張世偉 郝 威 于 錢
(1.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)(2.92941部隊(duì)95分隊(duì) 葫蘆島 125001)
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艦艇編隊(duì)通信組網(wǎng)策略研究*
張世偉1郝威1于錢2
(1.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院武漢430033)(2.92941部隊(duì)95分隊(duì)葫蘆島125001)
立足信息化條件下海上編隊(duì)作戰(zhàn)需求,在分析海上軍事通信需求的基礎(chǔ)上,給出了艦艇編隊(duì)通信組網(wǎng)策略?;诜植际絋DMA的組網(wǎng)模式,提出有中心與無(wú)中心相結(jié)合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立策略和動(dòng)態(tài)按需分配的時(shí)隙分配策略,并給出了相應(yīng)的入退網(wǎng)策略和安全策略。最后,提出艦艇編隊(duì)組網(wǎng)優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)框架,為艦艇編隊(duì)通信組網(wǎng)優(yōu)化方法的研究提供了理論基礎(chǔ)。
艦艇編隊(duì); 組網(wǎng)策略; 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu); 時(shí)隙分配; 組網(wǎng)優(yōu)化
Class NumberTP302.1; TN915
艦艇編隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大、移動(dòng)性強(qiáng),如何通過(guò)合理的組網(wǎng)策略使通信網(wǎng)絡(luò)滿足信息化條件下聯(lián)合作戰(zhàn)的要求,是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程[1]。通信組網(wǎng)策略應(yīng)包含通信模式、拓?fù)潢P(guān)系、資源分配規(guī)則、入退網(wǎng)機(jī)制和安全措施等內(nèi)容[2],是通信組網(wǎng)優(yōu)化的基本依據(jù)。
信息化戰(zhàn)爭(zhēng)條件下,海上作戰(zhàn)空間廣闊,參戰(zhàn)單元復(fù)雜,作戰(zhàn)強(qiáng)度大,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),突發(fā)事件多,各類作戰(zhàn)保障部門對(duì)通信組網(wǎng)要求更高。艦艇編隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為指揮命令、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)等重要信息傳遞的基礎(chǔ),是海軍履行新世紀(jì)新階段軍隊(duì)歷史使命、打贏高技術(shù)條件下海上戰(zhàn)爭(zhēng)的重要保證。
現(xiàn)代海戰(zhàn)以艦艇編隊(duì)為主,作戰(zhàn)任務(wù)艱巨,更加突出集陸、海、空等多軍兵種參與的聯(lián)合作戰(zhàn)模式[3]。由于海上戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)及戰(zhàn)場(chǎng)壞境多變,指揮關(guān)系復(fù)雜,信息流通量大,在實(shí)時(shí)性、高效性和保密抗擾能力等方面對(duì)軍事通信網(wǎng)絡(luò)都提出了更高的要求。主要從三個(gè)方面分析艦艇編隊(duì)通信組網(wǎng)的需求:
1) 實(shí)時(shí)性
在執(zhí)行海上任務(wù)時(shí),戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)動(dòng)態(tài)性強(qiáng),攻防轉(zhuǎn)換迅速,通信的實(shí)時(shí)性是確保指揮所與戰(zhàn)斗單元進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)融合、作戰(zhàn)效能釋放的基礎(chǔ)。通信的實(shí)時(shí)性主要包括話音通信和數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性要求。要滿足實(shí)時(shí)性要求,必須選擇合理的通信方式,并科學(xué)分配通信資源。
2) 高效性
通信實(shí)時(shí)性是通信高效性的前提,通信高效性是指通信鏈路的建立、信息的分發(fā)、信息的傳輸高效可靠?,F(xiàn)代海戰(zhàn)要求信息準(zhǔn)確,即通信傳輸需要采取合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(傳輸鏈路)、傳輸方式保證信息的準(zhǔn)確傳輸。
3) 保密抗擾能力
信息化條件下,海戰(zhàn)場(chǎng)信息對(duì)抗激烈。極端情況下,還應(yīng)該具有一定的抗毀性。保密性和抗干擾性是緊密相關(guān)的,保密性主要是采取加密技術(shù),提高我通信的隱蔽性和可認(rèn)證性,以降低敵方截獲、還原信息、制造假信息的可能性;而抗干擾性是采取通信抗干擾技術(shù),在遭到敵通信干擾的情況下,保持我方的通信系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中,大多以時(shí)分多址(TDMA)作為接入算法。TDMA具有使用簡(jiǎn)單,系統(tǒng)效率高的特點(diǎn),但同時(shí)也存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)固定,容納動(dòng)態(tài)接入性能較差等缺點(diǎn)。TDMA作為一種有效的通信手段已得到廣泛應(yīng)用[5~7],其多址接入技術(shù)特有的突發(fā)通信模式具有良好的抗截獲和抗干擾能力,安全保密性能強(qiáng)。另外,TDMA使用的是“時(shí)間維”信道,組網(wǎng)靈活性強(qiáng),更加適應(yīng)多變的環(huán)境。因此,軍用戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)大量使用了TDMA技術(shù)。
艦艇編隊(duì)通信采用基于TDMA的組網(wǎng)方式,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立和時(shí)隙資源分配是TDMA組網(wǎng)的重要內(nèi)容。同時(shí),由于艦艇通信網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化性和安全保密性,還需要考慮入退網(wǎng)策略和安全策略。
3.1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立策略
通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般分為三種:點(diǎn)對(duì)點(diǎn)組網(wǎng)、星形組網(wǎng)和網(wǎng)狀組網(wǎng)[8]。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)組網(wǎng)要求每個(gè)時(shí)刻每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)只能與另一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)通信,該類結(jié)構(gòu)一般只適用于只有兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)的通信;星形組網(wǎng)對(duì)中心節(jié)點(diǎn)要求較高,中心節(jié)點(diǎn)控制每個(gè)終端節(jié)點(diǎn),各終端節(jié)點(diǎn)均可以經(jīng)過(guò)中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信(經(jīng)過(guò)二跳),星形組網(wǎng)抗毀能力較弱;網(wǎng)狀組網(wǎng)則是每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)均可不經(jīng)過(guò)中心節(jié)點(diǎn)而完成通信,即只經(jīng)過(guò)一跳變就可以完成任意兩節(jié)點(diǎn)之間的通信,該種組網(wǎng)方式抗毀能力強(qiáng),單通信鏈路過(guò)多,會(huì)造成資源浪費(fèi)。
圖1 通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)種類
一般認(rèn)為戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)應(yīng)采用無(wú)中心節(jié)點(diǎn)的端到端結(jié)構(gòu)形式,以提高靈活性和抗毀性。商業(yè)通信采用的蜂窩體制中,其每個(gè)小區(qū)都有自己的中心節(jié)點(diǎn),基站各用戶間通信均通過(guò)基站控制和轉(zhuǎn)發(fā)。相反,端到端結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)因其各成員用戶均直接互通而具有較好的抗毀性,但由于沒(méi)有統(tǒng)一的協(xié)調(diào)控制,其系統(tǒng)容量及信道使用效率相對(duì)較低,這往往難以滿足現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)高密度、大強(qiáng)度信息交換的要求。
對(duì)于典型的通信數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò),其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)又可分為有中心網(wǎng)絡(luò)和無(wú)中心網(wǎng)絡(luò)是兩種典型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。有中心數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)管理方便,但對(duì)中心節(jié)點(diǎn)的通信質(zhì)量及可靠性要求非常高,當(dāng)執(zhí)行任務(wù)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多時(shí),會(huì)導(dǎo)致時(shí)隙輪詢周期延長(zhǎng)、通信實(shí)時(shí)性下降、通信質(zhì)量和傳輸速率降低等問(wèn)題,因此中心式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)大型水面艦艇中心節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)鏈通信裝備的性能提出了更高的要求。而對(duì)于無(wú)中心網(wǎng)絡(luò)具有更好的穩(wěn)健性,更適用于在艦載機(jī)等臨時(shí)性節(jié)點(diǎn)上使用,但是當(dāng)節(jié)點(diǎn)較多時(shí)難以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理與規(guī)劃。
圖2 有中心節(jié)點(diǎn)與無(wú)中心節(jié)點(diǎn)相結(jié)合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
因此,提出采用有中心節(jié)點(diǎn)與無(wú)中心節(jié)點(diǎn)相結(jié)合的艦艇編隊(duì)通信組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖2所示。在這種組網(wǎng)結(jié)構(gòu)中,雖然設(shè)置中心節(jié)點(diǎn),但各普通節(jié)點(diǎn)(端節(jié)點(diǎn))間可以不通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。在某些普通節(jié)點(diǎn)間建立通信鏈路以減輕中心節(jié)點(diǎn)的壓力,同時(shí)這種組網(wǎng)方式既考慮了通信網(wǎng)絡(luò)的抗毀能力,又兼顧了通信資源的利用率。
3.2時(shí)隙資源分配策略
以TDMA為多址接入方式的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)中一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是時(shí)隙資源分配。時(shí)隙分配是否合理將影響到通信組網(wǎng)的性能。目前,時(shí)隙分配策略主要有固定分配和按需分配兩種[9]。但常規(guī)的固定時(shí)隙TDMA網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)隙的利用率較低,當(dāng)業(yè)務(wù)量變化較大時(shí),會(huì)導(dǎo)致大量資源浪費(fèi),甚至?xí)斐赡承┕?jié)點(diǎn)無(wú)法順利完成規(guī)定通信業(yè)務(wù)?,F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)形勢(shì)瞬息萬(wàn)變,固定時(shí)隙分配方法得到的時(shí)隙預(yù)分配方案很難滿足戰(zhàn)場(chǎng)通信要求,難以應(yīng)對(duì)如通信業(yè)務(wù)突然增加、節(jié)點(diǎn)突然如退網(wǎng)等緊急情況。因此,艦艇編隊(duì)通信組網(wǎng)中應(yīng)采用按需分配的時(shí)隙資源分配方式,使各通信節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙資源能夠根據(jù)實(shí)戰(zhàn)中的情況進(jìn)行改變。
時(shí)隙需求由以下幾個(gè)方面來(lái)決定[10]:
1) 業(yè)務(wù)量。表示報(bào)告周期的某類業(yè)務(wù)的數(shù)量。所需時(shí)隙數(shù)隨著業(yè)務(wù)量增大而增大。
2) 業(yè)務(wù)消息量。業(yè)務(wù)消息量表示一個(gè)業(yè)務(wù)要發(fā)送消息的個(gè)數(shù)。業(yè)務(wù)消息量也會(huì)影響所需時(shí)隙數(shù)量。
3) 消息容量。即時(shí)隙包格式限制。消息容量表示一個(gè)時(shí)隙能夠最大發(fā)送消息的數(shù)量,它受時(shí)隙包格式的影響。
4) 業(yè)務(wù)周期與時(shí)隙動(dòng)態(tài)分配周期。業(yè)務(wù)的報(bào)告周期一般與時(shí)隙動(dòng)態(tài)分配周期不相同,需要將報(bào)告周期所需的時(shí)隙數(shù)量轉(zhuǎn)換到時(shí)隙動(dòng)態(tài)分配周期所需的時(shí)隙數(shù)量。
按需分配又可分為靜態(tài)分配方式和動(dòng)態(tài)分配方式。靜態(tài)分配方式是在數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)使用之前,結(jié)合網(wǎng)絡(luò)組織的節(jié)點(diǎn)規(guī)模、應(yīng)用場(chǎng)景、作戰(zhàn)任務(wù)、業(yè)務(wù)大小等,按照提前的通信需求預(yù)判為各通信節(jié)點(diǎn)分配相應(yīng)的時(shí)隙資源,其網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單,具有較高的通信可靠性,但通信網(wǎng)絡(luò)不夠靈活。動(dòng)態(tài)分配方式則是在組網(wǎng)過(guò)程中完成,根據(jù)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化、通信業(yè)務(wù)量需求變化等信息,為各通信節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)分配時(shí)隙資源。動(dòng)態(tài)分配方式能有效提高數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的靈活性和時(shí)隙資源利用效率,動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配流程如圖3所示。
在海上軍事通信組網(wǎng)過(guò)程中,不同的任務(wù)階段,不同的時(shí)刻,不同的作戰(zhàn)區(qū)域,其通信節(jié)點(diǎn)的位置、通信業(yè)務(wù)量都是變化的。而固定分配或者靜態(tài)分配方式不足以支持參與作戰(zhàn)的平臺(tái)的實(shí)際任務(wù)需求,為了使信息能夠在有限的時(shí)隙資源內(nèi)完全共享,艦艇編隊(duì)通信組網(wǎng)應(yīng)采用動(dòng)態(tài)按需的時(shí)隙分配策略,以實(shí)現(xiàn)時(shí)隙資源按需動(dòng)態(tài)調(diào)整。
圖3 動(dòng)態(tài)按需時(shí)隙分配流程圖
3.3入退網(wǎng)策略
節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)按入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在入網(wǎng)過(guò)程中所處的狀態(tài),可以分為主動(dòng)入網(wǎng)和被動(dòng)入網(wǎng)[11]。被動(dòng)入網(wǎng)是指網(wǎng)絡(luò)中的主節(jié)點(diǎn)按照一定規(guī)則在整個(gè)空域內(nèi)發(fā)送入網(wǎng)消息,新節(jié)點(diǎn)一直處于掃描接收狀態(tài),當(dāng)收到入網(wǎng)消息后,新節(jié)點(diǎn)完成入網(wǎng)應(yīng)答,加入網(wǎng)絡(luò)。主動(dòng)入網(wǎng)是指新節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)送申請(qǐng)入網(wǎng)消息,在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)一旦接收到申請(qǐng)入網(wǎng)消息,就向簇首節(jié)點(diǎn)申報(bào)發(fā)現(xiàn)新節(jié)點(diǎn)消息。簇首節(jié)點(diǎn)允許新節(jié)點(diǎn)加入后,就會(huì)為其分配通信時(shí)隙,使之加入網(wǎng)絡(luò)。
圖4 節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)策略示意圖
無(wú)論是主動(dòng)入退網(wǎng)策略還是被動(dòng)入退網(wǎng)策略,都會(huì)引起組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及時(shí)隙資源分配的改變。因此,入退網(wǎng)優(yōu)化實(shí)際上是解決拓?fù)浣Y(jié)果優(yōu)化和時(shí)隙資源分配優(yōu)化兩個(gè)方面的問(wèn)題。傳統(tǒng)方式下,入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)根據(jù)與子網(wǎng)的距離選擇加入哪個(gè)子網(wǎng),時(shí)隙資源將從冗余時(shí)隙中進(jìn)行分配;節(jié)點(diǎn)退網(wǎng)時(shí),釋放時(shí)隙資源,而其節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙資源不隨之改變。傳統(tǒng)入退網(wǎng)策略比較固定,不能靈活多變,降低網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性,影響資源的利用率。
圖5 節(jié)點(diǎn)退網(wǎng)策略示意圖
在艦艇編隊(duì)協(xié)同通信中,作戰(zhàn)平臺(tái)(通信節(jié)點(diǎn))種類多且分布不穩(wěn)定,由于任務(wù)的緊急性以及作戰(zhàn)單元到達(dá)指定位置時(shí)間的不確定性,新節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)具有隨機(jī)性的特點(diǎn)。新節(jié)點(diǎn)一般不會(huì)剛好在前一個(gè)動(dòng)態(tài)周期結(jié)束和下一個(gè)周期開(kāi)始之間到達(dá),因此新節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)前需要等待下一個(gè)調(diào)整周期的到來(lái),在此之前只與所進(jìn)入子網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)建立通信鏈路,并與之爭(zhēng)用時(shí)隙資源。節(jié)點(diǎn)退網(wǎng)時(shí),將增加冗余時(shí)隙,同時(shí)也影響到與之建立通信鏈路節(jié)點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)系。在下一個(gè)動(dòng)態(tài)周期到來(lái),時(shí)重新調(diào)整通信節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和時(shí)隙資源分配。
3.4安全策略
安全抗干擾能力是軍事通信網(wǎng)絡(luò)的重要指標(biāo),主要提出如下安全策略:
1) 用戶分級(jí)保護(hù)策略
對(duì)不同密級(jí)的用戶訪問(wèn)應(yīng)有控制措施,用戶在管理上應(yīng)相互區(qū)分。
2) 物理隔離策略
重要通信設(shè)備應(yīng)與其他設(shè)備進(jìn)行物理隔離,進(jìn)行單獨(dú)管理。重要通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該獨(dú)立,不與其他子通信系統(tǒng)建立鏈路。
3) 信息加密策略
為確保信息系統(tǒng)在傳輸過(guò)程中的安全保密,防止信息系統(tǒng)的非法竊取和篡改,軍事通信信息傳輸過(guò)程中都應(yīng)采用加密措施,保證傳輸信息系統(tǒng)的保密性。
4) 流量監(jiān)測(cè)策略
對(duì)鏈路上傳輸?shù)耐ㄐ帕髁亢托畔⑾到y(tǒng)內(nèi)容應(yīng)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè),及時(shí)發(fā)現(xiàn)通信鏈路上出現(xiàn)的異常流量。
5) 訪問(wèn)控制策略
節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的身份驗(yàn)證,嚴(yán)格控制訪問(wèn)加入通信網(wǎng)絡(luò)的用戶,建立一定的口令對(duì)接制度。
6) 方案及設(shè)備備用策略
為防止通信網(wǎng)絡(luò)遭受毀滅性的打擊,應(yīng)建立預(yù)案管理機(jī)制,通過(guò)緊急方案迅速建立通信網(wǎng)絡(luò);每個(gè)通信平臺(tái)應(yīng)存放備用通信設(shè)備。
本文中艦艇編隊(duì)通信組網(wǎng)采用有中心與無(wú)中心相結(jié)合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)策略,采用動(dòng)態(tài)按需分配的時(shí)隙分配策略。通信網(wǎng)絡(luò)是按照動(dòng)態(tài)周期進(jìn)行調(diào)整的,節(jié)點(diǎn)間的通信鏈路不是固定的,分配的時(shí)隙資源也隨著實(shí)際業(yè)務(wù)需求而變化。
圖6 艦艇編隊(duì)通信組網(wǎng)技術(shù)框架
每個(gè)新的調(diào)整周期開(kāi)始,系統(tǒng)都將根據(jù)實(shí)際的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和時(shí)隙資源分配的優(yōu)化,以適應(yīng)新的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化采用改進(jìn)的遺傳算法,時(shí)隙資源分配采用改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法。通過(guò)兩個(gè)智能優(yōu)化算法來(lái)解決通信組網(wǎng)的關(guān)鍵問(wèn)題,為艦艇編隊(duì)通信組網(wǎng)提供最優(yōu)組網(wǎng)方案,技術(shù)框架如圖6所示。
本文首先分析了艦艇編隊(duì)通信組網(wǎng)的實(shí)際需求,分別從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立、時(shí)隙資源分配、入退網(wǎng)機(jī)制和安全抗毀性四個(gè)方面闡述和分析了海上軍事通信組網(wǎng)策略,并根據(jù)組網(wǎng)策略提出海上軍事通信的關(guān)鍵技術(shù),為后續(xù)研究提供了基本技術(shù)參考,對(duì)信息化條件下軍事通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)具有重要意義。
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Communication Networking Strategy of Warship Formation
ZHANG Shiwei1HAO Wei1YU Qian2
(1. Electrical Engineering School, Naval University of Engineering, Wuhan430033) (2. Unit 95, No. 92941 Troops of PLA, Huludao125001)
Be established in the demand of the sea formation attack under information condition, and based on the analysis of the demand of maritime military communication, the strategy of formation communication network is presented. Based on the network model of distributed TDMA, a strategy combining the central and non-central topological structure and the dynamic on-demand allocation of time slot allocation strategy is proposed. Then the relevant strategy of entry or exit of the network and security strategy is presented. At last, the key technology framework of warship formation network optimization is proposed, which provides a theoretical basis for the research of the optimization method of communication network.
warship formation, networking strategy, topological structure, slot allocation, network optimization
2016年4月3日,
2016年5月26日
張世偉,男,碩士研究生,助理工程師,研究方向:通信組織與指揮、軍事通信、信息安全等。郝威,男,碩士研究生,副教授,研究方向:通信組織與指揮、軍事通信等。于錢,男,碩士研究生,助理工程師,研究方向:智能優(yōu)化技術(shù)、軍事通信、衛(wèi)星導(dǎo)航等。
TP302.1; TN915
10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.019