基于Mesh網(wǎng)絡(luò)的航母編隊通信網(wǎng)研究*

虞霖方 張桂英 吳有俊

(海軍指揮學(xué)院信息戰(zhàn)研究系 南京 211800)

基于Mesh網(wǎng)絡(luò)的航母編隊通信網(wǎng)研究*

虞霖方 張桂英 吳有俊

(海軍指揮學(xué)院信息戰(zhàn)研究系 南京 211800)

為解決航母編隊存在的高帶寬、高速率的通信需求問題,在分析Mesh網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)及其結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出了一種Ad Hoc + Mesh的航母編隊通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式。探討了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的設(shè)計并對路由協(xié)議的選擇進(jìn)行了仿真驗證,對Mesh網(wǎng)絡(luò)在軍事領(lǐng)域的深入研究提供了一定的參考價值。

航母編隊Mesh網(wǎng)絡(luò); 組網(wǎng)設(shè)計; 節(jié)點(diǎn); 路由

Class Number TN92

1 引言

在現(xiàn)代海軍作戰(zhàn)中,航母是國家海上軍事力量的核心組成部分,擔(dān)負(fù)著保衛(wèi)國家安全、保護(hù)海上航線以及維護(hù)海洋權(quán)益等一系列重要使命。由于航母編隊的活動遠(yuǎn)離海岸,它需要實時地與岸上指揮部、空中飛機(jī)及其它艦船保持通信聯(lián)絡(luò),以傳送各種重要的戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)信息。因此,航母編隊的通信保障就成為了未來高科技戰(zhàn)爭中奪取海上制空、制海權(quán)和制勝權(quán)的關(guān)鍵。研究適用于航母編隊的具有高帶寬、高速率的通信網(wǎng)絡(luò)具有十分重要的軍事意義。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò),又稱WMN,具有多跳、自組織等優(yōu)點(diǎn),是一種高帶寬、高速率的分布式網(wǎng)絡(luò)[1]。在軍事通信方面,由它組建的指揮通信網(wǎng)絡(luò)可以在戰(zhàn)場中臨時自組織、自愈,能與其他不同結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集成,是一種非常有前途的無線接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

2 Mesh網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀

無線Mesh網(wǎng)絡(luò),是一種多跳、自組織、高速率傳輸?shù)姆植际骄W(wǎng)絡(luò)。它由Mesh路由器和Mesh客戶端組成。網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)不僅可以接受和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),而且可以與一個或者多個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)包括有三種結(jié)構(gòu)：骨干Mesh結(jié)構(gòu)、客戶端Mesh結(jié)構(gòu)以及混合結(jié)構(gòu)。

圖1所示為骨干結(jié)構(gòu)。如圖所示,網(wǎng)絡(luò)分為兩層,上層為Mesh路由器,下層為終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)可以通過Mesh路由器接入到上層的骨干Mesh網(wǎng)絡(luò)中,實現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)互通。

圖1 骨干Mesh結(jié)構(gòu)

在國內(nèi),對于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的軍事應(yīng)用還處于理論研究階段。炮兵學(xué)院汪濤提出了基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的野戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),構(gòu)建了覆蓋指揮觀察所和前方陣地的無線Mesh骨干網(wǎng)絡(luò),配置了便攜式視頻控制系統(tǒng),可以提高炮兵部隊的作戰(zhàn)機(jī)動能力；西安電子科技大學(xué)王林研究了組建基于Mesh網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)過程中要考慮的關(guān)鍵問題,如網(wǎng)絡(luò)的框架結(jié)構(gòu)、MAC層協(xié)議和路由協(xié)議的選擇等；海軍工程大學(xué)劉顯靜提出了采用WLAN Mesh的綜合組網(wǎng)模式,將艦艇編隊通信網(wǎng)設(shè)計為三級網(wǎng)絡(luò),并驗證了該網(wǎng)絡(luò)的性能。目前關(guān)于Mesh網(wǎng)絡(luò)的軍事應(yīng)用研究多集中于陸上戰(zhàn)場戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)[2],而海上電磁環(huán)境及作戰(zhàn)區(qū)域與陸上機(jī)動網(wǎng)絡(luò)有諸多不同[3],需要進(jìn)一步深入研究。

3 基于Mesh網(wǎng)絡(luò)的通信組網(wǎng)設(shè)計

3.1 組網(wǎng)需求分析

未來海上的立體戰(zhàn)爭需要投入空中、水面、水下的各種兵力,只有組成編隊才能統(tǒng)一指揮、密切配合、協(xié)同作戰(zhàn)。因此,具備可靠的通信網(wǎng)絡(luò),是航母編隊立于不敗之地的重要前提。

現(xiàn)代航母編隊通信網(wǎng)絡(luò),主要具備以下幾個特征：

1) 通信方式以無線為主。航母編隊艦與艦、艦與飛機(jī)、艦與岸基指揮所之間不能構(gòu)建有線鏈路,必須依靠無線方式進(jìn)行通信。

2) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁。航母編隊在作戰(zhàn)時各作戰(zhàn)單位需要不停變換陣位,同時會受到來自敵方的電磁干擾,使得某些通信鏈路中斷。

3) 覆蓋范圍廣闊。核心艦艇之間一般間距5海里,防空驅(qū)逐艦一般距離核心艦艇10海里,而護(hù)衛(wèi)艦則部署于距離核心艦艇20～25海里處。

3.2 組網(wǎng)設(shè)計

表1為航母編隊的典型編成配置,在一般巡航狀態(tài)下,各作戰(zhàn)單元以航母為中心組成空艦一體化的攻防體系,通常以航空母艦和綜合補(bǔ)給艦為核心,其余艦艇則部署在它的周圍。戰(zhàn)斗隊形形成內(nèi)、中、外幾層防區(qū),具有搜索、防空、反潛等能力。圖2所示為航母編隊航渡狀態(tài)下的基本隊形。

表1 航母編隊典型編成配置

圖2 航母編隊基本隊形

根據(jù)Mesh網(wǎng)絡(luò)的定義,其節(jié)點(diǎn)不能進(jìn)行快速的移動?？紤]到航母編隊的實際需求,將航母編隊中移動較快的節(jié)點(diǎn),如驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦、作戰(zhàn)飛機(jī)等,依據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)不同組建Ad Hoc網(wǎng)絡(luò),而移動相對緩慢的艦艇,如航母、補(bǔ)給艦等作為骨干節(jié)點(diǎn),構(gòu)建骨干Mesh網(wǎng)絡(luò),Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的骨干節(jié)點(diǎn)接入到骨干Mesh網(wǎng)中,通過Ad hoc+Mesh的方式組建航母編隊通信網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)各作戰(zhàn)單元之間的互聯(lián)互通。圖3為構(gòu)建的航母編隊通信網(wǎng)絡(luò)。

圖3 航母編隊通信網(wǎng)絡(luò)

4 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計

Mesh節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵部分,其設(shè)計直接關(guān)系著網(wǎng)絡(luò)的性能與穩(wěn)定。

4.1 物理層

物理層規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸信號的特征和調(diào)制方法。IEEE802.11在使用無線電波作為傳輸介質(zhì)時,可分為直接序列擴(kuò)頻與跳頻擴(kuò)頻。

Mesh網(wǎng)絡(luò)采用了直序擴(kuò)頻技術(shù)。直序擴(kuò)頻是指在發(fā)送端擴(kuò)展信號頻譜,并在接收端進(jìn)行相應(yīng)的解擴(kuò),還原為原始信號。其優(yōu)點(diǎn)主要在于將原始信號淹沒在噪聲中,使敵方難以發(fā)現(xiàn),提高信號的隱蔽性和抗干擾性。

4.2 MAC層協(xié)議

MAC協(xié)議的主要作用是保證公平性和有效的資源共享[4]。

目前針對Mesh網(wǎng)絡(luò)的信道接入?yún)f(xié)議有CSMA、CSMA/CA[5]、DCF。

DCF主要用于支持異步數(shù)據(jù)傳輸,圖4為DCF基本接入方式,它以幀間間隔(IFS)表示數(shù)據(jù)發(fā)送的優(yōu)先級,包括短幀間間隔(SIFS)與分布式幀間間隔(DIFS)。發(fā)送時,節(jié)點(diǎn)首先監(jiān)聽信道,若信道空閑,則等待DIFS后發(fā)送數(shù)據(jù),接收節(jié)點(diǎn)計算校驗和,確定收到的分組正確無誤后,等待SIFS后發(fā)送一個確認(rèn)幀(ACK)。

DCF允許兼容的物理層之間通過CSMA/CA和無線媒介忙條件下的隨機(jī)退避定時機(jī)制來自動進(jìn)行媒介共享[6]。

DCF協(xié)議不僅對CSMA/CA協(xié)議進(jìn)行了擴(kuò)展,一定程度地解決了隱藏終端與暴露終端問題,而且通過ACK實現(xiàn)對鏈路層的確認(rèn),可見,使用DCF作為信道接入?yún)f(xié)議是比較合適的。

圖4 DCF基本接入方式

4.3 路由協(xié)議

路由協(xié)議在很大程度上決定著一個網(wǎng)絡(luò)的性能。作為一個新興網(wǎng)絡(luò),傳統(tǒng)的基于因特網(wǎng)的協(xié)議并不適用于Mesh網(wǎng)絡(luò)[7]。因此,作為與Mesh網(wǎng)絡(luò)相似的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議成為了最優(yōu)的選擇。

路由協(xié)議總的來說分為兩大類：表驅(qū)動路由協(xié)議和按需路由協(xié)議。

常見的表驅(qū)動路由協(xié)議一般有DSDV、WRP、FSR、CGSR等；按需路由協(xié)議一般有DSR、AODV、TORA、SSR[8]等。

表驅(qū)動路由協(xié)議通過定時檢測鏈路,及時更新準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟约奥酚上?。其?yōu)點(diǎn)是發(fā)送數(shù)據(jù)時可以立即獲取準(zhǔn)確的路由信息,但需要大量的控制報文,開銷太大。按需路由協(xié)議不需要定時更新自身路由信息,只有在需要查找時才更新路由,減小了網(wǎng)絡(luò)的開銷,但在發(fā)送數(shù)據(jù)時需要一定時間的延時。

為了比較上述兩種路由協(xié)議在Mesh網(wǎng)絡(luò)中的適用性,選擇最具代表性的DSDV、DSR和AODV三種路由協(xié)議進(jìn)行仿真對比。

仿真工具選取OPNET仿真軟件,針對航母編隊通信的移動性和大流量特性,對節(jié)點(diǎn)運(yùn)動的情況的性能進(jìn)行仿真分析。節(jié)點(diǎn)數(shù)目為12個,運(yùn)動速度為30km/h,節(jié)點(diǎn)移動方式選取了組移動模型(Group Mobility Model),范圍設(shè)定10km×10km,MAC層采用IEEE 802.11 DCF協(xié)議。在仿真中選取丟包率、吞吐量、網(wǎng)絡(luò)時延作為統(tǒng)計量。

1) 丟包率

圖5 丟包率

2) 吞吐量

圖6 吞吐量

3) 傳輸時延

圖7 傳輸時延

由仿真圖中可以看出：

AODV協(xié)議在丟包率、吞吐量方面相比其余兩種協(xié)議具有明顯優(yōu)勢；在傳輸時延方面,由于DSDV是表驅(qū)動路由協(xié)議,發(fā)送數(shù)據(jù)時可以立即獲取準(zhǔn)確的路由信息,因此,其傳輸時延更短。總體來說,在Mesh網(wǎng)絡(luò)中,按需路由協(xié)議性能要高于表驅(qū)動路由協(xié)議,而在按需路由協(xié)議中,AODV協(xié)議擁有更好的性能。因此,在該網(wǎng)絡(luò)中將AODV作為路由協(xié)議是最適合的。

5 結(jié)語

未來的海上戰(zhàn)爭,是信息化的戰(zhàn)爭。保障航母編隊通信需求將成為決定戰(zhàn)爭勝負(fù)的重要因素。本文將Ad Hoc與Mesh進(jìn)行結(jié)合,組建航母編隊通信網(wǎng)絡(luò),探討了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的設(shè)計,特別是對于路由協(xié)議的選擇,對于今后Mesh網(wǎng)絡(luò)在軍事通信中的深入研究提供了一定的參考價值。

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Aircraft Carrier Formation Communication Network Based on Mesh Networks

YU Linfang ZHANG Guiying WU Youjun

(Department of Information, Naval Command College, Nanjing 211800)

To solve the requirements of high bandwidth, high-rate communication in aircraft carrier formation, an Ad Hoc + Mesh networking communications network carrier battle group based on the characteristics and structures in the Mesh networks analysis is proposed. This paper discusses the design of nodes in the network and the right choice of simulation verification agreement, which is helpful to the further research of the mesh network in the military field.

aircraft carrier formation, mesh networks, node, route

2014年6月8日,

2014年7月27日

虞霖方,男,碩士研究生,研究方向:海軍通信理論與技術(shù)。張桂英,女,碩士生導(dǎo)師,研究方向:海軍通信理論與技術(shù)。

TN92

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.018