戰(zhàn)術(shù)云在戰(zhàn)術(shù)邊緣的應(yīng)用研究

周虎

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

隨著大國(guó)格局的演變以及軍事科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的大規(guī)模集群作戰(zhàn)方式逐漸轉(zhuǎn)換為小范圍的非對(duì)稱(chēng)作戰(zhàn)，戰(zhàn)術(shù)邊緣的作戰(zhàn)活動(dòng)在軍事戰(zhàn)爭(zhēng)中扮演越來(lái)越重要的角色。戰(zhàn)術(shù)邊緣又稱(chēng)為“第一戰(zhàn)術(shù)英里”（First Tactical Mile）[1]，它遠(yuǎn)離指揮中心，通常是一種資源（通信、計(jì)算等）受限環(huán)境。戰(zhàn)場(chǎng)迷霧是戰(zhàn)術(shù)邊緣的典型問(wèn)題[2]，即前線指揮人員對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的不確定性，包括無(wú)法清晰的掌握己方能力、敵方能力以及敵方意圖等，同時(shí)瞬息萬(wàn)變的作戰(zhàn)環(huán)境又需要指揮人員迅速作出決策。解決戰(zhàn)場(chǎng)迷霧需要強(qiáng)大的態(tài)勢(shì)感知能力和信息處理能力，最有效的解決方案是將戰(zhàn)術(shù)邊緣的各種態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)迅速傳回指揮中心的高性能計(jì)算中心，經(jīng)過(guò)處理后將分析結(jié)果以及高層指揮人員的指揮命令傳回戰(zhàn)術(shù)邊緣。然而，戰(zhàn)術(shù)邊緣一般遠(yuǎn)離指揮中心，回傳到指揮中心會(huì)引入很大的傳輸時(shí)延，從而貽誤戰(zhàn)機(jī)。另外戰(zhàn)術(shù)邊緣通常采用窄帶的無(wú)線通信方式，一方面會(huì)受到戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，例如地形地貌的限制，另一方面還會(huì)受到敵方的故意干擾，同時(shí)還存在機(jī)動(dòng)性、低探測(cè)和低截獲等需求。上述原因都導(dǎo)致戰(zhàn)術(shù)邊緣很難直接利用指揮中心的計(jì)算能力。

戰(zhàn)術(shù)云是云計(jì)算技術(shù)在戰(zhàn)術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，基于虛擬化等思想，戰(zhàn)術(shù)云可以提供輕量化、易部署的計(jì)算環(huán)境和存儲(chǔ)環(huán)境，能夠?yàn)閼?zhàn)術(shù)邊緣提供所需的態(tài)勢(shì)感知和數(shù)據(jù)處理服務(wù)。本文首先介紹戰(zhàn)術(shù)云的基本概念，分析目前外軍典型戰(zhàn)術(shù)云體系架構(gòu)，并提出一個(gè)基于軟件定義的戰(zhàn)術(shù)云方案，結(jié)合軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及軟件定義無(wú)線電技術(shù)，該方案可以在戰(zhàn)術(shù)邊緣提供不同服務(wù)質(zhì)量（QoS）級(jí)別的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用服務(wù)以及計(jì)算存儲(chǔ)能力，同時(shí)可以保障無(wú)線資源的利用率。

1 戰(zhàn)術(shù)云

1.1 戰(zhàn)術(shù)云基本概念

在網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的背景下，戰(zhàn)術(shù)邊緣的作戰(zhàn)人員通常會(huì)裝備具有基本通信和計(jì)算力的移動(dòng)設(shè)備，例如智能手持終端、穿戴式設(shè)備以及智能步槍等。這些移動(dòng)設(shè)備具有攝像頭、GPS等簡(jiǎn)單傳感器，但其通信、計(jì)算、存儲(chǔ)以及電源能力都是非常有限的，僅靠這些移動(dòng)設(shè)備無(wú)法為指揮和作戰(zhàn)人員提供所需的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知和信息處理能力。戰(zhàn)術(shù)云可以定義為在戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下可以獲得的云計(jì)算能力，它可以降低移動(dòng)設(shè)備的計(jì)算復(fù)雜度，提高移動(dòng)設(shè)備的工作時(shí)間，還可以提供單個(gè)移動(dòng)設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)的能力。

1.2 戰(zhàn)術(shù)云的配置方式

基于戰(zhàn)場(chǎng)的特殊環(huán)境，戰(zhàn)術(shù)云的配置方式可以分為常規(guī)戰(zhàn)術(shù)云與和動(dòng)態(tài)戰(zhàn)術(shù)云，如圖1所示。常規(guī)戰(zhàn)術(shù)云基于民用云計(jì)算技術(shù)和概念，使用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算設(shè)備和虛擬化管理方式，組成云的物理計(jì)算設(shè)備中通過(guò)有線緊密連接在一起。移動(dòng)設(shè)備可以通過(guò)低帶寬鏈路訪問(wèn)和接入常規(guī)戰(zhàn)術(shù)云以獲得計(jì)算和存儲(chǔ)能力，并使用戰(zhàn)術(shù)云提供的各種服務(wù)。動(dòng)態(tài)戰(zhàn)術(shù)云是基于戰(zhàn)場(chǎng)特殊的機(jī)動(dòng)和不穩(wěn)定環(huán)境的特點(diǎn)，組成云的物理計(jì)算設(shè)備通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接在一起，并且可能會(huì)隨著作戰(zhàn)進(jìn)程的發(fā)展而動(dòng)態(tài)地加入云或離開(kāi)云。動(dòng)態(tài)戰(zhàn)術(shù)云對(duì)云計(jì)算技術(shù)，尤其是資源管理技術(shù)提出了更高的要求，但它在一定程度上更適合戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。

1.3 戰(zhàn)術(shù)云的體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)戰(zhàn)術(shù)云的部署方式和系統(tǒng)架構(gòu)，參考美軍的戰(zhàn)術(shù)云部署情況，戰(zhàn)術(shù)云可以分為中心云，分散云，微云和皮云[2]，具體如圖2所示。

圖1 戰(zhàn)術(shù)云的配置方式

圖2 戰(zhàn)術(shù)云的體系結(jié)構(gòu)

（1）中心云（Centralized Cloud）

中心云主要采用常規(guī)戰(zhàn)術(shù)云的配置方式部署在指揮中心，利用數(shù)據(jù)中心的計(jì)算資源池，可以提供近似無(wú)限動(dòng)態(tài)調(diào)整的計(jì)算資源和能力。中心云在嚴(yán)格意義上其實(shí)是一種戰(zhàn)略層面的云，它可以提供整個(gè)國(guó)防系統(tǒng)范圍內(nèi)的云計(jì)算能力。但是中心云的信息情報(bào)和數(shù)據(jù)處理能力也對(duì)戰(zhàn)術(shù)邊緣的作戰(zhàn)活動(dòng)具有一定的影響，并且可以為其他幾種戰(zhàn)術(shù)云提供強(qiáng)有力的支撐。

（2）分散云（De-Centralized Cloud）

分散云通常采用常規(guī)戰(zhàn)術(shù)云的配置方式部署在前沿指揮所或艦船上。在作戰(zhàn)前沿會(huì)產(chǎn)生和收集大量的情報(bào)和態(tài)勢(shì)信息，將其傳到指揮中心有助于高層指揮人員更好的了解戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)并作出及時(shí)和正確的指揮決策。但受限于地理距離和網(wǎng)絡(luò)通信能力，將大量的原始信息數(shù)據(jù)傳回指揮中心會(huì)導(dǎo)致很大的延時(shí)甚至丟包，這反而會(huì)影響指揮效果。而分散云可以為前沿指揮所的設(shè)備和附近的戰(zhàn)車(chē)和無(wú)人機(jī)等提供接入、計(jì)算、存儲(chǔ)以及信息訪問(wèn)等服務(wù)，進(jìn)而支持本地化的信息處理以及實(shí)時(shí)作戰(zhàn)決策制定，同時(shí)還可以將處理后的精簡(jiǎn)信息傳回指揮中心。分散云采用與中心云類(lèi)似的云計(jì)算技術(shù)，只是其具有更小的規(guī)模。分散云提供方便靈活的部署和拆除能力，例如可以將整個(gè)計(jì)算設(shè)備和供電、制冷設(shè)備安置在一個(gè)集裝箱上。

（3）微云（Cloudlet）

在更小范圍內(nèi)的戰(zhàn)術(shù)邊緣軍事行動(dòng)中，作戰(zhàn)人員僅僅裝備有限通信和計(jì)算能力的移動(dòng)設(shè)備，此時(shí)微云是一種更合適的戰(zhàn)術(shù)云架構(gòu)。微云又稱(chēng)為“盒子里的數(shù)據(jù)中心”，微云可以采用常規(guī)戰(zhàn)術(shù)云的配置方式部署在一個(gè)離作戰(zhàn)人員一跳距離的機(jī)動(dòng)車(chē)輛/飛機(jī)/船上，或者以動(dòng)態(tài)戰(zhàn)術(shù)云的配置方式通過(guò)車(chē)聯(lián)網(wǎng)（VANET）部署在多個(gè)機(jī)動(dòng)車(chē)輛/飛機(jī)/船上，從而通過(guò)共享計(jì)算和存儲(chǔ)資源以提供更強(qiáng)大的云計(jì)算能力。

在作戰(zhàn)前，微云可以從分散云或者中心云下載關(guān)于任務(wù)地區(qū)的各類(lèi)情報(bào)和地圖信息，以支持在戰(zhàn)時(shí)更好的提供服務(wù)。作戰(zhàn)人員可以將移動(dòng)設(shè)備的計(jì)算和存儲(chǔ)需求轉(zhuǎn)移到微云上，以便擴(kuò)展移動(dòng)設(shè)備的能力，增加移動(dòng)設(shè)備的電池時(shí)間。同時(shí)還可以從微云上獲取其他應(yīng)用服務(wù)，例如地圖服務(wù)、戰(zhàn)場(chǎng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)服務(wù)、目標(biāo)人物人臉識(shí)別等。

（4）皮云（Pico-Cloud）

在部分特殊的戰(zhàn)術(shù)邊緣環(huán)境下，作戰(zhàn)人員無(wú)法將移動(dòng)設(shè)備連接到微云，此時(shí)可以通過(guò)移動(dòng)自組網(wǎng)（MANET）的方式實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)、計(jì)算以及存儲(chǔ)資源的共享，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于單一移動(dòng)設(shè)備的性能，這種架構(gòu)被稱(chēng)為皮云。皮云在移動(dòng)設(shè)備間分布式地處理任務(wù)，通過(guò)參與移動(dòng)自組網(wǎng)，移動(dòng)設(shè)備將自己的感知和處理能力擴(kuò)展到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。需要注意的是實(shí)現(xiàn)皮云架構(gòu)需要消耗各移動(dòng)設(shè)備的能量用于頻繁的共享數(shù)據(jù)，因此皮云主要適合短期的特殊應(yīng)用場(chǎng)景。

1.4 戰(zhàn)術(shù)云架構(gòu)性能評(píng)估

本小節(jié)從技術(shù)成熟度、應(yīng)用程度、目前影響力和未來(lái)影響力四個(gè)指標(biāo)，對(duì)上述四種戰(zhàn)術(shù)云架構(gòu)對(duì)支撐和改善戰(zhàn)術(shù)邊緣作戰(zhàn)能力的性能進(jìn)行對(duì)比分析。技術(shù)成熟度用于評(píng)估該戰(zhàn)術(shù)云框架的整體技術(shù)成熟度，包括在民用領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域。應(yīng)用程度指該云框架在目前軍事作戰(zhàn)活動(dòng)中的應(yīng)用程度（主要參考美軍）。目前影響力用于描述該云技術(shù)對(duì)當(dāng)前戰(zhàn)術(shù)邊緣作戰(zhàn)效能的影響。未來(lái)影響力用來(lái)評(píng)估該云技術(shù)對(duì)未來(lái)戰(zhàn)術(shù)邊緣作戰(zhàn)效能的潛在影響。評(píng)估采用5分制，得分越少說(shuō)明某類(lèi)戰(zhàn)術(shù)云架構(gòu)在該項(xiàng)指標(biāo)的能力越弱。

表1 四種戰(zhàn)術(shù)云評(píng)估對(duì)比

2 基于軟件定義的微云方案

根據(jù)上一小節(jié)的分析，微云是戰(zhàn)術(shù)邊緣最具應(yīng)用價(jià)值和前景的戰(zhàn)術(shù)云架構(gòu)，在微云的基礎(chǔ)上，結(jié)合軟件定義無(wú)線電（SDR）、軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）、虛擬化等概念，本小節(jié)提出一種基于軟件定義的微云方案，可以為戰(zhàn)術(shù)邊緣的作戰(zhàn)人員提供計(jì)算存儲(chǔ)以及各類(lèi)戰(zhàn)術(shù)服務(wù)能力，并具有較好的無(wú)線資源利用率。

2.1 微云架構(gòu)

基于軟件定義的微云方案采用常規(guī)戰(zhàn)術(shù)云的配置方式，即該戰(zhàn)術(shù)云部署在單個(gè)作戰(zhàn)平臺(tái)，例如作戰(zhàn)車(chē)輛上，其具體架構(gòu)如圖3所示，左半部分從下向上依次為：基于SDR的通信資源層，基于SDN的網(wǎng)絡(luò)管理層，基于虛擬化的應(yīng)用支撐層，圖3的右半部分是微云管理層。

基于SDR的通信資源層包括一個(gè)SDR控制器和若干個(gè)SDR設(shè)備。每個(gè)SDR設(shè)備支持工作在不同的無(wú)線頻段，SDR控制器負(fù)責(zé)對(duì)SDR設(shè)備進(jìn)行管理和配置，包括調(diào)制解調(diào)、編解碼、多址接入等工作參數(shù)的調(diào)整。每個(gè) SDR設(shè)備根據(jù)配置參數(shù)加入相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，并提供不同的帶寬、誤碼率以及傳輸距離等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力。

基于SDN的網(wǎng)絡(luò)管理層包括一個(gè)SDN控制器和一個(gè)虛擬交換機(jī)，虛擬交換機(jī)的下行接口連接到每個(gè)SDR硬件設(shè)備，上行接口連接到應(yīng)用支撐層。SDN控制器對(duì)每個(gè)端口的隊(duì)列擁塞情況進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)流表對(duì)每個(gè)業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)流進(jìn)行控制[3]。

基于虛擬化的應(yīng)用支撐層由一個(gè)應(yīng)用管理器和若干個(gè)運(yùn)行在云平臺(tái)計(jì)算設(shè)施的虛擬機(jī)或輕量化容器內(nèi)的應(yīng)用組成。各應(yīng)用基于作戰(zhàn)任務(wù)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建和運(yùn)行，并根據(jù)需求動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。應(yīng)用管理器可以根據(jù)應(yīng)用的安全需求提供鑒權(quán)、接入控制以及不同信任級(jí)別用戶的隔離。

微云管理層：微云管理層主要由微云控制器組成，它從應(yīng)用管理器、SDN控制器以及SDR控制器收集狀態(tài)信息，并根據(jù)優(yōu)化算法對(duì)三層的工作狀態(tài)進(jìn)行管理。

圖3 基于軟件定義的微云架構(gòu)

2.2 管理機(jī)制

（1）狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)與上報(bào)

SDR控制器監(jiān)測(cè)和上報(bào)給微云控制器的參數(shù)包括：無(wú)線環(huán)境中各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度、丟包率、沖突和擁塞情況以及每個(gè) SDR設(shè)備的發(fā)送隊(duì)列狀態(tài)。在基于SDN的網(wǎng)絡(luò)管理層，SDN控制器監(jiān)測(cè)虛擬交換機(jī)每個(gè)端口的狀態(tài)信息以及各類(lèi)應(yīng)用業(yè)務(wù)的吞吐量和時(shí)延信息，并上報(bào)給微云控制器。應(yīng)用層提供的主要是各應(yīng)用的QoS需求、優(yōu)先級(jí)以及可調(diào)節(jié)參數(shù)，例如視頻服務(wù)器可以提供不同級(jí)別的編碼參數(shù)。

（2）配置策略

微云控制器收集各層模塊的運(yùn)行狀態(tài)信息后，以對(duì)應(yīng)用層的業(yè)務(wù)提供相應(yīng)的 QoS保障以及提高無(wú)線通信資源的利用率為目標(biāo)，通過(guò)優(yōu)化算法計(jì)算各層的配置策略并下發(fā)到各層實(shí)際執(zhí)行模塊。配置策略的基本思想是首先通過(guò) SDN控制器調(diào)整各應(yīng)用的傳輸網(wǎng)絡(luò)，其次通過(guò) SDR控制器調(diào)整各網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線參數(shù)，最后調(diào)整各應(yīng)用的可調(diào)節(jié)參數(shù)。下面通過(guò)舉例對(duì)配置策略進(jìn)行說(shuō)明。

當(dāng)應(yīng)用層業(yè)務(wù)數(shù)量較少時(shí)，微云控制器首先根據(jù)應(yīng)用層業(yè)務(wù)對(duì)帶寬、傳輸距離等需求，結(jié)合SDN控制器上報(bào)的虛擬交換機(jī)的狀態(tài)，為應(yīng)用選擇最合適的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（映射為虛擬交換機(jī)的下行接口），然后為該應(yīng)用配置流表并下發(fā)到 SDN控制器。隨著應(yīng)用層業(yè)務(wù)的不斷增加，當(dāng)前的通信資源層的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)無(wú)法再承載新業(yè)務(wù)，此時(shí)微云控制器根據(jù)SDR控制器上報(bào)的通信資源層狀態(tài)，通過(guò)調(diào)整每個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的 SDR設(shè)備的配置參數(shù)，在不降低已有業(yè)務(wù)以及其他節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，增加網(wǎng)絡(luò)的帶寬，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力。隨著應(yīng)用層的業(yè)務(wù)進(jìn)一步增加，微云控制器可以嘗試對(duì)應(yīng)用服務(wù)的可調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，例如可以通過(guò)修改視頻業(yè)務(wù)的編碼級(jí)別來(lái)降低其傳輸帶寬需求，以便更好的為業(yè)務(wù)提供服務(wù)。同樣，當(dāng)應(yīng)用業(yè)務(wù)的需求降低時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整相關(guān)配置參數(shù)以提高業(yè)務(wù)的 QoS以及無(wú)線資源的利用率。

3 總結(jié)

戰(zhàn)術(shù)云能夠?yàn)閼?zhàn)術(shù)邊緣的移動(dòng)設(shè)備提供計(jì)算、存儲(chǔ)和信息處理能力，為作戰(zhàn)人員提供更好的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和作戰(zhàn)支撐服務(wù)。本文首先分析和對(duì)比了四種典型的戰(zhàn)術(shù)云架構(gòu)以及相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)，指出微云是最適合戰(zhàn)術(shù)邊緣的戰(zhàn)術(shù)云架構(gòu)。然后提出一種基于軟件定義的微云方案，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整軟件定義無(wú)線電設(shè)備、軟件定義網(wǎng)絡(luò)以及應(yīng)用服務(wù)的參數(shù)，可以提供對(duì)業(yè)務(wù)QoS的支持并優(yōu)化無(wú)線資源的利用率。

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