基于分層分域的戰術互聯網網絡架構與關鍵技術研究

云 超，魯 航，黃立剛，蔣攀攀，鄭 騰，錢一鳴

(中國人民解放軍63891部隊，河南 洛陽 471000)

0 引言

信息化條件下，制信息權已成為戰爭勝負的關鍵所在，有效的指揮控制必然要求信息的高效獲取、可靠傳遞、高效處理、及其分發，信息的傳遞與分發作為中間環節顯得尤為重要。戰術互聯網作為戰場上互聯的通信網絡，能夠為作戰部隊之間提供無縫連接，并將戰場上態勢感知信息、指揮控制信息無縫融合[1]。

戰術互聯網網絡架構根據其隸屬關系和指揮需求，在網絡結構上，根據其上下級隸屬關系其結構也突出分層結構[1]。戰術互聯網中的網絡節點具有動態隨遇接入和高機動特點，而傳統的戰術互聯網網絡架構已經很難適應戰術通信網的發展需求，針對上述問題本文提出了基于分層分域的戰術互聯網網絡架構，將其分為多個層(如骨干層+接入層)，不通層采用不同技術體制，每個層還可分為若干域，通過分層分域的網絡架構更好實現網絡的運行與管理，提升了整個網絡的運行管理效率，更加適應未來戰場環境下戰術互聯網的高效使用與管理要求。

1 戰術互聯網發展現狀

戰術互聯網以互聯網和自組網為基礎，基于路由器和戰術多網網關(TMG)，并采用標準的TCP/IP協議，把不同種類的戰術電臺進行無縫連接，為作戰部隊不同平臺單元之間提供一個可靠、穩定、安全的通信網絡，為戰場環境中指揮控制信息的上傳下達提供通信保障[3]。

1.1 概述

戰術互聯網就是在戰術一級構成的互聯網，與當前民用領域非常成熟的國際互聯網，又稱因特網(Internet)技術同源，但其應用廠所不同。技術同源是指戰術互聯網的協議體制基本來源于商用互聯網，它基本沿用了Internet的網際協議(internet protocol，IP)整體架構，將其進行適當裁剪而成；應用場合上，戰術互聯網屬于一種專業網絡，主要應用于戰場，而因特網是一種通用、開放的網絡[1]，戰術互聯網能夠滿足未來數字化戰場多層次、多模式、廣覆蓋的通信需求，為戰術作戰單元提供有力的通信保障和高效的戰場感知能力[2]。

1.2 功能特點

戰場環境下部隊通常處于機動狀態下，敵我雙方地理位置隨時間快速變化，區域界限模糊，從而要求戰術互聯網在強對抗戰場環境下快速展開并開通，進而保障戰場態勢信息的實時共享，其主要功能和特點如下：

1.2.1 主要功能

戰術互聯網主要功能如下[2]：

1)能夠提供戰場環境下態勢信息共享，為戰場態勢信息提供快速、可靠的上傳和下發鏈路；

2)網絡中各個用戶單元之間能夠互聯互通，各用戶單元能夠實現無縫連接；

3)網絡具備管理功能、安全防護、抗毀能力；

4)網絡滿足部隊快速機動的要求，能夠保“動中通”能力。

1.2.2 主要特點

戰術互聯網主要特點如下[3]：

1)各子系統具有良好的互聯互通能力，各通信子網通過統一的通信接口和接口協議，進而實現互聯互通；

2)網絡結構靈活、易于擴展，適用于快速變化的拓撲；

3)網絡具有良好的魯棒性和安全性，為適應惡劣的戰場環境，戰術互聯網還需具備抗干擾、防入侵的安全防護措施。

4)具備快速部署能力，支持各通信節點之間的高速機動，這要求戰場通信能夠支持節點間的移動性，是得各通信節點具備移動性，能夠進行“動中通”。

1.3 發展趨勢

經過多年的研究建設，美軍的戰術互聯網已經得到實戰的檢驗，截至到2021年年底，美軍已建設了聯合戰術通信系統(JTRS)、戰術級作戰人員信息網(WIN-T)等系統并將其成功運用到實戰當中。以上計劃正在以增量集的方式進行推進，并通過不斷迭代升級進一步發展完善。為適應未來戰爭的需求，美軍相繼出臺了相關研究開發計劃(如綜合戰術網ITN計劃、CS能力集計劃等)，這些計劃的實施代表了戰術互聯網最新的發展方向[4-5]。

2 戰術互聯網絡架構

戰術互聯網網絡架構對于保證其提供高質量、可靠、穩定的通信服務起到了至關重要的作用，其架構的優劣直接影響系統的整體性能，網絡體系架構是網絡組織運行的基礎，它決定了整個網絡運行的復雜度、魯棒性和兼容性[6]。基于分層分域的戰術互聯網網絡架構包含了層和域的兩個概念：層是指按照一定的原則，如網絡類型、指揮關系和區域位置等進行的層次劃分，根據戰術互聯網的組成結構可將其分為骨干層和接入層，亦可分為：上層、中層和底層(又稱骨干層、接入骨干層和底層接入層)；域是指地域分布比較接近的網絡節點的集合。

戰術互聯網通常包含4種基本的網絡架構：1)中心控制式；2)分層中心控制式；3)完全分布控制式；4)分層分布控制式[3]。基于戰術通信背景下的網絡不易更適合采用集中式的控制結構，因此，戰術互聯網的網絡架構通常采用分布式控制架構(即后兩種方式)：完全分布控制式和分層分布控制式。

2.1 網絡架構分類

戰術互聯網絡要求通信組網絡具備足夠的動態性和抗毀性，無線組網體制中，Ad-hoc技術以及Mesh技術廣泛應用于軍用、專用領域。Ad-hoc網絡和Mesh網絡都采用分布式、自組織、自愈合方式，網絡能力和特征在很大程度上互相重疊。

1)完全分布式架構：完全分布式架構的特點是所有的節點在網絡控制、路由選擇和流量管理等方面是平等的，通常從源節點到目的節點存在多條路徑，能夠較好的實現負載平衡和最優路由選擇[3]。完全分布式架構適用于構建中小型(節點數量較少)網絡。

2)分層分布式架構：分層分布式架構中網絡分為群(又稱“域”)，每個群由一個群首和若干群成員組成，群首負責群間業務的轉發，分層分級結構又分為單頻分層和雙頻分層兩種結構[4]。例如，在戰術互聯網中美軍使用NTDR電臺組網時，采用的就是雙頻分層結構[5]。

2.2 典型架構分析

Mesh網絡由于其構造準靜態的特征，適合用于在骨干側提供可靠接入鏈路；Ad-hoc由于其動態特性，可以用于子網側構造隨機性強，移動性強的小規模無線網絡。

1)Mesh網絡架構：Mesh網絡(wireless mesh networks，又稱“無線網狀網絡”)能夠實現網絡自組織、自愈合的動態配置，并保持自組網的連通性。Mesh網絡由兩種節點組成[6-7]：Mesh路由器和Mesh客戶端。除了網關/橋函數的路由功能外，網格路由器還包含支持網格網絡的附加路由功能，Mesh網絡的典型架構如圖1所示。

圖1 Mesh網絡架構示意圖

Mesh網絡主要特點[8-10]：1)融合了移動自組網和無線局域網的優點；2)結構靈活，易于擴展；3)快速部署和安裝；4)有多條并行鏈路，具有較強的健壯性；5)通過多條接力傳輸能夠提高通信距離，實現超視距傳輸。

2)Ad-hoc網絡架構：無線移動自組織網絡(Mobile Ad-hoc Network，MANET)網絡架構如圖2所示，與通常的網絡相比，MANET具有自組織、動態拓撲、節點對等、多跳通信、扁平網絡等特點。

圖2 Ad-hoc網絡架構示意圖

Ad-hoc網絡主要特點[6]：(1)分布性、無中心；(2)自組織、自愈合；(3)動態拓撲；(4)多跳路由；(5)網絡中鏈路容量動態變化。

3)混合網絡架構：目前主流戰術互聯網系統中，規模較大的戰術網絡通常采用分層分布式結構，而層和域的劃分與管理通常與作戰單元相適應，不同域節點之間的通信通常借助于群間網關的轉發來實現[3]。

聯合戰術通信系統(joint tactical radio system，簡稱JTRS)通過構建模塊化、多波段、多模式的MANET網絡實現基于IP的戰術無線電系統[11-12]，JTRS混合網絡架構如圖3所示。

圖3 JTRS混合網絡架構示意圖

JTRS網絡是一個混合網絡，采用Ad-hoc技術實現了局部子網內部的靈活、機動的自組織、自愈合的戰術通信網絡(如WNW子網、SRW子網等)；采用無線Mesh技術將各種異構的網絡按照分層分簇的形式連接到一起，形成柵格化的網絡架構，骨干網負責大容量、廣域的數據傳輸，次級骨干網負責區域的寬帶數據傳輸，子網則保證末端的戰術級網絡連接[13-16]。

戰術級作戰人員信息網(WIN-T，warfighter information network-tactical)[17]系統地面層網絡架構如圖4所示，美陸軍將WIN-T系統網絡架構分為三層：師/旅網絡(上層)、營/連網絡(中層)和排-班-單兵網絡(下層)。

圖4 WIN-T系統地面層網絡架構示意圖

3 分層分域網絡架構關鍵技術

針對組織架構復雜、節點規模大、路由協議開銷大、網絡拓撲變化快、業務類型多等特點的復雜網絡，需要從信道復用技術、跨層網絡架構、網絡路由協議等方面突破基于分層分域架構下無線通信的關鍵技術，實現混合網絡架構的無縫融合、順暢通信、抗毀自愈。在分層分域的網絡架構中，采用了Ad-hoc技術與Mesh技術相結合的分層網絡構造方式，可以適應多變的戰術環境，并提供一個兼具彈性能力和健壯性的大規模廣覆蓋的自組織網絡服務。該架構下需要解決的關鍵技術主要包括：1)多維多址的信道復用技術；2)跨層彈性路由的網絡架構；3)無線路由協議。

3.1 多維多址的信道復用技術

在高密度場景中，由于帶寬資源的受限，一般的時分多址(TDMA)系統中其單一多址方式已經不足以支撐大規模節點的數據并發，因此就要求鏈路層協議在多個資源角度采用復合手段來擴充系統容量。采用多通道方案，即能夠在時間—頻率—天線等多個維度上同時提供鏈路層協議的多址能力，從而大大提升通信系統的接入容量。

3.1.1 通道并發與頻率捷變技術

針對高帶寬和抗干擾并存的需求，簡單的頻譜擴展方案勢必會和復雜的頻譜環境構成矛盾。為了追求更高的業務速率，可以在現有系統的天線維度和頻率維度上進行通道數量擴展。在帶寬層面，這種方案提高了系統的并發度和分集度；在抗干擾層面，利用頻道捷變技術的多信道方案可以靈活對抗實時干擾。

3.1.2 動態多信道技術

采用動態多信道技術和跨層資源調度機制，結合先進的時頻感知、復用技術將通信協議棧和環境(頻譜資源、合作者、競爭者)進行深度整合，減少了各層獨立設計帶來的通信冗余，提高了協議棧的效率和能力。

動態多信道技術的主要優勢包含：1)采用多信道方案增強數據并行傳輸能力；2)采用多維分集提高業務的端到端到達率；3)采用信道捷變提高了干擾場景、富噪場景下系統的健壯性；4)采用分布式動態TDMA協議對時頻資源進行高效利用。

3.1.3 動態路由協議跨層設計

在高密度場景中，由于帶寬資源的受限，一般的網絡系統單一多址方式已經不足以支撐大規模節點的數據并發。這就要求鏈路層協議在多個資源角度采用復合手段來擴充系統容量。采用動態路由協議跨層設計方案，如圖5所示，在時間—頻率—天線等多個維度上同時提供鏈路層協議的多址能力，從而大大提升通信系統的接入容量。

圖5 動態路由跨層設計

綜上采用通道并發與頻率捷變技術、動態多信道技術、動態路由協議跨層設計相結合的MAC層技術體制，可以在時間-頻率-天線3個維度對信道資源進行整合與復用，大大加深了鏈路層資源池的廣度和深度，同時也有效的提升了資源復用的靈活性。

3.2 跨層彈性路由的網絡架構

大規模的自組網參與節點數眾多，傳統路由協議僅在各自單層獨自實現路由發現、維護、查詢等功能，帶來開銷大、收斂速度慢、時延長等問題，無法應用于大規模動態網絡中。

傳統戰術互聯網路由架構無法適用于快速移動的戰術無線環境，因此，針對基于分層分域架構下的戰術互聯網必須設計跨層彈性路由架構，其跨層路由架構如圖6所示，將路由協議分散到各個層當中，充分共享利用網絡底層的信息，將自組網的MAC層和路由層進行一體化設計，MAC層多址協議負責實現鄰居發現、骨干選擇、拓撲變化彈性觸發等機制；路由層負責路由洪泛、路由選擇的功能，從而實現快速發現、低開銷、大規模組網的路由功能。

圖6 跨層彈性協作路由架構

3.2.1 跨層動態骨干網構造算法

無線路由的核心是在大規模節點網絡中構造骨干網，骨干的選擇必須滿足最小覆蓋全網，最優的網絡吞吐量條件，采用基于連通圖理論研究跨層動態骨干網構造算法，并融合MAC層信令解決分布式、快速、高效骨干選擇，從而實現跨層動態骨干網構建。

3.2.2 快速路由選擇技術

自組網中的路由是典型的多鏈路多速率路由選擇問題，通過研究基于媒體占用時間度量的快速路由選擇技術，進而解決在大量多跳多速率的端到端路徑中快速選擇一條網絡吞吐量大、時延最小的最優路徑問題，從而實現快速路由選擇。

3.2.3 基于模糊視覺效應的路由更新算法

在保證路由收斂速度的前提下，減少路由洪泛的開銷，研究基于模糊視覺效應的路由更新算法，進而降低路由更新分組洪泛的距離，減小全網因路由變化更新帶來的負載上升的問題，從而實現路由的快速更新。

3.3 無線路由協議

戰術互聯網中全局網絡IP層路由協議采用了鏈路狀態協議OSPF，在該協議中，一旦節點的相鄰鏈路狀態發生變化，就需要將更新后的鏈路狀態信息LSU進行全網洪泛。ROSPF協議是對OSPF在無線上的應用改進，實現將所有節點映射到IP層，參與全局網絡IP路由，同時又控制洪泛的范圍，降低開銷，將子網內的路由交給子網內聯路由自行決策。

3.3.1 路由過程

中層網絡(如美軍中層WNW電臺網絡或ANW2電臺網絡)在子網之間以及參與全局路由時采用基于IP尋址的OSPF路由協議來實現與全網的互聯互通，但是子網內部(WNW或ANW2)的節點同時又參與子網內部的路由來進行多跳中繼，于是需要將兩種路由協議進行分工，普通的WNW節點優先參與子網內部二層路由，在IP層的全局路由則進行簡化。

網絡拓撲結構如圖7所示，子網1與子網2之間通過網關節點1和網關節點7進行連接。子網1的節點12到子網2的節點10之間的路由過程如下：

圖7 網絡拓撲結構

1)節點12在子網路由表查找節點10的地址，發現節點10不在自身子網1內；

2)節點12將下一跳IP地址發送網關節點1；

3)網關節點1查找IP路由表，將下一跳地址設置為節點2；

4)節點2依次轉發至節點3至節點7；

5)網關節點7發現節點10在其自身子網2內，使用兩層子網內部路由，將數據包經節點9轉發至節點10。

3.3.2 洪泛控制

無線OSPF協議為節約開銷，對OSPF協議進行了改進。在洪泛時子網內部的節點不參與洪泛，只需接收本子網網關節點的廣播分組，得到網內其他節點的地址。網關節點的LSA將自身子網內的其他節點的地址以虛擬拓撲映射的形式一并廣播出去。如圖7網絡拓撲結構所示，當子網內部節點發生鏈路狀態變化，但不影響與網關的連接時，網關節點的洪泛內容不變；當子網內部發生節點上線或下線時，網關節點更新LSA報文內容，新增或刪除對應的節點，而后洪泛全網；子網1的網關接收到其他網關節點的LSA廣播時，不對其所在子網轉發。

3.3.3 子網間路由抽象

網關節點在向全網廣播其自身域的信息時，需要將其所在子網的所有節點的地址一并廣播出去，供其他全局節點使用，需要對子網內部的拓撲進行虛擬映射，虛擬映射的原則是將子網內所有節點間的拓撲抽象為與網關的一跳拓撲。

子網間的路由抽象后網拓撲結構如圖8所示，在ROSPF協議上，各節點判斷相互間的連接關系。子網內部節點都是跟網關節點一跳直連，子網間都通過網關節點多跳中繼。子網內部按照二層子網鏈路狀態運行路由。

圖8 抽象后網絡拓撲結構

4 結束語

針對大規模、復雜動態、強對抗特性的戰場環境需求，為解決戰術互聯網絡在頻譜受限、干擾環境復雜等問題，本文提出了一種基于Ad-hoc技術與Mesh技術相結合的分層分域的戰術互聯網網絡構建方法，并采用一體化的自組網跨層協議體制，即上層采用Mesh構建骨干網，下層采用Ad-hoc構架接入網絡，結合了Ad-hoc網絡和Mesh網絡各自的優點，從而適應多變的戰術環境，并兼顧通信距離、容量和移動性，進而提供一個具備彈性能力和兼顧健壯性的大規模廣覆蓋的網絡架構，這種混合架構更加適合未來基于戰場環境下戰術互聯網絡的應用需求，通過采用分層分域的戰術互聯網體系架構，能夠更好地實現戰術互聯網在戰場環境下的綜合使用效能。