解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院 王海濤 宋麗華
戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)的主要任務(wù)是為戰(zhàn)術(shù)兵團(tuán)和部隊(duì)（分隊(duì)）指揮提供保障，主要由便于攜帶的或車載的野戰(zhàn)通信裝備組成，通信手段以移動(dòng)（無線）通信為主。戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)對(duì)于保障戰(zhàn)場環(huán)境的軍事通信至關(guān)重要，世界上許多國家都給予了高度重視，如美軍已經(jīng)制定了戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)――MIL-STD-188-220B。當(dāng)前，對(duì)于節(jié)點(diǎn)可以移動(dòng)的戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)，保證網(wǎng)絡(luò)的性能和通信的可靠性是一項(xiàng)急需解決的長期性工作。自組織網(wǎng)絡(luò)是一種對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)，它源自美軍上世紀(jì)70年代提出的分組無線電網(wǎng)絡(luò)。自組織網(wǎng)絡(luò)具有自組織特性，結(jié)點(diǎn)無需人工干預(yù)，可快速自動(dòng)組網(wǎng)。自組織網(wǎng)絡(luò)通常采用無線通信技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)互相作為其鄰居結(jié)點(diǎn)的路由器，通過中間結(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)結(jié)點(diǎn)間的通信。自組織網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行不能依賴于任何預(yù)設(shè)的固定網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，結(jié)點(diǎn)可以隨意移動(dòng)，它可以在沒有或不便利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的情況下提供一種通信支撐環(huán)境。因此，自組織網(wǎng)絡(luò)特別適用于戰(zhàn)術(shù)通信環(huán)境和“動(dòng)中通”的要求。鑒于上述因素，本文提出了一種戰(zhàn)術(shù)自組織網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，目標(biāo)是為戰(zhàn)術(shù)通信，特別是戰(zhàn)場環(huán)境提供一種可靠、靈活的通信支撐平臺(tái)。
一、自組織網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)
自組織網(wǎng)絡(luò)可以分成兩種結(jié)構(gòu)：平面結(jié)構(gòu)和分級(jí)結(jié)構(gòu)。平面結(jié)構(gòu)中（見圖1），所有結(jié)點(diǎn)的地位平等，所以又稱為對(duì)等式結(jié)構(gòu)。而分級(jí)結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)被劃分為簇，每個(gè)簇由一個(gè)簇頭和多個(gè)成員節(jié)點(diǎn)組成，簇頭結(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)簇間業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)。根據(jù)不同的硬件配置，分級(jí)結(jié)構(gòu)又可以分為單頻分級(jí)和多頻分級(jí)兩種。單頻率分級(jí)網(wǎng)絡(luò)（見圖2）只有一個(gè)通信頻率，所有結(jié)點(diǎn)使用同一個(gè)頻率通信。為了實(shí)現(xiàn)簇頭之間的通信，需要有網(wǎng)關(guān)結(jié)點(diǎn)（同時(shí)屬于兩個(gè)或多個(gè)簇的結(jié)點(diǎn)）的支持。簇頭和網(wǎng)關(guān)形成了高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)，稱為虛擬骨干。而在多頻率分級(jí)網(wǎng)絡(luò)中（見圖3），不同級(jí)采用不同的通信頻率。低級(jí)的結(jié)點(diǎn)的通信范圍較小，而高級(jí)的結(jié)點(diǎn)要覆蓋較大的范圍。高級(jí)的結(jié)點(diǎn)同時(shí)處于多個(gè)級(jí)中，有多個(gè)頻率，用不同的頻率實(shí)現(xiàn)不同級(jí)的通信。在圖3所示的兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)中，簇頭結(jié)點(diǎn)有兩個(gè)頻率。頻率1用于簇頭與簇成員的通信。而頻率2用于簇頭之間的通信。
平面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)配置比較簡單，網(wǎng)絡(luò)中所有結(jié)點(diǎn)是對(duì)等的，原則上不存在瓶頸，所以比較健壯。平面結(jié)構(gòu)的最大缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)規(guī)模受限。在平面結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)結(jié)點(diǎn)都需要知道到達(dá)其它所有結(jié)點(diǎn)的路由。由于結(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性，維護(hù)這些動(dòng)態(tài)變化的路由信息需要大量的控制消息。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大，路由維護(hù)和網(wǎng)絡(luò)管理的開銷就越大，網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)充性就較差。分級(jí)結(jié)構(gòu)克服了平面結(jié)構(gòu)可擴(kuò)充性差的缺點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不受限制。分級(jí)結(jié)構(gòu)中，簇頭的功能相對(duì)較強(qiáng)，而普通節(jié)點(diǎn)的功能比較簡單，基本上不需要維護(hù)路由，這大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量。此外，分級(jí)結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性管理和保障通信業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。因此，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大并需要提供一定的服務(wù)質(zhì)量保障時(shí)宜采用分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
二、軍用戰(zhàn)術(shù)自組織網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
1. 戰(zhàn)術(shù)通信環(huán)境的特點(diǎn)
（1）在一個(gè)作戰(zhàn)區(qū)域存在大量移動(dòng)的異質(zhì)節(jié)點(diǎn)，骨干鏈路將向戰(zhàn)斗單元傳輸大量的信息（包括數(shù)據(jù)、圖像、話音和視頻等），須由 系統(tǒng)協(xié)助士兵處理這些信息。整個(gè)戰(zhàn)斗環(huán)境由多個(gè)作戰(zhàn)區(qū)域構(gòu)成，每個(gè)區(qū)域都包含大量的移動(dòng)的士兵、坦克、火炮、飛機(jī)等戰(zhàn)斗單元，此外還包括監(jiān)視傳感設(shè)備以及其它通信設(shè)施用于支持戰(zhàn)場數(shù)字化通信。
（2）每個(gè)戰(zhàn)斗區(qū)域內(nèi)具有地面骨干網(wǎng)絡(luò)并可以使用無人駕駛飛行器（UAV）充當(dāng)多功能網(wǎng)關(guān)。
（3）由UAV或戰(zhàn)術(shù)通信衛(wèi)星構(gòu)成的空中骨干網(wǎng)絡(luò)可以覆蓋整個(gè)戰(zhàn)斗區(qū)域，從而使彼此距離較遠(yuǎn)的作戰(zhàn)區(qū)域可以借助于空中骨干網(wǎng)絡(luò)通信。
（4）不對(duì)稱的信息傳輸：在戰(zhàn)術(shù)環(huán)境中，信息業(yè)務(wù)的傳輸通常是不對(duì)稱的，通常戰(zhàn)斗單元接收的信息要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于它發(fā)送的信息，如士兵通常會(huì)向骨干節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求，希望獲得所處位置的各種信息，即普通節(jié)點(diǎn)發(fā)送的請(qǐng)求消息的數(shù)據(jù)量較少，而需要接收大量的信息。但是，對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)或偵察分隊(duì)，情況將有所不同。
2. 設(shè)計(jì)原則和策略
考慮到戰(zhàn)場環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模可能較大，節(jié)點(diǎn)種類繁多，并且節(jié)點(diǎn)的分布地理范圍較廣，因此可以將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)戰(zhàn)斗區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)包括若干骨干節(jié)點(diǎn)，并為一定范圍（幾百米到幾公里）內(nèi)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)服務(wù)。距離較近的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)之間可以通過骨干節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)可以借助于UAV或戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星形成的空中骨干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。由于骨干節(jié)點(diǎn)一般由處理能力和功率較強(qiáng)的車載通信設(shè)備充當(dāng)，由單兵可攜帶通信設(shè)備充當(dāng)普通節(jié)點(diǎn)，因此可以將這種網(wǎng)絡(luò)看作為多頻分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在節(jié)點(diǎn)可以移動(dòng)的情況下，這種異質(zhì)分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠?yàn)槎鄠�(gè)戰(zhàn)斗區(qū)域內(nèi)的戰(zhàn)斗單元提供“動(dòng)中通”能力。
在每個(gè)戰(zhàn)斗區(qū)域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，骨干節(jié)點(diǎn)類似蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的基站，能夠比較容易地對(duì)其所屬范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理。而超過一跳的節(jié)點(diǎn)間的通信可以通過骨干網(wǎng)絡(luò)完成。為了便于通信和管理，希望每個(gè)戰(zhàn)斗區(qū)域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的普通節(jié)點(diǎn)到其骨干節(jié)點(diǎn)都是一跳可達(dá)的，但是這樣需要配置較多的骨干節(jié)點(diǎn)，成本較高。然而，網(wǎng)絡(luò)中的骨干節(jié)點(diǎn)數(shù)量過少又不利于節(jié)點(diǎn)間的通信和管理，并且網(wǎng)絡(luò)的冗余性不高。此外，配置骨干節(jié)點(diǎn)的數(shù)量受骨干節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率的制約。雖然增大發(fā)射功率，可以減少骨干節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，但是發(fā)射功率過高會(huì)造成較強(qiáng)的干擾，并且易被敵方偵聽，安全性受到威脅，特別是在戰(zhàn)場通信環(huán)境中。因此需要對(duì)這些因素綜合考慮。我們這里采用的策略是合理配置骨干節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，使骨干網(wǎng)絡(luò)中的骨干節(jié)點(diǎn)盡量覆蓋所有的普通節(jié)點(diǎn)，這樣可以將指揮命令和相關(guān)數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確地傳送到每個(gè)普通節(jié)點(diǎn)，同時(shí)盡量保證每個(gè)普通節(jié)點(diǎn)可以經(jīng)過一跳或多跳接入骨干網(wǎng)絡(luò)。在戰(zhàn)場環(huán)境中，骨干節(jié)點(diǎn)很容易暴露而遭到敵方的干擾和破壞，并且可能受地形地貌的限制而影響有效的通信，因此，當(dāng)骨干網(wǎng)絡(luò)失效時(shí)，如果普通節(jié)點(diǎn)能夠直接與UAV或衛(wèi)星進(jìn)行通信，則可以借助于空中骨干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，否則，將退化為平面自組織網(wǎng)絡(luò)，但此時(shí)仍可以通過節(jié)點(diǎn)間的多跳轉(zhuǎn)發(fā)來滿足大多數(shù)場合下的通信要求。
3. 戰(zhàn)術(shù)自組織網(wǎng)絡(luò)體構(gòu)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
從理論上講，可以根據(jù)情況將自組織網(wǎng)絡(luò)分成任意多個(gè)層次，但是，級(jí)數(shù)越多，節(jié)點(diǎn)間的通信采用最優(yōu)路由的機(jī)會(huì)就越少，因?yàn)槁酚尚枰ㄟ^更多的骨干節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并且需要更多的控制信息用于維護(hù)分級(jí)結(jié)構(gòu)。因此，應(yīng)在能夠滿足網(wǎng)絡(luò)功能和可擴(kuò)展性要求的基礎(chǔ)上盡量減少網(wǎng)絡(luò)的級(jí)數(shù)。這里將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分為三級(jí)，分別對(duì)應(yīng)于普通節(jié)點(diǎn)、地面骨干節(jié)點(diǎn)和空中中繼節(jié)點(diǎn)，如圖4所示。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的三個(gè)層次具體描述如下：
（1）位于地面的自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成第一層網(wǎng)絡(luò)。該層包括各種普通移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和骨干節(jié)點(diǎn)，并且以骨干節(jié)點(diǎn)為簇頭，將網(wǎng)絡(luò)化分成多個(gè)簇。在每個(gè)簇內(nèi)，由骨干節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)管理和協(xié)調(diào)簇內(nèi)的普通節(jié)點(diǎn)，并且可以采用合理的信道接入機(jī)制來支持?jǐn)?shù)據(jù)訪問的可靠性，同時(shí)可以在簇間使用CDMA技術(shù)來增加網(wǎng)絡(luò)的空間重用率。
（2）地面移動(dòng)骨干網(wǎng)絡(luò)作為第二層。為了解決網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)可擴(kuò)展性較差的問題，引入地面骨干網(wǎng)絡(luò)作為網(wǎng)絡(luò)的第二層。在戰(zhàn)術(shù)環(huán)境中，裝甲車、通信車可以作為骨干節(jié)點(diǎn)，在一個(gè)戰(zhàn)斗區(qū)域內(nèi)，它們可以借助定向天線技術(shù)構(gòu)成高速的點(diǎn)到點(diǎn)的無線連接。
（3）空中骨干網(wǎng)絡(luò)作為第三層。該層主要用來維護(hù)相距較遠(yuǎn)的骨干網(wǎng)絡(luò)之間的通信，并且在地面骨干節(jié)點(diǎn)失效時(shí)可以充當(dāng)?shù)孛婀歉删W(wǎng)絡(luò)的備份通信設(shè)施，來提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性。
通過采用這種三層的立體式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，可以為戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)提供一種可靠性較強(qiáng)、易于管理、靈活的通信支撐平臺(tái)。
上述設(shè)計(jì)的一種適用于戰(zhàn)術(shù)通信環(huán)境的分級(jí)自組織網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)配置簡單靈活、便于管理網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)各種節(jié)點(diǎn)之間的通信，能夠?yàn)閼?zhàn)場環(huán)境中的戰(zhàn)斗單元之間的通信提供一種底層支撐平臺(tái)。此外，這種結(jié)構(gòu)可以根據(jù)實(shí)際需要和設(shè)備的能力自適應(yīng)地組織，具有很強(qiáng)的通用性和可靠性，并且具有較小的控制開銷。因此，這種戰(zhàn)術(shù)自組織網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)具有一定的實(shí)用價(jià)值，并將對(duì)軍隊(duì)數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)起到積極的作用。
