軍事認知通信網絡研究

黃天章

(1.通信網信息傳輸與分發技術重點實驗室,河北石家莊050081;2.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

認知網絡是近幾年比較熱點的研究課題,其概念源于“認知無線電”。認知網絡是認知無線電技術在系統和網絡高度的擴展。認知網絡廣義上不只限于無線網絡,而是適用于有線和無線均可的網絡范圍。認知無線電網絡可以看作是認知網絡的一種具體實現形態。認知網絡的自認知、重配置的特點,適用于網絡重構。在軍事通信應用場景下,適用于解決通信網絡的抗毀和重建,以及運動中的通信問題。基于對認知網絡的研究,從具體工程應用的角度,針對軍事通信網拓樸變化頻繁、網絡要求抗毀重建等特點,將認知網絡的概念和要素,引入到軍事通信網絡體系中,初步提出構建軍事認知通信網絡,解決通信保障的服務質量問題。

1 應用需求

1.1 網絡抗毀與快速重建需求

在戰場應用環境情況下,已有的軍事通信網絡會遭到嚴重損壞,原有網絡拓撲、網絡能力和網絡環境會發生不可預測的重大變化。同時在特種應急環境下,會綜合應用無線、蜂窩、衛星以及有線等多種通信手段,覆蓋不同的區域環境,如指揮中心、醫療中心、前沿指揮所以及后勤中心等。每一類區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。因此對通信網絡要保障為用戶提供不間斷的網絡服務提出了更高的要求。

1.2 網絡服務質量QoS的需求

從最近的伊拉克和阿富汗戰爭來看,戰爭條件下的電磁環境、氣候環境和應用環境情況越來越復雜多變,通信網絡的拓樸也要快速地隨之變化,與之相應的通信網絡服務也相關地發生變化。而網絡用戶對已經建立連接的服務質量和將要建立連接的服務質量要求不變。因此需要更有效的、新的方法和技術來解決通信網絡保障,為用戶提供不變的網絡服務質量。

1.3 網絡異構性互連互通的需求

軍事通信網絡異構性包括3方面：一是接入技術的異構性,典型的通信技術包括光纖、散射、微波、衛通、WiFi以及藍牙等;二是終端的異構性,例如：具有不同程度的智能無線終端、適配多制式網絡的多模終端、基于軟件無線電技術的可重配置終端、計算機終端、手持PDA等;三是組網方式的異構性,如IP數據網、衛星網、電臺網、有線電話網、單跳式無線網絡以及多跳式的無線自組織網和網狀網等。目前的軍用通信網絡,包括有線網絡和無線網絡,還無法做到各終端與節點間、各節點間、各網絡間采用統一標準的物理端口和協議,它們之間還采用多種不同物理層接口和協議來達到互連互通。由于使用的協議和接口不同,使得重組網絡的動作比較復雜、困難。需要更有效的、新的方法和技術來解決網絡異構性互連互通的問題。

2 網絡體系架構

2.1 網絡組成和功能實體

目前在現有軍事通信網絡的核心節點中已經具備一些網絡參數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備。網絡設備還沒有實現“認知—決策—重配置”的自動過程,還沒有全面地、系統化地從整個通信網絡體系結構角度進行研究和實現。

針對上節描述的需求,目前的軍事通信網絡技術和具備功能尚不能達到要求。因此引入認知概念,有意識地、系統化地采用“認知—決策—重配置”自動過程,構建軍事認知通信網絡,可以在戰場復雜環境和網絡拓樸頻繁變化的情況下,解決軍事通信網絡異構性互連互通的問題,保障網絡安全,為用戶提供不間斷的網絡服務和不變的高質量網絡服務。認知概念應用到廣義的軍事通信網絡中,提出構建軍事認知通信網絡,也可以認為是“智能”的軍事通信網絡。

軍事認知通信網絡可以劃分由策略生成分系統、網絡認知與重配置控制分系統和可編程通信網絡分系統3部分組成,對應認知網絡的層面模型,如圖1所示。

圖1 軍事認知通信網絡體系架構與層面參考模型關系

可編程通信網絡分系統由可編程路由交換節點和網絡狀態傳感器組成,可編程路由交換節點是軍事認知通信網絡的控制實體,采用物理接口統一標準、鏈路速率可編程自適應、鏈路協議可編程自適應和路由協議可編程自適應等方法進行網絡接口和協議設計。網絡狀態傳感器完成網絡外部環境網絡狀態(如電磁環境、天氣環境、地理環境等自然環境)的感知和狀態報告,以及完成網絡內部環境網絡狀態(網絡不同接口種類、不同接口速率、不同協議等網絡多種條件環境)的感知和狀態報告。同時接受網絡重配置策略,按照策略完成網絡的重組。可編程通信網絡對應著認知網絡層面參考模型中的實體層和服務層之網絡子層。

網絡感知與重配置控制分系統完成網絡環境感知信息的匯總和初步分析,包括網絡物理接口狀態、網絡鏈路狀態、網絡協議狀態、網絡節點狀態以及網絡安全狀態等信息,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先級鏈路控制、優先級隊列控制等策略,將策略生成的相關網絡重配置策略轉換為網絡重配置參數,完成網絡資源的分配和路由交換的管理。

策略生成分系統是將網絡感知單元提交的“局部”網絡環境認知信息經過融合處理形成通信網絡“全局”的網絡資源認知信息,然后通過智能決策系統形成必要的網絡重配置策略。

網絡感知與重配置控制分系統和策略生成分系統對應實現認知網絡層面參考模型中的服務層之應用子層。

2.2 工作流程

軍事認知通信網絡認知工作流程如下：

①軍事認知通信網絡通過可編程路由交換節點中或與之相連的網絡狀態傳感器感知網絡外部自然環境狀態或內部環境網絡狀態生成狀態報告;

②通過網絡傳遞給通信網絡感知控制單元,經過初步的分析處理,匯總到網絡認知環境單元;

③網絡認知環境單元將“局部”網絡環境認知信息經過融合處理形成與當前現實環境相對應的網絡認知環境,然后通過智能決策系統的智能化推理形成必要的網絡重配置策略;

④通信網絡資源管理單元將策略生成的相關網絡重配置策略轉換為網絡帶寬、標識、鏈路等重配置參數,控制可編程路由交換節點進行網絡重構;

⑤可編程路由交換節點按照重配置參數完成網絡的重組。

2.3 網絡要素

表1給出了認知網絡要素在軍事認知通信網絡中的實例化說明。目的在于將認知概念引入到軍事通信網絡的各個層面要素,從整個軍事通信網絡體系結構角度進行網絡應用的研究和實現。

表1 軍事認知通信網絡的網絡要素

3 功能特點分析比較

3.1 功能特點分析

軍事認知通信網絡實現的網絡功能特點有：

(1)實現網絡抗毀與快速重建功能

軍事認知通信網絡會根據環境條件自適應地選擇可用網絡;快速自動地適配網絡拓撲的變化以及網絡節點的加入和退出;保證高優先等級通信的連接;確保指揮信息的跨區域通信連接;保障重要通信業務的安全性。為用戶提供不間斷的網絡服務。

(2)實現網絡服務質量QoS功能

軍事認知通信網絡可以管理一個連接的服務質量。隨著應用環境情況的變化,通信網絡的拓樸快速變化,與之相關連的周圍相應的通信網絡要素也發生變化。軍事認知通信網絡可以根據所處網絡環境現狀,快速感知網絡變化的信息,確認網絡中的瓶頸,評估網絡連接的可靠性,決策選擇可用的有線或無線接入網絡,迅速作出自適應的調整;并且綜合利用多層網絡的能力,改變服務優先順序,優化運作行為,重構網絡拓樸,優化通信路由和鏈路,從而達到為用戶提供不變的高質量網絡服務的目標。

(3)實現異構網絡互連互通功能

軍事認知通信網絡通過認知過程,確認不同的網絡、協議和接口,選擇優化后的連接。軍事認知通信網絡可以根據所處網絡環境的感知信息,決策選擇可用的互連網絡,克服每個節點的沖突并優化連接,將網絡由混亂變為有序,實現采用不同有線或無線接入技術和不同的終端組成的異構通信網絡之間的互連互通,從而保障為用戶提供不變的網絡服務質量。

(4)實現網絡安全功能

軍事認知通信網絡增加接入控制、隧道、信任管理或入侵檢測等安全措施,達到安全目的。軍事認知通信網絡通過對網絡各層的反饋進行分析,通過采取改變規則、協議、加密和分組成員的設置、認證等行為,預防、阻止和化解網絡被破壞的風險,以提高網絡的安全性。

3.2 功能特點比較

軍事認知通信網絡較之以前的軍事通信網絡的不同特點是：①按照“認知—決策—重配置”的方法,系統化、有意識地增強對外界的電磁環境、天氣環境等環境的復雜多元素感知自動化,以及對網絡內部不同網絡接口種類、不同接口速率、不同協議等多種條件環境的認知自動化;②分析網絡環境認知信息,得出共性特征,并利用過去獲得的和新學習得到的知識信息,參與決策,以得到更優化的配置策略;③進行統一處理,增加對越來越復雜環境的認知和智能化處理,增加決策策略多種選擇的智能化處理,增強對網絡重配置的可控制力和執行力。④實現循環“認知——決策——重配置”的自動化過程,從而實現網絡智能化重構,達到滿足為用戶提供不間斷的網絡服務和不變的高質量網絡服務要求。

4 關鍵技術

基于軍事認知通信網絡“認知——決策——重配置”自動過程對應的功能實現所必須的技術,重點提出相關的關鍵技術。

4.1 認知環境多域認知技術

多域認知是指對多個領域環境的認知,包括物理環境、氣候環境、無線電磁環境、有線環境以及網絡環境等多個領域中、多屬性要素的認知。

要解決如何實現認知信息的海量攝入、認知信息的傳遞融合以及認知信息的挖掘利用。多域認知是軍事認知通信網絡首先需要解決的關鍵問題。

認知環境多域認知技術研究網絡多域認知模型與認知方法,研究信息網絡多域認知信息的獲取、傳送、表示、融合和利用技術,研究網絡環境參數快速感知、網絡全局感知信息快速融合處理和網絡全局環境態勢生成技術。

4.2 認知智能決策技術

軍事認知通信網絡是一個具有智能的主體,可以將機器學習、人工智能、推理機制引入認知智能決策,使得通信網絡能夠實現環境自適應。

認知智能決策技術研究信息網絡資源虛擬控制機理,研究基于網絡認知信息對可重配置網絡要素和網絡功能的快速決策機制,研究可重配置網絡要素與網絡的智能化管理與配置技術。

4.3 重配置技術

軍事認知通信網絡的實現最終要落實到實體的重配置。重配置的對象不僅包含終端重配置,還包含網絡重配置和服務重配置;重配置的作用范圍不僅限于單個節點,而且還要實現端到端重配置,即覆蓋端到端路徑上的所有網絡節點,其復雜度和重要性要高于單一的終端重配置。

重配置技術研究軍事認知通信網絡組網方式、路由方式和連接方式等要素的可重配置能力,研究基于可調整參數或軟件可編程平臺的路由交換實現技術,研究智能網絡層協議和跨層設計技術。

5 結束語

軍事認知通信網絡是在通信網絡的各個層面和實體上實現認知概念,從而使整個通信網絡體系上具備認知功能。與非認知網絡相比,認知可以用于改善資源管理、服務質量(QoS)、接入控制、安全或其他網絡目的。軍事認知通信網絡能為網絡用戶提供更好的端到端性能。隨著通信技術和計算機技術的發展,軍事智能化通信網絡將是發展方向。為用戶提供不間斷的網絡服務和不變的高質量網絡服務,是軍事通信網絡持續追求的目標。

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