無線分布式網(wǎng)絡分析及軍事應用

馮 瑀，何 彬

( 裝甲兵工程學院 信息工程系，北京 100072)

隨著信息技術和武器裝備的不斷發(fā)展，軍事通信作為作戰(zhàn)指揮的基本手段，在戰(zhàn)爭中的地位和作用越來越重要。由于現(xiàn)代戰(zhàn)爭作戰(zhàn)形式日益多樣化，戰(zhàn)場通信時常在不可能存在固定通信基礎設施的環(huán)境中進行，而且時刻面臨著敵方火力的攻擊或電磁干擾的危險，因此要保障各作戰(zhàn)要素之間縱向和橫向的信息傳輸，就要求通信系統(tǒng)不但要具有可靠、靈活、易操作、全天候等特點，還要適應信息化戰(zhàn)爭的要求，適合快速部署，無需固定設施支持，能夠支持話音、數(shù)據(jù)、圖像、視頻等，同時具有高機動性、高抗干擾性和高抗毀性［1］。

無線分布式網(wǎng)絡起源于20 世紀70年代美國國防部高級研究規(guī)劃署( DARPA)為提升美軍在戰(zhàn)場環(huán)境下數(shù)據(jù)通信不受固定或有線的基礎設施限制所資助的一項特別研究——分組無線網(wǎng)絡( PRNET)。1994年，DARPA 在PRNET取得一定成果的基礎上對能夠滿足軍事應用需要的、可快速展開、高抗毀性的移動信息系統(tǒng)進行了深入研究，由此開啟了移動自組網(wǎng)( mobile Ad Hoc network，簡稱Ad Hoc 網(wǎng)絡或MANET)研發(fā)的先河。隨著研究的不斷深入，衍生出了特定應用環(huán)境下具有不同于移動Ad Hoc 網(wǎng)絡特性的無線傳感器網(wǎng)絡( wireless sensor network ，WSN)和無線Mesh 網(wǎng)絡( wireless mesh network，WMN，又稱無線網(wǎng)狀網(wǎng)等)［2］。這3 種網(wǎng)絡都采用了分布式、自組織組網(wǎng)思想，作為主要的無線分布式網(wǎng)絡在我軍的軍事通信中也廣為研究和應用。本文著重就這3 種無線分布式網(wǎng)絡的基本概念、結構、特點和軍事應用進行研究和比較。

1 移動Ad Hoc 網(wǎng)絡

1.1 基本概念

移動Ad Hoc 網(wǎng)絡是一種由一組無線移動節(jié)點組成的、能快速部署的、自組織的臨時性分布網(wǎng)絡。網(wǎng)絡中每個節(jié)點都具有路由功能，可以隨意移動，不在彼此覆蓋范圍內的無線節(jié)點之間的通信可經(jīng)中間節(jié)點的轉發(fā)來完成，因此，它不依賴基站或其它固定設施，也不會因為某個節(jié)點或某部分而癱瘓，具有很強的抗毀性［3-4］。移動Ad Hoc 網(wǎng)絡結構如圖1所示。

圖1 移動Ad Hoc 網(wǎng)絡結構

1.2 特點

1)網(wǎng)絡的獨立性。網(wǎng)絡的獨立性是移動Ad Hoc 網(wǎng)絡最大的特點。它可以在任意地點、任意時刻，不依基礎設施的支持，快速構成一個移動通信網(wǎng)絡。

2)分布式的網(wǎng)絡組織形式。移動Ad Hoc 網(wǎng)絡就是采用分布式的結構，即網(wǎng)絡結構無中心，所有節(jié)點地位平等，而且網(wǎng)絡允許節(jié)點隨時加入、隨時離開，因而整個網(wǎng)絡具有高抗毀性。

3)動態(tài)拓撲。移動Ad Hoc 網(wǎng)絡允許節(jié)點在網(wǎng)絡中隨機移動，網(wǎng)絡的拓撲結構是動態(tài)變化的。

4)多跳路由。移動Ad Hoc 網(wǎng)絡中要求每個節(jié)點不僅要作為一個獨立主機存在，而且要具備路由器的功能。當無線節(jié)點間通信時，目標節(jié)點在源節(jié)點的通信范圍內，可直接進行通信;當目標節(jié)點超出源節(jié)點的通信范圍時，可通過中間節(jié)點進行中繼，實現(xiàn)多跳轉發(fā)。這種“多跳”不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡中的“多跳”，它不需要由專門的設備來完成路由，而是通過網(wǎng)絡中的節(jié)點來實現(xiàn)路由選擇，從而節(jié)約節(jié)點能量和擴大了網(wǎng)絡覆蓋范圍。

5)有限的通信帶寬且不穩(wěn)定。移動Ad Hoc 網(wǎng)絡中節(jié)點間的通信都是通過無線傳輸實現(xiàn)，因此，無線信道能提供的數(shù)據(jù)通信帶寬相對于有線信道要窄很多，加之在戰(zhàn)場環(huán)境下，受到復雜地形引起的多徑、衰落、噪聲以及敵方干擾的影響，無線鏈路容量易變化、不穩(wěn)定。

6)節(jié)點能源有限。移動Ad Hoc 網(wǎng)絡中的無線主要依靠電池或其他可耗盡能源來供電，這使得節(jié)點能源有限，進而限制了節(jié)點的性能。

7)安全性不高。移動Ad Hoc 網(wǎng)絡所采用的分布式結構和無線技術進行通信，使其在通信過程中易受到網(wǎng)絡攻擊，例如主動入侵、被動竊聽、拒絕服務等。此外，由于移動Ad Hoc 網(wǎng)絡中的節(jié)點自身具備路由器的功能，所以該網(wǎng)絡中不存在“網(wǎng)絡邊界”，許多適用于傳統(tǒng)網(wǎng)絡的安全機制和策略不適用于移動Ad Hoc 網(wǎng)絡，所以，移動Ad Hoc 網(wǎng)絡安全措施的設計是非常必要的。

2 Mesh 網(wǎng)絡

2.1 基本概念

無線Mesh 網(wǎng)絡是一種基于IP 協(xié)議的大容量、高速率的多點到多點的無線多跳網(wǎng)絡，與Adhoc 網(wǎng)絡類似，都具有無中心、自組網(wǎng)自管理、多跳路由等特性。但無線Mesh 網(wǎng)絡包含了3 種節(jié)點類型: 用戶節(jié)點、無線Mesh 路由器( wireless router，WR)和網(wǎng)關節(jié)點［5-7］。根據(jù)網(wǎng)絡具體配置的不同，無線Mesh 網(wǎng)絡不一定包含以上所有類型節(jié)點。網(wǎng)關是高速連接外部網(wǎng)絡的接入點。Mesh 路由器移動性不強，可通過長距離高速無線技術互相連通，組成一個多跳的無線Mesh 骨干網(wǎng)絡。Mesh 用戶之間可構成一個小型對等的點到點的通信網(wǎng)絡，以保障在沒有基礎設施的情況下進行通信，同時用戶可以通過Mesh 路由器接入Mesh 骨干網(wǎng)絡，與其他一些網(wǎng)絡結構連接擴大網(wǎng)絡覆蓋范圍，由此形成Mesh 網(wǎng)絡的混合結構，如圖2 所示。在軍事通信中主要采用了這種Mesh 網(wǎng)絡混合結構，除此之外還有骨干網(wǎng)Mesh 結構( 分級結構)、客戶端Mesh 結構( 平面結構)。

2.2 特點

1)多無線設備、多信道的通信接口。Mesh 網(wǎng)絡允許節(jié)點之間使用不同的通信頻道及無線模式進行通信( 包括Mesh 路由節(jié)點之間、Mesh 客戶節(jié)點之間及路由節(jié)點與客戶節(jié)點之間)，從而盡量避免信道沖突，大大提高了Mesh 網(wǎng)絡的性能。

2)專用的無線路由設施。Mesh 網(wǎng)絡將主要的路由任務放在Mesh 路由節(jié)點上，且不用考慮能耗問題。因此，在Mesh 路由節(jié)點之間可形成無線骨干網(wǎng)，提高了網(wǎng)絡的可用帶寬和可靠性，同時，也降低了無線客戶節(jié)點的設計復雜度，減少了客戶節(jié)點的無線通信量和能源的消耗。

3)移動性與節(jié)點類型相關。Mesh 網(wǎng)絡中無線Mesh 路由器和網(wǎng)關節(jié)點作為提供基礎服務的設施，移動性最小。而用戶節(jié)點作為網(wǎng)絡中的端節(jié)點，可以完全固定，也可以處于不停的移動之中，因此在設計路由協(xié)議的時候，也需要考慮不同節(jié)點類型所帶來的不同影響。

4)多跳路由。Mesh 網(wǎng)絡采用多跳路由，在不犧牲信道容量的情況下，提供非視距連接，擴展了無線網(wǎng)絡的覆蓋范圍。

5)多種網(wǎng)絡集成及兼容能力。Mesh 網(wǎng)絡的體系結構及其中的節(jié)點提供了多種網(wǎng)絡訪問接口，保證了它為不同的無線網(wǎng)絡節(jié)點提供相應服務的能力，能實現(xiàn)不同網(wǎng)絡之間的無縫連接和通信。

圖2 Mesh 網(wǎng)絡的混合結構

3 傳感器網(wǎng)絡

3.1 基本概念

WSN 網(wǎng)絡是一種由隨機分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微小節(jié)點以自組織的方式構成的無線網(wǎng)絡。它屬于一種特殊的Adhoc 網(wǎng)絡，但與傳統(tǒng)Adhoc 網(wǎng)絡相比，節(jié)點數(shù)量眾多，分布密集，節(jié)點在大多數(shù)情況下是靜止的。受戰(zhàn)場環(huán)境和所承擔任務的制約，WSN 節(jié)點往往成本和功耗較低、硬件設備資源有限，數(shù)據(jù)處理能力和存儲能力都比較弱［8］。傳感器網(wǎng)絡結構如圖3 所示。

圖3 傳感器網(wǎng)絡結構

3.2 特點

1)分布式網(wǎng)絡組織形式。WSN 網(wǎng)絡是一個對等式的網(wǎng)絡，無中心，允許節(jié)點隨時加入、隨時離開。

2)動態(tài)拓撲。WSN 網(wǎng)絡是一個動態(tài)的網(wǎng)絡，節(jié)點可以隨處移動，因此網(wǎng)絡具有動態(tài)拓撲組織功能。

3)多跳路由。如果超過節(jié)點的通信范圍，可通過中間節(jié)點進行中繼、轉發(fā)。

4)節(jié)點體積小、成本低、數(shù)量眾多、分布密集。為了對戰(zhàn)場某一個區(qū)域執(zhí)行監(jiān)測任務，同時避免敵方發(fā)現(xiàn)，因此傳感器節(jié)點往往體積較小、成本低、在監(jiān)測區(qū)域分布得較為密集，利用節(jié)點之間高度連接性來保證系統(tǒng)的容錯性和抗毀性。

5)電源容量有限。WSN 網(wǎng)絡節(jié)點一般由電池供電，而且在使用過程中也不能給電池充電或更換電池，因此，WSN網(wǎng)絡節(jié)點設計時都要考慮電源節(jié)能。

6)節(jié)點資源有限。由于受到低成本、小體積和低功耗的限制，WSN 節(jié)點的硬件、軟件資源都非常有限。

4 三種網(wǎng)絡的對比及軍事應用

顯然，這3 種典型的無線分布式網(wǎng)絡都具有無中心、自組織的、動態(tài)拓撲、多跳路由的特點。然而，三者之間還是存在一些區(qū)別，3 種網(wǎng)絡的對比如表1 所示。

表1 Adhoc、Mesh、WSN 網(wǎng)絡對比

通過對比可以看出，Adhoc 網(wǎng)絡由于用戶節(jié)點自身具有路由功能，不需要專門的路由設備，節(jié)點之間能實現(xiàn)多跳路由通信，節(jié)點的移動性是3 種網(wǎng)絡中最為突出的，因此它主要側重應用于小范圍的移動環(huán)境中，能夠確保網(wǎng)絡內任意兩個節(jié)點在高速移動情況下的可靠通信，網(wǎng)絡內數(shù)據(jù)流可以包括語音、數(shù)據(jù)和多媒體信息。無線Mesh 網(wǎng)絡雖然Mesh 路由和網(wǎng)關節(jié)點的移動性不強，但正是由于這2 種節(jié)點的使用，增強了Mesh 網(wǎng)絡與其他網(wǎng)絡的兼容性及互操作性，擴大了覆蓋范圍。無線傳感器網(wǎng)絡是Ad Hoc 網(wǎng)絡的一種特殊形式，側重于實現(xiàn)對某個區(qū)域的物理現(xiàn)象的監(jiān)測，網(wǎng)絡內傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流為低速率的數(shù)據(jù)。

在軍事應用方面，正是考慮到戰(zhàn)場的特殊環(huán)境及這三種網(wǎng)絡的不同特點，構建了由這3 種網(wǎng)絡組成的戰(zhàn)術通信系統(tǒng)，網(wǎng)絡結構如圖4 所示。其中:WSN 網(wǎng)絡能夠將各類傳感器系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，把采集到的各種態(tài)勢感知、情報偵察等信息進行傳輸，因此WSN 網(wǎng)絡用作戰(zhàn)術通信系統(tǒng)中最末端的信息感知網(wǎng)絡，為指揮控制系統(tǒng)、戰(zhàn)術部隊和武器平臺提供及時的信息服務; 移動Ad hoc 網(wǎng)絡由于其良好的移動性、抗毀性，能為身處戰(zhàn)場前沿的戰(zhàn)術部隊提供小范圍可靠的通信網(wǎng)絡，以滿足機動作戰(zhàn)情況下戰(zhàn)術部隊內各作戰(zhàn)單元的信息傳輸交換，它主要包括戰(zhàn)術電臺網(wǎng)、單兵通信系統(tǒng)和戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈等;Mesh 網(wǎng)絡由于其Mesh 路由和網(wǎng)關節(jié)點的使用，擴大了覆蓋范圍，增強了與其他網(wǎng)絡的兼容性，因此在戰(zhàn)術通信系統(tǒng)中主要作為骨干傳輸網(wǎng)絡，包括由戰(zhàn)術衛(wèi)星通信、大容量升空系留平臺中繼通信構成的空基Mesh 骨干網(wǎng)和地域通信網(wǎng)構成的地面Mesh 骨干網(wǎng)，采用柵格狀網(wǎng)絡結構，可以為各戰(zhàn)術部隊、指揮控制系統(tǒng)、武器平臺之間的信息交互提供大容量的傳輸鏈路，實現(xiàn)整個戰(zhàn)術通信系統(tǒng)的縱橫、交叉互聯(lián)互通。由此構成的戰(zhàn)術通信系統(tǒng)充分發(fā)揮了3 種網(wǎng)絡的優(yōu)勢，不僅實現(xiàn)了作戰(zhàn)部隊在機動作戰(zhàn)情況下及時快速的組網(wǎng)通信，又能使網(wǎng)內用戶有多條路由互聯(lián)通信，即使干線節(jié)點被毀或某些信道被干擾的情況下，也能始終保持通信，大大提高了網(wǎng)絡的抗毀性和靈活性。

圖4 分布式戰(zhàn)術通信系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

5 結束語

雖然在軍事通信中這3 種典型的無線分布式網(wǎng)絡都已經(jīng)發(fā)揮了各自的優(yōu)勢，有了一定的研究和應用，但在戰(zhàn)場環(huán)境下仍存在數(shù)據(jù)通信帶寬有限、安全性存在隱患、節(jié)點電池容量有限、節(jié)點能源有限等問題，都將是在下一步的研究重點。

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