海戰(zhàn)場無線通信網(wǎng)絡規(guī)劃技術(shù)研究＊

李 瑞

（海軍裝備部裝備采購中心 北京 100071）

1 引言

海戰(zhàn)場無線通信網(wǎng)絡規(guī)劃（以下簡稱網(wǎng)絡規(guī)劃）是指給定作戰(zhàn)平臺預計的地理坐標，在滿足視距和組網(wǎng)等約束條件下，利用已有的無線通信手段，設(shè)計出一個海戰(zhàn)場作戰(zhàn)平臺的互連互通關(guān)系，使所有參與平臺都可以直接或通過中繼站、網(wǎng)關(guān)站與其它作戰(zhàn)平臺相互通信。網(wǎng)絡規(guī)劃可以將海戰(zhàn)場上各作戰(zhàn)平臺更好的鉸鏈在一起，實現(xiàn)海戰(zhàn)場信息共享，使指揮員能實時掌握戰(zhàn)場態(tài)勢，有效調(diào)配作戰(zhàn)資源，縮短決策時間，可以大大提高海戰(zhàn)場作戰(zhàn)平臺的協(xié)同作戰(zhàn)能力和整體作戰(zhàn)效能。

2 海戰(zhàn)場無線通信網(wǎng)絡組成及特點

2.1 海戰(zhàn)場無線通信網(wǎng)絡組成

海戰(zhàn)場無線通信網(wǎng)絡主要由岸基有線通信網(wǎng)絡、海軍戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈、寬帶數(shù)據(jù)鏈和Ku衛(wèi)星通信系統(tǒng)等組成，可以實現(xiàn)岸基系統(tǒng)與海上作戰(zhàn)艦艇、海上編隊之間，海上編隊系統(tǒng)內(nèi)，以及岸基系統(tǒng)、海上編隊系統(tǒng)與空中和潛艇平臺間的互連互通互操作。典型海戰(zhàn)場無線通信網(wǎng)絡的組成如圖1所示。

按照通信對象和連接關(guān)系可分為四個無線通信網(wǎng)：編隊內(nèi)通信網(wǎng)、編隊間通信網(wǎng)、艦岸遠程通信網(wǎng)和岸潛通信網(wǎng)。

圖1 海上一體化無線網(wǎng)絡組成示意圖

1）編隊內(nèi)網(wǎng)絡通信組織

編隊內(nèi)通信網(wǎng)將主要依托寬帶數(shù)據(jù)鏈，在天基通信網(wǎng)建成且其能力達到一定程度時可考慮依托高速衛(wèi)星通信網(wǎng)，通過改進通信系統(tǒng)裝備來提高系統(tǒng)性能，通過引入空中中繼來擴大其覆蓋范圍，形成綜合高速衛(wèi)星、微波信道和可靠的短波、超短波信道等多種無線傳輸手段的海上編隊內(nèi)無線通信網(wǎng)。其中短波和超短波主要提供組網(wǎng)或點對點話音和低速數(shù)據(jù)通信；微波主要提供組網(wǎng)的高速數(shù)據(jù)通信，并可以經(jīng)過中繼平臺實現(xiàn)超視距的通信。

2）編隊間網(wǎng)絡通信組織

在軍用衛(wèi)星通信網(wǎng)達到一定的規(guī)模時，編隊間通信網(wǎng)將主要依托高速可靠的衛(wèi)星信道資源實現(xiàn)編隊間的通信能力，海上編隊間通信網(wǎng)主要使用短波和超短波通信手段（其中大量使用的是短波通信手段）以及UHF衛(wèi)星鏈路，以滿足編隊間的話音協(xié)同和少量的低速數(shù)據(jù)通信。

3）艦岸遠程網(wǎng)絡通信組織

艦岸遠程通信網(wǎng)主要使用短波和衛(wèi)星通信手段。衛(wèi)星信道穩(wěn)定、可靠、通信容量大，但戰(zhàn)時衛(wèi)星中繼系統(tǒng)易被摧毀，短波信道雖然通信容量小，穩(wěn)定性較差，但短波通信建立迅捷簡便，不易被摧毀，是艦岸數(shù)據(jù)通信的主要手段。

4）岸潛網(wǎng)絡通信組織

海戰(zhàn)場無線傳輸網(wǎng)絡依托多功能拖曳天線、綜合通信浮標與岸基指揮所單向通信，通過裝備艦潛數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)潛艇與編隊之間的雙向協(xié)同信息的傳輸。

2.2 海戰(zhàn)場無線通信網(wǎng)絡特點分析

海戰(zhàn)場無線通信網(wǎng)絡具有如下顯著特點：

1）網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化。海戰(zhàn)場中的平臺節(jié)點具有位置任意移動和作戰(zhàn)任務轉(zhuǎn)換的特征。海戰(zhàn)場中平臺節(jié)點可以根據(jù)作戰(zhàn)任務或編隊配置自由加入和退出網(wǎng)絡（如關(guān)機），同時，無線傳播條件隨時間和空間不斷改變。

2）帶寬有限、容量可變的鏈路。無線鏈路的容量明顯低于有限鏈路的容量?？紤]到多接入、多徑衰減、噪聲和信號干擾等因素，無線通信實際的吞吐量遠遠低于它的最大傳輸速率，以至于在網(wǎng)絡中會經(jīng)常出現(xiàn)擁塞的情況。

3）多跳通信。由于視距、能量和保密條件的限制，海戰(zhàn)場中平臺節(jié)點的通信設(shè)備傳輸范圍有限，當兩平臺節(jié)點不能直接通信時，需要借助其它平臺節(jié)點進行中繼信息。

4）有限的網(wǎng)絡安全。與有線網(wǎng)絡相比，海戰(zhàn)場無線通信網(wǎng)絡更容易受到安全性問題的威脅。在網(wǎng)絡規(guī)劃與設(shè)計時，需要考慮網(wǎng)絡安全接入和信息傳輸?shù)谋Ｃ芘c安全。

5）衛(wèi)星通信與其他通信手段相比，具有通信距離遠、覆蓋面積大、保障能力強、通信容量大和質(zhì)量穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。由于目前我國沒有海外基地作支撐，因此只有大力發(fā)展衛(wèi)星通信技術(shù)，才能更好的發(fā)揮我海軍在中遠海的作戰(zhàn)效能。

3 海戰(zhàn)場無線通信網(wǎng)絡規(guī)劃

3.1 網(wǎng)絡規(guī)劃目標

海戰(zhàn)場無線通信網(wǎng)絡規(guī)劃的目標是根據(jù)海戰(zhàn)場作戰(zhàn)需求和戰(zhàn)術(shù)指令，采用動態(tài)規(guī)劃、頻率分配和數(shù)據(jù)庫等技術(shù)完成海戰(zhàn)場戰(zhàn)區(qū)范圍內(nèi)各無線網(wǎng)絡規(guī)劃和信道分配，盡量實現(xiàn)各平臺節(jié)點不受干擾地收發(fā)數(shù)據(jù)并達到最大的系統(tǒng)傳輸容量和傳輸質(zhì)量，為海戰(zhàn)場作戰(zhàn)平臺的協(xié)同作戰(zhàn)提供通信保障。

3.2 網(wǎng)絡規(guī)劃約束

為了保證在各頻段工作的設(shè)備正常工作，無線通信設(shè)備的使用必須符合操作約束和協(xié)調(diào)約束，根據(jù)無線通信設(shè)備的作戰(zhàn)需求設(shè)計通信網(wǎng)絡，使該網(wǎng)絡能夠滿足海戰(zhàn)場作戰(zhàn)需求的傳輸容量和節(jié)點連通性要求。網(wǎng)絡規(guī)劃的典型約束有如下幾點：

1）視距傳輸約束。由于部分數(shù)據(jù)鏈設(shè)備采用的是超短波頻段，數(shù)據(jù)鏈設(shè)備之間存在視距傳輸?shù)募s束。

2）組網(wǎng)約束。由于數(shù)據(jù)鏈設(shè)備采用的是公共信道，單個臺站的傳輸能力、轉(zhuǎn)發(fā)能力必須要受到限制。

3）電磁兼容約束。無線通信設(shè)備的電磁兼容包括同一平臺的電磁兼容和平臺之間的電磁兼容問題。由于通信設(shè)備工作在空中交通管制頻段，必須與現(xiàn)有的各類信號臺保持必要的間隔距離。

4）可靠性約束?？梢圆捎脭U頻通信技術(shù)、差錯控制技術(shù)和猝發(fā)通信技術(shù)等提供傳輸?shù)目煽啃浴５窃诤?zhàn)場環(huán)境下，網(wǎng)絡結(jié)點的移動使網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)經(jīng)常發(fā)生變化，通信鏈路受地理環(huán)境、電磁環(huán)境、敵方干擾等因素的影響，出現(xiàn)不穩(wěn)定或失效的現(xiàn)象，從而導致網(wǎng)絡性能的下降。

5）傳輸時延約束。不同通信設(shè)備對信息傳輸?shù)臅r延要求各不相同。設(shè)計的拓撲必須滿足通信鏈路終端對信息傳輸?shù)囊蟆?/p>

影響網(wǎng)絡規(guī)劃的因素還有組織關(guān)系和裝備約束等等。

3.3 網(wǎng)絡規(guī)劃思路及策略

在滿足連通性的基礎(chǔ)上，網(wǎng)絡規(guī)劃重點需要考慮信息傳輸質(zhì)量問題。傳輸質(zhì)量要求主要包括四個指標：傳輸速率、傳輸帶寬、傳輸時延和傳輸精度。由于受當前海軍無線通信設(shè)備帶寬和能力的限制，不可能每個指標都能同時達到最優(yōu)，有時在滿足某個指標的同時，必須以損失其它指標為代價。海戰(zhàn)場協(xié)同作戰(zhàn)需傳輸?shù)男畔㈩愋洼^多，不同應用的信息對傳輸質(zhì)量要求的側(cè)重點不相同?；诖?，在網(wǎng)絡規(guī)劃時可以考慮在分析現(xiàn)有通信手段及特性以及連通需求的基礎(chǔ)上，對不同應用的信息進行分類，根據(jù)信息傳輸不同質(zhì)量要求，選擇不同鏈路進行組網(wǎng)。海軍無線傳輸信息主要分為三類：武器協(xié)同信息、戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)信息和其它綜合業(yè)務信息。每類信息對于傳輸質(zhì)量指標的側(cè)重點都不同，比如，武器協(xié)同信息可能更關(guān)注傳輸時延，而戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)信息（傳感器目標信息）可能更關(guān)注信息精度。因此，可以構(gòu)建武器協(xié)同數(shù)據(jù)網(wǎng)、戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)網(wǎng)、綜合業(yè)務通信網(wǎng)三層通信網(wǎng)絡構(gòu)成的一體化通信傳輸網(wǎng)絡體系。最后，利用網(wǎng)絡仿真工具對網(wǎng)絡的性能進行分析和驗證。

3.4 網(wǎng)絡規(guī)劃流程設(shè)計

海戰(zhàn)場無線通信網(wǎng)絡規(guī)劃需要根據(jù)戰(zhàn)場無線通信網(wǎng)絡的組網(wǎng)方式、拓撲結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)鏈設(shè)備性能及海戰(zhàn)場環(huán)境信息，同時結(jié)合動態(tài)組網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)、電磁兼容分析技術(shù)和無線頻譜分配管理技術(shù)等擬定最佳的網(wǎng)絡規(guī)劃方案和頻率分配方案；使海戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡以盡可能少的頻率資源獲得更大的傳輸容量和傳輸質(zhì)量，并在網(wǎng)絡的部分頻段受到干擾的情況下，實現(xiàn)網(wǎng)絡自動優(yōu)化，及時調(diào)整網(wǎng)絡規(guī)劃方案。

海戰(zhàn)場無線通信網(wǎng)絡規(guī)劃流程如圖2所示。

確定網(wǎng)絡規(guī)劃目標后需要對目標進行分解細化，并分析海戰(zhàn)場無線傳送信息內(nèi)容需求和傳送質(zhì)量要求等，要保證實時／準實時／非實時數(shù)據(jù)可靠穩(wěn)定的傳輸；分析海戰(zhàn)場現(xiàn)有的通信手段及其特性，初步完成網(wǎng)絡規(guī)劃設(shè)計。網(wǎng)絡規(guī)劃雖然是基于當前已有的通信手段進行設(shè)計，但要考慮未來通信手段的增強和變化，規(guī)劃設(shè)計需要具備可擴展性和健壯性；網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)生成模塊根據(jù)通信傳輸容量、通信傳輸質(zhì)量和網(wǎng)絡傳輸覆蓋預測分析建立通信網(wǎng)絡拓撲。頻率分配要根據(jù)海戰(zhàn)場各網(wǎng)絡平臺的位置、鏈路可靠性分析和鏈路的保障優(yōu)先級進行自動頻率分配，自動頻率分配的結(jié)果包含頻率使用的時間和地點范圍。

圖2 海戰(zhàn)場無線信息傳輸網(wǎng)絡規(guī)劃流程圖

位置定位報告、無線通信網(wǎng)絡設(shè)備數(shù)據(jù)庫、地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）數(shù)據(jù)庫、無線傳輸覆蓋模型、海戰(zhàn)場商用通信設(shè)備與無線覆蓋數(shù)據(jù)庫、干擾分析模型、頻率分配算法庫等構(gòu)成海戰(zhàn)場無線通信網(wǎng)絡規(guī)劃的決策支持要素。位置定位報告提供作戰(zhàn)武器平臺的地理位置，通信網(wǎng)絡設(shè)備數(shù)據(jù)庫提供己方或敵方的無線通信設(shè)備的參數(shù)、內(nèi)部收發(fā)體制參數(shù)。海戰(zhàn)場商用通信設(shè)備與無線覆蓋數(shù)據(jù)庫提供商用通信網(wǎng)絡的設(shè)備參數(shù)和無線覆蓋，為無線通信設(shè)備的干擾分析提供依據(jù)。干擾模型提供同頻干擾模型、鄰道干擾模型和互調(diào)干擾模型對無線頻率分配方案的干擾進行分析，通過干擾最小的準則實現(xiàn)無線網(wǎng)絡規(guī)劃和頻率分配的最佳化。

在網(wǎng)絡規(guī)劃過程中，對規(guī)劃方案進行仿真驗證是不可缺少的一個環(huán)節(jié)。網(wǎng)絡仿真軟件通過在計算機上建立一個虛擬的網(wǎng)絡平臺來實現(xiàn)真實網(wǎng)絡環(huán)境的模擬，仿真運行和分析結(jié)果對網(wǎng)絡的性能，網(wǎng)絡參數(shù)的選取以及網(wǎng)絡優(yōu)化提供支撐與參考。

4 結(jié)語

近幾場局部戰(zhàn)爭表明，未來海戰(zhàn)場戰(zhàn)爭將不再是單平臺之間的較量，而是體系與體系的對抗。如何利用我海軍現(xiàn)有的通信手段對海戰(zhàn)場作戰(zhàn)平臺進行網(wǎng)絡規(guī)劃是實施網(wǎng)絡中心戰(zhàn)需要重點考慮的問題之一。本文從海戰(zhàn)場無線通信網(wǎng)絡的組成及特點入手，分析研究了網(wǎng)絡規(guī)劃的目標、網(wǎng)絡規(guī)劃思路與策略、網(wǎng)絡規(guī)劃約束和網(wǎng)絡規(guī)劃流程，其研究成果對于我海軍裝備建設(shè)與發(fā)展具有重要現(xiàn)實意義。

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