基于戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)的無線參數(shù)分發(fā)研究*

王 超，古稀林，李海濤，馮志先，鄧偉華

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)為互聯(lián)的無線電臺、路由交換節(jié)點、計算機硬件和軟件的集合，具有帶寬資源有限、節(jié)點機動性和用戶移動性多樣、抗毀性和安全性要求高等特點[1]。戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是一種分級的網(wǎng)絡(luò)，一般來說，骨干網(wǎng)拓撲相對固定，通信鏈路質(zhì)量相對較好，帶寬相對較寬；接入網(wǎng)機動性較高但通信帶寬也較窄。隨著信息化戰(zhàn)爭的發(fā)展，戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)效能直接影響著作戰(zhàn)效能，戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)作為信息化指揮作戰(zhàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)的能否快速開通，直接影響著作戰(zhàn)的結(jié)果[2]。

戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)完成網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃后，進入網(wǎng)絡(luò)參數(shù)分發(fā)階段，整個戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)處于未開通階段，傳統(tǒng)的方式是通過人工方式進行離線參數(shù)分發(fā)。戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)作為一個規(guī)模較大的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，通信節(jié)點達數(shù)百個之多，節(jié)點分布地域廣，使用人工方案進行參數(shù)分發(fā)，分發(fā)過程需要耗費大量的時間，分發(fā)容易出錯，分發(fā)效率低下，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃文件分發(fā)過程嚴重制約了戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)開通的效率，無法滿足戰(zhàn)術(shù)部隊快速開展戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)的需求[3]。為此，需要開展無線參數(shù)分發(fā)技術(shù)研究，解決上述問題。我軍戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)無線參數(shù)分發(fā)技術(shù)處于剛開始研究階段，相關(guān)的研究比較少。文獻[3]提出了一種在通信網(wǎng)絡(luò)未開通前基于北斗短報文的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)參數(shù)無線分發(fā)方案；文獻[4]提出了一種不依賴IP 網(wǎng)絡(luò)就能完成參數(shù)分發(fā)的方法：在物理網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通的情況下，構(gòu)建一個專用的信息分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，不依賴IP 網(wǎng)絡(luò)是否正確組網(wǎng)，采用專用分發(fā)協(xié)議，完成網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的快速分發(fā)；文獻[5]提出了在網(wǎng)絡(luò)已開通情況下的戰(zhàn)術(shù)通信環(huán)境無線參數(shù)分發(fā)的設(shè)計與實現(xiàn)。本文提出了一種基于TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)的無線參數(shù)分發(fā)技術(shù)，主要針對戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)的接入網(wǎng)。對無線信道的要求是廣播信道，便于快速進行參數(shù)分發(fā)。通過對參數(shù)分發(fā)流程進行控制，對分發(fā)參數(shù)進行壓縮，增加重傳機制，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃參數(shù)文件的快速無線分發(fā)，極大的縮短了無線參數(shù)分發(fā)時間，提高了分發(fā)效率。該算法比較簡單，容易實現(xiàn)。

圖1 無線參數(shù)分發(fā)通信模型

1 無線參數(shù)分發(fā)通信模型

戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)的無線參數(shù)分發(fā)通信模型可以抽象成如圖1 所示。

如上圖，戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)接入網(wǎng)所有節(jié)點里的拓撲連接關(guān)系都可以抽象成計算機、路由交換設(shè)備和電臺之間的互聯(lián)，計算機里運行無線參數(shù)分發(fā)軟件。無線參數(shù)分發(fā)對電臺的要求是至少有一個廣播信道，即無線參數(shù)分發(fā)信道。參數(shù)分發(fā)前，所有電臺都設(shè)置到參數(shù)分發(fā)信道，計算機將分發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)給路由交換設(shè)備，再通過電臺發(fā)送到廣播信道。接收節(jié)點的電臺收到分發(fā)數(shù)據(jù)交給路由交換設(shè)備，為確保路由交換設(shè)備能將參數(shù)分發(fā)報文轉(zhuǎn)發(fā)給計算機，可以給分發(fā)報文設(shè)置一個特殊的UDP 端口號，或者在UDP 報文數(shù)據(jù)部分增加特殊標識，用以標識參數(shù)分發(fā)報文，路由交換設(shè)備收到這種報文會直接轉(zhuǎn)發(fā)給計算機，完成分發(fā)數(shù)據(jù)的廣播發(fā)送和接收。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 QoS

由于參數(shù)分發(fā)信道是廣播信道，為避免無線信道上的報文碰撞，確保同一時間只有一個報文在發(fā)送，采用以下兩種策略。

第一，考慮到分發(fā)節(jié)點計算機里還要其它的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)要發(fā)送，為解決報文碰撞問題，可以在路由交換設(shè)備上配置QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）策略來確保分發(fā)業(yè)務(wù)在路由交換設(shè)備上的最高優(yōu)先級，一旦某個節(jié)點開始參數(shù)分發(fā)，該節(jié)點上其它業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)因為優(yōu)先級低而暫停發(fā)送，分發(fā)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)獨占無線信道，避免信道上的報文碰撞。接收節(jié)點收到參數(shù)分發(fā)報文后，可以在界面提示用戶，由人工來暫停正在發(fā)送數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)。

第二，合理設(shè)計分發(fā)流程，由分發(fā)節(jié)點嚴格控制參數(shù)分發(fā)流程，接收節(jié)點處于被動上報狀態(tài)，只有收到點名報文才上報。

2.2 壓縮和解壓

為縮短參數(shù)分發(fā)時間，需要對要分發(fā)的文件進行壓縮，再發(fā)送到無線信道上，接收時進行解壓，還原成原始文件。本文采用開源的zip 壓縮和解壓技術(shù)，特別是對于文本文件，壓縮后的大小為源文件大小10%左右，能大大縮短參數(shù)分發(fā)時間。壓縮和解壓函數(shù)申明如表1 和表2 所示。

表1 zip 壓縮函數(shù)申明

表2 zip 解壓函數(shù)申明

2.3 動態(tài)傳輸速率

戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)無線信道具有電磁環(huán)境復(fù)雜、易受干擾等特點，一般來說，電磁環(huán)境好，電臺傳輸速率較高；而電磁環(huán)境不好，較高的傳輸速率會導(dǎo)致丟包率提高，只能降低電臺傳輸速率。因此本文采用動態(tài)傳輸速率機制，在參數(shù)分發(fā)之前查詢電臺信道質(zhì)量，一旦電磁環(huán)境差，向下調(diào)整電臺傳輸速率，再進行參數(shù)分發(fā)。一般，可以通過網(wǎng)絡(luò)管理軟件和電臺約定的管理協(xié)議來自動調(diào)整電臺傳輸速率，避免人工干預(yù)。

3 算法描述

無線參數(shù)分發(fā)流程圖如圖2 所示。

圖2 無線參數(shù)分發(fā)流程圖

無線參數(shù)分發(fā)算法流程描述如下：

（1）進入?yún)?shù)分發(fā)模式。

（2）初始化路由交換設(shè)備、電臺參數(shù)，將電臺切換到參數(shù)分發(fā)信道，準備參數(shù)分發(fā)環(huán)境。

（3）查詢電臺信道質(zhì)量，根據(jù)其選擇合適的傳輸速率，并配置到電臺。

（4）對參數(shù)分發(fā)文件進行壓縮。

（5）根據(jù)壓縮后的文件大小和MTU 計算要發(fā)送的分片數(shù)量。

（6）通過廣播信道循環(huán)發(fā)送分片報文，直到所有分片報文都發(fā)送完畢。

（7）數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，對接收節(jié)點依次進行點名，接收節(jié)點收到點名報文后會回復(fù)點名應(yīng)答報文，包含文件接收結(jié)果信息（成功或失敗等）。

（8）依次解析接收節(jié)點上報的點名應(yīng)答報文。

（9）點名結(jié)束后顯示各接收節(jié)點的接收結(jié)果。

（10）退出參數(shù)分發(fā)模式。

參數(shù)分發(fā)報文采用UDP 協(xié)議，UDP 數(shù)據(jù)部分包含控制字和分發(fā)數(shù)據(jù)。控制字用來標識報文類型，比如進入分發(fā)模式、退出分發(fā)模式和分發(fā)數(shù)據(jù)、點名等。參數(shù)分發(fā)報文格式如圖3 所示。

圖3 參數(shù)分發(fā)報文格式

為提高參數(shù)分發(fā)的成功率，可以在發(fā)送分發(fā)數(shù)據(jù)時增加重傳機制，比如對接收失敗的節(jié)點重新發(fā)送數(shù)據(jù)報文。第一輪點名結(jié)束后，分發(fā)節(jié)點只對沒有上報點名應(yīng)答報文的節(jié)點重新發(fā)送點名報文。最后，對于多次接收失敗的節(jié)點，可以采用離線拷貝的方式分發(fā)參數(shù)文件。

4 實驗結(jié)果

為驗證該算法的有效性，搭建模擬環(huán)境，用商用路由器來模擬路由交換設(shè)備，用信道模擬器來模擬電臺。3 個節(jié)點，一個發(fā)送節(jié)點，兩個接收節(jié)點，選擇幾檔傳輸速率來模擬不同信道質(zhì)量下的電臺傳輸速率，每組實驗進行20 次。傳輸速率參照美軍戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)超短波電臺和寬帶電臺的傳輸速率，實驗結(jié)果如表3 所示。

表3 實驗結(jié)果

5 結(jié) 語

模擬環(huán)境實驗結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)的人工方式離線參數(shù)分發(fā)而言，本文提出的無線參數(shù)分發(fā)算法具有很短的參數(shù)分發(fā)時間、很高的分發(fā)效率和很高的分發(fā)成功率，對于戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)參數(shù)分發(fā)具有一定借鑒意義。