水下智能跨域異構網絡設計

李壯，孔軍，劉鵬，黃珊琳，高天孚，鄧堯文

(中國艦船研究院，北京 100192)

0 引 言

近年來，美軍先后提出空海一體戰、多域戰、蜂群作戰、分布式作戰、算法戰和馬賽克戰等作戰概念，并且隨著人工智能、大數據、云計算等技術的快速發展和應用，未來海戰將越來越表現出智能化、無人化的作戰概念，依托先進網絡能力、人工智能處理、計算和聯網、分布式指揮控制等能力，形成基于海戰場的陸、海、空、天、網電跨域協同的分布式、開放式、可動態協作和動態重組的網絡架構，受限空氣-海水2 種介質時空環境的非連續性，導致缺乏十分有效的遠程跨介質水面-水下通信手段和途徑，在信息下發、回傳和兼顧隱蔽性時面臨了較大的困難。為應對我國水下戰略建設急需，解決水下信息出入水難題，迫切需要在現有通信鏈路的基礎上，通過認知等手段開展水面/水下跨域協同異構網絡的設計。

1 水下認知跨域異構網絡

未來海戰場網絡是基于陸、海、空、天、網電跨域協同的分布式、開放式、可動態協作和動態重組的網絡架構，其水下跨域網絡以水面-水下有人與無人平臺之間構建的分布式廣域通信網絡為對象，分析水面-水下不同網絡信道參數、組網協議、路由信息和功能模塊的自適應調整流程，開展水下通信網絡的端到端服務質量映射和流量控制機制研究，實現不同信道異構適配和跨網轉接。

水下認知跨域網絡是在不同信道環境下，充分考慮水下環境下衰減大、時延高、窄帶寬以及多途擴展嚴重等諸多困難，通過與不同外界環境信息的實時感知與信息交互，通信系統不斷獲取不同傳輸信道的背景知識信息，并反饋給通信系統調整其通信參數，進而實現信息的跨域異構傳輸。因此，水下認知跨域網絡通信系統具備感知外界環境能力，可根據水下信道特征、水下環境參數、組網和路由協議、業務傳輸種類和類型等動態的調整傳輸頻點和相關通信參數，具有高度的智能屬性是該通信系統最大的特點。

水下認知跨域網絡的目標是優化通信傳輸性能，支持不同業務的跨域異構傳輸需求，在滿足用戶對不同業務通信需求的同時，對使用頻帶、接口轉換、業務類型、傳輸流程和服務質量等資源的消耗動態調配，進而實現了傳輸的最優化。認知功能模塊是該通信系統的關鍵設備之一，基于對周圍環境和信道的知識獲取來自適應重新配置網絡參數，通過環境感知和自主建模構建認知、建模、學習、反饋的一體化智能跨域網絡通信系統。

2 認知跨域異構網絡體系架構

2.1 異構網絡體系架構設計

面對海戰場陸、海、空、天、網電跨域協同的網絡需求，結合異構網絡和認知網絡的特性，提出了面向未來的新型信道認知異構網絡體系架構，采用服務層、網絡層和接入層3 層體系架構，將多種異構信道接入網絡，如水聲通信網絡、數據鏈網絡、衛星通信網絡等。其中，服務層為用戶提供應用服務，提供各種業務和應用。網絡層采用全IP 服務化架構，為整個網絡的提供控制及管理功能，用戶通過接入層實現水聲、數據鏈、衛星等各種通信手段接入網絡，體驗應用服務，可在不同接入網絡間進行動態切換，如圖1所示。

圖 1 跨域認知異構網絡體系架構Fig. 1Cross domain cognitive heterogeneous network architecture

全IP 核心網：全IP 核心網部分是跨域認知異構網絡架構中最核心的部分，負責認知異構網絡的管理和控制。它由大量分布式跨域認知節點組成，全IP 網絡這些跨域認知節點可以由各種有人-無人平臺、浮標、潛標等通過軟硬件升級，嵌入認知功能模塊后實現。

信道接入部分：水聲通信網絡、無線通信網絡或其他網絡通過信道接入集成到跨域認知異構網絡。在整個認知過程中信道接入部分主要完成感知和動態接入的步驟，不斷感知外界環境的變化以及不同業務的需求信息，并將結果上報全IP 核心網，通過在核心網進行環境參數、組網協議、業務內容自適應的動態調整，將結果反饋給信道接入部分，動態接入不同信道。

跨域認知異構網絡設計的思想是為了提高整體網絡傳輸性能，并不是非局限在某個節點、某種業務或者某條信道中，跨域認知異構網絡的認知功能實現了網絡從追求單個節點優化目標轉變為實現整體網絡效能優化目標的共贏局面。

2.2 跨域認知節點設計

跨域認知節點中采用了分層跨域設計思想，該思想的核心是避免重新建立一個新的網絡，而是在現有的網絡基礎上增加一些新的功能。跨域認知節點框架如圖2 所示，由認知平臺模塊、認知層接口模塊、知識模塊、決策模塊和協議適配模塊等功能組成。該架構能夠完成從認知、建模、學習、反饋等功能組成的閉環認知流程，進而實現認知節點信息的跨域異構傳輸。

圖 2 跨域認知節點框架Fig. 2Cross domain cognitive node architecture

認知平臺：認知平臺的主要功能是在認知節點內部各功能單元間、認知節點間以及節點與業務應用間執行信息傳輸和交互。認知平臺由分布式的跨層優化模塊組成，該模塊主要功能是通過不同層數據交互模型和網絡參數模型的不斷反饋，并根據不同用戶的業務應用需求，采用相應的算法實現資源的不斷優化，通過基于端到端服務質量映射和流量控制機制處理業務、資源、位置以及各種時空變化的需求智能選擇配置節點，并且在每個可重配置節點執行重配置信息，這些可重配置信息由軟件定義并可在時間和空間上改變，通過軟件模塊進行重配置。

認知層接口模塊：認知層接口模塊的主要功能是收集各協議層的信息并控制傳輸協議參數，其主要交互接口為協議層接口模塊與認知模塊，認知層接口模塊負責收集各協議層的原始信息，主要根據協議層之間不同的認知平臺狀態，執行相應的控制指令。認知層接口模塊負責感知各協議層信息，并上報給認知平臺，進而存儲在知識模塊單元中，主要根據認知平臺的指令反饋給協議層，重新配置各協議層參數。

決策庫模塊：決策庫模塊是一個具有優化功能的模塊化決策池，與認知平臺具有接口連接，并為認知平臺提供深度學習等各類先進的人工智能算法，根據所要解決的不同問題，認知平臺調用決策庫中合適的人工智能算法，解決異構網絡中出現的各種優化問題。

知識庫模塊：知識庫模塊具有數據分析功能，與認知平臺具有接口連接，根據網絡需求和自身存儲的經驗和知識數據，包含用戶業務需求信息、節點之前決策和經驗信息等數據。知識庫模塊可以對其進行分析，當接入節點感知到環境信息變化時，知識庫模塊可根據變化重配置節點參數。

臺灣應用型本科高校為經濟建設和職場培養了大批優秀的高級人才，積累了豐富的應用型人才培養經驗，對大陸地區以培養應用型本科人才為主的獨立學院具有重要的啟示。

協議適配單元：當異構網絡節點間需要進行信息交互時，可通過協議適配單元進行不同協議和格式的消息進行標準化適配轉換，進而保證異構節點間的通信。

3 跨域協同通信系統

3.1 系統組成

跨域協同通信系統以網關通信浮標、潛標和UUV 等為主要節點裝備組成，水面以下以水聲通信方式實現節點之間的信息接入和傳輸，水面以上通過衛星、數據鏈等通信方式實現節點的信息接入和傳輸，可為水下預警探測、指揮控制、導航定位和海洋觀測等業務應用提供通信鏈路。

跨域協同通信系統采用認知異構網絡架構，其主體由“兩網一系統”組成。“兩網”即無線通信網和水聲通信網，為岸、海、空、潛等各類平臺之間信息傳輸提供基本手段，主要包括超長波、短波、超短波、微波、衛星、水聲及光纜等各種無線、有線傳輸手段，以及各個頻段的數據鏈。“一系統”即通信管控系統，主要包括綜合業務應用、通信指揮、網絡綜合管理、頻譜管理及安全防護等五大功能域。在水面/水下協同跨域體系的上層是岸基、移動平臺的各種信息系統（含用戶終端系統）。跨域協同通信系統組成結構如圖3 所示。

圖 3 跨域協同通信系統組成示意圖Fig. 3Composition diagram of cross domain cooperative communication system

3.2 系統接入和傳輸

跨域協同通信系統通過對通信資源進行有效整合和綜合管理，構建分層傳輸服務體系逐層向上提交服務，向下屏蔽網絡異構細節和變化，改變現行基于指揮關系建立的樹狀通信網，解決目前指揮所與數據鏈轉信站點綁定使用等方面的問題，提高通信傳輸可靠性，支持綜合應用各類通信手段進行實時格式化戰術數據、非實時數據、語音、視頻等信息傳輸。

用戶/應用系統根據作戰要求，提出通信網絡規劃要求，并將需傳輸的信息和質量需求提交至信息分發服務層，信息分發服務層根據信息的傳輸服務質量要求（如指揮信息的時效性和可靠性、情報信息的保鮮性等）將用戶和需傳輸的信息進行分級分類，并按級、按類向信息傳輸服務層提出傳輸要求。

信息傳輸服務層匯總各類傳輸要求，統一調度通信資源，在信息分發服務層與信息傳輸網絡之間建立邏輯鏈路，實現應用與物理鏈路的映射和基于邏輯鏈路的資源調度，解除上層應用與具體物理鏈路的綁定，進而實現不同物理鏈路之間的網間路由、隨遇接入可靠傳輸等功能。

根據任務統一開設通信子網，通過實時上報的子網狀態和信道質量，集中對各通信子網進行管控，并可通過自適應選頻、跳擴頻等技術，以及靈活路由組織使用多種備用通信手段等網絡技術，從物理鏈路、網絡控制等多層面開展通信系統抗干擾設計，以適應復雜電磁環境。

3.3 系統架構設計

跨域通信系統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由水下信息處理中心節點、網關認知節點、主節點和探測節點配置組成，其總體架構如圖4 所示。

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

1）水下信息處理中心節點

水下信息處理中心節點包含岸基水下信息處理中心和編隊水下信息處理中心。其主要功能是與網關節點配合形成數據鏈路，基于岸海之間的通信協議和格式，水下信息處理中心與網關節點之間可傳遞水下目標信息和指揮控制信息。其主要通信鏈路包含數據鏈和衛星通信等無線通信鏈路。

2）網關認知節點

網關認知節點主要負責水下信息網與外部信息的溝通，具有認知功能，并承擔跨域信息格式協議轉換作用。該節點為水下信息網與外界聯系的紐帶，也是水下網絡信息系統與海戰場信息交互的核心。網關認知節點主要包含移動和固定節點組成，固定節點通常采用水聲/無線電浮標（包括拖曳綜合浮標、系留浮標、空投浮標等）構成視距無線電通信鏈路，移動節點采用有人或無人移動平臺充任。

3）主節點

主節點是水下信息網的核心，每個主節點周圍可布放若干普通傳感器節點，通過主節點對它們進行控制，并承擔附近傳感器節點與外部信息交流的中繼。普通傳感器節點信息最終匯聚到主節點上，因此主節點是整個通信網絡的關鍵節點，要求其具有隱蔽、低功耗、遠距離通信能力。

4）傳感器節點

傳感器節點一般都包含水聲通信節點和水下探測設備。水聲通信節點負責水聲節點之間通信，同時進行信息的調制和解調；水下探測設備完成信息的采集，并通過傳感器節點與各型平臺通信聲納同構節點聯網，同時發揮網關節點的作用，水下探測設備可由水下有人/無人平臺構成，通過傳感器節點接入異構網后，可以與無線通信各節點實現異構信息聯網，在水下狀態下傳輸隱蔽性較好的業務信息，并與海、陸、空、天等上層主干網絡連接，實現更大范圍的信息交換。

4 結 語

本文針對我國水下戰略轉型發展要求，滿足未來軍事戰略安全需求，解決水下信息出入水的難題，對水下智能跨域異構網絡進行具體分析和研究，提出了一種面向未來的水下智能跨域異構體系架構，設計跨域協同通信系統，通過對異構網絡組成、接入傳輸手段和認知節點的設計，實現水下信息的信息傳輸和共享。