺組網(wǎng),用于提供艦內(nèi)節(jié)點(diǎn)連接。

2)無線分組網(wǎng)層:由艦載寬帶數(shù)據(jù)電臺及其終端構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò),用于提供編隊(duì)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)連接。

3)無線干線網(wǎng)層:由多部艦載大功率電臺組成,用于提供編隊(duì)簇間連接。

4)數(shù)據(jù)中繼網(wǎng)層:主要由戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星、戰(zhàn)略衛(wèi)星和民用衛(wèi)星構(gòu)成的衛(wèi)星通信系統(tǒng),以及由無人機(jī)為重點(diǎn)的空中信息轉(zhuǎn)發(fā)平臺。

其中,無線干線網(wǎng)與無線分組網(wǎng)之間采用戰(zhàn)術(shù)多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)無縫連接;無線分組子網(wǎng)與無線分組網(wǎng)之間采用互聯(lián)網(wǎng)控制器來實(shí)現(xiàn)無縫連接,每個互聯(lián)網(wǎng)控制器都是一個無線路由器節(jié)點(diǎn)?；诜謱拥膽?zhàn)術(shù)柵格無線通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 分層戰(zhàn)術(shù)柵格無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

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

在大氣層以下應(yīng)發(fā)展以無人機(jī)(UAV)為重點(diǎn)的各種空中信息轉(zhuǎn)發(fā)平臺,克服各種高速無線數(shù)據(jù)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?。UAV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(nèi)的多個UAV可以組成一個特殊的空中多跳戰(zhàn)術(shù)柵格網(wǎng)絡(luò),這種空中骨干網(wǎng)絡(luò)可以完成戰(zhàn)場監(jiān)視、情報收集、協(xié)調(diào)攻擊等任務(wù),并可以與Internet互連來為遠(yuǎn)程的指揮中心提供通信和指揮能力。

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

5 戰(zhàn)術(shù)柵格網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

為了簡化系統(tǒng)的設(shè)計,將AODV數(shù)據(jù)處理協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)充,實(shí)現(xiàn)其跨層次處理,并將其簡化為數(shù)據(jù)的生成與發(fā)送端、數(shù)據(jù)接收端兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)?；趹?zhàn)術(shù)柵格無線通信網(wǎng)的相關(guān)需求,重點(diǎn)在這兩個節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)QoS過程并驗(yàn)證相關(guān)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(jù)接收端的偵聽功能,其次,數(shù)據(jù)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(diǎn)的連接了。之后,數(shù)據(jù)生成與發(fā)送端不斷地向數(shù)據(jù)接收端發(fā)送模擬指令。

數(shù)據(jù)接收端接收這些模擬指令,并根據(jù)這些指令的優(yōu)先級將其放入相應(yīng)的緩沖區(qū)中。如果數(shù)據(jù)接收端的緩沖區(qū)未滿,則依次調(diào)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(jù)接收端的緩沖區(qū)為滿,則數(shù)據(jù)接收端向數(shù)據(jù)生成與發(fā)送端發(fā)送擁塞信號并進(jìn)行擁塞處理,擁塞解除后向數(shù)據(jù)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(jù)。數(shù)據(jù)生成與發(fā)送端在收到數(shù)據(jù)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(yīng)。

數(shù)據(jù)生成端在與數(shù)據(jù)接收端建立連接之后,就開始向數(shù)據(jù)接收端發(fā)送模擬指令,當(dāng)它收到數(shù)據(jù)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(jù)接收端擁塞的解除;當(dāng)它收到數(shù)據(jù)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(jù)接收端在和數(shù)據(jù)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(jù)接收端不斷地接收模擬指令,并根據(jù)指令的優(yōu)先級將其放入對應(yīng)優(yōu)先級的緩沖區(qū),并按順序依次調(diào)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(dāng)模擬指令進(jìn)緩沖區(qū)的速度大于出緩沖區(qū)的速度時,緩沖區(qū)會達(dá)到飽和狀態(tài),此時,數(shù)據(jù)接收端向數(shù)據(jù)生成與發(fā)送端發(fā)送擁塞信號,數(shù)據(jù)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(jù)接收端在沒有新指令到達(dá)的情況下進(jìn)行擁塞處理。當(dāng)擁塞解除時,數(shù)據(jù)接收端向數(shù)據(jù)生成與發(fā)送端發(fā)送擁塞解除信號,數(shù)據(jù)生成與發(fā)送端重新生成并發(fā)送模擬指令,數(shù)據(jù)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(jié)語

通過開展基于跨層協(xié)議設(shè)計方法的戰(zhàn)術(shù)柵格無線通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的研究,從整體上優(yōu)化戰(zhàn)術(shù)柵格無線通信網(wǎng)絡(luò)的性能,提高網(wǎng)絡(luò)連接的可靠性,降低網(wǎng)絡(luò)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(duì)作戰(zhàn)群中遠(yuǎn)海作戰(zhàn)提供可靠高效的網(wǎng)絡(luò)通信保障,對建立和完善海軍未來通信體系架構(gòu),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(jī)應(yīng)用、綜合電子信息系統(tǒng)等。

TN918DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.05.004