一種基于短波和散射通信的自組網新方案

劉曉鵬,陳西宏,胡茂凱

(空軍工程大學 導彈學院,陜西 三原 713800)

一種基于短波和散射通信的自組網新方案

劉曉鵬,陳西宏,胡茂凱

(空軍工程大學 導彈學院,陜西 三原 713800)

結合地空導彈網絡化作戰對于通信網絡的需求,分析了無線自組網在其中的應用。針對短波通信帶寬小、時延大以及信道不穩定的缺點,將對流層散射通信引入到短波自組網中,設計了多信道的無線自組網。控制信道采用短波,數據業務信道采用散射通信,可以滿足組網的靈活性和實時的業務傳輸。最后對短波控制網絡在OPNET中進行設計和仿真,分析了不同路由協議的性能。所做工作可為地空導彈網絡化作戰的通信網絡的構建提供參考。

網絡化作戰;短波信道;對流層散射通信;無線自組網

1 引 言

信息時代的到來使得地空導彈武器系統必須要由平臺中心戰向網絡中心戰轉變。這種轉變使通信方式發生深刻變化,通信網絡不但要保證數據傳輸的可靠、準確和快速,還應具有一定的抗干擾能力、靈活性和抗毀性[1-2]。文獻[3]針對防空作戰信息化、網絡化作戰的需要,闡述了防空網絡化作戰無線自組網的客觀必要性。無線自組網以其抗毀性強、不依靠任何的固定設施、組網靈活、節點融入和撤出方便等無可比擬的優勢能夠更好地適應復雜的戰場環境,滿足防空導彈網絡化作戰體系中各單元對戰時敏感信息的需求,對提高通信保障能力具有十分重要的意義。作為無線自組網的一個發展趨勢,多信道無線自組網能夠使得節點工作在不同的信道上,從而獲得不同的傳輸范圍和傳輸性能,能夠滿足不同信息的傳輸需求[4]。短波自組網已經在各種作戰系統中得到廣泛應用,如美軍的“高頻特遣內部系統”(HF-ITF)、高頻數據網(HFDN)以及澳大利亞的“長魚”短波自組織網絡等。文獻[5-6]指出對流層散射通信具有集成度高、組網靈活、便于機動的特點,相比于短波通信,在傳輸速率、傳播可靠度、抗干擾抗截獲能力等方面有很大的優勢,在軍事通信網中有著廣闊的應用前景。

本文結合短波通信和對流層散射通信的特點,提出了一種短波、散射相結合的多信道無線自組網方案,對短波控制網的節點進行了設計并在OPNET中進行了網絡仿真,分析了其性能。

2 多信道無線自組網系統設計

2.1 軍用無線自組網

無線自組網是由系統中的無線移動通信節點通過分布式協議算法互聯或組織起來的網絡系統,是一種自組織、自愈合的網絡,其中的無線移動節點可以自由而動態地自組織成任意臨時性的網絡拓撲。網絡中各節點既可以是終端,又能夠具有路由的功能,具有很強的抗毀性,能很好地適合戰場環境,是數字化戰場通信的一項重要技術。

無線自組網最初應用于軍事領域,它的研究起源于美軍20世紀70年代戰場環境下分組無線網數據通信項目,是分組交換技術在無線傳輸環境中的應用,其后又在1983年和1994年進行了抗毀自適應網絡(Survivable Adaptive Network,SURAN)和全球移動信息系統(Global Information Systems,GloMo)項目的研究。上述的網絡形式形成了軍用無線自組網技術發展的基礎[7]。目前,已有數十種以自組網為網絡環境的路由協議,主要分為先應式路由、反應式路由以及混合式路由等。

將無線自組網應用于地空導彈網絡化作戰,可以通過無線網絡使各級指控節點共享空情信息和協同決策,避免態勢認知和決策計劃上的盲目,為防空網絡化作戰提供更加快速、準確、高效的決策和控制服務。通過無線組網可提升控制系統的整體生存能力,抗擊敵方的信息干擾和攻擊,保持區域防空網絡化作戰指揮控制的整體穩定、連續和不間斷,還可以通過無線網絡滿足對戰場指揮控制移動性和實時性的要求,適應防空網絡化作戰靈活機動的特點。

2.2 系統設計

已進行的軍用無線自組網研究中,一般是基于某一種通信手段進行,反映在網絡組織上,局限在短波或超短波等單一設備的應用。具體做法可以概括為:在網絡組織上預留專門的網絡控制信道,或者網絡控制信息和數據傳輸同步進行,結合信息傳輸需求對數據傳輸的路由等進行控制。

由于防空導彈網絡化作戰通常采用較大范圍的分散布防模式,通信距離一般從幾公里到幾十公里甚至上百公里,通過單一的通信手段難以滿足實時性的要求或者大范圍超視距戰術協同的需求。如果僅使用短波實現無線自組網,雖然在通信距離上能滿足大范圍戰術協同的需要,但是由于短波傳輸速率及信道穩定性的限制,不能很好地滿足實時性要求,網絡的安全性和抗干擾能力也會降低。如果僅依靠散射通信方式進行組網,雖然在實時性和安全性等方面得到保障,但其采用的是波束極窄的定向天線,天線對準之后才能進行通信,也就意味著網絡一旦需要重組則需要花費一定的時間來重新構建網絡的拓撲結構。短波通信和對流層散射通信的性能對比如表1所示。

表1 短波通信和散射通信性能比較Table I Performance comparison between HF and troposcatter communication

基于上述分析,結合短波、散射通信設備的特點,兩者的優勢互補,依據“短波實現需求管理,散射通信完成數據傳輸”的思想,提出了防空導彈網絡化作戰中無線自組網的組織形式,即用短波實現無線自組網的控制,完成節點間信息傳輸需求和可用路由的計算,進而依托散射通信對數據傳輸進行控制。

網絡中的各個節點同時具有短波電臺和散射通信設備。在需要組網時,由短波實現無線自組網的控制,根據路由協議計算可用路由,確定網絡的拓撲結構,繼而調度相應節點的散射天線相互對準,構建散射通信網絡,依托散射通信網絡傳輸數據,達到靈活組網和實時可靠傳輸的雙重目的。

3 短波控制網絡節點協議棧

國際標準化組織(ISO)于1981年制定了一個網絡系統結構,即開放系統互連(Open System Interconnection,OSI)模型。本文依據OSI模型以及Zigbee協議棧的架構思想,將短波控制網節點劃分為4個層,由低層到高層依次是物理層、媒體訪問控制層、網絡層和應用層,如圖1所示。

圖1 短波控制網節點協議棧Fig.1HF control network protocol stack

物理層:將上層傳送來的比特流轉換成電磁信號,通過短波電臺和短波信道傳遞給其他電臺。其主要目的是提高短波通信的傳輸速率、傳輸效能和抗干擾能力,為上層的各種應用提供高速、高可靠的短波通信保障。

媒體訪問控制層:主要任務是提供一種可靠的通過物理介質傳輸數據的方法。在這一層,定義了數據幀的種類、幀結構、基本的數據收發和應答的方式等。

網絡層:主要負責定址與尋址、確定網絡的拓撲結構、路由的建立和選擇、消息的轉發規則等。由于短波信道的不穩定性,短波路由技術是短波自組織網網絡技術研究的難點,需要依據短波信道的實際環境進行路由的研究與設計。

應用層:應用層則是根據用戶功能需求,定義相關功能的命令等。能夠為戶提供各類業務,包括話音、文電、傳真與e-mail等。本設計中應用層應能夠通過獲取的相應節點的相關信息,如位置、坐標等信息,利用這些信息實現散射通信的組網。

各個層之間相互配合,各自完成相應的功能。

4 基于OPNET的短波控制網的仿真與分析

在OPNET中對短波控制網的節點和網絡進行構建并仿真。

4.1 節點模型

按照上文提出的短波控制網節點模型,在OPNET自帶節點模型的基礎上進行構建,使其體現短波通信的特點。一個網絡節點包括物理層的無線發射機和接收機、媒體訪問控制層的MAC模塊、網絡層的IP模塊組、應用層模塊等。構建的節點模型如圖2所示。

圖2 節點模型Fig.2 Node model

4.1.1 無線發射機和接收機

對無線收發模塊的管道階段[8]進行修改,主要修改閉合階段和傳播時延。OPNET仿真中閉合階段的計算是基于物理上的考慮,如障礙物、地球表面對信號的遮蔽。由于短波主要依靠天波進行傳輸,不考慮通信盲區的話,可認為一個節點對于其他任意節點都是可達的。

傳播時延管道是用來計算分組數據在無線信道上的傳播時間。OPNET中,信號傳輸距離為發射與接收無線節點之間的直線距離,來計算信號傳播時間。但短波遠距離通信是依靠電離層反射實現的,故需要修改信號傳輸距離的計算方法。此外,在短波電離層反射信道中,發射端發射的電波可能通過多條路徑傳播到達接收端。由于不同的路徑對電磁波的延時不同,信號到達接收端的時間有先有后,其最大的時間差稱為多徑時延。多徑時延應是傳播時延的一個組成部分。多徑時延隨傳播距離的不同而動態變化,在100～300 km的短波線路上,由于電離層與地面之間的多次反射,多徑時延可以達到8 ms[9]。綜上分析,傳播時延的計算方法為

式中,d為發射與接收節點之間的直線距離;h為反射點高度,選用晝夜存在的F2層作為反射層,反射點高度固定選取300 km;Δτ為多徑時延。

4.1.2 媒體訪問控制模塊

MAC層模塊由OPNET Modeler自帶的wlan mac模塊修改而得到。由于wlanmac模塊中要求的最大傳播時延為1 μ s,不符合短波通信的特點,故將wlan mac對傳播時延的限制進行修改,使其能滿足短波通信的特點。另外,wlan mac模塊對數據速率的要求達到2 Mbit/s以上,故修改其數據速率為9.6 kbit/s,使其支持短波通信的數據速率。

4.1.3 其他模塊

節點模型中的其余模塊選用軟件自帶模塊。其中,rte-mgr模塊定義了節點所使用的路由協議;traf-src模塊主要實現數據業務的產生和接收;網絡層模塊組實現網絡尋址、路由生成、路由維護功能。

4.2 網絡模型

在節點模型搭建完成的基礎上,搭建短波控制網網絡模型,如圖3所示。網絡由10個節點組成,隨機分布在200 km×200 km的范圍內。

圖3 網絡模型Fig.3 Network model

4.3 仿真結果及分析

仿真參數設置如表2所示。

表2 仿真參數Table 2 Simulation parameters

在不同的協議下,對協議的路由發現時間、路由開銷性能評估參數進行仿真,性能比較結果如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 DSR平均路由發現時間Fig.4 Average router discovery time in DSR

圖5 AODV平均路由發現時間Fig.5 Average router discovery time in AODV

圖6 OLSR網絡拓撲變化次數Fig.6 Topology changes in OLSR

圖4和圖5表示反應式路由DSR(Dynamic Source Routing Protocol)和AODV(Ad hoc On-Demand Distance Vector)的平均路由發現時間。反應式路由在需要傳輸時才啟用路由發現機制,其路由開銷較小。由圖可以看出,DSR的平均路由發現時間在10 s左右,而AODV的平均路由發現時間明顯優于DSR,在2～3 s之間。先應式路由OLSR(Optimized Link State Routing Protocol)需要周期地廣播路由信息。由圖6可以看出,網路拓撲結構在7 min內始終在變化,約7 min之后不再變化,網絡拓撲結構才能穩定,故OLSR的路由開銷較大,確定網絡拓撲結構花費時間較長。

5 結 論

本文著眼于地空導彈網絡化作戰對通信網絡的需求,結合實際,針對短波時延大、實時性差以及帶寬小的缺點,將對流層散射通信引入到短波無線自組網中,對基于短波和散射通信的無線自組網方案進行了設計,充分發揮兩種通信手段的特點,既能夠彌補短波組網通信容量小的缺點,又能夠提高散射組網的靈活性充分發揮散射通信的特點;既能夠滿足地空導彈網絡化作戰大范圍分散布防協同的需求,又能夠保證通信服務的質量,為地空導彈網絡化作戰的通信網絡設計提供了一定的參考。

同時,重點對短波控制網的鏈路層協議和路由協議進行了研究,并在OPNET中進行了仿真。由于短波通信的窄帶寬,路由開銷較大的先應式路由不能應用于短波網絡中,而反應式路由的路由發現時間會直接影響短波網絡的時延性能。因此,針對短波通信的特點,結合反應式路由和先應式路由各自的優缺點,開發適合短波自組網的高性能路由協議將是下一步的重要研究方向。

[1]熊新平,沈麗艷,宋晉敏.防空導彈網絡化作戰關鍵技術研究[C]//防空體系論文集(第八集).北京:《現代防御技術》編輯部,2007:284-287.

XIONG Xin-ping,SHEN Li-Yan,SONG Jin-min.Research of Key technology in Air-defense Missile Network Operation[C]//Paper Collection of the 8th Conference on Air-defense System.Beijing:Editorial Office of Modern Defense Technology,2007:284-287.(in Chinese)

[2]吳光旭,劉銘.防空導彈網絡化作戰系統[J].飛航導彈,2007(11):25-27.

WU Guang-xu,LIU Ming.The System of Air defense Network Operation[J].Aerodynamic Missile Journal,2007(11):25-27.(in Chinese)

[3]程相仁,楊寧,趙珂.區域防空網絡化作戰指控系統無線自組網研究[J].防空指揮學院學報,2007(12):74-76.

CHENG Xian-ren,YANG Ning,ZHAO Ke.Research on Ad Hoc of Command and Control System inArea Air defense Network Operation[J].Journalof Air Defense CommandCollege,2007(12):74-76.(in Chinese)

[4]鄭相全.無線自組網技術實用教程[M].北京:清華大學出版社,2004:24-25.

ZHENG Xiang-quan.The Tutorial of Ad Hoc Technology[M].Beijing:Tsinghua University Press,2004:24-25.(in Chinese)

[5]李劍,姜韜.多向散射通信系統構建及組網形式[J].計算機與網絡,2011(3):93-95.

LI Jian,JIANG Tao.Research on Construction and Networking Mode of Multi-direction Troposcatter Communication System[J].Computer and Network,2011(3):93-95.(in Chinese)

[6]張濤.面覆蓋通信中的多向散射通信研究[J].無線電通信技術,2006,32(2):3-5.

ZHANG Tao.Many Direction Troposcatter Correspond Research Inside of Flat Cover Correspondence[J].Radio CommunicationsTechnology,2006,32(2):3-5.(in Chinese)

[7]孫義明,薛菲,李建萍.網絡中心戰支持技術[M].北京:國防工業出版社,2010:72-73.

SUN Yi-ming,XUE Fei,LI Jian-ping.Technology in NCW[M].Beijing:National Defense Industry Press,2010:72-73.(in Chinese)

[8]王文博,張金文.OPNET Modeler與網絡仿真[M].北京:人民郵電出版社,2003:224-231.

WANG Wen-bo,ZHANG Jin-wen.OPENT Modeler and Network Simulation[M].Beijing:People′s Posts and Telecommunication Press,2003:224-231.(in Chinese)

[9]呂輝,張納溫,李松.防空指揮自動化通信系統[M].西安:西北工業大學出版社,2006:52-53.

LV Hui,ZHANG Na-wen,LI Song.Air Defense Command Automatization Communication System[M].Xi′an:Northwestern Polytechnical University Press,2006:52-53.(in Chinese)

LIU Xiao-peng was born in Yicheng,Shanxi Province,in 1988.He received the B.S.degree from Air Force Engineering U-niversity in 2010.He is now a graduate student.His research concerns the tactics missile weapon system network technology.

Email:lxp4925110@163.com

陳西宏(1961—),男,陜西藍田人,教授、博士生導師,主要從事導彈工程和通信技術的研究;

CHEN Xi-hong was born in Lantian,Shaanxi Province,in 1961.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor.His research concerns missilery and communication technology.

胡茂凱(1985—),男,江蘇沭陽人,2010年于空軍工程大學獲碩士學位,現為博士研究生,主要從事戰術導彈通信對抗技術研究。

HU Mao-kai was born in Shuyang,Jiangsu Province,in 1985.He received the M.S.degree from Air Force Engineering U-niversity in 2010.He is currently working toward the Ph.D.degree.His research concerns tactics missile communication countermeasure technology.

A New Ad Hoc Scheme Based on HF and Troposcatter Communication

LIU Xiao-peng,CHEN Xi-hong,HU Mao-kai
(The Missile Institute,Air Force Engineering University,Sanyuan 713800,China)

According to the demand of communication network inground-to-air missile network operation,the advantages of application of Ad Hoc are analysed.The troposcatter communication is introduced to the HF Ad Hoc and a multi-channel Ad Hoc network is designed,due to the disadvantagesof HF communication,such as narrow bandwidth,long delay and instable channel.The usages of HF in control channel and troposcatter communication in date channel are enough to content the agility of network and real time communication.Finally,HF control network is designed and simulated in OPNET,and performances of different router protocols are investigated.These workswill provide some of referencesfor constructing anAd Hoc network adapting to the airdefense missile network operation.

network operation;HF channel;troposcatter communication;Ad Hoc network

TN92;TN915

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.036

1001-893X(2012)06-1009-05

2011-12-21;

2012-02-22

劉曉鵬(1988—),男,山西翼城人,2010年于空軍工程大學獲學士學位,現為碩士研究生,主要從事戰術導彈武器系統網絡技術的研究;