基于Mesh網絡的航母編隊通信網研究*

虞霖方 張桂英 吳有俊

(海軍指揮學院信息戰研究系 南京 211800)

基于Mesh網絡的航母編隊通信網研究*

虞霖方 張桂英 吳有俊

(海軍指揮學院信息戰研究系 南京 211800)

為解決航母編隊存在的高帶寬、高速率的通信需求問題,在分析Mesh網絡特點及其結構的基礎上,提出了一種Ad Hoc + Mesh的航母編隊通信網絡組網方式。探討了網絡中節點的設計并對路由協議的選擇進行了仿真驗證,對Mesh網絡在軍事領域的深入研究提供了一定的參考價值。

航母編隊Mesh網絡; 組網設計; 節點; 路由

Class Number TN92

1 引言

在現代海軍作戰中,航母是國家海上軍事力量的核心組成部分,擔負著保衛國家安全、保護海上航線以及維護海洋權益等一系列重要使命。由于航母編隊的活動遠離海岸,它需要實時地與岸上指揮部、空中飛機及其它艦船保持通信聯絡,以傳送各種重要的戰略戰術信息。因此,航母編隊的通信保障就成為了未來高科技戰爭中奪取海上制空、制海權和制勝權的關鍵。研究適用于航母編隊的具有高帶寬、高速率的通信網絡具有十分重要的軍事意義。

無線Mesh網絡,又稱WMN,具有多跳、自組織等優點,是一種高帶寬、高速率的分布式網絡[1]。在軍事通信方面,由它組建的指揮通信網絡可以在戰場中臨時自組織、自愈,能與其他不同結構網絡進行集成,是一種非常有前途的無線接入網絡技術。

2 Mesh網絡研究現狀

無線Mesh網絡,是一種多跳、自組織、高速率傳輸的分布式網絡。它由Mesh路由器和Mesh客戶端組成。網絡中的每個節點不僅可以接受和轉發數據,而且可以與一個或者多個節點進行直接通信。

無線Mesh網絡包括有三種結構：骨干Mesh結構、客戶端Mesh結構以及混合結構。

圖1所示為骨干結構。如圖所示,網絡分為兩層,上層為Mesh路由器,下層為終端節點。終端節點可以通過Mesh路由器接入到上層的骨干Mesh網絡中,實現節點的互聯互通。

圖1 骨干Mesh結構

在國內,對于無線Mesh網絡的軍事應用還處于理論研究階段。炮兵學院汪濤提出了基于無線Mesh網絡的野戰網絡系統,構建了覆蓋指揮觀察所和前方陣地的無線Mesh骨干網絡,配置了便攜式視頻控制系統,可以提高炮兵部隊的作戰機動能力；西安電子科技大學王林研究了組建基于Mesh網絡的戰術互聯網過程中要考慮的關鍵問題,如網絡的框架結構、MAC層協議和路由協議的選擇等；海軍工程大學劉顯靜提出了采用WLAN Mesh的綜合組網模式,將艦艇編隊通信網設計為三級網絡,并驗證了該網絡的性能。目前關于Mesh網絡的軍事應用研究多集中于陸上戰場戰術網絡[2],而海上電磁環境及作戰區域與陸上機動網絡有諸多不同[3],需要進一步深入研究。

3 基于Mesh網絡的通信組網設計

3.1 組網需求分析

未來海上的立體戰爭需要投入空中、水面、水下的各種兵力,只有組成編隊才能統一指揮、密切配合、協同作戰。因此,具備可靠的通信網絡,是航母編隊立于不敗之地的重要前提。

現代航母編隊通信網絡,主要具備以下幾個特征：

1) 通信方式以無線為主。航母編隊艦與艦、艦與飛機、艦與岸基指揮所之間不能構建有線鏈路,必須依靠無線方式進行通信。

2) 網絡拓撲變化頻繁。航母編隊在作戰時各作戰單位需要不停變換陣位,同時會受到來自敵方的電磁干擾,使得某些通信鏈路中斷。

3) 覆蓋范圍廣闊。核心艦艇之間一般間距5海里,防空驅逐艦一般距離核心艦艇10海里,而護衛艦則部署于距離核心艦艇20～25海里處。

3.2 組網設計

表1為航母編隊的典型編成配置,在一般巡航狀態下,各作戰單元以航母為中心組成空艦一體化的攻防體系,通常以航空母艦和綜合補給艦為核心,其余艦艇則部署在它的周圍。戰斗隊形形成內、中、外幾層防區,具有搜索、防空、反潛等能力。圖2所示為航母編隊航渡狀態下的基本隊形。

表1 航母編隊典型編成配置

圖2 航母編隊基本隊形

根據Mesh網絡的定義,其節點不能進行快速的移動。考慮到航母編隊的實際需求,將航母編隊中移動較快的節點,如驅逐艦、護衛艦、作戰飛機等,依據作戰任務不同組建Ad Hoc網絡,而移動相對緩慢的艦艇,如航母、補給艦等作為骨干節點,構建骨干Mesh網絡,Ad Hoc網絡中的節點通過網絡內的骨干節點接入到骨干Mesh網中,通過Ad hoc+Mesh的方式組建航母編隊通信網絡,實現各作戰單元之間的互聯互通。圖3為構建的航母編隊通信網絡。

圖3 航母編隊通信網絡

4 網絡節點設計

Mesh節點作為網絡中的關鍵部分,其設計直接關系著網絡的性能與穩定。

4.1 物理層

物理層規定了數據傳輸信號的特征和調制方法。IEEE802.11在使用無線電波作為傳輸介質時,可分為直接序列擴頻與跳頻擴頻。

Mesh網絡采用了直序擴頻技術。直序擴頻是指在發送端擴展信號頻譜,并在接收端進行相應的解擴,還原為原始信號。其優點主要在于將原始信號淹沒在噪聲中,使敵方難以發現,提高信號的隱蔽性和抗干擾性。

4.2 MAC層協議

MAC協議的主要作用是保證公平性和有效的資源共享[4]。

目前針對Mesh網絡的信道接入協議有CSMA、CSMA/CA[5]、DCF。

DCF主要用于支持異步數據傳輸,圖4為DCF基本接入方式,它以幀間間隔(IFS)表示數據發送的優先級,包括短幀間間隔(SIFS)與分布式幀間間隔(DIFS)。發送時,節點首先監聽信道,若信道空閑,則等待DIFS后發送數據,接收節點計算校驗和,確定收到的分組正確無誤后,等待SIFS后發送一個確認幀(ACK)。

DCF允許兼容的物理層之間通過CSMA/CA和無線媒介忙條件下的隨機退避定時機制來自動進行媒介共享[6]。

DCF協議不僅對CSMA/CA協議進行了擴展,一定程度地解決了隱藏終端與暴露終端問題,而且通過ACK實現對鏈路層的確認,可見,使用DCF作為信道接入協議是比較合適的。

圖4 DCF基本接入方式

4.3 路由協議

路由協議在很大程度上決定著一個網絡的性能。作為一個新興網絡,傳統的基于因特網的協議并不適用于Mesh網絡[7]。因此,作為與Mesh網絡相似的Ad hoc網絡的路由協議成為了最優的選擇。

路由協議總的來說分為兩大類：表驅動路由協議和按需路由協議。

常見的表驅動路由協議一般有DSDV、WRP、FSR、CGSR等；按需路由協議一般有DSR、AODV、TORA、SSR[8]等。

表驅動路由協議通過定時檢測鏈路,及時更新準確的網絡拓撲以及路由消息。其優點是發送數據時可以立即獲取準確的路由信息,但需要大量的控制報文,開銷太大。按需路由協議不需要定時更新自身路由信息,只有在需要查找時才更新路由,減小了網絡的開銷,但在發送數據時需要一定時間的延時。

為了比較上述兩種路由協議在Mesh網絡中的適用性,選擇最具代表性的DSDV、DSR和AODV三種路由協議進行仿真對比。

仿真工具選取OPNET仿真軟件,針對航母編隊通信的移動性和大流量特性,對節點運動的情況的性能進行仿真分析。節點數目為12個,運動速度為30km/h,節點移動方式選取了組移動模型(Group Mobility Model),范圍設定10km×10km,MAC層采用IEEE 802.11 DCF協議。在仿真中選取丟包率、吞吐量、網絡時延作為統計量。

1) 丟包率

圖5 丟包率

2) 吞吐量

圖6 吞吐量

3) 傳輸時延

圖7 傳輸時延

由仿真圖中可以看出：

AODV協議在丟包率、吞吐量方面相比其余兩種協議具有明顯優勢；在傳輸時延方面,由于DSDV是表驅動路由協議,發送數據時可以立即獲取準確的路由信息,因此,其傳輸時延更短。總體來說,在Mesh網絡中,按需路由協議性能要高于表驅動路由協議,而在按需路由協議中,AODV協議擁有更好的性能。因此,在該網絡中將AODV作為路由協議是最適合的。

5 結語

未來的海上戰爭,是信息化的戰爭。保障航母編隊通信需求將成為決定戰爭勝負的重要因素。本文將Ad Hoc與Mesh進行結合,組建航母編隊通信網絡,探討了網絡中節點的設計,特別是對于路由協議的選擇,對于今后Mesh網絡在軍事通信中的深入研究提供了一定的參考價值。

[1] Hossain E, Leung K K. Wireless Mesh Networks Architectures and Protocols[M]. New York: Springer Science,2008:173-182.

[2] 楊斌,吳學智,陽昆.水面艦艇編隊的無線局域網研究及構建[J].艦船電子工程,2008,28(8):27-29.

[3] 劉顯靜,吳學智,沈釗.基于Mesh結構的海上無線局域網組網性能研究[J].計算機技術與發展,2013(6):162-165.

[4] 陳潔蓮.無線Mesh網絡組網技術研究[D].成都:電子科技大學,2008.

[5] 王健全,胡云,呂召彪.無線Mesh網絡性能分析及協議優化研究[J].計算機工程,2013(8):107-111.

[6] IEEE 802.11 Working Group. Port-Based Network Access Control. IEEE Std 802.1X,2001.

[7] 解亞琦,張海林,趙力強.基于WLAN的Mesh網絡和PMP網絡性能比較[J].現代電子技術,2007(3):32-34.

[8] 王林.基于Mesh網絡的戰術互聯網組網研究[D].西安:西安電子科技大學,2008.

Aircraft Carrier Formation Communication Network Based on Mesh Networks

YU Linfang ZHANG Guiying WU Youjun

(Department of Information, Naval Command College, Nanjing 211800)

To solve the requirements of high bandwidth, high-rate communication in aircraft carrier formation, an Ad Hoc + Mesh networking communications network carrier battle group based on the characteristics and structures in the Mesh networks analysis is proposed. This paper discusses the design of nodes in the network and the right choice of simulation verification agreement, which is helpful to the further research of the mesh network in the military field.

aircraft carrier formation, mesh networks, node, route

2014年6月8日,

2014年7月27日

虞霖方,男,碩士研究生,研究方向:海軍通信理論與技術。張桂英,女,碩士生導師,研究方向:海軍通信理論與技術。

TN92

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.018