海战场移动自组织网络构建设计

蹇成刚，高晓军，顾颖彦

（1.海军指挥所指挥自动化工作站，北京 100841；2.中国船舶重工集团公司江苏自动化研究所，江苏 连云港 222006）

1 概述

移动自组织网络（Mobile Ad hoc Networks，简称MANET或自组网）是由一组带有无线通信收发装置的移动节点组成的多跳临时性无中心网络，可以在任何时刻、任何地点快速构建起一个移动通信网络，并且不需要预设信息基础网络设施的支持，网络中的每个节点可以自由移动、地位相同。

现代海军的作战模式正由以平台为中心向以网络为中心转变，对网络的实时性、机动性和抗毁性提出了更高的要求。利用移动自组织网络所具有的抗毁性强、不依靠任何固定设施、组网灵活等优势，有助于武器装备的集中指挥和协同作战，提高舰-舰、舰-岸、舰-空通信保障能力，因此，得到了广泛的应用，如美军的近期数字化无线电（NTDR）和无线互连网控制器等主要通信装备都使用了移动自组织网络技术。

移动自组织网络的特点表现在以下几方面[1-2]：

· 多跳网。由于无线通信距离受限，自组网内节点间的通信需要借助其他节点中继转发才能实现，这样就形成了多跳通信路径。

· 分布式控制。由于自组网没有预设的基础设施，也就没有预设的中心控制节点，只能采用分布式的控制方式。

· 对等性。在自组网中，每个节点都相同，无主从之分，节点间可以直接互通，不需要通过基站转发。

· 临时性。当几个自组网的节点聚集在一起时，它们就会临时性地组成一个无线通信网络，无需预先的规划，无需预先建设的基础设施。

· 自组织性。在自组网中，网络路由的计算、网络临时结构的形成不需要外部参与，可以依据当时的情况自我组织，并随环境变化自适应地自我调整。

· 抗毁性强。自组网中的所有节点都可以随时加入和离开网络，当部分通信网络遭到破坏后，自组网能自动重组，维持剩余的通信能力，确保重要的通信指挥畅通。

2 移动自组织网络的体系结构

移动自组织网络的体系结构在很大程度上决定了网络规划和整体性能。自组网的节点不仅具有移动终端的功能，还具有路由器的功能。按照网络逻辑结构的不同，自组网的组网形式可分为两种：平面结构和分级结构，如图1和图2所示。

图1 自组网的平面结构图

平面结构的组网比较简单，自组网中所有节点的功能和地位平等。平面结构网络无需任何结构维护过程，源节点与目的节点之间可存在多条路经，且这些路径共同分担负荷，原则上不存在瓶颈。其最大的缺点是网络规模受限，可扩充性差。在海战场信息系统中，平面结构主要适用于小型舰艇编队和潜艇艇群等内部的小范围通信。

分级结构的组网相对复杂。自组网被划分为群，每个群由一个群首和多个群成员节点组成。这些群首形成了高一级的网络。在高一级的网络中，又可以分群，再次形成更高一级的网络，直至所需的最高级。在分级结构中，群首和群成员的身份可动态变化，节点仍然自动组网。群首节点负责群间数据的转发、协调和管理，使群内各节点合理工作。群首可以预先指定，也可以由节点使用分群算法自动选举产生。在分级结构的网络中，群成员的功能比较简单，不需要维护复杂的路由信息，大大减少了网络中路由控制消息的数量，因此，具有很好的可扩充性。由于群首节点可以随时选举产生，因此，分级结构也具有很强的抗毁性。

根据硬件配置不同，分级结构的网络又可分为单频分级和多频分级两种。单频率分级网络（如图2a所示）只有一个通信频率，为了实现群首之间的通信，需要有网关节点的支持，网关节点同时属于两个或多个群。群首和网关形成了高一级网络。多频率分级网络（如图2b所示）中，不同级采用不同的通信频率，低级节点的通信范围较小，高级节点覆盖范围较大。高级节点同时处于多个级中，有多个频率，用不同的频率实现不同级的通信。

图2 自组网的分级结构图

当网络规模较小时，可以采用简单的平面结构；而当网络规模较大并需要提供一定的服务质量保障时，宜采用分级网络结构。

3 海战场环境下移动自组织网络的构建[3-4]

3.1 海战场网络通信特点

未来海战场网络通信的特点主要有以下几方面：

· 海战场可划分为若干个作战区域，每个作战区域都是相对独立，作战区域内部通过网络互连，作战区域之间也可以实现互连互通。

· 海战场指挥控制信息和武器打击信息对时间的敏感度高，通信网络应能满足信息传递时延的使用要求。

· 海战场中的作战单元具有位置移动和作战任务转换的特征，即编队的配置、作战任务和地理位置都可能发生变化。通信网络应具备快速重组和拓扑结构快速变化的能力。

· 海战场中的指挥控制、传感器，武器等各类应用系统在实现互连互通前提下，需要进行整个信息体系的自同步和按需进行信息分发。通信网络应支持网络资源管理和信息传输管理等功能。

3.2 设计原则和策略

海战场网络通信设计原则和策略可以从区域划分、节点配置和冗余设计三方面考虑。

1）区域划分 海战场信息网络规模较大，节点种类繁多，且节点分布范围广，因此，应将整个网络划分为多个战斗区域网络，每个区域网络包括若干骨干节点。距离较近的区域网络之间可以通过骨干节点进行通信，距离较远时可以借助于空中平台或卫星形成的空中骨干网络进行通信。骨干节点可以由编队中的指挥舰或岸上舰队级指挥所通信设备充当，小型舰艇或其他相对独立的特遣分队携带的通信设备可充当普通节点。

2）节点配置 每个战斗区域网络内的骨干节点可对其所属范围内的节点进行管理。超过一跳的节点间的通信可以通过骨干网络完成。配置骨干节点的数量受骨干节点和普通节点的发射功率的制约，增大发射功率，可以减少骨干节点的数量，但是发射功率过高会造成较强的干扰，并且在战场通信环境中容易被敌方侦听，安全性受到威胁。合理配置骨干节点数量的策略是使骨干网络中的骨干节点尽量覆盖所有的普通节点，这样可以将指挥命令和相关数据快速准确地传送到每个普通节点，尽量保证每个普通节点可以经过一跳或多跳接入骨干网络。

3）冗余设计 在战场环境中，骨干节点很容易暴露而遭到敌方的干扰和破坏.并且可能受地形地貌的限制而影响有效的通信。当骨干网络失效时，如果普通节点能够直接与空中平台或卫星进行通信，则可以借助于空中骨干网络进行通信，否则，将退化为平面结构的自组网，通过节点间的多跳转发完成节点间的通信传输。

3.3 海战场移动自组织网络组网设计

根据设计原则和策略，可将海战场移动自组织网络设计为两级网络，如图3所示。

图3 海上移动自组织网络组网结构示意图

图3中，第一级网络由若干个群构成，第二级网络由每个群的群首形成的骨干网构成。两级网络结构具体描述如下：

1）第一级网络由多个舰艇编队、潜艇艇群、飞机编队、陆战特遣分队中的节点构成，包括各种普通移动节点和骨干节点，并且以骨干节点为群首，将网络化分成多个群，由群首负责管理和协调群成员，并采用合理的信道接入机制保证数据访问的可靠性。可以根据实际需要将舰艇编队、潜艇艇群、飞机编队、陆战特遣分队分为一个或多个群，并将编队中担当指挥任务的节点指定为群首，实现各编队内部通信手段进行综合使用，同时将一些通信和处理能力强的节点指定为备选群首，一旦战斗过程中群首受到破坏而使得网络拓扑发生变化，群中的备选群首成员可快速地成为群首，飞机编队中的节点也可以根据战场需要动态地加入到其他群中。

2）第二级网络是指由舰艇编队、潜艇艇群、岸基指挥所、飞机编队中的骨干节点构成的骨干网络，在海战场环境中。

采用这种两级组网方式，配置简单灵活，便于管理网络中的移动节点和协调各种节点之间的通信，能够为海战场环境下的各类战斗单元之间的通信提供一种底层支撑平台。此外，这种结构可以根据实际需要和设备的能力自适应地组织，具有很强的通用性和可靠性，并且具有较小的控制开销。

4 结束语

本文仅对海战场环境下移动自组织网络的构建做了初步设想，要最终建立实用的海上移动自组织网络系统还需要解决很多问题，比如，如何将移动自组织网的相关技术移植到军事通信设备上，如何解决移动自组织网络与海上无线通信系统的有机融合问题，等等，除了继续关注移动自组织网络技术的发展外，更需要进行相关技术的深入研究。

[1]郑相全,等.无线移动自组网技术实用教程[M].北京:清华大学出版社,2004.

[2]于宏毅,等.无线移动自组网[M].北京:人民邮电出版社,2005.

[3]何云强,等.基于战场通信环境多频分级移动Ad Hoc网络结构的研究[J].现代电子技术,2006,219(4):67-69.

[4]蔡向华,郭晶.联合作战通信的完备性指标的建模分析与计算[J].指挥控制与仿真,2009,31(2):108-111.