一種基于短波和散射通信的自組網(wǎng)新方案

劉曉鵬,陳西宏,胡茂凱

(空軍工程大學(xué) 導(dǎo)彈學(xué)院,陜西 三原 713800)

一種基于短波和散射通信的自組網(wǎng)新方案

劉曉鵬,陳西宏,胡茂凱

(空軍工程大學(xué) 導(dǎo)彈學(xué)院,陜西 三原 713800)

結(jié)合地空導(dǎo)彈網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)的需求,分析了無(wú)線自組網(wǎng)在其中的應(yīng)用。針對(duì)短波通信帶寬小、時(shí)延大以及信道不穩(wěn)定的缺點(diǎn),將對(duì)流層散射通信引入到短波自組網(wǎng)中,設(shè)計(jì)了多信道的無(wú)線自組網(wǎng)?？刂菩诺啦捎枚滩?數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道采用散射通信,可以滿足組網(wǎng)的靈活性和實(shí)時(shí)的業(yè)務(wù)傳輸。最后對(duì)短波控制網(wǎng)絡(luò)在OPNET中進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真,分析了不同路由協(xié)議的性能。所做工作可為地空導(dǎo)彈網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)的通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供參考。

網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn);短波信道;對(duì)流層散射通信;無(wú)線自組網(wǎng)

1 引 言

信息時(shí)代的到來(lái)使得地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)必須要由平臺(tái)中心戰(zhàn)向網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變使通信方式發(fā)生深刻變化,通信網(wǎng)絡(luò)不但要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽?、?zhǔn)確和快速,還應(yīng)具有一定的抗干擾能力、靈活性和抗毀性[1-2]。文獻(xiàn)[3]針對(duì)防空作戰(zhàn)信息化、網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)的需要,闡述了防空網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)無(wú)線自組網(wǎng)的客觀必要性。無(wú)線自組網(wǎng)以其抗毀性強(qiáng)、不依靠任何的固定設(shè)施、組網(wǎng)靈活、節(jié)點(diǎn)融入和撤出方便等無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境,滿足防空導(dǎo)彈網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系中各單元對(duì)戰(zhàn)時(shí)敏感信息的需求,對(duì)提高通信保障能力具有十分重要的意義。作為無(wú)線自組網(wǎng)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì),多信道無(wú)線自組網(wǎng)能夠使得節(jié)點(diǎn)工作在不同的信道上,從而獲得不同的傳輸范圍和傳輸性能,能夠滿足不同信息的傳輸需求[4]。短波自組網(wǎng)已經(jīng)在各種作戰(zhàn)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用,如美軍的“高頻特遣內(nèi)部系統(tǒng)”(HF-ITF)、高頻數(shù)據(jù)網(wǎng)(HFDN)以及澳大利亞的“長(zhǎng)魚”短波自組織網(wǎng)絡(luò)等。文獻(xiàn)[5-6]指出對(duì)流層散射通信具有集成度高、組網(wǎng)靈活、便于機(jī)動(dòng)的特點(diǎn),相比于短波通信,在傳輸速率、傳播可靠度、抗干擾抗截獲能力等方面有很大的優(yōu)勢(shì),在軍事通信網(wǎng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。

本文結(jié)合短波通信和對(duì)流層散射通信的特點(diǎn),提出了一種短波、散射相結(jié)合的多信道無(wú)線自組網(wǎng)方案,對(duì)短波控制網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)并在OPNET中進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)仿真,分析了其性能。

2 多信道無(wú)線自組網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 軍用無(wú)線自組網(wǎng)

無(wú)線自組網(wǎng)是由系統(tǒng)中的無(wú)線移動(dòng)通信節(jié)點(diǎn)通過(guò)分布式協(xié)議算法互聯(lián)或組織起來(lái)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),是一種自組織、自愈合的網(wǎng)絡(luò),其中的無(wú)線移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以自由而動(dòng)態(tài)地自組織成任意臨時(shí)性的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)既可以是終端,又能夠具有路由的功能,具有很強(qiáng)的抗毀性,能很好地適合戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境,是數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)通信的一項(xiàng)重要技術(shù)。

無(wú)線自組網(wǎng)最初應(yīng)用于軍事領(lǐng)域,它的研究起源于美軍20世紀(jì)70年代戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下分組無(wú)線網(wǎng)數(shù)據(jù)通信項(xiàng)目,是分組交換技術(shù)在無(wú)線傳輸環(huán)境中的應(yīng)用,其后又在1983年和1994年進(jìn)行了抗毀自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)(Survivable Adaptive Network,SURAN)和全球移動(dòng)信息系統(tǒng)(Global Information Systems,GloMo)項(xiàng)目的研究。上述的網(wǎng)絡(luò)形式形成了軍用無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)[7]。目前,已有數(shù)十種以自組網(wǎng)為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的路由協(xié)議,主要分為先應(yīng)式路由、反應(yīng)式路由以及混合式路由等。

將無(wú)線自組網(wǎng)應(yīng)用于地空導(dǎo)彈網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn),可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)使各級(jí)指控節(jié)點(diǎn)共享空情信息和協(xié)同決策,避免態(tài)勢(shì)認(rèn)知和決策計(jì)劃上的盲目,為防空網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)提供更加快速、準(zhǔn)確、高效的決策和控制服務(wù)。通過(guò)無(wú)線組網(wǎng)可提升控制系統(tǒng)的整體生存能力,抗擊敵方的信息干擾和攻擊,保持區(qū)域防空網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)指揮控制的整體穩(wěn)定、連續(xù)和不間斷,還可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)滿足對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)指揮控制移動(dòng)性和實(shí)時(shí)性的要求,適應(yīng)防空網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

已進(jìn)行的軍用無(wú)線自組網(wǎng)研究中,一般是基于某一種通信手段進(jìn)行,反映在網(wǎng)絡(luò)組織上,局限在短波或超短波等單一設(shè)備的應(yīng)用。具體做法可以概括為:在網(wǎng)絡(luò)組織上預(yù)留專門的網(wǎng)絡(luò)控制信道,或者網(wǎng)絡(luò)控制信息和數(shù)據(jù)傳輸同步進(jìn)行,結(jié)合信息傳輸需求對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚傻冗M(jìn)行控制。

由于防空導(dǎo)彈網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)通常采用較大范圍的分散布防模式,通信距離一般從幾公里到幾十公里甚至上百公里,通過(guò)單一的通信手段難以滿足實(shí)時(shí)性的要求或者大范圍超視距戰(zhàn)術(shù)協(xié)同的需求。如果僅使用短波實(shí)現(xiàn)無(wú)線自組網(wǎng),雖然在通信距離上能滿足大范圍戰(zhàn)術(shù)協(xié)同的需要,但是由于短波傳輸速率及信道穩(wěn)定性的限制,不能很好地滿足實(shí)時(shí)性要求,網(wǎng)絡(luò)的安全性和抗干擾能力也會(huì)降低。如果僅依靠散射通信方式進(jìn)行組網(wǎng),雖然在實(shí)時(shí)性和安全性等方面得到保障,但其采用的是波束極窄的定向天線,天線對(duì)準(zhǔn)之后才能進(jìn)行通信,也就意味著網(wǎng)絡(luò)一旦需要重組則需要花費(fèi)一定的時(shí)間來(lái)重新構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。短波通信和對(duì)流層散射通信的性能對(duì)比如表1所示。

表1 短波通信和散射通信性能比較Table I Performance comparison between HF and troposcatter communication

基于上述分析,結(jié)合短波、散射通信設(shè)備的特點(diǎn),兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),依據(jù)“短波實(shí)現(xiàn)需求管理,散射通信完成數(shù)據(jù)傳輸”的思想,提出了防空導(dǎo)彈網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)中無(wú)線自組網(wǎng)的組織形式,即用短波實(shí)現(xiàn)無(wú)線自組網(wǎng)的控制,完成節(jié)點(diǎn)間信息傳輸需求和可用路由的計(jì)算,進(jìn)而依托散射通信對(duì)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行控制。

網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)具有短波電臺(tái)和散射通信設(shè)備。在需要組網(wǎng)時(shí),由短波實(shí)現(xiàn)無(wú)線自組網(wǎng)的控制,根據(jù)路由協(xié)議計(jì)算可用路由,確定網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),繼而調(diào)度相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的散射天線相互對(duì)準(zhǔn),構(gòu)建散射通信網(wǎng)絡(luò),依托散射通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù),達(dá)到靈活組網(wǎng)和實(shí)時(shí)可靠傳輸?shù)碾p重目的。

3 短波控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)協(xié)議棧

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)于1981年制定了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),即開放系統(tǒng)互連(Open System Interconnection,OSI)模型。本文依據(jù)OSI模型以及Zigbee協(xié)議棧的架構(gòu)思想,將短波控制網(wǎng)節(jié)點(diǎn)劃分為4個(gè)層,由低層到高層依次是物理層、媒體訪問(wèn)控制層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層,如圖1所示。

圖1 短波控制網(wǎng)節(jié)點(diǎn)協(xié)議棧Fig.1HF control network protocol stack

物理層:將上層傳送來(lái)的比特流轉(zhuǎn)換成電磁信號(hào),通過(guò)短波電臺(tái)和短波信道傳遞給其他電臺(tái)。其主要目的是提高短波通信的傳輸速率、傳輸效能和抗干擾能力,為上層的各種應(yīng)用提供高速、高可靠的短波通信保障。

媒體訪問(wèn)控制層:主要任務(wù)是提供一種可靠的通過(guò)物理介質(zhì)傳輸數(shù)據(jù)的方法。在這一層,定義了數(shù)據(jù)幀的種類、幀結(jié)構(gòu)、基本的數(shù)據(jù)收發(fā)和應(yīng)答的方式等。

網(wǎng)絡(luò)層:主要負(fù)責(zé)定址與尋址、確定網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、路由的建立和選擇、消息的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則等。由于短波信道的不穩(wěn)定性,短波路由技術(shù)是短波自組織網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的難點(diǎn),需要依據(jù)短波信道的實(shí)際環(huán)境進(jìn)行路由的研究與設(shè)計(jì)。

應(yīng)用層:應(yīng)用層則是根據(jù)用戶功能需求,定義相關(guān)功能的命令等。能夠?yàn)閼籼峁└黝悩I(yè)務(wù),包括話音、文電、傳真與e-mail等。本設(shè)計(jì)中應(yīng)用層應(yīng)能夠通過(guò)獲取的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息,如位置、坐標(biāo)等信息,利用這些信息實(shí)現(xiàn)散射通信的組網(wǎng)。

各個(gè)層之間相互配合,各自完成相應(yīng)的功能。

4 基于OPNET的短波控制網(wǎng)的仿真與分析

在OPNET中對(duì)短波控制網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行構(gòu)建并仿真。

4.1 節(jié)點(diǎn)模型

按照上文提出的短波控制網(wǎng)節(jié)點(diǎn)模型,在OPNET自帶節(jié)點(diǎn)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行構(gòu)建,使其體現(xiàn)短波通信的特點(diǎn)。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括物理層的無(wú)線發(fā)射機(jī)和接收機(jī)、媒體訪問(wèn)控制層的MAC模塊、網(wǎng)絡(luò)層的IP模塊組、應(yīng)用層模塊等。構(gòu)建的節(jié)點(diǎn)模型如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)模型Fig.2 Node model

4.1.1 無(wú)線發(fā)射機(jī)和接收機(jī)

對(duì)無(wú)線收發(fā)模塊的管道階段[8]進(jìn)行修改,主要修改閉合階段和傳播時(shí)延。OPNET仿真中閉合階段的計(jì)算是基于物理上的考慮,如障礙物、地球表面對(duì)信號(hào)的遮蔽。由于短波主要依靠天波進(jìn)行傳輸,不考慮通信盲區(qū)的話,可認(rèn)為一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)于其他任意節(jié)點(diǎn)都是可達(dá)的。

傳播時(shí)延管道是用來(lái)計(jì)算分組數(shù)據(jù)在無(wú)線信道上的傳播時(shí)間。OPNET中,信號(hào)傳輸距離為發(fā)射與接收無(wú)線節(jié)點(diǎn)之間的直線距離,來(lái)計(jì)算信號(hào)傳播時(shí)間。但短波遠(yuǎn)距離通信是依靠電離層反射實(shí)現(xiàn)的,故需要修改信號(hào)傳輸距離的計(jì)算方法。此外,在短波電離層反射信道中,發(fā)射端發(fā)射的電波可能通過(guò)多條路徑傳播到達(dá)接收端。由于不同的路徑對(duì)電磁波的延時(shí)不同,信號(hào)到達(dá)接收端的時(shí)間有先有后,其最大的時(shí)間差稱為多徑時(shí)延。多徑時(shí)延應(yīng)是傳播時(shí)延的一個(gè)組成部分。多徑時(shí)延隨傳播距離的不同而動(dòng)態(tài)變化,在100～300 km的短波線路上,由于電離層與地面之間的多次反射,多徑時(shí)延可以達(dá)到8 ms[9]。綜上分析,傳播時(shí)延的計(jì)算方法為

式中,d為發(fā)射與接收節(jié)點(diǎn)之間的直線距離;h為反射點(diǎn)高度,選用晝夜存在的F2層作為反射層,反射點(diǎn)高度固定選取300 km;Δτ為多徑時(shí)延。

4.1.2 媒體訪問(wèn)控制模塊

MAC層模塊由OPNET Modeler自帶的wlan mac模塊修改而得到。由于wlanmac模塊中要求的最大傳播時(shí)延為1 μ s,不符合短波通信的特點(diǎn),故將wlan mac對(duì)傳播時(shí)延的限制進(jìn)行修改,使其能滿足短波通信的特點(diǎn)。另外,wlan mac模塊對(duì)數(shù)據(jù)速率的要求達(dá)到2 Mbit/s以上,故修改其數(shù)據(jù)速率為9.6 kbit/s,使其支持短波通信的數(shù)據(jù)速率。

4.1.3 其他模塊

節(jié)點(diǎn)模型中的其余模塊選用軟件自帶模塊。其中,rte-mgr模塊定義了節(jié)點(diǎn)所使用的路由協(xié)議;traf-src模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的產(chǎn)生和接收;網(wǎng)絡(luò)層模塊組實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)尋址、路由生成、路由維護(hù)功能。

4.2 網(wǎng)絡(luò)模型

在節(jié)點(diǎn)模型搭建完成的基礎(chǔ)上,搭建短波控制網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型,如圖3所示。網(wǎng)絡(luò)由10個(gè)節(jié)點(diǎn)組成,隨機(jī)分布在200 km×200 km的范圍內(nèi)。

圖3 網(wǎng)絡(luò)模型Fig.3 Network model

4.3 仿真結(jié)果及分析

仿真參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 仿真參數(shù)Table 2 Simulation parameters

在不同的協(xié)議下,對(duì)協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間、路由開銷性能評(píng)估參數(shù)進(jìn)行仿真,性能比較結(jié)果如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 DSR平均路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間Fig.4 Average router discovery time in DSR

圖5 AODV平均路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間Fig.5 Average router discovery time in AODV

圖6 OLSR網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓螖?shù)Fig.6 Topology changes in OLSR

圖4和圖5表示反應(yīng)式路由DSR(Dynamic Source Routing Protocol)和AODV(Ad hoc On-Demand Distance Vector)的平均路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間。反應(yīng)式路由在需要傳輸時(shí)才啟用路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制,其路由開銷較小。由圖可以看出,DSR的平均路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間在10 s左右,而AODV的平均路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間明顯優(yōu)于DSR,在2～3 s之間。先應(yīng)式路由OLSR(Optimized Link State Routing Protocol)需要周期地廣播路由信息。由圖6可以看出,網(wǎng)路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在7 min內(nèi)始終在變化,約7 min之后不再變化,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)才能穩(wěn)定,故OLSR的路由開銷較大,確定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)。

5 結(jié) 論

本文著眼于地空導(dǎo)彈網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的需求,結(jié)合實(shí)際,針對(duì)短波時(shí)延大、實(shí)時(shí)性差以及帶寬小的缺點(diǎn),將對(duì)流層散射通信引入到短波無(wú)線自組網(wǎng)中,對(duì)基于短波和散射通信的無(wú)線自組網(wǎng)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì),充分發(fā)揮兩種通信手段的特點(diǎn),既能夠彌補(bǔ)短波組網(wǎng)通信容量小的缺點(diǎn),又能夠提高散射組網(wǎng)的靈活性充分發(fā)揮散射通信的特點(diǎn);既能夠滿足地空導(dǎo)彈網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)大范圍分散布防協(xié)同的需求,又能夠保證通信服務(wù)的質(zhì)量,為地空導(dǎo)彈網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

同時(shí),重點(diǎn)對(duì)短波控制網(wǎng)的鏈路層協(xié)議和路由協(xié)議進(jìn)行了研究,并在OPNET中進(jìn)行了仿真。由于短波通信的窄帶寬,路由開銷較大的先應(yīng)式路由不能應(yīng)用于短波網(wǎng)絡(luò)中,而反應(yīng)式路由的路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間會(huì)直接影響短波網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延性能。因此,針對(duì)短波通信的特點(diǎn),結(jié)合反應(yīng)式路由和先應(yīng)式路由各自的優(yōu)缺點(diǎn),開發(fā)適合短波自組網(wǎng)的高性能路由協(xié)議將是下一步的重要研究方向。

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[8]王文博,張金文.OPNET Modeler與網(wǎng)絡(luò)仿真[M].北京:人民郵電出版社,2003:224-231.

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LV Hui,ZHANG Na-wen,LI Song.Air Defense Command Automatization Communication System[M].Xi′an:Northwestern Polytechnical University Press,2006:52-53.(in Chinese)

LIU Xiao-peng was born in Yicheng,Shanxi Province,in 1988.He received the B.S.degree from Air Force Engineering U-niversity in 2010.He is now a graduate student.His research concerns the tactics missile weapon system network technology.

Email:lxp4925110@163.com

陳西宏(1961—),男,陜西藍(lán)田人,教授、博士生導(dǎo)師,主要從事導(dǎo)彈工程和通信技術(shù)的研究;

CHEN Xi-hong was born in Lantian,Shaanxi Province,in 1961.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor.His research concerns missilery and communication technology.

胡茂凱(1985—),男,江蘇沭陽(yáng)人,2010年于空軍工程大學(xué)獲碩士學(xué)位,現(xiàn)為博士研究生,主要從事戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈通信對(duì)抗技術(shù)研究。

HU Mao-kai was born in Shuyang,Jiangsu Province,in 1985.He received the M.S.degree from Air Force Engineering U-niversity in 2010.He is currently working toward the Ph.D.degree.His research concerns tactics missile communication countermeasure technology.

A New Ad Hoc Scheme Based on HF and Troposcatter Communication

LIU Xiao-peng,CHEN Xi-hong,HU Mao-kai
(The Missile Institute,Air Force Engineering University,Sanyuan 713800,China)

According to the demand of communication network inground-to-air missile network operation,the advantages of application of Ad Hoc are analysed.The troposcatter communication is introduced to the HF Ad Hoc and a multi-channel Ad Hoc network is designed,due to the disadvantagesof HF communication,such as narrow bandwidth,long delay and instable channel.The usages of HF in control channel and troposcatter communication in date channel are enough to content the agility of network and real time communication.Finally,HF control network is designed and simulated in OPNET,and performances of different router protocols are investigated.These workswill provide some of referencesfor constructing anAd Hoc network adapting to the airdefense missile network operation.

network operation;HF channel;troposcatter communication;Ad Hoc network

TN92;TN915

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.036

1001-893X(2012)06-1009-05

2011-12-21;

2012-02-22

劉曉鵬(1988—),男,山西翼城人,2010年于空軍工程大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為碩士研究生,主要從事戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究;