基于IP组网的未来战术通信波形研究

张 晶，彭大展

（武汉中原电子集团有限公司，湖北武汉430205）

0 引言

对于美军国防部的网络来说，战术网络逐渐变迁的目标是战术GIG[1]，这意味着将用基于IP的无线电取代非IP的无线电。JTRS计划在美军国防部所有的网络中对于实现基于IP的战术无线电一直起到一个核心的作用[2－4]。JTRS系统对GIG战术网络提供的组网能力包括:使用众多战术无线电，构建模块化的多波段和多模式的MANET。这种MANET网能在作战现场自由移动和无缝接入更高层次的固定网络，传输时间敏感信息（例如数据、话音、视频、图像）。其中最重要和复杂的波形是WNW，JTRS架构的WNW和SRW使得基于IP的战术无线电成为现实。当WNW和SRW工作在旅一级，在上一层梯队中的WIN-T网络使用另外两种波形HNW和NCW，用于HAIPE加密核生成及形成广域网。

自从Link－16使用数十年，但并没适用于来自JTRS基于IP的MANET波形。本文将聚焦于挑战性的MANET网络，针对跨层信令、物理层资源分配、拓扑结构控制以及它们怎样通过JTRS来进行设计处理，并提出了拓扑结构控制最优的UCDS算法和方案，也对其他波形和GIG网络进行了组网特征分析和技术展望。

1 基于IP组网的WNW跨层信令设计

WNW是一种极其复杂的波形，其协议栈如图1所示，当以太网端口被VoIP终端和IP COTS应用插入时，扁平文本的IP层给予无线电使用者接入以太网端口。其中的一个可以插入以太切换器到这类端口中，并形成一个整体的扁平文本子网。HAIPE加密层使用嵌入式系统进行加密，并能继承HAIPE多个版本。一个WNW节点能够支持多重保密域，当且仅当HAIPE嵌入式处理器处理多于一个的HAIPE的并行实现，这种方式为了支持这些被整体分离的多重保密域。每一个保密域维持了一个扁平文本的IP层和应用IP端口。这一点对于那些需要保持分离的归类和不归类应用的平台是有必要的。

图1 WNW波形协议栈分层

跨层信令设计是WNW波形设计至关重要的一个基础，对进一步的物理层资源分配、拓扑结构控制均产生影响。图2中，MI（移动内联网络）层、MDL（移动数据链）层、SiS（空间中信号）层都有一个出色的跨层信令设计。

图2 WNW波形栈的跨层信令

WNW波形的跨层关联，即SiS层、MDL层和MI层是波形设计中的核心因素。图2突出了这个跨层相关最重要的方面。SiS吞吐量由MDL层的时隙分配调度器决定。MDL层通知MI层业务速率，确保IP分包流在任何时刻匹配实际的分包业务速率。注意到吞吐量是特有的路径，一个路径p的吞吐量，在节点i，作为时间的片段用于节点i在路径p上花费的时间。这个路由发动了在MI层精确地获得每一个节点每条路径的到达速率。MDL层调度器计算了节点i在每一秒分包的业务速率和路径p的吞吐量。分包到达速率和链路自适应的功能将在下面阐述。MDL层建立了空中传送的分包，这类分包由MI层组队，与MI层相关的片段当它们被需要时会填满成一个时隙，这类分包能够满足SiS层的需要。

2 基于物理层资源分配的USAP设计

伴随战术MANET，业务需求和可用到的物理层资源是高相关的，因此USAP分解物理层资源成为两个独立的部分。一个被用于控制业务，另一个用于数据通信。这个控制部分在节点和数据信道保留部分之间被用来协调防止碰撞[5－7]。

USAP构建了一个周期的帧结构，这个帧长是1s。帧保留时隙（针对用户业务）由M*F个时隙组成，即时隙数*频率信道数的矩阵形成了MDL信元，这个帧结构有时候需参考ODMA（正交域多址接入）帧。

图3对于每帧里的时隙的布置确切地展开来阐明。对于每个时隙类型，存在一个独特的周期循环。对于某个给定的类型，对于在某帧里的整体时隙数而言，每帧的时隙数比例决定了这个周期循环。典型地，对于引导时隙这个周期循环，会比固定保留时隙或者旋转广播时隙要长。引导时隙的个数需要足够地在网络的单个时隙里分配每一个节点。

图3 一个TDMA帧中扩展固定保留和旋转广播时隙的效果

在一帧里的时隙类型的选择被决定以至于在用户业务信元之间的最大等待时间将被最小化[8，9]。

USAP联合TDMA时隙集合去创建物理层资源的空间和频率的重使用。

固定保留和旋转广播时隙能够分享时隙池。为了让这个工作起来，固定保留对于每个时隙的分配优先于旋转广播。为了缓和优先权的影响，一个被选择的旋转广播时隙分配在每一帧里移动每一个slot。这样做可以避免固定保留时隙长期地干扰任何一个旋转广播时隙。

3 基于拓扑结构控制最优的UCDS算法

伴随着战术MANET，其基础的通信拓扑结构总是在改变。找到一种最小的连接子图（作为网络拓扑的骨干）在MANET的MAC层文献中是最需要研究的问题之一[10]。在这类文献中有不同的技术，例如MCDS（最小连接支配集合）。本节将聚焦使用WNW波形的技术，这里UCDS算法满足一类稳定算法的基础目标:实现的简单、可执行的速度、低时间复杂度、灵活性和错误容忍度。

统一连接支配集合（UCDS）算法的实现已分布在MANET子网节点内[11]。在每个节点的MDL层，一种分布的状态机，定义了在拓扑汇聚里节点的角色。关于UCDS，一个曲线图G[12]的CDS（连接支配集合）组成了支配节点的集合。在G中的每个节点或是一个CDS的成员，或是远离一个成员的一跳。本节提出一个简单和有效的CDS探索方式，即UCDS算法，因它的同步支持多重应用的能力而取名。实践证明UCDS独立地运行，CDS应用也能工作得很好。

CDS算法可以在文献[13，14]中看到，可以获得DS规则、CS规则和CS额外规则的定义。

下面将从上述五个方面来阐明UCDS算法的优势和如何实现基础目标:

（1）错误容忍度

如果冗余的CDS节点对于错误容忍度是被需求的，对于网络中的每一个节点有可能去修改DS规则，从而允许2个或更多的支配节点。这个需要一个新的规则，mDS规则定义如下:

如果满足下面的条件，则节点i是DS的一个成员:①在其邻居节点j之中，其至少有第m个最高的支配因数（di），这里节点i标明它自身;②邻居节点j发现节点i在其邻居节点k之中至少有第m个最高的支配因数，这里邻居节点j标明节点i。

这里不存在来自错误容忍度的成本。这里没有增加计算或信息复杂度。仅有的成本是CDS节点数的增加，终究这是一个目标。实际中，用相对较小的成本，UCDS完成了两种支配集合[15，16]。某些CS节点，在第1种支配方案里，简单地变成了第2种支配方案里的DS节点，因此减轻了CDS节点总体的增加。

（2）UCDS稳定性和收敛时间

对于一个给定的拓扑结构和恒定的支配因数集合，UCDS收敛成一个单独的CDS。一个CS节点将被直接决定或者在CS额外规则1的情况下被两跳里节点的DSN状态间接地决定。因为DSN对于自身每个邻居必须收敛成一个单独的DSN方案，一个节点的CS状态必须收敛。因此，CDS必须收敛成一个单独的方案。

直观上，已知的DS规则和CS规则之间的依赖性和它们应用的顺序，UCDS必须是稳定的。假定某个节点在一个恒定的速率上告知其邻居节点列表，比较容易限制对于UCDS采用一个拓扑结构的变化来收敛成一个CDS的循环个数。一旦一个邻居节点链路状态在一个专门的节点上变化，其将对这个节点采用一次循环（用时间来定义，即其一次认为所有节点去分享其邻居节点信息）来告知其变化。另一个循环允许这种变化传送给两跳的邻居节点。在这一点上，DS节点会收敛。一个更多的循环将允许CS节点（那些被CS额外规则1影响的节点）去收敛。这将采用一个增加的循环去确保后者节点的收敛。因此，在一次拓扑结构变化之后，UCDS在最多4次循环之后将会收敛。

（3）灵活的支配因数

UCDS对于错误容忍度提供了创建冗余节点的能力，其对于网络里的每个节点通过建立两个或多个支配节点来实现。尽管信息处理时间和计算复杂度不可改变，这种配置确实导致在CDS中的节点数目的增加。已存在许多协议的变化区别于传统的用最合适的连接性和最小节点集合去选择一个CDS的目标。支配因数[12－14]将被作为“邻居节点等级”。可以发现许多提案或文献[17－19]里建议将邻居节点等级和维持电池功率去优化能量消耗。在能量消耗是一个重要因素时这种方法能被应用于传感器网络中。UCDS和CDS有不同，归纳了CDS的方法且允许大量的支配因数。这将允许拓扑结构被优化。用这种方法，支配因数能被做成可配置，以致所有的度量值对于网络规划者都可用到。负担届时依赖于网络规划对于可配的度量值去选择优先权和权重因子。这个最终影响UCDS的选择和网络行为。例如，一个UCDS能考虑到下面的度量值:

邻居节点等级;维持电池生命;平均的数据速率;CPU对于需要更多能量的CPUs的节点可以处理更多的业务;可用到的队列空间－拥有更多排队能力的节点在延迟传输时将遇到较少的电池溢出;CDS成员，这将增加被选择集合的稳定性，这种增加的稳定性是通过给予更高的权重给是当前成员的节点。

（4）并行的CDSs

UCDSs也提供并行创建多重CDSs的能力，这一点对于支持改变QoS需求的应用是有必要的。在同样的网络里，一个应用可以支持产生一个连续低级别业务流的传感器。这个业务能够容忍高时延。这个应用需要针对最大电池生命进行优化。另一个是装在一个自动化的武器系统的应用，这个可能产生简短的对延时敏感的业务突发。在第一种情形下，维持电池生命的优先权势是至关重要的。在第二种情形下，关键因素是产生一个较短的最小延时，路由路径就是邻居节点等级。UCDS能够适应同时的需求，这类需求通过随着其邻居节点列表来推出多重灵活的支配因数。

（5）最短路径的优化

CS规则和CS额外规则有两个部分，其能被宽松地提供最小跳路由给非DS节点[12－14]。例如在图4中，节点13和节点16对于最小跳路由到它们的邻居非DS节点（即节点11、12和20）同时都有必要，但是通常会被UCDS和CS节点移除。节点13由于CS规则的条件不会被选择。至于节点16，作为CS额外规则2的结果[12－14，20]，其不会被选择。没有CS规则的这些方面的内容，一个CS节点可以提供最短路径到非DS节点。

图4 UCDS创建最小跳路由

可见从上述错误容忍度、低时间复杂度、灵活性、高效并行创建和最短路径5个方面来设计和考虑，UCDS算法能满足一类稳定算法基础目标的5个要求，在当前IP组网的WNW波形MAC层中，是具备最优的拓扑控制来同步支持多重应用的算法和方案。

4 基于IP组网的其他波形及GIG网络

SRW和WNW属于同一层级，可组建局域子网，其是另一个来自JTRS程序架构中基于IP的战术MANET波形，SRW具备CNR语音实现的特征，可同时直接在MAC层和数据链路层上运行，且是当CNR分包直接适配MAC层帧时来运行。SRW借助WNW的骨干路由，能够和WNW联合操作，对于SRW的WNW连接性，使得通过GIG来进行信息交换。

对于更高一层级形成广域子网MANET的波形是HNW和NCW。HNW在移动节点之间提供了高带宽和长距离的连接，HNW是基于IP的MANET波形具备用于DNT的自我成形和自我恢复能力，且同时支持IPv4和IPv6。在不具备卫星通信能力时，HNW通过使用空中节点去创建战场上的整体覆盖，来实现所有的战术GIG城域网需求。NCW是使得卫星转发器产生多址接入波形的能力，NCW通过使用TDMA架构在卫星转发器上实现了一个完整的网状IP，其被设计工作在SHF范围内。NCW波形采用了动态调度方式，这种方式在每一个节点基于业务需求和业务优先权来分配卫星资源。业务优先权的定义是可配置的，并使这种波形适应不同的QoS需求。

至此，本文已覆盖了战术GIG的主要波形，为了阐明这些波形是如何被链接在一起去构建网络分层，图5给出一个平台理论架构，这个架构在子网之间对于形成无缝IP网关起到了主要的作用。这个平台可以是一个通信工具或是一个命令和控制的固定平台。这个平台的核心是一个网关IP路由器。在右边是一个复合的HAIPE装置，每一个可以形成一个保密区域（即平台架构中的一个当地LAN），且HAIPE允许这些不同的加密级去分享战术核心网。在COTS路由器左边，不同的波形可被用到，取决于平台在战术部署中的角色。在平台中，一个WNW无线电扮演着连接GIG网关节点的作用。在图1中这个已被为GIG的接口，即可以连接到COTS路由器的某个IP接口;这允许在WNW子网之间IP业务无缝地流动。广域网波形HNW和NCW可以作为这个平台架构中的终端。这些终端具备3层能力且无缝地连接到COTS路由器，并允许广域网业务在不同平台之间流动。注意到这里的平台是相应的广域网的节点，比如HNW和NCW广域网，且上一层梯队中不是所有的节点具备同样的能力。有些节点可能只有HNW终端或是一个单独的HNW广域网的一部分。有些节点能够是不同的HNW网络的一部分，同时其他节点可以有NCW终端且是NCW广域网的一部分。一般来说每一个军事战区只有一个NCW网络。

图5 一个同时支持旅级子网WNW和师级广域网HNW＆NCW的平台理论架构

在图5的理论架构中，考虑到无缝IP连接性，GIG各类战术波形的引入都能够无缝的完成。这也是整体战术GIG网络最重要的一点。

5 结束语

对基于IP组网的GIG网络中的4类战术波形进行了分析和研究，针对JTRS使得基于IP组网成为现实起到最主要作用的背景，重点对JTRS中最重要和复杂的WNW波形，聚焦于挑战性的MANET组网，从WNW协议栈架构和跨层信令，以及USAP实现物理层资源分配等方面进行了分析和设计，并且在MAC层给出了一种最优MANET拓扑结构控制的UCDS算法和方案，能够同步支持多重应用。

作为和WNW同一级的SRW，以及更高一级的HNW和NCW，对各自基于IP组网的特性和融入GIG进行了技术分析，并给出了一个平台理论架构来阐明GIG主要战术波形如何链接来构建MANET网络分层，正是通过无缝IP的连接，使得GIG主要战术波形都能顺利地引入和融合。

[1]Future Combat System Challenges and Prospects for Success[R].US Government Accountability Office，March 2005:18－22.

[2]Mission Need Statement（MNS）for the Joint Tactical Radio（JTR）[R].US Department of Defense，21 Aug，1997.

[3]KIMURA B，CARDEN C，NORTH R.Joint Tactical Radio Systems-empowering the Warfighter for Joint Vision 2020[R].Proceedings of IEEE Military Communications conference 2008，RST2.1.

[4]曹彦军，王克勤.基于卫星广播的IP组网技术[J].无线电工程，2013，43（12）:10－12，28.

[5]YOUNG C D.USAP:a Unifying Dynamic Distributed Multichannel TDMA Slot Assignment Protocol[C]//Proceedings of IEEE Milcom 1996:235－239.

[6]YOUNG C D.USAP Multiple Access:Dynamic Resource Allocation for Mobile Multihop Multichannel Wireless Networking[J].Proceedings of IEEE Milcom 1999:271－275.

[7]YOUNG C D.USAP Multiple Broadcast Access:Transmitter and Receiver Directed Dynamic Resource Allocation for mobile，Multihop，Multichannel，Wireless Networking[J].Proceedings of IEEE Milcom 2000:1－549.

[8]YOUNG C D.A Unifying Dynamic Distributed Multichannel TDMA Slot Assignment Protocol－CSD[J].WP95－1001－02 November，1995:220－224.

[9]YOUNG C D.The Mobile Data Link（MDL）of the Joint Tactical Radio Systems Wideband Networking Waveform[J].Proceedings of IEEE Milcom 2006:1－6.

[10]DASTANGOO S.PerformanceAnalysisofDistributed Time Division Multiple Access Protocols in Mobile Ad-hoc Environments[J].Proceedings of IEEE Milcom 2009:1－7.

[11]WU J，LI H.On Clculating Cnnected Dminating Set for Efficient Routing in Ad-hoc Wireless Networks[J].Proceedings of the 3th International Workshop on Discrete Algorithms and Methods for Mobile Computing and Communications，ACM，1999:7－14.

[12]WU J，DAI F，GAO M，et al.On Calculating Power-aware Connected Dominating Sets for Efficient Routing in Adhoc Wireless Networks[J].Journal of Communications and Networks，2002，4（1）:1－12.

[13]RAGHAVAN V，RAGHAVAN A，BHARATH R，et al.Simple and Efficient Backbone Algorithm for Caulating Connected Dominating Set in Wireless Ad-hoc Networks[J].World Academy of Science，Engineering and Technology，2007，3:242－249.

[14]ACHARYA T，ROY R.Distributed Algorithm for Power Aware Minimum Connected Dominating Set for Routing in Wireless Ad-hoc Network[J].IEEE International Conference on Parallel Processing Workshops，2005:387－394.

[15]KIM D，WU Y，LI Y，et al.Constructing Minimum Connected Dominating Sets with Bounded Diameters in Wireless Networks[J].IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems，2009，20（2）:147－157.