日盲紫外非視距Ad hoc網(wǎng)絡(luò)在軍事通信中的應(yīng)用

摘 要：介紹了日盲紫外非視距Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的鏈路工作方式、性能特點(diǎn)及組網(wǎng)原理，分析了日盲紫外非視距Ad hoc網(wǎng)絡(luò)在軍事通信中的應(yīng)用。仿真實(shí)驗(yàn)證明本組網(wǎng)模式的有效性。

關(guān)鍵詞：Ad hoc 網(wǎng)絡(luò) 非視距 紫外光

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）05（b）-0204-02

軍事通信領(lǐng)域常用通信手段主要是有線、微波、無(wú)線和光纖等幾種。上述通信手段在軍事通信領(lǐng)域起到非常重要的作用。首先，由于有線和光纖需要預(yù)先鋪設(shè)設(shè)定的線路，無(wú)法達(dá)到機(jī)動(dòng)和快速反應(yīng)的戰(zhàn)場(chǎng)通信要求，通信方式很不靈活；其次，無(wú)線和微波通信較易被竊聽(tīng)、干擾和破壞，也不適合“電磁寂靜”通信場(chǎng)合。因此，上述通信手段在軍事通信領(lǐng)域都有較大局限性。因此，為在未來(lái)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中立于不敗之地，世界各國(guó)均在尋求更為隱蔽、更為新穎、更為安全和抗干擾能力更強(qiáng)的通信手段。在此背景下，日盲區(qū)域紫外光無(wú)線通信應(yīng)運(yùn)而生了。

日盲區(qū)域紫外光通信是通過(guò)大氣散射進(jìn)行信息傳輸?shù)囊环N通信方式，具有非視距NLOS（Non—Line—of—Sight）傳輸、抗干擾能力強(qiáng)、保密性強(qiáng)、構(gòu)建和維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)[1]。因而，日盲區(qū)域紫外光通信作為射頻通信的一種理想替代方式，目前廣泛地應(yīng)用于鄉(xiāng)村、城市室外環(huán)境、軍事通信等領(lǐng)域[2]。但是，由于近地大氣分子和微粒對(duì)日盲紫外光的強(qiáng)吸收作用，使得其傳輸距離受到了限制。

而無(wú)線Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)是可移動(dòng)、無(wú)中心的分布式網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點(diǎn)的地位是平等的。任一節(jié)點(diǎn)均可作為源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)或目的節(jié)點(diǎn)。故任意源節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)多跳到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。因而，可結(jié)合無(wú)線Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)及日盲紫外通信的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建日盲紫外非視距通信Ad-hoc通信網(wǎng)絡(luò)，用以實(shí)現(xiàn)非視距傳輸、抗干擾能力強(qiáng)、保密性好的可靠的遠(yuǎn)距離的軍事通信傳輸，以彌補(bǔ)日盲紫外光非視距通信系統(tǒng)通信距離短的缺陷?？梢?jiàn)，日盲紫外非視距Ad-hoc通信網(wǎng)絡(luò)是滿足軍事通信領(lǐng)域各類移動(dòng)場(chǎng)景通信要求的新型有效手段。

1 日盲區(qū)域紫外光通信鏈路工作方式及優(yōu)點(diǎn)

1.1 日盲區(qū)域紫外光非視距通信鏈路工作方式

共有三種工作形式[1]，紫外光信號(hào)只有在通過(guò)發(fā)射機(jī)仰角和接收機(jī)視場(chǎng)角形成的散射區(qū)域散射后才能組成通信鏈路而到達(dá)接收機(jī)。其中，全向發(fā)全向收通信鏈路工作方式的特點(diǎn)是：定位要求最低、無(wú)限的散射體積、最小的帶寬；定向發(fā)全向收通信鏈路工作方式的特點(diǎn)為：在散射體積內(nèi)具有最大的紫外光能量、有限的散射體積、較大的帶寬；定向發(fā)定向收通信鏈路工作方式的特點(diǎn)為：有限的散射體積、最大的帶寬。相應(yīng)的，組建日盲區(qū)域紫外光通信網(wǎng)絡(luò)，其中節(jié)點(diǎn)間的相鄰關(guān)系可按通信鏈路工作方式分為全向——全向鄰居、全向——定向鄰居、定向——定向鄰居等情形。

1.2 日盲紫外非視距Ad-hoc通信具有的優(yōu)點(diǎn)

除具有一般紫外光通信所具有的數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｃ苄愿?、系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、低位辨率、全方位性、全天候工作等所有優(yōu)點(diǎn)[1]外，日盲紫外非視距Ad-hoc通信還特別具有較一般紫外光通信傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)。這是因?yàn)槿彰ぷ贤夥且暰郃d-hoc通信是基于日盲區(qū)域紫外光通信，同時(shí)以Ad-hoc方式組網(wǎng)，可有效克服單純以紫外光通信方式組網(wǎng)傳輸距離短的缺點(diǎn)，可達(dá)到5～10 km的通信距離。例如：由美國(guó)GTE公司為美軍所研制的新型隱蔽式紫外光音頻通信系統(tǒng)，非視距通信距離可達(dá)1～2 km，定向視距通信距離可達(dá)5～10 km[3].

2 日盲紫外非視距Ad-hoc通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成原理

日盲紫外非視距Ad-hoc通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成原理如圖1所示。節(jié)點(diǎn)A欲與節(jié)點(diǎn)F進(jìn)行通信，但F在A點(diǎn)視距外，則A可以節(jié)點(diǎn)B為中繼，進(jìn)而和F達(dá)成非視距通信。這就構(gòu)成了一個(gè)簡(jiǎn)單的日盲紫外非視距Ad-hoc通信網(wǎng)絡(luò)。

日盲紫外非視距Ad-hoc通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間通信由發(fā)射節(jié)點(diǎn)由信號(hào)源、調(diào)制器、紫外光源構(gòu)成；收節(jié)點(diǎn)由光探測(cè)器、解調(diào)器、輸出的放大信號(hào)構(gòu)成，而日盲區(qū)域紫外光構(gòu)成系統(tǒng)的傳輸部分。

對(duì)于日盲紫外非視距Ad-hoc通信網(wǎng)絡(luò)而言，紫外光源（發(fā)射器）對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能起著關(guān)鍵性的作用。紫外光源主要有低壓氣體放電燈、表面放電燈、紫外激光器和脈沖氙燈等類型。但其中的脈沖氙燈由于存在可見(jiàn)光及紅外線所占比重大、發(fā)射譜帶寬、紫外發(fā)射效率低等缺點(diǎn)而較少采用。在針對(duì)光源的調(diào)制方式方面，一般包括調(diào)頻調(diào)制與調(diào)幅調(diào)制兩種形式。但由于紫外輻射在傳輸過(guò)程中的吸收與散射，調(diào)頻調(diào)制方式要優(yōu)于調(diào)幅調(diào)制方式。故多采用調(diào)頻方式進(jìn)行調(diào)制。

3 日盲紫外非視距Ad-hoc通信網(wǎng)絡(luò)在軍事通信中的應(yīng)用

鑒于日盲紫外非視距Ad-hoc通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)及組網(wǎng)原理，日盲紫外非視距Ad-hoc通信網(wǎng)絡(luò)非常適合地形復(fù)雜、作戰(zhàn)半徑任意的作戰(zhàn)環(huán)境。日盲紫外非視距Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)在通信過(guò)程中，發(fā)射機(jī)以某一確定方向和滿足作戰(zhàn)要求的發(fā)射功率，向通信范圍內(nèi)不斷發(fā)射紫外光載波信號(hào)。在地形復(fù)雜戰(zhàn)區(qū)（如森林、丘陵及建筑物密集地帶），非視距Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)通信方式顯得尤為重要。該方式可有效克服樹(shù)木、丘陵等等障礙物對(duì)通信效果的影響。在接收端，收節(jié)點(diǎn)可在日盲紫外光的有效傳輸范圍內(nèi)，方便地接收通信信號(hào)，并且能夠自由移動(dòng)以保持良好的通信質(zhì)量[3]。

日盲紫外非視距Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)具體應(yīng)用場(chǎng)景有：常規(guī)戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)及隱秘行動(dòng)。其中，在常規(guī)戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)中，在骨干通信節(jié)點(diǎn)之間若采用日盲紫外非視距Ad-hoc通信，將大大減少通信設(shè)備和線路的開(kāi)設(shè)及拆除時(shí)間。而在隱秘行動(dòng)中，針對(duì)需要完成的預(yù)定任務(wù)，日盲紫外非視距Ad-hoc通信網(wǎng)絡(luò)通過(guò)大氣層的微小顆粒散射到接收機(jī)的視野區(qū)，可實(shí)現(xiàn)非視距通信。相對(duì)于采用低頻無(wú)線電通信極易被敵方發(fā)現(xiàn)，敵方在遠(yuǎn)端即可截收和監(jiān)聽(tīng)我方參與行動(dòng)的成員之間的通信，以此確定各成員的位置，預(yù)測(cè)我方成員可能的行動(dòng)；高頻無(wú)線電通信雖然不易被探測(cè)和截收，但無(wú)法進(jìn)行非視距通信，且無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜地形環(huán)境等缺點(diǎn)。顯然，日盲紫外非視距Ad-hoc通信網(wǎng)絡(luò)具有較大的優(yōu)越性。

4 日盲紫外非視距Ad-hoc通信網(wǎng)絡(luò)的一種典型軍事應(yīng)用場(chǎng)景及仿真實(shí)驗(yàn)

如圖2所示，我們構(gòu)建了一種適用于常規(guī)戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)和及隱秘行動(dòng)的典型軍事應(yīng)用場(chǎng)景。其中節(jié)點(diǎn)A表示骨干節(jié)點(diǎn)，可為中心通信車或通信方艙，B、C、D、E、F等節(jié)點(diǎn)為戰(zhàn)術(shù)級(jí)可移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，既可以和骨干節(jié)點(diǎn)通信，在骨干節(jié)點(diǎn)被摧毀或失去聯(lián)系時(shí)，還可以和網(wǎng)內(nèi)其余節(jié)點(diǎn)以自組織的方式進(jìn)行信。

我們采用OPNET14.5，在Pentium（R） Dual-Core CPU， E5200 2.50 GHz 1.21 GHz，2.00 GB的硬件環(huán)境下，模擬圖4所示日盲紫外非視距Ad-hoc通信網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)其主要網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果如圖3所示。圖3（a）顯示了該組網(wǎng)模式下網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，圖3（b）顯示了該組網(wǎng)模式下網(wǎng)絡(luò)中端到端平均時(shí)延。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，以日盲紫外非視距Ad-hoc方式組建的通信網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)吞吐量及端到端平均時(shí)延等網(wǎng)絡(luò)性能方面，均能滿足軍事通信戰(zhàn)場(chǎng)戰(zhàn)術(shù)級(jí)的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

顯而易見(jiàn)，日盲紫外非視距Ad-hoc通信網(wǎng)絡(luò)作為一項(xiàng)新興的技術(shù)，在軍事通信領(lǐng)域具有重要的戰(zhàn)略意義。但由于我國(guó)針對(duì)日盲紫外非視距Ad-hoc通信網(wǎng)絡(luò)的研究和實(shí)踐工作才剛剛起步，我軍在該領(lǐng)域的研究尚為空白。因此，我均應(yīng)加大對(duì)日盲紫外非視距Ad-hoc通信網(wǎng)絡(luò)的研究力度。

基于本文研究成果，我們下一步將針對(duì)適用于日盲紫外非視距Ad-hoc通信網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議及路由協(xié)議展開(kāi)研究。

參考文獻(xiàn)

[1]趙太飛，柯熙政，馮艷玲.無(wú)線紫外光Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究[J].激光雜志，2010，31（6）：40-43.

[2]褚煒，基于定向天線的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)Mac機(jī)制研究[D].西安電子科技大學(xué)，2007：14-17.

[3]張忠廉，劉榴娣.紫外線技術(shù)在軍事上的應(yīng)用研究[J].光學(xué)技術(shù)，2000，26（4）：289-296.

[4]Gray A Shaw，Melissa Nischan.Short-range NLOS ultraviolet communication test bed and measurements[J].SPIE，2001，4396：31-40.