基于輻射能量分析的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)探測*

陳雅雯，董喬忠，蘇 抗，夏偉杰，吳連慧

（1.南京航空航天大學(xué)，南京 210016；2.中國航天科工集團八五一一研究所，南京 210017）

基于輻射能量分析的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)探測*

陳雅雯1，董喬忠2，蘇 抗2，夏偉杰1，吳連慧1

（1.南京航空航天大學(xué)，南京 210016；2.中國航天科工集團八五一一研究所，南京 210017）

在戰(zhàn)場環(huán)境中，探測出敵方網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，為尋找網(wǎng)絡(luò)最佳攻擊點奠定了基礎(chǔ)，具有重要意義。在研究數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)原理的基礎(chǔ)上，研究了多址接入方式的探測方法，并提出了基于輻射能量分析的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)探測新方法。該方法通過對信號進行時頻分析并結(jié)合互聯(lián)關(guān)系矩陣來進行網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)判斷，仿真結(jié)果表明該方法可以有效地判斷出敵方的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和多址接入方式。

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)鏈，多址接入方式，輻射能量

0 引言

網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)是相對平臺中心戰(zhàn)的信息化戰(zhàn)場上的一種新型作戰(zhàn)模式，它使作戰(zhàn)中心由過去的平臺轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)，因此，信息平臺各要素之間的溝通交流都變得非常重要，數(shù)據(jù)鏈正是將信息優(yōu)勢轉(zhuǎn)變?yōu)樽鲬?zhàn)優(yōu)勢的核心要素［1］。

在戰(zhàn)場環(huán)境中，探測出敵方網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，為尋找網(wǎng)絡(luò)最佳攻擊點以及關(guān)鍵節(jié)點奠定了基礎(chǔ)，對網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)對抗有重要的現(xiàn)實意義。目前網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)對抗中網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)方面的研究還較少，并且其中大部分都集中在網(wǎng)絡(luò)實例的實證研究和網(wǎng)絡(luò)演化機理的研究，對作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的探測研究就少之更少了［2-3］。而傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過分析各個傳感器節(jié)點中相應(yīng)測量數(shù)據(jù)值來判斷節(jié)點之間的關(guān)聯(lián)性［4］，但是由于戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)的防護性和高強度加密性，使得接入網(wǎng)絡(luò)并且破解出數(shù)據(jù)難上加難，因此，這種方法在戰(zhàn)場上很難實施。

由于數(shù)據(jù)鏈采用的無線傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)信號會暴露在開放的電磁空間中，為電子偵察提供了基礎(chǔ)。因此，本文在研究數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)工作原理的基礎(chǔ)上，研究了多址接入方式的探測方法并提出了基于輻射能量分析的作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)探測新方法，并詳細闡述了探測原理，最后通過仿真測試驗證了該方法的可行性。

1 數(shù)據(jù)鏈工作原理

1.1 多址接入技術(shù)概述［4-7］

在數(shù)據(jù)鏈中，采用多址接入技術(shù)的目的是為了確保多個通信節(jié)點間公平、高效地共享相同的無線信道資源，實時可靠地傳輸作戰(zhàn)信息，最終完成作戰(zhàn)任務(wù)。

多址接入方式主要包括時分多址（TDMA）、頻分多址（FDMA）和碼分多址（CDMA）。

TDMA將時間分割為周期性的時幀，每一時幀再分割為若干個時隙，然后根據(jù)一定的時隙分配原則，給每個用戶分配一個或多個時隙。用戶在指定時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，如果用戶在指定時隙中沒有數(shù)據(jù)傳輸，相應(yīng)時隙被浪費。

FDMA將通信系統(tǒng)的總頻段劃分為若干個等間隔、互不重疊的頻帶，并將這些頻帶分配給不同用戶使用。

CDMA將正交或者準(zhǔn)正交的碼字分配給不同用戶，允許用戶在同一頻帶和同一時間段同時發(fā)送數(shù)據(jù)，通過不同碼字區(qū)分接收。

1.2 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)概述

數(shù)據(jù)鏈發(fā)展早期，主要是通過數(shù)據(jù)鏈路將以前獨立的指揮控制中心、探測雷達和作戰(zhàn)飛機連成數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，地面指揮控制中心與雷達、空中作戰(zhàn)飛機共享態(tài)勢，獲得全面的戰(zhàn)場態(tài)勢，進而對戰(zhàn)機實施指揮引導(dǎo)，達到“先敵發(fā)現(xiàn)，先敵摧毀”的目的?；谶@種作戰(zhàn)場景，形成了 Link-4A的星狀、Link-11的網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，多址接入采用有中心的時分點名呼叫和輪詢。為了實現(xiàn)三軍聯(lián)合信息分發(fā)，形成了Link-16的分布式網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，多址接入采用無中心的時分多址［5］。

1.2.1 星狀拓撲結(jié)構(gòu)［8-10］

在Link-4A數(shù)據(jù)鏈中，當(dāng)兩個通信單元進行通信時，一個作為控制站，另一個作為應(yīng)答站，即指令/回應(yīng)（Command/Response）協(xié)議。控制站在控制時隙內(nèi)發(fā)送控制消息幀，在預(yù)留的時間周期內(nèi)等候應(yīng)答站的回答。Link-4A采用時分多址方式接入信道，每個時幀長度為32 ms，分為14 ms的控制站發(fā)射期和18 ms的應(yīng)答站應(yīng)答期。在發(fā)射期內(nèi)，發(fā)送控制報文的時間間隔為14 ms。發(fā)送應(yīng)答報文的時間間隔僅為11.2 ms。為了給應(yīng)答站留出充裕的時間處理控制消息并生成應(yīng)答消息，應(yīng)答站接到消息后滯后一個周期再應(yīng)答，如圖1所示。

應(yīng)答站僅接受控制站信息，并不接受其他應(yīng)答站的信息。因此，Link-4A數(shù)據(jù)鏈構(gòu)成星狀拓撲結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖1 Link-4A時隙分配示意圖

圖2 Link-4A星狀拓撲結(jié)構(gòu)

1.2.2 網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)［10-12］

Link-11數(shù)據(jù)鏈采用了輪詢協(xié)議（Polling Call）進行通信，它的基本原理是在網(wǎng)絡(luò)中有一個網(wǎng)控站（NCS），以輪詢協(xié)議規(guī)定，輪流呼叫網(wǎng)絡(luò)中的各個前哨站，如圖3所示。

圖3 Link-11時隙分配示意圖

網(wǎng)控站詢問所有前哨站所需的時間不定，取決于網(wǎng)內(nèi)前哨站的數(shù)目以及每次發(fā)送的數(shù)據(jù)量。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的前哨站只有被NCS呼叫到的時候才具備傳送數(shù)據(jù)的資格，前哨站一旦完成數(shù)據(jù)傳送后就立刻轉(zhuǎn)換成接受的模式以備接受下一周期的呼叫，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有的前哨站都被叫到過一次后再周而復(fù)始地從第一個前哨站叫起。此外，前哨站不僅接收控制站信息，也接收其他前哨站的信息，在任意給定的時刻，Link-11鏈路網(wǎng)絡(luò)上的參與單元不是在發(fā)送數(shù)據(jù)，就是在接收數(shù)據(jù)。因此，Link-11數(shù)據(jù)鏈構(gòu)成網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 Link-11網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)

1.2.3 分布式拓撲結(jié)構(gòu)［13-14］

在采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)工作的數(shù)據(jù)鏈中，各節(jié)點功能作用相同，無主站、從站區(qū)分，抗毀能力強。Link-16就是采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以時隙為基本單位進行節(jié)點的通信，多址接入為無中心的時分多址，它將網(wǎng)絡(luò)資源分成時間長度一定的時隙，若干個時隙組成一個幀。每幀中的時隙通過時隙分配算法給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。每個節(jié)點在規(guī)定的時隙內(nèi)發(fā)送本站的戰(zhàn)術(shù)情報信息，在其他時隙監(jiān)聽其他用戶發(fā)送的戰(zhàn)術(shù)情報信息。其中，1個時隙是7.812 5 ms，分為起始段、傳送段和保護段。其中起始段和保護段一共占4.458 5 ms，不發(fā)射信號，傳送段占3.354 ms。

為確保各用戶發(fā)射時隙不產(chǎn)生碰撞，全網(wǎng)需要統(tǒng)一時間基準(zhǔn)，Link-16指定一個節(jié)點作為網(wǎng)絡(luò)時間參考（NTR，Network Time Reference）。以這個時間作為基準(zhǔn)，定義時隙的起點和終點，并確保多重網(wǎng)絡(luò)中時分的校準(zhǔn)。該網(wǎng)絡(luò)時間基準(zhǔn)周期性地發(fā)送一次入網(wǎng)報文，以協(xié)助其他終端與網(wǎng)絡(luò)同步并獲得系統(tǒng)時間。任意節(jié)點均可被指定為系統(tǒng)時間基準(zhǔn)，其他網(wǎng)絡(luò)用戶要不斷和網(wǎng)絡(luò)時間基準(zhǔn)站交換往返計時信息以維持基準(zhǔn)的統(tǒng)一性。為了在網(wǎng)絡(luò)運行過程中維護所有終端同步，通常情況下，非NTR的終端每1 min發(fā)送一次RTT消息，NTR收到后在同一時隙的4.275 ms發(fā)送RTT應(yīng)答信號（RTT-R）來達到終端同步保持。

2 基于輻射能量分析的探測原理

由于數(shù)據(jù)鏈采用的無線傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)信號會暴露在開放的電磁空間中，因此，可以用多個電子偵察平臺協(xié)同探測，由融合中心對信號進行分析來完成對敵方電磁態(tài)勢的探測。

2.1 多址接入方式探測

根據(jù)TDMA、FDMA和CDMA的定義可知，采用不同接入方式的信號的時頻分布有明顯區(qū)別。因此，根據(jù)下式對接收的信號進行短時傅里葉變換。

根據(jù)變換結(jié)果，作多址接入方式分析。若經(jīng)過變換后的信號圖形，在時域上不重疊，而頻域上重疊，那么可以判斷采用了TDMA協(xié)議；若時域上重疊，而頻域上不重疊，那么可以判斷為采用了TDMA協(xié)議；若時域和頻域上都重疊，那么判斷為采用了CDMA協(xié)議。

2.2 節(jié)點互聯(lián)關(guān)系探測

融合中心對電子偵察平臺偵收到的輻射信號進行關(guān)聯(lián)挖掘，得到節(jié)點之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而根據(jù)此關(guān)系得到網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)。為了方便討論節(jié)點與節(jié)點之間的互聯(lián)關(guān)系，本文給出在數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中關(guān)于支持度、置信度和互聯(lián)關(guān)系矩陣的定義。

定義1（支持度）：支持度是若節(jié)點A在某段時隙發(fā)送信號，節(jié)點B在下一時隙發(fā)送回應(yīng)信號的次數(shù)與節(jié)點時隙數(shù)之比。支持度可以用以下表達式來表示：

定義2（置信度）：置信度是若節(jié)點A在某段時隙發(fā)送信號，節(jié)點B在下一時隙發(fā)送回應(yīng)信號的概率，即為條件概率P（B|A）。置信度90%則表示當(dāng)節(jié)點A中的事件發(fā)生時，節(jié)點B中的事件也發(fā)生的概率為90%。置信度可以用以下表達式來表示：

定義3（頻繁節(jié)點集）：給定一個最小支持度min_sup，若節(jié)點大于最小支持度就稱為頻繁節(jié)點集。

定義4（強關(guān)聯(lián)節(jié)點）：若節(jié)點同時大于最小支持度和最小置信度則稱為強關(guān)聯(lián)節(jié)點，即認為這兩個節(jié)點在通信。

定義5（互聯(lián)關(guān)系矩陣）：互聯(lián)關(guān)系矩陣用來描述網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點與節(jié)點的互聯(lián)情況。若網(wǎng)絡(luò)中有N個節(jié)點，那么互聯(lián)關(guān)系矩陣可定義為：

其中aij表示第i個節(jié)點與第j個節(jié)點之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，若aij為0，表示第i個節(jié)點與第j個節(jié)點不關(guān)聯(lián)，反之，則關(guān)聯(lián)。

Link-16分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)同步信號的存在會將其誤判為星狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，但是由于它的固定時間特征（非NTR的終端每1 min發(fā)送一次RTT消息，NTR收到后在同一時隙的4.275 ms發(fā)送RTT應(yīng)答信號）使得很容易被識別并濾除，因此，在下文的探測中不考慮網(wǎng)絡(luò)同步信號的存在。

根據(jù)上述各種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的定義可知，星狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的互聯(lián)關(guān)系矩陣中應(yīng)有且僅有一列和一行全為1，此外，除了對角線上的元素其余全為0；網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的互聯(lián)關(guān)系矩陣中元素應(yīng)全為1；分布式網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的互聯(lián)關(guān)系矩陣不存在一行和一列全為1。以四節(jié)點為例，其互聯(lián)關(guān)系矩陣可以如下所示：

由于在Link-11的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中，前哨站接收到控制站信息后會回復(fù)信號至控制站，而接收其他前哨站的信息時并不予以回復(fù)。因此，根據(jù)上文給出的強關(guān)聯(lián)節(jié)點的定義，并不能準(zhǔn)確地判斷出前哨站之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，會將其誤判為星狀拓撲結(jié)構(gòu)，但是由于Link-11中網(wǎng)控站詢問所有前哨站所需的時間不定，而Link-4A的星狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中控制站的發(fā)射期和應(yīng)答站的應(yīng)答期都是固定的，因此，可以根據(jù)這點將網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)與星狀拓撲結(jié)構(gòu)分辨開來。

綜上，在數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)中進行網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)探測主要分為以下步驟：

（2）建立互聯(lián)關(guān)系矩陣

（3）對（2）求出的互聯(lián)關(guān)系矩陣進行分析，若存在一列或一行全為1，表示某一個節(jié)點與其他節(jié)點都通信，此節(jié)點為網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點。在此基礎(chǔ)上，對節(jié)點的信號的時間-能量圖進行分析，若中心節(jié)點呼叫所有節(jié)點時間都相同，那么節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)為星狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，若時間不同，則為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)；反之，則為分布式網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

3 仿真結(jié)果及分析

本文采用仿真實驗來模擬戰(zhàn)場數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)為4個（選取少量節(jié)點是從仿真時間和輸出曲線便于觀察考慮，實際可以生成多個節(jié)點，在后面的實驗中都據(jù)此考慮），分別對采用TDMA協(xié)議星狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)（Link-4A）和采用TDMA協(xié)議的分布式拓撲結(jié)構(gòu)（Link-16）的信號進行探測，置信度選取為80%。

Link-4A數(shù)據(jù)鏈中節(jié)點信號如圖5所示，控制站節(jié)點1發(fā)射期為14 ms，應(yīng)答站節(jié)點2～節(jié)點4應(yīng)答期為18 ms，每次點名呼叫/應(yīng)答周期為32 ms。

圖5 節(jié)點信號

假設(shè)雷達接收到的信號如圖5所示，對其作短時傅里葉變換，結(jié)果如圖6所示。

圖6 節(jié)點T-F等高圖

對短時傅里葉變換后的數(shù)據(jù)頻率向做統(tǒng)計，每個頻率點上的幅度相加，最大的峰值處即為信號頻率，如圖7所示。

圖7 頻率-幅度圖

從圖7可以看出每個節(jié)點信號的頻率都相同，綜上可知，該網(wǎng)絡(luò)采用的時分多址接入方式。

矩陣中第1列和1行全為1，并且由圖5可知，節(jié)點1每隔32 ms發(fā)送一次信號，且每個周期信號維持時間固定，因此，此網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)為星狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

由于采用時分多址的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)（Link-11）的節(jié)點信號產(chǎn)生模型以及探測方式與采用時分多址的星狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)相似，僅僅是中心節(jié)點每個周期的信號維持時間不固定，此處不再贅述。

Link-16數(shù)據(jù)鏈中節(jié)點信號如圖8所示，信號重復(fù)率為14，時隙長度固定為7.812 5 ms，傳送段為3.354 ms。

圖8 節(jié)點信號

假設(shè)雷達接收到的信號如圖8所示，對其作短時傅里葉變換，結(jié)果如圖9所示。

圖9 節(jié)點T-F等高圖

圖10 頻率-幅度圖

從圖10可以看出每個節(jié)點信號的頻率都相同，綜上可知，該網(wǎng)絡(luò)采用的時分多址接入方式。

矩陣不存在一行和一列全為1，因此，此網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)為分布式網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

在真實的作戰(zhàn)場景中，置信度的選擇直接影響網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)探測的準(zhǔn)確度，而結(jié)合信號能量維持時間對得到的互聯(lián)矩陣進一步分析，可以有效解決閾值選取不當(dāng)?shù)膯栴}。

當(dāng)置信度選取過小時，根據(jù)關(guān)聯(lián)矩陣分析時，分布式網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)可能會被誤判為星狀拓撲結(jié)構(gòu)或網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，此時結(jié)合信號能量持續(xù)時間進行判斷，因探測到的信號固定周期為7.812 5 ms，固仍可以判斷該網(wǎng)絡(luò)為分布式網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

當(dāng)置信度選取過大時，根據(jù)關(guān)聯(lián)矩陣進行分析時，網(wǎng)狀和星狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)會誤判為分布式網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，此時根據(jù)判斷節(jié)點能量維持時間并非固定的7.812 5 ms，因此，可判定為網(wǎng)狀和星狀拓撲結(jié)構(gòu)中的一種，此時再根據(jù)某個節(jié)點信號能量維持時間是否固定為14 ms來判斷是否為星狀拓撲結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

本文對數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)工作原理進行了研究，在此基礎(chǔ)上研究了多址接入方式的探測方法并提出了基于輻射能量分析的作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)探測新方法，仿真測試表明該方法是可行的，并且當(dāng)置信度閾值選取過大或過小時，該方法仍可有效地判斷出網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。當(dāng)對方網(wǎng)絡(luò)采取星狀或網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)時，本方法可以有效地判別出關(guān)鍵節(jié)點，對網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)有重要的現(xiàn)實意義。

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［11］王瑩.戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈Link11的仿真研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2008.

［12］王國民，蔡嘯，高慧敏.Link-11數(shù)據(jù)鏈及其對抗方法研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（3）:11-13.

［13］嚴鵬濤.Link16數(shù)據(jù)鏈及抗干擾技術(shù)研究［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2012.

［14］侯新宇.數(shù)據(jù)鏈時隙動態(tài)分配及其網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃技術(shù)研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2008.

Radiation Energy Analysis Based on Detection of Network Topology

CHEN Ya-wen1，DONG Qiao-zhong2，SU Kang2，XIA Wei-jie1，WU Lian-hui1
（1.Nanjing University of Aeronautics And Astronautics，Nanjing 210016，China；
2.No.8511 Research Institute of China Aerospace Science&Industry Corp，Nanjing 210017，China）

In battlefield environment，it is generally significant to detect enemy network topology，which is convenient to find the best point of network attack.Based on the research of Data Link network principle，the detection method of multiple access mode is studied and a new method to detect the network topology based on the radiation energy analysis is proposed，which uses time-frequency analysis technique and interconnected relationship matrix.Simulation test shows that this method proposed can effectively determine the network topology and multiple access mode.

network topology，data link，multiple access mode，radiation energy

TP393

A

1002-0640（2015）03-0024-05

2014-01-05

2014-03-07

國家自然科學(xué)基金（61371170）；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程基金資助項目

陳雅雯（1991- ），女，安徽滁州人，碩士研究生。研究方向：信號與信息處理。