无线分布式网络分析及军事应用

冯 瑀，何 彬

( 装甲兵工程学院 信息工程系，北京 100072)

随着信息技术和武器装备的不断发展，军事通信作为作战指挥的基本手段，在战争中的地位和作用越来越重要。由于现代战争作战形式日益多样化，战场通信时常在不可能存在固定通信基础设施的环境中进行，而且时刻面临着敌方火力的攻击或电磁干扰的危险，因此要保障各作战要素之间纵向和横向的信息传输，就要求通信系统不但要具有可靠、灵活、易操作、全天候等特点，还要适应信息化战争的要求，适合快速部署，无需固定设施支持，能够支持话音、数据、图像、视频等，同时具有高机动性、高抗干扰性和高抗毁性［1］。

无线分布式网络起源于20 世纪70年代美国国防部高级研究规划署( DARPA)为提升美军在战场环境下数据通信不受固定或有线的基础设施限制所资助的一项特别研究——分组无线网络( PRNET)。1994年，DARPA 在PRNET取得一定成果的基础上对能够满足军事应用需要的、可快速展开、高抗毁性的移动信息系统进行了深入研究，由此开启了移动自组网( mobile Ad Hoc network，简称Ad Hoc 网络或MANET)研发的先河。随着研究的不断深入，衍生出了特定应用环境下具有不同于移动Ad Hoc 网络特性的无线传感器网络( wireless sensor network ，WSN)和无线Mesh 网络( wireless mesh network，WMN，又称无线网状网等)［2］。这3 种网络都采用了分布式、自组织组网思想，作为主要的无线分布式网络在我军的军事通信中也广为研究和应用。本文着重就这3 种无线分布式网络的基本概念、结构、特点和军事应用进行研究和比较。

1 移动Ad Hoc 网络

1.1 基本概念

移动Ad Hoc 网络是一种由一组无线移动节点组成的、能快速部署的、自组织的临时性分布网络。网络中每个节点都具有路由功能，可以随意移动，不在彼此覆盖范围内的无线节点之间的通信可经中间节点的转发来完成，因此，它不依赖基站或其它固定设施，也不会因为某个节点或某部分而瘫痪，具有很强的抗毁性［3-4］。移动Ad Hoc 网络结构如图1所示。

图1 移动Ad Hoc 网络结构

1.2 特点

1)网络的独立性。网络的独立性是移动Ad Hoc 网络最大的特点。它可以在任意地点、任意时刻，不依基础设施的支持，快速构成一个移动通信网络。

2)分布式的网络组织形式。移动Ad Hoc 网络就是采用分布式的结构，即网络结构无中心，所有节点地位平等，而且网络允许节点随时加入、随时离开，因而整个网络具有高抗毁性。

3)动态拓扑。移动Ad Hoc 网络允许节点在网络中随机移动，网络的拓扑结构是动态变化的。

4)多跳路由。移动Ad Hoc 网络中要求每个节点不仅要作为一个独立主机存在，而且要具备路由器的功能。当无线节点间通信时，目标节点在源节点的通信范围内，可直接进行通信;当目标节点超出源节点的通信范围时，可通过中间节点进行中继，实现多跳转发。这种“多跳”不同于传统网络中的“多跳”，它不需要由专门的设备来完成路由，而是通过网络中的节点来实现路由选择，从而节约节点能量和扩大了网络覆盖范围。

5)有限的通信带宽且不稳定。移动Ad Hoc 网络中节点间的通信都是通过无线传输实现，因此，无线信道能提供的数据通信带宽相对于有线信道要窄很多，加之在战场环境下，受到复杂地形引起的多径、衰落、噪声以及敌方干扰的影响，无线链路容量易变化、不稳定。

6)节点能源有限。移动Ad Hoc 网络中的无线主要依靠电池或其他可耗尽能源来供电，这使得节点能源有限，进而限制了节点的性能。

7)安全性不高。移动Ad Hoc 网络所采用的分布式结构和无线技术进行通信，使其在通信过程中易受到网络攻击，例如主动入侵、被动窃听、拒绝服务等。此外，由于移动Ad Hoc 网络中的节点自身具备路由器的功能，所以该网络中不存在“网络边界”，许多适用于传统网络的安全机制和策略不适用于移动Ad Hoc 网络，所以，移动Ad Hoc 网络安全措施的设计是非常必要的。

2 Mesh 网络

2.1 基本概念

无线Mesh 网络是一种基于IP 协议的大容量、高速率的多点到多点的无线多跳网络，与Adhoc 网络类似，都具有无中心、自组网自管理、多跳路由等特性。但无线Mesh 网络包含了3 种节点类型: 用户节点、无线Mesh 路由器( wireless router，WR)和网关节点［5-7］。根据网络具体配置的不同，无线Mesh 网络不一定包含以上所有类型节点。网关是高速连接外部网络的接入点。Mesh 路由器移动性不强，可通过长距离高速无线技术互相连通，组成一个多跳的无线Mesh 骨干网络。Mesh 用户之间可构成一个小型对等的点到点的通信网络，以保障在没有基础设施的情况下进行通信，同时用户可以通过Mesh 路由器接入Mesh 骨干网络，与其他一些网络结构连接扩大网络覆盖范围，由此形成Mesh 网络的混合结构，如图2 所示。在军事通信中主要采用了这种Mesh 网络混合结构，除此之外还有骨干网Mesh 结构( 分级结构)、客户端Mesh 结构( 平面结构)。

2.2 特点

1)多无线设备、多信道的通信接口。Mesh 网络允许节点之间使用不同的通信频道及无线模式进行通信( 包括Mesh 路由节点之间、Mesh 客户节点之间及路由节点与客户节点之间)，从而尽量避免信道冲突，大大提高了Mesh 网络的性能。

2)专用的无线路由设施。Mesh 网络将主要的路由任务放在Mesh 路由节点上，且不用考虑能耗问题。因此，在Mesh 路由节点之间可形成无线骨干网，提高了网络的可用带宽和可靠性，同时，也降低了无线客户节点的设计复杂度，减少了客户节点的无线通信量和能源的消耗。

3)移动性与节点类型相关。Mesh 网络中无线Mesh 路由器和网关节点作为提供基础服务的设施，移动性最小。而用户节点作为网络中的端节点，可以完全固定，也可以处于不停的移动之中，因此在设计路由协议的时候，也需要考虑不同节点类型所带来的不同影响。

4)多跳路由。Mesh 网络采用多跳路由，在不牺牲信道容量的情况下，提供非视距连接，扩展了无线网络的覆盖范围。

5)多种网络集成及兼容能力。Mesh 网络的体系结构及其中的节点提供了多种网络访问接口，保证了它为不同的无线网络节点提供相应服务的能力，能实现不同网络之间的无缝连接和通信。

图2 Mesh 网络的混合结构

3 传感器网络

3.1 基本概念

WSN 网络是一种由随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点以自组织的方式构成的无线网络。它属于一种特殊的Adhoc 网络，但与传统Adhoc 网络相比，节点数量众多，分布密集，节点在大多数情况下是静止的。受战场环境和所承担任务的制约，WSN 节点往往成本和功耗较低、硬件设备资源有限，数据处理能力和存储能力都比较弱［8］。传感器网络结构如图3 所示。

图3 传感器网络结构

3.2 特点

1)分布式网络组织形式。WSN 网络是一个对等式的网络，无中心，允许节点随时加入、随时离开。

2)动态拓扑。WSN 网络是一个动态的网络，节点可以随处移动，因此网络具有动态拓扑组织功能。

3)多跳路由。如果超过节点的通信范围，可通过中间节点进行中继、转发。

4)节点体积小、成本低、数量众多、分布密集。为了对战场某一个区域执行监测任务，同时避免敌方发现，因此传感器节点往往体积较小、成本低、在监测区域分布得较为密集，利用节点之间高度连接性来保证系统的容错性和抗毁性。

5)电源容量有限。WSN 网络节点一般由电池供电，而且在使用过程中也不能给电池充电或更换电池，因此，WSN网络节点设计时都要考虑电源节能。

6)节点资源有限。由于受到低成本、小体积和低功耗的限制，WSN 节点的硬件、软件资源都非常有限。

4 三种网络的对比及军事应用

显然，这3 种典型的无线分布式网络都具有无中心、自组织的、动态拓扑、多跳路由的特点。然而，三者之间还是存在一些区别，3 种网络的对比如表1 所示。

表1 Adhoc、Mesh、WSN 网络对比

通过对比可以看出，Adhoc 网络由于用户节点自身具有路由功能，不需要专门的路由设备，节点之间能实现多跳路由通信，节点的移动性是3 种网络中最为突出的，因此它主要侧重应用于小范围的移动环境中，能够确保网络内任意两个节点在高速移动情况下的可靠通信，网络内数据流可以包括语音、数据和多媒体信息。无线Mesh 网络虽然Mesh 路由和网关节点的移动性不强，但正是由于这2 种节点的使用，增强了Mesh 网络与其他网络的兼容性及互操作性，扩大了覆盖范围。无线传感器网络是Ad Hoc 网络的一种特殊形式，侧重于实现对某个区域的物理现象的监测，网络内传输的数据流为低速率的数据。

在军事应用方面，正是考虑到战场的特殊环境及这三种网络的不同特点，构建了由这3 种网络组成的战术通信系统，网络结构如图4 所示。其中:WSN 网络能够将各类传感器系统联网，把采集到的各种态势感知、情报侦察等信息进行传输，因此WSN 网络用作战术通信系统中最末端的信息感知网络，为指挥控制系统、战术部队和武器平台提供及时的信息服务; 移动Ad hoc 网络由于其良好的移动性、抗毁性，能为身处战场前沿的战术部队提供小范围可靠的通信网络，以满足机动作战情况下战术部队内各作战单元的信息传输交换，它主要包括战术电台网、单兵通信系统和战术数据链等;Mesh 网络由于其Mesh 路由和网关节点的使用，扩大了覆盖范围，增强了与其他网络的兼容性，因此在战术通信系统中主要作为骨干传输网络，包括由战术卫星通信、大容量升空系留平台中继通信构成的空基Mesh 骨干网和地域通信网构成的地面Mesh 骨干网，采用栅格状网络结构，可以为各战术部队、指挥控制系统、武器平台之间的信息交互提供大容量的传输链路，实现整个战术通信系统的纵横、交叉互联互通。由此构成的战术通信系统充分发挥了3 种网络的优势，不仅实现了作战部队在机动作战情况下及时快速的组网通信，又能使网内用户有多条路由互联通信，即使干线节点被毁或某些信道被干扰的情况下，也能始终保持通信，大大提高了网络的抗毁性和灵活性。

图4 分布式战术通信系统网络结构

5 结束语

虽然在军事通信中这3 种典型的无线分布式网络都已经发挥了各自的优势，有了一定的研究和应用，但在战场环境下仍存在数据通信带宽有限、安全性存在隐患、节点电池容量有限、节点能源有限等问题，都将是在下一步的研究重点。

［1］于全.战术通信理论与技术［M］.北京:电子工业出版社，2009.

［2］方旭明.下一代无线因特网技术:无线mesh 网络［M］.北京:人民邮电出版社，2008.

［3］杜燕飞，张日飞，钟联炯.Ad Hoc 网络相关技术在战术互联网中的应用［J.］. 电脑开发与应用，2007(10):102.

［4］霍景河，汤晓晨. Ad Hoc 网络两种路由协议仿真分析［J］.四川兵工学报，2011(11):70 -72.

［5］秦裕斌，陈建华，黄晓. 无线Mesh 网络技术及其应用［J］.通信技术，2009(12):88 -89.

［6］王林.基于Mesh 网络的战术互联网组网研究［D］. 西安:西安电子科技大学，2008.

［7］刘锐.无线Mesh 网络路由协议的研究与实现［D］. 武汉:武汉理工大学，2010.

［8］王钦. 基于ZigBee 技术的无线传感网络研究与实现［J］. 重庆理工大学学报: 自然科学版，2011( 8): 46-51.