李壯，孔軍，劉鵬，黃珊琳，高天孚，鄧堯文

(中國(guó)艦船研究院，北京 100192)

0 引 言

近年來(lái)，美軍先后提出空海一體戰(zhàn)、多域戰(zhàn)、蜂群作戰(zhàn)、分布式作戰(zhàn)、算法戰(zhàn)和馬賽克戰(zhàn)等作戰(zhàn)概念，并且隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，未來(lái)海戰(zhàn)將越來(lái)越表現(xiàn)出智能化、無(wú)人化的作戰(zhàn)概念，依托先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)能力、人工智能處理、計(jì)算和聯(lián)網(wǎng)、分布式指揮控制等能力，形成基于海戰(zhàn)場(chǎng)的陸、海、空、天、網(wǎng)電跨域協(xié)同的分布式、開(kāi)放式、可動(dòng)態(tài)協(xié)作和動(dòng)態(tài)重組的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，受限空氣-海水2 種介質(zhì)時(shí)空環(huán)境的非連續(xù)性，導(dǎo)致缺乏十分有效的遠(yuǎn)程跨介質(zhì)水面-水下通信手段和途徑，在信息下發(fā)、回傳和兼顧隱蔽性時(shí)面臨了較大的困難。為應(yīng)對(duì)我國(guó)水下戰(zhàn)略建設(shè)急需，解決水下信息出入水難題，迫切需要在現(xiàn)有通信鏈路的基礎(chǔ)上，通過(guò)認(rèn)知等手段開(kāi)展水面/水下跨域協(xié)同異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。

1 水下認(rèn)知跨域異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

未來(lái)海戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)是基于陸、海、空、天、網(wǎng)電跨域協(xié)同的分布式、開(kāi)放式、可動(dòng)態(tài)協(xié)作和動(dòng)態(tài)重組的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其水下跨域網(wǎng)絡(luò)以水面-水下有人與無(wú)人平臺(tái)之間構(gòu)建的分布式廣域通信網(wǎng)絡(luò)為對(duì)象，分析水面-水下不同網(wǎng)絡(luò)信道參數(shù)、組網(wǎng)協(xié)議、路由信息和功能模塊的自適應(yīng)調(diào)整流程，開(kāi)展水下通信網(wǎng)絡(luò)的端到端服務(wù)質(zhì)量映射和流量控制機(jī)制研究，實(shí)現(xiàn)不同信道異構(gòu)適配和跨網(wǎng)轉(zhuǎn)接。

水下認(rèn)知跨域網(wǎng)絡(luò)是在不同信道環(huán)境下，充分考慮水下環(huán)境下衰減大、時(shí)延高、窄帶寬以及多途擴(kuò)展嚴(yán)重等諸多困難，通過(guò)與不同外界環(huán)境信息的實(shí)時(shí)感知與信息交互，通信系統(tǒng)不斷獲取不同傳輸信道的背景知識(shí)信息，并反饋給通信系統(tǒng)調(diào)整其通信參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息的跨域異構(gòu)傳輸。因此，水下認(rèn)知跨域網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)具備感知外界環(huán)境能力，可根據(jù)水下信道特征、水下環(huán)境參數(shù)、組網(wǎng)和路由協(xié)議、業(yè)務(wù)傳輸種類和類型等動(dòng)態(tài)的調(diào)整傳輸頻點(diǎn)和相關(guān)通信參數(shù)，具有高度的智能屬性是該通信系統(tǒng)最大的特點(diǎn)。

水下認(rèn)知跨域網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是優(yōu)化通信傳輸性能，支持不同業(yè)務(wù)的跨域異構(gòu)傳輸需求，在滿足用戶對(duì)不同業(yè)務(wù)通信需求的同時(shí)，對(duì)使用頻帶、接口轉(zhuǎn)換、業(yè)務(wù)類型、傳輸流程和服務(wù)質(zhì)量等資源的消耗動(dòng)態(tài)調(diào)配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了傳輸?shù)淖顑?yōu)化。認(rèn)知功能模塊是該通信系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，基于對(duì)周圍環(huán)境和信道的知識(shí)獲取來(lái)自適應(yīng)重新配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，通過(guò)環(huán)境感知和自主建模構(gòu)建認(rèn)知、建模、學(xué)習(xí)、反饋的一體化智能跨域網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。

2 認(rèn)知跨域異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

2.1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

面對(duì)海戰(zhàn)場(chǎng)陸、海、空、天、網(wǎng)電跨域協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)需求，結(jié)合異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的特性，提出了面向未來(lái)的新型信道認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，采用服務(wù)層、網(wǎng)絡(luò)層和接入層3 層體系架構(gòu)，將多種異構(gòu)信道接入網(wǎng)絡(luò)，如水聲通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)等。其中，服務(wù)層為用戶提供應(yīng)用服務(wù)，提供各種業(yè)務(wù)和應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)層采用全I(xiàn)P 服務(wù)化架構(gòu)，為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的提供控制及管理功能，用戶通過(guò)接入層實(shí)現(xiàn)水聲、數(shù)據(jù)鏈、衛(wèi)星等各種通信手段接入網(wǎng)絡(luò)，體驗(yàn)應(yīng)用服務(wù)，可在不同接入網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)切換，如圖1所示。

圖 1 跨域認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)Fig. 1Cross domain cognitive heterogeneous network architecture

全I(xiàn)P 核心網(wǎng)：全I(xiàn)P 核心網(wǎng)部分是跨域認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中最核心的部分，負(fù)責(zé)認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的管理和控制。它由大量分布式跨域認(rèn)知節(jié)點(diǎn)組成，全I(xiàn)P 網(wǎng)絡(luò)這些跨域認(rèn)知節(jié)點(diǎn)可以由各種有人-無(wú)人平臺(tái)、浮標(biāo)、潛標(biāo)等通過(guò)軟硬件升級(jí)，嵌入認(rèn)知功能模塊后實(shí)現(xiàn)。

信道接入部分：水聲通信網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)或其他網(wǎng)絡(luò)通過(guò)信道接入集成到跨域認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。在整個(gè)認(rèn)知過(guò)程中信道接入部分主要完成感知和動(dòng)態(tài)接入的步驟，不斷感知外界環(huán)境的變化以及不同業(yè)務(wù)的需求信息，并將結(jié)果上報(bào)全I(xiàn)P 核心網(wǎng)，通過(guò)在核心網(wǎng)進(jìn)行環(huán)境參數(shù)、組網(wǎng)協(xié)議、業(yè)務(wù)內(nèi)容自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，將結(jié)果反饋給信道接入部分，動(dòng)態(tài)接入不同信道。

跨域認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的思想是為了提高整體網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，并不是非局限在某個(gè)節(jié)點(diǎn)、某種業(yè)務(wù)或者某條信道中，跨域認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知功能實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)從追求單個(gè)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化目標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)現(xiàn)整體網(wǎng)絡(luò)效能優(yōu)化目標(biāo)的共贏局面。

2.2 跨域認(rèn)知節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

跨域認(rèn)知節(jié)點(diǎn)中采用了分層跨域設(shè)計(jì)思想，該思想的核心是避免重新建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，而是在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上增加一些新的功能?？缬蛘J(rèn)知節(jié)點(diǎn)框架如圖2 所示，由認(rèn)知平臺(tái)模塊、認(rèn)知層接口模塊、知識(shí)模塊、決策模塊和協(xié)議適配模塊等功能組成。該架構(gòu)能夠完成從認(rèn)知、建模、學(xué)習(xí)、反饋等功能組成的閉環(huán)認(rèn)知流程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)信息的跨域異構(gòu)傳輸。

圖 2 跨域認(rèn)知節(jié)點(diǎn)框架Fig. 2Cross domain cognitive node architecture

認(rèn)知平臺(tái)：認(rèn)知平臺(tái)的主要功能是在認(rèn)知節(jié)點(diǎn)內(nèi)部各功能單元間、認(rèn)知節(jié)點(diǎn)間以及節(jié)點(diǎn)與業(yè)務(wù)應(yīng)用間執(zhí)行信息傳輸和交互。認(rèn)知平臺(tái)由分布式的跨層優(yōu)化模塊組成，該模塊主要功能是通過(guò)不同層數(shù)據(jù)交互模型和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)模型的不斷反饋，并根據(jù)不同用戶的業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，采用相應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)資源的不斷優(yōu)化，通過(guò)基于端到端服務(wù)質(zhì)量映射和流量控制機(jī)制處理業(yè)務(wù)、資源、位置以及各種時(shí)空變化的需求智能選擇配置節(jié)點(diǎn)，并且在每個(gè)可重配置節(jié)點(diǎn)執(zhí)行重配置信息，這些可重配置信息由軟件定義并可在時(shí)間和空間上改變，通過(guò)軟件模塊進(jìn)行重配置。

認(rèn)知層接口模塊：認(rèn)知層接口模塊的主要功能是收集各協(xié)議層的信息并控制傳輸協(xié)議參數(shù)，其主要交互接口為協(xié)議層接口模塊與認(rèn)知模塊，認(rèn)知層接口模塊負(fù)責(zé)收集各協(xié)議層的原始信息，主要根據(jù)協(xié)議層之間不同的認(rèn)知平臺(tái)狀態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)的控制指令。認(rèn)知層接口模塊負(fù)責(zé)感知各協(xié)議層信息，并上報(bào)給認(rèn)知平臺(tái)，進(jìn)而存儲(chǔ)在知識(shí)模塊單元中，主要根據(jù)認(rèn)知平臺(tái)的指令反饋給協(xié)議層，重新配置各協(xié)議層參數(shù)。

決策庫(kù)模塊：決策庫(kù)模塊是一個(gè)具有優(yōu)化功能的模塊化決策池，與認(rèn)知平臺(tái)具有接口連接，并為認(rèn)知平臺(tái)提供深度學(xué)習(xí)等各類先進(jìn)的人工智能算法，根據(jù)所要解決的不同問(wèn)題，認(rèn)知平臺(tái)調(diào)用決策庫(kù)中合適的人工智能算法，解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的各種優(yōu)化問(wèn)題。

知識(shí)庫(kù)模塊：知識(shí)庫(kù)模塊具有數(shù)據(jù)分析功能，與認(rèn)知平臺(tái)具有接口連接，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求和自身存儲(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)數(shù)據(jù)，包含用戶業(yè)務(wù)需求信息、節(jié)點(diǎn)之前決策和經(jīng)驗(yàn)信息等數(shù)據(jù)。知識(shí)庫(kù)模塊可以對(duì)其進(jìn)行分析，當(dāng)接入節(jié)點(diǎn)感知到環(huán)境信息變化時(shí)，知識(shí)庫(kù)模塊可根據(jù)變化重配置節(jié)點(diǎn)參數(shù)。

臺(tái)灣應(yīng)用型本科高校為經(jīng)濟(jì)建設(shè)和職場(chǎng)培養(yǎng)了大批優(yōu)秀的高級(jí)人才，積累了豐富的應(yīng)用型人才培養(yǎng)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)大陸地區(qū)以培養(yǎng)應(yīng)用型本科人才為主的獨(dú)立學(xué)院具有重要的啟示。

協(xié)議適配單元：當(dāng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間需要進(jìn)行信息交互時(shí)，可通過(guò)協(xié)議適配單元進(jìn)行不同協(xié)議和格式的消息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化適配轉(zhuǎn)換，進(jìn)而保證異構(gòu)節(jié)點(diǎn)間的通信。

3 跨域協(xié)同通信系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

跨域協(xié)同通信系統(tǒng)以網(wǎng)關(guān)通信浮標(biāo)、潛標(biāo)和UUV 等為主要節(jié)點(diǎn)裝備組成，水面以下以水聲通信方式實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的信息接入和傳輸，水面以上通過(guò)衛(wèi)星、數(shù)據(jù)鏈等通信方式實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的信息接入和傳輸，可為水下預(yù)警探測(cè)、指揮控制、導(dǎo)航定位和海洋觀測(cè)等業(yè)務(wù)應(yīng)用提供通信鏈路。

跨域協(xié)同通信系統(tǒng)采用認(rèn)知異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其主體由“兩網(wǎng)一系統(tǒng)”組成。“兩網(wǎng)”即無(wú)線通信網(wǎng)和水聲通信網(wǎng)，為岸、海、空、潛等各類平臺(tái)之間信息傳輸提供基本手段，主要包括超長(zhǎng)波、短波、超短波、微波、衛(wèi)星、水聲及光纜等各種無(wú)線、有線傳輸手段，以及各個(gè)頻段的數(shù)據(jù)鏈。“一系統(tǒng)”即通信管控系統(tǒng)，主要包括綜合業(yè)務(wù)應(yīng)用、通信指揮、網(wǎng)絡(luò)綜合管理、頻譜管理及安全防護(hù)等五大功能域。在水面/水下協(xié)同跨域體系的上層是岸基、移動(dòng)平臺(tái)的各種信息系統(tǒng)（含用戶終端系統(tǒng)）。跨域協(xié)同通信系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖 3 跨域協(xié)同通信系統(tǒng)組成示意圖Fig. 3Composition diagram of cross domain cooperative communication system

3.2 系統(tǒng)接入和傳輸

跨域協(xié)同通信系統(tǒng)通過(guò)對(duì)通信資源進(jìn)行有效整合和綜合管理，構(gòu)建分層傳輸服務(wù)體系逐層向上提交服務(wù)，向下屏蔽網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)細(xì)節(jié)和變化，改變現(xiàn)行基于指揮關(guān)系建立的樹(shù)狀通信網(wǎng)，解決目前指揮所與數(shù)據(jù)鏈轉(zhuǎn)信站點(diǎn)綁定使用等方面的問(wèn)題，提高通信傳輸可靠性，支持綜合應(yīng)用各類通信手段進(jìn)行實(shí)時(shí)格式化戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)、非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、視頻等信息傳輸。

用戶/應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)作戰(zhàn)要求，提出通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃要求，并將需傳輸?shù)男畔⒑唾|(zhì)量需求提交至信息分發(fā)服務(wù)層，信息分發(fā)服務(wù)層根據(jù)信息的傳輸服務(wù)質(zhì)量要求（如指揮信息的時(shí)效性和可靠性、情報(bào)信息的保鮮性等）將用戶和需傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行分級(jí)分類，并按級(jí)、按類向信息傳輸服務(wù)層提出傳輸要求。

信息傳輸服務(wù)層匯總各類傳輸要求，統(tǒng)一調(diào)度通信資源，在信息分發(fā)服務(wù)層與信息傳輸網(wǎng)絡(luò)之間建立邏輯鏈路，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用與物理鏈路的映射和基于邏輯鏈路的資源調(diào)度，解除上層應(yīng)用與具體物理鏈路的綁定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同物理鏈路之間的網(wǎng)間路由、隨遇接入可靠傳輸?shù)裙δ堋?/p>

根據(jù)任務(wù)統(tǒng)一開(kāi)設(shè)通信子網(wǎng)，通過(guò)實(shí)時(shí)上報(bào)的子網(wǎng)狀態(tài)和信道質(zhì)量，集中對(duì)各通信子網(wǎng)進(jìn)行管控，并可通過(guò)自適應(yīng)選頻、跳擴(kuò)頻等技術(shù)，以及靈活路由組織使用多種備用通信手段等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，從物理鏈路、網(wǎng)絡(luò)控制等多層面開(kāi)展通信系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)，以適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境。

3.3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

跨域通信系統(tǒng)是水下信息傳輸和共享的重要手段之一，水面/水下跨域通信總體架構(gòu)由水下信息處理中心節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)、主節(jié)點(diǎn)和探測(cè)節(jié)點(diǎn)配置組成，其總體架構(gòu)如圖4 所示。

圖 4 水面/水下跨域通信總體架構(gòu)Fig. 4Overall architecture of surface/underwater cross domain communication

1）水下信息處理中心節(jié)點(diǎn)

水下信息處理中心節(jié)點(diǎn)包含岸基水下信息處理中心和編隊(duì)水下信息處理中心。其主要功能是與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)配合形成數(shù)據(jù)鏈路，基于岸海之間的通信協(xié)議和格式，水下信息處理中心與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間可傳遞水下目標(biāo)信息和指揮控制信息。其主要通信鏈路包含數(shù)據(jù)鏈和衛(wèi)星通信等無(wú)線通信鏈路。

2）網(wǎng)關(guān)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)

網(wǎng)關(guān)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)水下信息網(wǎng)與外部信息的溝通，具有認(rèn)知功能，并承擔(dān)跨域信息格式協(xié)議轉(zhuǎn)換作用。該節(jié)點(diǎn)為水下信息網(wǎng)與外界聯(lián)系的紐帶，也是水下網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)與海戰(zhàn)場(chǎng)信息交互的核心。網(wǎng)關(guān)認(rèn)知節(jié)點(diǎn)主要包含移動(dòng)和固定節(jié)點(diǎn)組成，固定節(jié)點(diǎn)通常采用水聲/無(wú)線電浮標(biāo)（包括拖曳綜合浮標(biāo)、系留浮標(biāo)、空投浮標(biāo)等）構(gòu)成視距無(wú)線電通信鏈路，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)采用有人或無(wú)人移動(dòng)平臺(tái)充任。

3）主節(jié)點(diǎn)

主節(jié)點(diǎn)是水下信息網(wǎng)的核心，每個(gè)主節(jié)點(diǎn)周圍可布放若干普通傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)主節(jié)點(diǎn)對(duì)它們進(jìn)行控制，并承擔(dān)附近傳感器節(jié)點(diǎn)與外部信息交流的中繼。普通傳感器節(jié)點(diǎn)信息最終匯聚到主節(jié)點(diǎn)上，因此主節(jié)點(diǎn)是整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，要求其具有隱蔽、低功耗、遠(yuǎn)距離通信能力。

4）傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)一般都包含水聲通信節(jié)點(diǎn)和水下探測(cè)設(shè)備。水聲通信節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)水聲節(jié)點(diǎn)之間通信，同時(shí)進(jìn)行信息的調(diào)制和解調(diào)；水下探測(cè)設(shè)備完成信息的采集，并通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)與各型平臺(tái)通信聲納同構(gòu)節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)發(fā)揮網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的作用，水下探測(cè)設(shè)備可由水下有人/無(wú)人平臺(tái)構(gòu)成，通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)接入異構(gòu)網(wǎng)后，可以與無(wú)線通信各節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)信息聯(lián)網(wǎng)，在水下?tīng)顟B(tài)下傳輸隱蔽性較好的業(yè)務(wù)信息，并與海、陸、空、天等上層主干網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)更大范圍的信息交換。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)我國(guó)水下戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型發(fā)展要求，滿足未來(lái)軍事戰(zhàn)略安全需求，解決水下信息出入水的難題，對(duì)水下智能跨域異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行具體分析和研究，提出了一種面向未來(lái)的水下智能跨域異構(gòu)體系架構(gòu)，設(shè)計(jì)跨域協(xié)同通信系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組成、接入傳輸手段和認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)水下信息的信息傳輸和共享。