戰(zhàn)術網中自組織網絡的設計與實現

戰(zhàn)術網中自組織網絡的設計與實現

一、多頻率分級網絡自組織網絡可分為兩種結構：平面結構和分類結構。平面結構中(見圖1),所有結點的地位平等,所以又稱為對等式結構。而分級結構中,網絡被劃分為簇,每個簇由一個簇頭和多個成員節(jié)點組成,簇頭結點負責簇間業(yè)務的轉發(fā)。根據不同的硬件配置,分級結構又可以分為單頻分級和多頻分級兩種。單頻率分級網絡(見圖2)只有一個通信頻率,所有結點使用同一個頻率通信。為了實現簇頭之間的通信,需要有網關結點(同時屬于兩個或多個簇的結點)的支持。簇頭和網關形成了高一級的網絡,稱為虛擬骨干。而在多頻率分級網絡中(見圖3),不同級采用不同的通信頻率。低級的結點的通信范圍較小,而高級的結點要覆蓋較大的范圍。高級的結點同時處于多個級中,有多個頻率,用不同的頻率實現不同級的通信。在圖3所示的兩級網絡中,簇頭結點有兩個頻率。頻率1用于簇頭與簇成員的通信。而頻率2用于簇頭之間的通信。平面結構的網絡配置比較簡單,網絡中所有結點是對等的,原則上不存在瓶頸,所以比較健壯。平面結構的最大缺點是網絡規(guī)模受限。在平面結構中,每一個結點都需要知道到達其它所有結點的路由。由于結點的移動性,維護這些動態(tài)變化的路由信息需要大量的控制消息。網絡規(guī)模越大,路由維護和網絡管理的開銷就越大,網絡的可擴充性就較差。分級結構克服了平面結構可擴充性差的缺點,網絡規(guī)模不受限制。分級結構中,簇頭的功能相對較強,而普通節(jié)點的功能比較簡單,基本上不需要維護路由,這大大減少了網絡中路由控制信息的數量。此外,分級結構易于實現節(jié)點的移動性管理和保障通信業(yè)務的服務質量。因此,當網絡規(guī)模較大并需要提供一定的服務質量保障時宜采用分級網絡結構。二、軍事戰(zhàn)略網絡系統(tǒng)的組成1.戰(zhàn)術環(huán)境網絡的主要網絡構成(1)在一個作戰(zhàn)區(qū)域存在大量移動的異質節(jié)點,骨干鏈路將向戰(zhàn)斗單元傳輸大量的信息(包括數據、圖像、話音和視頻等),須由系統(tǒng)協助士兵處理這些信息。整個戰(zhàn)斗環(huán)境由多個作戰(zhàn)區(qū)域構成,每個區(qū)域都包含大量的移動的士兵、坦克、火炮、飛機等戰(zhàn)斗單元,此外還包括監(jiān)視傳感設備以及其它通信設施用于支持戰(zhàn)場數字化通信。(2)每個戰(zhàn)斗區(qū)域內具有地面骨干網絡并可以使用無人駕駛飛行器(UAV)充當多功能網關。(3)由UAV或戰(zhàn)術通信衛(wèi)星構成的空中骨干網絡可以覆蓋整個戰(zhàn)斗區(qū)域,從而使彼此距離較遠的作戰(zhàn)區(qū)域可以借助于空中骨干網絡通信。(4)不對稱的信息傳輸:在戰(zhàn)術環(huán)境中,信息業(yè)務的傳輸通常是不對稱的,通常戰(zhàn)斗單元接收的信息要遠遠多于它發(fā)送的信息,如士兵通常會向骨干節(jié)點發(fā)送請求,希望獲得所處位置的各種信息,即普通節(jié)點發(fā)送的請求消息的數據量較少,而需要接收大量的信息。但是,對于傳感器網絡或偵察分隊,情況將有所不同。2.多頻分級網絡結構考慮到戰(zhàn)場環(huán)境中的網絡規(guī)?？赡茌^大,節(jié)點種類繁多,并且節(jié)點的分布地理范圍較廣,因此可以將整個網絡劃分為多個戰(zhàn)斗區(qū)域網絡,每個區(qū)域網絡包括若干骨干節(jié)點,并為一定范圍(幾百米到幾公里)內的移動節(jié)點服務。距離較近的區(qū)域網絡之間可以通過骨干節(jié)點進行通信,當距離較遠時可以借助于UAV或戰(zhàn)術衛(wèi)星形成的空中骨干網絡進行通信。由于骨干節(jié)點一般由處理能力和功率較強的車載通信設備充當,由單兵可攜帶通信設備充當普通節(jié)點,因此可以將這種網絡看作為多頻分級網絡結構。在節(jié)點可以移動的情況下,這種異質分級網絡結構能夠為多個戰(zhàn)斗區(qū)域內的戰(zhàn)斗單元提供“動中通”能力。在每個戰(zhàn)斗區(qū)域網絡內,骨干節(jié)點類似蜂窩網絡中的基站,能夠比較容易地對其所屬范圍內的節(jié)點進行管理。而超過一跳的節(jié)點間的通信可以通過骨干網絡完成。為了便于通信和管理,希望每個戰(zhàn)斗區(qū)域網絡內的普通節(jié)點到其骨干節(jié)點都是一跳可達的,但是這樣需要配置較多的骨干節(jié)點,成本較高。然而,網絡中的骨干節(jié)點數量過少又不利于節(jié)點間的通信和管理,并且網絡的冗余性不高。此外,配置骨干節(jié)點的數量受骨干節(jié)點和普通節(jié)點的發(fā)射功率的制約。雖然增大發(fā)射功率,可以減少骨干節(jié)點的數量,但是發(fā)射功率過高會造成較強的干擾,并且易被敵方偵聽,安全性受到威脅,特別是在戰(zhàn)場通信環(huán)境中。因此需要對這些因素綜合考慮。我們這里采用的策略是合理配置骨干節(jié)點的數量,使骨干網絡中的骨干節(jié)點盡量覆蓋所有的普通節(jié)點,這樣可以將指揮命令和相關數據快速準確地傳送到每個普通節(jié)點,同時盡量保證每個普通節(jié)點可以經過一跳或多跳接入骨干網絡。在戰(zhàn)場環(huán)境中,骨干節(jié)點很容易暴露而遭到敵方的干擾和破壞,并且可能受地形地貌的限制而影響有效的通信,因此,當骨干網絡失效時,如果普通節(jié)點能夠直接與UAV或衛(wèi)星進行通信,則可以借助于空中骨干網絡進行通信,否則,將退化為平面自組織網絡,但此時仍可以通過節(jié)點間的多跳轉發(fā)來滿足大多數場合下的通信要求。3.分級自組織網絡體系結構從理論上講,可以根據情況將自組織網絡分成任意多個層次,但是,級數越多,節(jié)點間的通信采用最優(yōu)路由的機會就越少,因為路由需要通過更多的骨干節(jié)點進行轉發(fā),并且需要更多的控制信息用于維護分級結構。因此,應在能夠滿足網絡功能和可擴展性要求的基礎上盡量減少網絡的級數。這里將整個網絡劃分為三級,分別對應于普通節(jié)點、地面骨干節(jié)點和空中中繼節(jié)點,如圖4所示。網絡結構的三個層次具體描述如下:(1)位于地面的自組織網絡節(jié)點構成第一層網絡。該層包括各種普通移動節(jié)點和骨干節(jié)點,并且以骨干節(jié)點為簇頭,將網絡化分成多個簇。在每個簇內,由骨干節(jié)點負責管理和協調簇內的普通節(jié)點,并且可以采用合理的信道接入機制來支持數據訪問的可靠性,同時可以在簇間使用CDMA技術來增加網絡的空間重用率。(2)地面移動骨干網絡作為第二層。為了解決網絡規(guī)模較大時可擴展性較差的問題,引入地面骨干網絡作為網絡的第二層。在戰(zhàn)術環(huán)境中,裝甲車、通信車可以作為骨干節(jié)點,在一個戰(zhàn)斗區(qū)域內,它們可以借助定向天線技術構成高速的點到點的無線連接。(3)空中骨干網絡作為第三層。該層主要用來維護相距較遠的骨干網絡之間的通信,并且在地面骨干節(jié)點失效時可以充當地面骨干網絡的備份通信設施,來提高整個網絡的可靠性。通過采用這種三層的立體式網絡體系結構,可以為戰(zhàn)術通信網絡提供一種可靠性較強、易于管理、靈活的通信支撐平臺。上述設計的一種適用于戰(zhàn)術通信環(huán)境的分級自組織網絡體系結構,該結構配置簡單靈活、便于管理網絡中的移動節(jié)點和協調各種節(jié)點之