基于IP組網的未來戰術通信波形研究

張 晶，彭大展

（武漢中原電子集團有限公司，湖北武漢430205）

0 引言

對于美軍國防部的網絡來說，戰術網絡逐漸變遷的目標是戰術GIG[1]，這意味著將用基于IP的無線電取代非IP的無線電。JTRS計劃在美軍國防部所有的網絡中對于實現基于IP的戰術無線電一直起到一個核心的作用[2－4]。JTRS系統對GIG戰術網絡提供的組網能力包括:使用眾多戰術無線電，構建模塊化的多波段和多模式的MANET。這種MANET網能在作戰現場自由移動和無縫接入更高層次的固定網絡，傳輸時間敏感信息（例如數據、話音、視頻、圖像）。其中最重要和復雜的波形是WNW，JTRS架構的WNW和SRW使得基于IP的戰術無線電成為現實。當WNW和SRW工作在旅一級，在上一層梯隊中的WIN-T網絡使用另外兩種波形HNW和NCW，用于HAIPE加密核生成及形成廣域網。

自從Link－16使用數十年，但并沒適用于來自JTRS基于IP的MANET波形。本文將聚焦于挑戰性的MANET網絡，針對跨層信令、物理層資源分配、拓撲結構控制以及它們怎樣通過JTRS來進行設計處理，并提出了拓撲結構控制最優的UCDS算法和方案，也對其他波形和GIG網絡進行了組網特征分析和技術展望。

1 基于IP組網的WNW跨層信令設計

WNW是一種極其復雜的波形，其協議棧如圖1所示，當以太網端口被VoIP終端和IP COTS應用插入時，扁平文本的IP層給予無線電使用者接入以太網端口。其中的一個可以插入以太切換器到這類端口中，并形成一個整體的扁平文本子網。HAIPE加密層使用嵌入式系統進行加密，并能繼承HAIPE多個版本。一個WNW節點能夠支持多重保密域，當且僅當HAIPE嵌入式處理器處理多于一個的HAIPE的并行實現，這種方式為了支持這些被整體分離的多重保密域。每一個保密域維持了一個扁平文本的IP層和應用IP端口。這一點對于那些需要保持分離的歸類和不歸類應用的平臺是有必要的。

圖1 WNW波形協議棧分層

跨層信令設計是WNW波形設計至關重要的一個基礎，對進一步的物理層資源分配、拓撲結構控制均產生影響。圖2中，MI（移動內聯網絡）層、MDL（移動數據鏈）層、SiS（空間中信號）層都有一個出色的跨層信令設計。

圖2 WNW波形棧的跨層信令

WNW波形的跨層關聯，即SiS層、MDL層和MI層是波形設計中的核心因素。圖2突出了這個跨層相關最重要的方面。SiS吞吐量由MDL層的時隙分配調度器決定。MDL層通知MI層業務速率，確保IP分包流在任何時刻匹配實際的分包業務速率。注意到吞吐量是特有的路徑，一個路徑p的吞吐量，在節點i，作為時間的片段用于節點i在路徑p上花費的時間。這個路由發動了在MI層精確地獲得每一個節點每條路徑的到達速率。MDL層調度器計算了節點i在每一秒分包的業務速率和路徑p的吞吐量。分包到達速率和鏈路自適應的功能將在下面闡述。MDL層建立了空中傳送的分包，這類分包由MI層組隊，與MI層相關的片段當它們被需要時會填滿成一個時隙，這類分包能夠滿足SiS層的需要。

2 基于物理層資源分配的USAP設計

伴隨戰術MANET，業務需求和可用到的物理層資源是高相關的，因此USAP分解物理層資源成為兩個獨立的部分。一個被用于控制業務，另一個用于數據通信。這個控制部分在節點和數據信道保留部分之間被用來協調防止碰撞[5－7]。

USAP構建了一個周期的幀結構，這個幀長是1s。幀保留時隙（針對用戶業務）由M*F個時隙組成，即時隙數*頻率信道數的矩陣形成了MDL信元，這個幀結構有時候需參考ODMA（正交域多址接入）幀。

圖3對于每幀里的時隙的布置確切地展開來闡明。對于每個時隙類型，存在一個獨特的周期循環。對于某個給定的類型，對于在某幀里的整體時隙數而言，每幀的時隙數比例決定了這個周期循環。典型地，對于引導時隙這個周期循環，會比固定保留時隙或者旋轉廣播時隙要長。引導時隙的個數需要足夠地在網絡的單個時隙里分配每一個節點。

圖3 一個TDMA幀中擴展固定保留和旋轉廣播時隙的效果

在一幀里的時隙類型的選擇被決定以至于在用戶業務信元之間的最大等待時間將被最小化[8，9]。

USAP聯合TDMA時隙集合去創建物理層資源的空間和頻率的重使用。

固定保留和旋轉廣播時隙能夠分享時隙池。為了讓這個工作起來，固定保留對于每個時隙的分配優先于旋轉廣播。為了緩和優先權的影響，一個被選擇的旋轉廣播時隙分配在每一幀里移動每一個slot。這樣做可以避免固定保留時隙長期地干擾任何一個旋轉廣播時隙。

3 基于拓撲結構控制最優的UCDS算法

伴隨著戰術MANET，其基礎的通信拓撲結構總是在改變。找到一種最小的連接子圖（作為網絡拓撲的骨干）在MANET的MAC層文獻中是最需要研究的問題之一[10]。在這類文獻中有不同的技術，例如MCDS（最小連接支配集合）。本節將聚焦使用WNW波形的技術，這里UCDS算法滿足一類穩定算法的基礎目標:實現的簡單、可執行的速度、低時間復雜度、靈活性和錯誤容忍度。

統一連接支配集合（UCDS）算法的實現已分布在MANET子網節點內[11]。在每個節點的MDL層，一種分布的狀態機，定義了在拓撲匯聚里節點的角色。關于UCDS，一個曲線圖G[12]的CDS（連接支配集合）組成了支配節點的集合。在G中的每個節點或是一個CDS的成員，或是遠離一個成員的一跳。本節提出一個簡單和有效的CDS探索方式，即UCDS算法，因它的同步支持多重應用的能力而取名。實踐證明UCDS獨立地運行，CDS應用也能工作得很好。

CDS算法可以在文獻[13，14]中看到，可以獲得DS規則、CS規則和CS額外規則的定義。

下面將從上述五個方面來闡明UCDS算法的優勢和如何實現基礎目標:

（1）錯誤容忍度

如果冗余的CDS節點對于錯誤容忍度是被需求的，對于網絡中的每一個節點有可能去修改DS規則，從而允許2個或更多的支配節點。這個需要一個新的規則，mDS規則定義如下:

如果滿足下面的條件，則節點i是DS的一個成員:①在其鄰居節點j之中，其至少有第m個最高的支配因數（di），這里節點i標明它自身;②鄰居節點j發現節點i在其鄰居節點k之中至少有第m個最高的支配因數，這里鄰居節點j標明節點i。

這里不存在來自錯誤容忍度的成本。這里沒有增加計算或信息復雜度。僅有的成本是CDS節點數的增加，終究這是一個目標。實際中，用相對較小的成本，UCDS完成了兩種支配集合[15，16]。某些CS節點，在第1種支配方案里，簡單地變成了第2種支配方案里的DS節點，因此減輕了CDS節點總體的增加。

（2）UCDS穩定性和收斂時間

對于一個給定的拓撲結構和恒定的支配因數集合，UCDS收斂成一個單獨的CDS。一個CS節點將被直接決定或者在CS額外規則1的情況下被兩跳里節點的DSN狀態間接地決定。因為DSN對于自身每個鄰居必須收斂成一個單獨的DSN方案，一個節點的CS狀態必須收斂。因此，CDS必須收斂成一個單獨的方案。

直觀上，已知的DS規則和CS規則之間的依賴性和它們應用的順序，UCDS必須是穩定的。假定某個節點在一個恒定的速率上告知其鄰居節點列表，比較容易限制對于UCDS采用一個拓撲結構的變化來收斂成一個CDS的循環個數。一旦一個鄰居節點鏈路狀態在一個專門的節點上變化，其將對這個節點采用一次循環（用時間來定義，即其一次認為所有節點去分享其鄰居節點信息）來告知其變化。另一個循環允許這種變化傳送給兩跳的鄰居節點。在這一點上，DS節點會收斂。一個更多的循環將允許CS節點（那些被CS額外規則1影響的節點）去收斂。這將采用一個增加的循環去確保后者節點的收斂。因此，在一次拓撲結構變化之后，UCDS在最多4次循環之后將會收斂。

（3）靈活的支配因數

UCDS對于錯誤容忍度提供了創建冗余節點的能力，其對于網絡里的每個節點通過建立兩個或多個支配節點來實現。盡管信息處理時間和計算復雜度不可改變，這種配置確實導致在CDS中的節點數目的增加。已存在許多協議的變化區別于傳統的用最合適的連接性和最小節點集合去選擇一個CDS的目標。支配因數[12－14]將被作為“鄰居節點等級”?？梢园l現許多提案或文獻[17－19]里建議將鄰居節點等級和維持電池功率去優化能量消耗。在能量消耗是一個重要因素時這種方法能被應用于傳感器網絡中。UCDS和CDS有不同，歸納了CDS的方法且允許大量的支配因數。這將允許拓撲結構被優化。用這種方法，支配因數能被做成可配置，以致所有的度量值對于網絡規劃者都可用到。負擔屆時依賴于網絡規劃對于可配的度量值去選擇優先權和權重因子。這個最終影響UCDS的選擇和網絡行為。例如，一個UCDS能考慮到下面的度量值:

鄰居節點等級;維持電池生命;平均的數據速率;CPU對于需要更多能量的CPUs的節點可以處理更多的業務;可用到的隊列空間－擁有更多排隊能力的節點在延遲傳輸時將遇到較少的電池溢出;CDS成員，這將增加被選擇集合的穩定性，這種增加的穩定性是通過給予更高的權重給是當前成員的節點。

（4）并行的CDSs

UCDSs也提供并行創建多重CDSs的能力，這一點對于支持改變QoS需求的應用是有必要的。在同樣的網絡里，一個應用可以支持產生一個連續低級別業務流的傳感器。這個業務能夠容忍高時延。這個應用需要針對最大電池生命進行優化。另一個是裝在一個自動化的武器系統的應用，這個可能產生簡短的對延時敏感的業務突發。在第一種情形下，維持電池生命的優先權勢是至關重要的。在第二種情形下，關鍵因素是產生一個較短的最小延時，路由路徑就是鄰居節點等級。UCDS能夠適應同時的需求，這類需求通過隨著其鄰居節點列表來推出多重靈活的支配因數。

（5）最短路徑的優化

CS規則和CS額外規則有兩個部分，其能被寬松地提供最小跳路由給非DS節點[12－14]。例如在圖4中，節點13和節點16對于最小跳路由到它們的鄰居非DS節點（即節點11、12和20）同時都有必要，但是通常會被UCDS和CS節點移除。節點13由于CS規則的條件不會被選擇。至于節點16，作為CS額外規則2的結果[12－14，20]，其不會被選擇。沒有CS規則的這些方面的內容，一個CS節點可以提供最短路徑到非DS節點。

圖4 UCDS創建最小跳路由

可見從上述錯誤容忍度、低時間復雜度、靈活性、高效并行創建和最短路徑5個方面來設計和考慮，UCDS算法能滿足一類穩定算法基礎目標的5個要求，在當前IP組網的WNW波形MAC層中，是具備最優的拓撲控制來同步支持多重應用的算法和方案。

4 基于IP組網的其他波形及GIG網絡

SRW和WNW屬于同一層級，可組建局域子網，其是另一個來自JTRS程序架構中基于IP的戰術MANET波形，SRW具備CNR語音實現的特征，可同時直接在MAC層和數據鏈路層上運行，且是當CNR分包直接適配MAC層幀時來運行。SRW借助WNW的骨干路由，能夠和WNW聯合操作，對于SRW的WNW連接性，使得通過GIG來進行信息交換。

對于更高一層級形成廣域子網MANET的波形是HNW和NCW。HNW在移動節點之間提供了高帶寬和長距離的連接，HNW是基于IP的MANET波形具備用于DNT的自我成形和自我恢復能力，且同時支持IPv4和IPv6。在不具備衛星通信能力時，HNW通過使用空中節點去創建戰場上的整體覆蓋，來實現所有的戰術GIG城域網需求。NCW是使得衛星轉發器產生多址接入波形的能力，NCW通過使用TDMA架構在衛星轉發器上實現了一個完整的網狀IP，其被設計工作在SHF范圍內。NCW波形采用了動態調度方式，這種方式在每一個節點基于業務需求和業務優先權來分配衛星資源。業務優先權的定義是可配置的，并使這種波形適應不同的QoS需求。

至此，本文已覆蓋了戰術GIG的主要波形，為了闡明這些波形是如何被鏈接在一起去構建網絡分層，圖5給出一個平臺理論架構，這個架構在子網之間對于形成無縫IP網關起到了主要的作用。這個平臺可以是一個通信工具或是一個命令和控制的固定平臺。這個平臺的核心是一個網關IP路由器。在右邊是一個復合的HAIPE裝置，每一個可以形成一個保密區域（即平臺架構中的一個當地LAN），且HAIPE允許這些不同的加密級去分享戰術核心網。在COTS路由器左邊，不同的波形可被用到，取決于平臺在戰術部署中的角色。在平臺中，一個WNW無線電扮演著連接GIG網關節點的作用。在圖1中這個已被為GIG的接口，即可以連接到COTS路由器的某個IP接口;這允許在WNW子網之間IP業務無縫地流動。廣域網波形HNW和NCW可以作為這個平臺架構中的終端。這些終端具備3層能力且無縫地連接到COTS路由器，并允許廣域網業務在不同平臺之間流動。注意到這里的平臺是相應的廣域網的節點，比如HNW和NCW廣域網，且上一層梯隊中不是所有的節點具備同樣的能力。有些節點可能只有HNW終端或是一個單獨的HNW廣域網的一部分。有些節點能夠是不同的HNW網絡的一部分，同時其他節點可以有NCW終端且是NCW廣域網的一部分。一般來說每一個軍事戰區只有一個NCW網絡。

圖5 一個同時支持旅級子網WNW和師級廣域網HNW＆NCW的平臺理論架構

在圖5的理論架構中，考慮到無縫IP連接性，GIG各類戰術波形的引入都能夠無縫的完成。這也是整體戰術GIG網絡最重要的一點。

5 結束語

對基于IP組網的GIG網絡中的4類戰術波形進行了分析和研究，針對JTRS使得基于IP組網成為現實起到最主要作用的背景，重點對JTRS中最重要和復雜的WNW波形，聚焦于挑戰性的MANET組網，從WNW協議棧架構和跨層信令，以及USAP實現物理層資源分配等方面進行了分析和設計，并且在MAC層給出了一種最優MANET拓撲結構控制的UCDS算法和方案，能夠同步支持多重應用。

作為和WNW同一級的SRW，以及更高一級的HNW和NCW，對各自基于IP組網的特性和融入GIG進行了技術分析，并給出了一個平臺理論架構來闡明GIG主要戰術波形如何鏈接來構建MANET網絡分層，正是通過無縫IP的連接，使得GIG主要戰術波形都能順利地引入和融合。

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