基于跨層的戰術柵格通信網絡體系結構分析*

(海軍裝備軟件管理中心 北京 100841)

基于跨層的戰術柵格通信網絡體系結構分析*

徐勇

(海軍裝備軟件管理中心 北京 100841)

戰術柵格通信網絡必須首先保證重要數據能夠安全、準確、平穩地傳輸,其網絡通信需要高效可靠的通信體系架構,而海戰場的通信環境十分復雜,論文以提高艦艇內和大型艦艇編隊節點間通信的可靠性以及業務服務質量(QoS)的可保障能力,降低通信延遲,提高網絡帶寬為目的,通過研究海上戰術柵格無線通信網中網絡層AODV協議與鏈路層Spatial-TDMA數據服務質量保障技術及數據傳輸結構和涉及的相關關鍵技術,研究基于跨層協議的戰術柵格無線網絡系統數據處理流程,構建跨層的戰術柵格通信網絡架構,為新時期海軍航母編隊作戰群執行多樣化作戰任務時提供可靠、高效的網絡通信保障。

戰術柵格;通信網絡

ClassNumberTN918

1 引言

戰術柵格無線通信網絡是海上網絡中心戰環境下的信息基礎設施的重要組成部分[1～3],它以各式作戰艦艇、作戰飛機為通信節點,通過各式軍用數據鏈,組成具有移動和自組織特點的海上無線通信網絡。目前我國海軍正在實施從近海防御向中遠海作戰進行轉移的戰略方針,航母等大型艦艇編隊作戰群的作戰任務將越來越多樣化,作戰環境會變得越來越復雜,節點移動速度也越來越快,這對海上戰術柵格無線通信網提出了更高的要求,特別在海戰場復雜的電磁環境下,對節點間的可靠連接能力、業務服務質量的可保障能力等方面的需要進一步加強[4～5]。傳統網絡體系結構是基于分層思想的體系結構,雖然可以降低網絡設計難度,但已經不能很好地適應海上柵格戰術柵格無線通信網絡的移動特點、網絡效率、QoS(Quality of Service)支持以及可靠性保障等方面的要求,而且分層結構不利于整體架構與性能的優化[6～7]。移動自組織網絡中協議棧的跨層設計方法,可以通過層間交互及時共享不同網絡層次的本地信息,減少數據處理與通信的開銷,從而優化系統整體性能[8]。因此,可以利用移動自組織網絡跨層設計方法來建立基于跨層的海上柵格戰術柵格無線通信網絡體系,通過網絡層路由協議與鏈路層MAC協議的聯合設計為網絡提供可靠的QoS保障,同時利用網絡層路由協議與鏈路層MAC協議的交互,使得鏈路層Spatial-TDMA協議能夠在通信調度過程中完成網絡層AODV路由表查找,從而有效減少網絡開銷。

戰術柵格無線通信網絡旨在使海上各網絡節點的多用戶實現自動化的通信。這種自動化的網絡節點包括岸基指揮通信節點、海軍陸戰隊節點、航空母艦戰斗群和海上艦艇編隊各編成艦艇節點以及艦載飛機節點等等。利用各網絡節點的計算機可以與海軍內部通信網絡通信。

通過研究高效可靠的戰術柵格無線通信網絡體系結構,提高航母等大型艦艇編隊節點間通信的可靠性以及業務服務質量(QoS)的可保障能力,同時降低通信延遲,提高網絡帶寬。突破海上戰術柵格無線通信網中網絡層AODV協議與鏈路層Spatial-TDMA協議跨層設計所涉及的相關關鍵技術,為新時期海軍航母編隊作戰群執行多樣化作戰任務時提供可靠、高效的網絡通信保障。

2 戰術柵格無線網絡系統設計目標

傳統的沒有QoS控制機制的分組交換網絡,對所有的業務都提供盡力而為型服務,所有的業務公平地共享網絡資源,網絡中間節點盡最大努力將數據分組傳輸到其目的端,網絡出現擁塞時后到的業務直接被丟棄[9～10]。這種方式思想簡單,適合于對實時性要求較低的如Email等的網絡業務,但是隨著視頻會議、遠程教育等復雜網絡應用的出現,盡力而為的服務方式已經暴露出很多的弊端,這種服務方式已經不能滿足網絡應用發展的需要[11]。

對于戰術柵格無線通信網,盡力而為的服務方式顯然是不合適的。戰術柵格無線通信網,或者其它軍用網絡對數據分組都要求有一定的區分度,戰場上的數據總是有輕重緩急的,軍用通信網絡必須首先保證重要數據能夠安全、準確、平穩地傳輸,而且也能夠容忍丟棄相對次要的信息。

基于戰術柵格無線通信網對重要業務優先服務的原則,系統設計必須在集成服務與區分服務相結合的體系結構中,能夠區分出重要業務和相對次要的業務,并保證重要業務的傳輸和調度,在系統出現擁塞時能夠及時發現并解決擁塞。

3 戰術柵格無線網絡系統設計關鍵技術

· 基于AODV路由表的Spatial-TDMA協議時隙調度技術

路由協議與MAC協議的跨層交互設計的關鍵在于其信息的共享,通過改變傳統方式,把AODV的路由表信息共享給Spatial-TDMA協議,使得Spatial-TDMA在時隙調度過程中就完成了路由功能,這樣不但能夠簡化數據傳遞過程,還能節省網絡帶寬,提高節點間連接的可靠性,并進一步提高Spatial-TDMA的時隙空間復用性,減少節點間的通信沖突。

· 基于AODV路由發現與Spatial-TDMA時隙分配的QoS支持技術

將AODV協議路由發現過程與Spatial-TDMA時隙分配過程相融合,在路由發現過程,進行QoS要求申請,使得Spatial-TDMA進行時隙分配時充分考慮相應的QoS請求,以達到可靠的網絡業務質量保障。

4 戰術柵格無線網絡系統結構

傳統的戰術無線網絡采用分層結構體系,已經不能夠適應新時期海上編隊作戰群執行多任務的需要。同時由于海上無線通信網絡的通信手段與商用的移動自組網存在較大差異,因此需要根據海上無線通信網自身的特點,利用移動自組網的跨層設計方法,建立基于跨層思想的海上柵格戰術柵格無線通信網絡體系結構,以保障節點的可靠連接和QoS支持。戰術柵格無線通信網是一個多級互聯的系統,其數據發送方可能來自于不同的作戰部門,也可能來自于執行任務的單兵,其通信過程是非常復雜的。其中,數據生成與發送端生成帶有優先級標記的數據分組,模擬從其它節點收到的數據,之后將這些帶有優先級標記的數據分組發送給數據接收端。數據接收端收到這些數據分組后,按設定的隊列調度機制和擁塞控制策略完成對隊列調度和擁塞控制的模擬。

戰術柵格無線通信網將戰場各種通信平臺、指揮控制平臺、情報處理平臺相互鉸鏈在一起,從而實現態勢感知和指揮控制信息在指揮通信系統內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據業務,完成戰斗單元動態組網與協調通信。其體系結構包括如下部分:

1)無線分組子網層:主要有艦載內部單工戰術電臺和單工調頻電臺組網,用于提供艦內節點連接。

2)無線分組網層:由艦載寬帶數據電臺及其終端構成通信網絡,用于提供編隊簇內節點連接。

3)無線干線網層:由多部艦載大功率電臺組成,用于提供編隊簇間連接。

4)數據中繼網層:主要由戰術衛星、戰略衛星和民用衛星構成的衛星通信系統,以及由無人機為重點的空中信息轉發平臺。

其中,無線干線網與無線分組網之間采用戰術多網網關來實現無縫連接;無線分組子網與無線分組網之間采用互聯網控制器來實現無縫連接,每個互聯網控制器都是一個無線路由器節點?；诜謱拥膽鹦g柵格無線通信網絡的結構如圖1所示。

圖1 分層戰術柵格無線通信網絡結構

在最高層,主要由戰術衛星、戰略衛星和民用衛星構成的衛星通信系統,滿足從戰略到戰術層次的全方位的信息傳輸需要。

在大氣層以下應發展以無人機(UAV)為重點的各種空中信息轉發平臺,克服各種高速無線數據傳輸系統視距傳輸的限制,滿足單兵和各作戰平臺高速信息傳輸的需要。UAV通常需要長時間工作,因此需要限制其傳輸功率來節省電能;位于一定范圍內的多個UAV可以組成一個特殊的空中多跳戰術柵格網絡,這種空中骨干網絡可以完成戰場監視、情報收集、協調攻擊等任務,并可以與Internet互連來為遠程的指揮中心提供通信和指揮能力。

無線干線網層和無線分組子網層包括具有不同通信能力和處理能力的各種艦載通信設備和單兵可攜帶的通信設備,可以看成一個異質戰術柵格網絡,在這種異質網絡中,簇頭的選擇比較容易,一般由功能較強的指揮艦充當。各作戰單元可以選擇離其較近的簇頭來將網絡劃分成簇,按這種組網方式,艦艇之間的協同通信將變得非常簡單。

5 戰術柵格網絡系統數據處理流程

為了簡化系統的設計,將AODV數據處理協議進行擴充,實現其跨層次處理,并將其簡化為數據的生成與發送端、數據接收端兩個網絡節點?；趹鹦g柵格無線通信網的相關需求,重點在這兩個節點之間實現QoS過程并驗證相關算法的有效性。系統的工作流程如圖2所示。

圖2 系統工作流程

系統工作時首先打開數據接收端的偵聽功能,其次,數據生成與發送端向接收端發送連接請求,在地址及端口號正確的情況下就建立起這兩個通信節點的連接了。之后,數據生成與發送端不斷地向數據接收端發送模擬指令。

數據接收端接收這些模擬指令,并根據這些指令的優先級將其放入相應的緩沖區中。如果數據接收端的緩沖區未滿,則依次調度并處理優先級為高、中、低的緩沖區中的模擬指令,統計延遲時間;如果數據接收端的緩沖區為滿,則數據接收端向數據生成與發送端發送擁塞信號并進行擁塞處理,擁塞解除后向數據生成與發送端發送擁塞解除信號,使發送端重新開始發送數據。數據生成與發送端在收到數據接收端發送的擁塞信號以及擁塞解除信號時會做出一些反應。

數據生成端在與數據接收端建立連接之后,就開始向數據接收端發送模擬指令,當它收到數據接收端發送的擁塞信號時,停止生成和發送模擬指令的動作,等待數據接收端擁塞的解除;當它收到數據接收端返回的擁塞解除信號時,開始重新生成并發送模擬指令的動作。

數據接收端在和數據生成與發送端建立連接之后開始接收發送端發送的模擬指令。數據接收端不斷地接收模擬指令,并根據指令的優先級將其放入對應優先級的緩沖區,并按順序依次調取處理優先級為高、中、低的緩沖區中的模擬指令,統計出處理30條模擬指令所需的延遲時間。緩沖區的大小有固定值,當模擬指令進緩沖區的速度大于出緩沖區的速度時,緩沖區會達到飽和狀態,此時,數據接收端向數據生成與發送端發送擁塞信號,數據生成與發送端收到這個信號之后就不再發送模擬指令了,數據接收端在沒有新指令到達的情況下進行擁塞處理。當擁塞解除時,數據接收端向數據生成與發送端發送擁塞解除信號,數據生成與發送端重新生成并發送模擬指令,數據接收端接收并處理這些指令,直到下一次擁塞的出現。

6 結語

通過開展基于跨層協議設計方法的戰術柵格無線通信網絡體系結構的研究,從整體上優化戰術柵格無線通信網絡的性能,提高網絡連接的可靠性,降低網絡控制開銷,節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作戰群中遠海作戰提供可靠高效的網絡通信保障,對建立和完善海軍未來通信體系架構,提高海戰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:計算機應用、綜合電子信息系統等。

TN918DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.05.004