基于M esh和NEMO的天空地网络体系架构研究

黄松华，梁维泰

（信息系统工程重点实验室中国电科第28研究所，南京 210007）

基于M esh和NEMO的天空地网络体系架构研究

黄松华，梁维泰

（信息系统工程重点实验室中国电科第28研究所，南京 210007）

平台能力不一、通信协议异构、拓扑动态变化、传输质量波动是天空地网络互联的技术特征，也是其网络体系架构合理性设计面临的最基本挑战。在分析天空地网络相关研究工作基础上，依据其业务需求、平台特性和环境特性，提出基于Mesh结构NEMO互联的天空地网络体系架构，并提炼相关关键技术，给出未来的技术发展方向，为未来构建天空地信息网络提供技术参考。

Mesh；天空地网络；体系架构；NEMO

0 引 言

天空地信息网络旨在通过地面、星间、空空及星地、星空、空地链路和信息网络技术，将各类传感器平台、预警指挥平台和武器作战平台及相关信息系统铰链，按照信息资源的最大有效综合利用原则，为战场作战、应急通信或空间探索及时提供全天时、全天候、全方位和无缝覆盖的信息支持与保障［1］。随着航空、航天技术的不断成熟和地面互联网技术的快速发展，天空地信息网络（简称“天空地网络”）已经由简单的互联互通网络，逐步发展成为体系化应用系统，日益成为实现天空地信息一体化应用的重要手段和支持天空地一体化信息体系作战的物质基础，是国家安全信息基础设施中不可或缺的重要组成部分。

由于天空地网络尤其是空基网络，存在平台高机动、能力不一、资源受限、通信协议异构、拓扑动态变化、传输质量波动等特性，同时天空地信息系统的多样化任务对网络的连通性、隐身性、高效性、灵活性与可靠性提出了更高需求，传统的地面网络架构已无法适应。

Mesh网络源于美国国防部高级研究规划署资助的分组无线网络研究，具有自动组网、自主配置和自我修复的优势，其自组织特性避免了单点失效对整个网络带来严重影响，网络中任何节点停止工作都不影响整个网络的运行。本文在分析天空地一体化信息网络相关研究工作、组成和特性需求基础上，提出基于Mesh架构的天空地一体化信息网络体系架构。该架构以空基网络为服务主体，将传统天基、地基网络演进为一体化、多层次、立体化分级网络形态，通过NEMO（Network Mobility）技术和自组织技术将空基高机动移动子网、空基机动骨干网、天基准静态骨干网和地面静态骨干网融合为统一、可扩展和自适应的综合网络。最后，提炼天空地信息网络相关关键技术，给出未来的技术发展方向，并对全文进行小结。

1 相关工作

由于较早意识到天空地信息网络在资源探测、应急救灾和国防安全等诸多领域的重要作用，以美国为首的西方国家的相关研究起步较早，投入巨大。目前，地面信息网络发展较为成熟，天基信息网络取得了很大进步，比如美国国家航空航天局（NASA）已构建的综合业务网（NISN）和正在构建的星际互联网（IPN），但空基信息网络还处于学术研究和演示试验阶段［2］。

1.1 装备能力

根据美国的全球信息栅格和空军指挥控制星座计划，美军将于2020年为几乎所有天空地平台提供端到端无缝连接能力，使任何用户在任何地点可以按需获取信息。其中，空基信息网络包括星地、星间、星舰链路，通信速率预计可达10～40Gbps。

当前，美军已经完成天基信息网络的演示试验，包括天基平台组网能力、与其他信息系统之间的协同能力，以及带宽资源动态分配能力和分级服务质量保障能力［3］。

在空基信息网络方面，美军正在进行传输链路能力扩展建设和局部网络试验阶段。

（1）美军现役航空平台上大多装备的是Link16数据链。由于Link16是静态预先规划，不能实时重新配置，无法满足战机超机动的战术要求；带宽有限，最大传输速率只有238kbps，无法满足大容量的数据传输需求；Link16采用全向发射天线，增大了被敌探测发现的概率。因此，美空军正在研制各类新型机载数据链，包括F-22编队内飞行数据链（IFDL）和 F-35部署的多功能先进数据链（MADL）。此外，美空军还在积极寻求其它更为先进的机载数据链，以解决美空军第四代战机与第三代战机之间的协同通信问题［4］。

（2）美空军的数据链和通信系统装备形态是多重数据链体制共存，不同的数据链与通信系统在不同的作战环境中使用，完成不同的作战任务。而未来，美空军数据链发展最显著的特点，就是通过“网关”功能实现各种数据链的联网，使加装异构数据链的陆、海、空、天平台彻底实现网络化，从而使更大范围的态势感知、信息共享、无缝集成和协同作战成为可能。美军具体计划包括：a）支持IP协议的“滚动式超视距增强”（ROBE）计划，即通过一个飞行节点，中继和传输数据链信息，把空中和空间作战指挥中心指挥官与战区内的平台使用者联接到一起；b）战场机载通信节点（BACN）计划，即采用基于IP协议的通信中继和信息服务器，在视距和超视距情况下，通过中继、桥接和数据翻译，支持异构战术数据链与语音系统之间的实时信息传输，使得地面指挥所与空中机组人员看到相同的作战图像［5］；c）联合空中分层网络（JALN）计划，其目的是为作战人员提供降低作战风险所需的可动态快速反应的通信基础设施，通过异构链路或网络间的地址映射和数据翻译，将联合作战区域（JOA）中的太空和陆地、海面节点都集成了进来，实现跨域（海、陆、空、天、电）和跨环境（自由环境、对抗环境和拒止环境）的信息传输，为执行具体任务和作业的作战人员提供按需的接入访问和海量数据传输能力［6-7］。

总之，空基信息网络系统都在从数据链到网链互补并存的阶段演进，相关网络技术还在研究过程中，各类空中信息网络系统都构建自己专有的协议，标准规范还未成形。

1.2 相关技术

在军事领域，是否时刻保持信息的畅通决定着战争的胜负。为了在无线动态环境下实现该目标，需要不断扩展链路能力，包括采用激光链路辅助射频链路、全向链路辅助定向链路实现高带宽、低时延和抗干扰通信；除了正在研究的无线光通信和高带宽射频链路外，在网络架构方面，无线Mesh架构被广泛采用，即基于高速传输链路构建骨干网，各类应用子网自治互联接入骨干网［8］；在移动网络协议实现方面，NEMO也成为异构无缝互联的不二选择，即采用基于IP的网络移动灵活互联方式，实现高动态环境下、异构链路间透明的端到端可靠传输。

（1）无线Mesh架构

无线Mesh架构可以支持接入平台的位置标识、获取和接入平台的无缝切换，提供无处不在的透明传输服务，从而可应用于综合各种军事服务资源，协助军队统一指挥、联合行动，为军队提供营地、演练及战时所需的临时组网、通信指挥和后勤保障无线网络服务［9-10］。比如在航空平台上安装无线Mesh节点，组成一张可移动的网状自组网，用于空中进攻、演习、突发事件或其他战事需要。Mesh节点可自我配置，自动建立连接，组成蜂窝状的无线网络，提供无线数据、无线语音以及无线视频监控等支持。在平台移动、队形不断变化，网络拓扑随之不断变动的情况下，节点可自动跳接，自动组网，保持整网的稳定运行。

Mesh架构有两类网络节点：a）固定或移动性相对较弱的骨干节点，形成骨干传输网络，同时骨干节点作为网关可以连接其他异构网络或链路；b）移动性较强的接入节点，通过内部自组织互联或接入骨干节点实现稳定可靠的信息传输。骨干节点可以预先架设在地面建筑物或山顶等高处，也可以部署在移动通讯平台，作为移动基站。Mesh网络在动态环境中可以快速部署，新加入的节点也可以被自动发现，并可进而自主配置，争取宝贵的战时时间。同时，经过统一规划设计和动态优化，Mesh架构可衍生出更加细化的QoS层次，并在排查故障时快速锁定故障点［11］。

（2）网络移动协议

网络移动（Network Mobility，NEMO）是管理包含移动路由器和移动终端等移动实体在内的一个网络或多个子网作为一个整体进行移动的协议，其目的是在移动网络动态改变其骨干网接入点和拓扑上可达性的过程中保持移动实体之间以及移动实体和骨干网之间连接的连续性。网络移动的真正优势在于，即使在迅速改变网络配置的过程中也能保持互联互通和连接的稳定性，即当网络结构和规模发生变化时，每个节点都能相互发送、接收和中继信息，且原有的通信不会中断。

基于Mesh架构，高移动平台以低移动平台为接入骨干，网络移动可以支持全域互联的具体实现，包括陆军移动平台、海军舰载平台、空军航空平台与地面指挥所、情报处理中心、火力控制中心之间的各类优先级业务信息传输、共享和一体化协同［12］。

2 天空地网络架构方法

2.1 网络组成

天空地网络由动态轨迹可预测的空基骨干网和轨迹不可预测的空基接入子网，以及静态的地基骨干网、准静态的天基骨干网组成，即可分为空间段、空中段和地面段，三者通过天地、空地、空天等各类链路和网络协议连接成一个一体化的互联网络，如图1所示。

图1 天空地信息网络组成

空中段包括构建空基骨干网的大型航空平台和构建空基接入子网的小型航空平台，用于执行空中指挥控制、侦察监视、打击破坏，以及空中加油、通信等保障任务。空间段包括通信卫星、探测卫星和导航卫星。地面段包括各类指挥所、雷达站、打击装备和构建地面骨干网、移动网的通信网络设施。

整个天空地网络分三层：上层是静态或准静态的地基骨干网、天基骨干网；中层是动态轨迹可预测的空基骨干网、车载移动网和舰载移动网；底层是轨迹不可预测的空基接入子网，这些网络本身由于地面平台重要性差别和高低配置特性，具有层次化特征，如图2所示。

图2 天空地信息网络层次结构示意

2.2 特性分析

（1）业务需求

天空地信息网络强调信息的横向流动、共享和协同，支持情报、指挥、控制一体化运用，满足未来应对突发事件的需求。由于天、空、地目标信息在移动速度、协同频率、传输容量和质量需求上存在差异，未来的天空地信息网络需要为业务系统和用户提供各级各类质量保证的高可靠信息服务。

a.高速数据传输能力。目前天空地各类传感器系统已能够提供高灵敏度、高清晰战场态势的海量数据，其信息价值随时间急剧下降。如何及时有效地将这些数据传回指挥控制中心是天空地信息网络要完成的主要任务，因此天空地信息网络需要支持高速数据转发和传输能力；

b.QoS保障能力。由于天空地信息网络中传输的部分数据业务和所有控制业务存在时敏特性和不同优先等级，在容量、时延、丢包率和抖动等指标方面具有严格的、差异化的服务质量要求，因此天空地信息网络必须有能力针对各级各类业务提供QoS保障；

c.业务演进支撑能力。随着信息系统的发展，天空地信息网络的应用业务在种类、容量、精细粒度和传输需求方面都可能发生变化，因此天空地信息网络务必具备同步的支撑扩展能力。

（2）环境特性

天空地网络所处的环境包括从地面到3.6万千米高程大气外层空间，其空间段、空中段和地面段三个组成部分的环境特性相差较大。

a.空间段组网通信范围横跨平流层、中间层、电离层和逃逸层，通信时延较地面段和空中段明显高出很多，对网络控制和网络传输效率带来极大挑战。另一方面，由于无线信号在长距离传播中往往需要穿过多个不同的区域，各种气象条件和电离层会对微波、激光信号带来较大的干扰，导致空间段网络中信息传输误码率较高，进一步影响网络传输效率［13］。

b.空中段组网通信过程中，节点相距太远时会出现通信中断，当飞机盘旋侧飞时机身可能会阻挡无线电波的传播，而且空中节点的高机动特性，节点的加入和离开将导致网络拓扑频繁发生变化。由于某些空中平台装备的通信设备异构，还需要通过路由／网关转换功能，实现包含非IP设备在内的各种链路和网络的互联互通［14］。因此，空中段网络应该是一个节点高速移动、带宽受限、异构和网络拓扑频繁变化的自组织网络。

c.地面段组网包括无线和有线两部分，其中有线组网拓扑结构和传输质量相对稳定，但受到地形限制，使得在物理位置上处于无线覆盖范围内的节点并不一定能够直接通信，同时由于地面无线电波的反射、衍射、多径效应等因素的影响，使得无线数据传输更容易产生比特错误，信道带宽严重低于理论值［15］。

总之，天空地网络运行在一个高误码率、高衰落和干扰严重的无线环境中，节点之间连接链路表现为高延迟、高丢失率，且性能差异比较突出，两个方向传输链路的性能不尽相同，每一部分都有自己特有的环境特性，环境因素特别复杂，因此很难用统一的技术体制解决所有的信息传输问题。

（3）平台特性

除了网络技术相对成熟的地面平台，天空地网络中的通信平台主要包括两类，一类是以卫星为主的航天器，包括高、中、低轨卫星和部分载人航天器等。这类通信平台往往运行稳定，具有自己特定的轨道，相互之问的通信链路具有可预测性。另一类是以大气层飞行器（包括高空飞机和高空气球）为主。这类通信平台往往机动性较强，运动轨迹不稳定，相互之间通信链路会出现不可预测的中断。由于每个平台都通过一条或多条链路与另外一个或多个节点相连，而且随着系统的改变和任务的推进，在某些链路中断条件下保持端到端连接的稳定性是一个不可回避的问题，因此组件必须有机协作，不断调整对网络和节点的监控和控制，通过动态自组织互联为系统中的任务数据流提供传输路径。虽然空基网络是典型的动态移动自组织网络，且其移动要素远大于自组织属性，也就是说，机载网络中节点的移动距离和速度都要超过传统研究的移动自组织网络。

综上，天空地信息网络是一种移动性网络，具有较大的拓扑结构时变性，这种拓扑时变性分为可预测和不可预测两类拓扑变化。如何克服较强拓扑时变性将是天空地网络互联研究中的一个关键问题。另一方面，构建天空地信息网络必须基于目前已有的各类卫星和飞行器通信系统上，而不同时期开发的卫星和飞行器通信系统采用的技术和方法都各不相同，因此天空地信息网络必然是一个异构网络。这种异构性体现在所采用的通信手段、通信体制和数据格式等方面，如何构建一个能够有效兼容目前已有的各种通信方式的天空地信息网络也是一个关键问题。

2.3 网络架构设想

（1）网络架构要求

鉴于特殊的业务需求和环境、平台特性，天空地信息网络构建需要满足以下要求：

a.扁平的网络结构。提供类似地面互联网的灵活接入、互联互通互操作与信息服务，成为各类信息系统的通信基础设施。

b.异构兼容性。与通用的互联网TCP／IP协议兼容，支持已有的卫星通信系统之间组网互连，克服网络中的异构性问题，提供通用的端到端超视距远程通信。

c.灵活组网能力。天空地信息网络中的通信平台具有移动性，同时部分平台具有一定的时效性，这会导致网络拓扑结构具有较强的时变性，为了保持网络转发和传输的有效性，天空地信息网络必须支持自组织组网能力，为高机动用户提高不间断的网络通信服务和信息服务，满足实际应用需要。

d.可扩展性。天空地信息网络建设是一个长期的发展过程，需要分步、分阶段实施，在不同时期可能会采用不同的新技术，这就要求天空地信息网络在设计阶段就要考虑可扩展性和开放性，使其既能够满足当前部分应用需求，又能够符合未来应用的长期需求，避免重复建设和投资。

（2）网络架构

与无线Mesh网络类似，天空地信息网络节点的移动性特征与职能开始分化，网络层次越高，节点的处理能力越强、功率越充足，但中层空中骨干网络与各类接入网络移动性都较强，地面和天基骨干网移动性较弱，而无线Mesh网络的层次越高，移动性越弱。因此，这里提出适合天空地信息网络的移动Mesh网络模型，即改变作为网关的Mesh网络骨干节点的低移动性，因此，接入网络发生接入点切换的原因由原来单纯的终端节点或终端网络移动变为兼由空中转发节点的快速移动。

天空地信息网络体系架构如图3所示。其中，天基骨干网、地基骨干网和各类接入网络通过现有体制相连；车载、舰载、机载等各类移动网节点通过树状层次结构或自组织网状结构互联；空基骨干网节点作为Mesh网关与现有的蜂窝网络、数据链、无线传感器网络、联合战术无线电系统、卫星通信系统、WLAN、WiMAX等各种异构无线移动网络结合，使用户获得无处不在的网络连接。另一方面，NEMO协议使得各个移动平台不仅拥有代表自己身份的本地地址，还可以从Mesh网关获取接入当前网关过程中的临时转交地址，并通过地址绑定和动态映射实现平台移动和拓扑动态变化过程中的持续不中断连接。

图3 天空地信息网络体系架构

天空地网络是一种典型的混合网络结构。在这种结构中，终端节点可以是普通的战斗机、直升机、坦克、装甲车、驱逐舰等。这些终端节点设备通过空中骨干网络的Mesh网关节点接入到中层或直接接入上层网络，实现移动过程中网络间节点的互联互通。同时，这些终端节点又增加了转发和路由功能，设备之间可以通过自组织方式互联，实现编队内、编队间、编队与中上层网络的互联互通。因此，终端节点设备需要同时能够支持接入中、上层网络路由器和本层网络对等节点的功能。注意，空中骨干网采用IP体制，其边缘路由器除了需要具有转发和路由功能外，还需具备网关节点的功能，以便与IP核心网络相连。天空地网络具有以下一些特点：

a.多跳无线网络，在保持当前信道容量的情况下，扩展了无线网络的覆盖范围，提供超视距连接；

b.网络结构，具有自组织、自愈和自我管理等自适应能力；

c.网关节点与路由器以及终端节点都具备移动性特征；

d.多种网络接入方式，包括树形与直接端到端；

e.通过移动网关实现各种无线移动网络的集成。

3 关键技术

（1）天空地网络异构兼容技术

未来的天空地信息网络必须建立在目前已有的各类卫星和飞行器通信系统基础上，因此在组网通信过程中需要克服不同通信系统所带来的异构性，设计一个具有开放性和兼容性的协议机制。考虑到天空地信息网络需要和地面网络最终无缝连接，因此在天空地信息网络的高层协议中会以IP或其兼容协议为主，其异构性主要体现在物理层和数据链路层，当两个不同通信系统互连时，它们之间的数据格式、传输速率需要完成智能转换，这种智能转换机制和算法将是解决网络异构性的关键技术。

（2）天空地网络自适应传输技术

随着通信技术的快速发展，未来的天空地信息网络必然是一种高速网络。目前的国际空间通信标准技术来源于TCP／IP技术，在一些低速率的测控业务中具有良好的应用，然而在空中环境带来的长时延、高误码率和动态拓扑环境下，TCP／IP技术中的应答确认技术会严重限制传输速率，成为未来高速天空地网络传输的瓶颈。为了克服上述问题，需要提供网络状态的跨层感知能力，改进TCP协议中的滑动窗口机制、应答确认机制和差错校验机制等。

（3）天空地网络QoS路由技术

未来的天空地信息网络以天基或空基作为转发路由平台，可以大大提高网络传输效率，从而为用户提供具有一定QoS要求的应用业务。为了保障这类具有QoS要求的业务在网络中传输，需要设计和研制具有QoS保障能力的天空地路由协议和算法。在Mesh结构的天空地网络中，由于骨干网相对稳定，可以考虑在骨干网中采用表结构路由算法以提高路由效率，而非骨干网由于具有较大的拓扑时变性，可以在非骨干网中采用按需路由算法以提高路由的灵活性，通过混合使用不同特性的路由算法满足应用业务的QoS要求。同时，为了保障业务的服务质量，需要从天空地网络体系结构和各层协议出发，通过跨层设计、联合运作各种机制才能有效保障业务的QoS。

（4）天空地网络管理技术

天空地网络管理需要监视和显示当前各类网络状态，进行各层网络资源统一筹划和设备配置，检测网络故障，核算网络能力，分析和预测网络性能，隔离和解决失效的节点，配置网络组件，维护网络的正常运行。由于现有的集中式管控架构无法适应分层拓扑结构的频繁变化，因此，需要研究与层次化的动态拓扑结构相适应的基于簇的分布式管控架构、跨层高速状态感知与性能分析、异常预警技术，以及基于策略的自动化响应技术，减少快速变化的网络特性和节点成员关系对网络性能的影响。

（5）天空地网络仿真技术

由于天空地信息网络投资巨大，研制周期漫长，所有研究设计的协议、算法和机制需要在地面通过一个尽可能接近实际环境的仿真系统验证。为了尽可能逼近实际应用情况，天空地网络的仿真系统需要模拟各种可能的空中环境，其系统复杂性将是一个艰巨的挑战。

4 结 语

以多跳无线连接和路由器移动为特征的移动Mesh架构和NEMO网络互联将成为未来天空地信息网络发展的必然趋势。研究从装备能力和相关技术两方面分析了天空地信息网络的相关工作进展，并基于业务需求、环境特性和平台特性提出天空地信息网络架构要求和基于Mesh／NEMO的体系架构设想，分析相关关键技术发展方向，为未来构建天空地一体化信息网络提供技术参考。

［1］刘显著，姜会林，丁莹，等.天地一体化信息网络需求分析［C］.“天地一体化信息网络”高峰论坛论文集，北京，2013，9：600-606.

［2］张军.面向未来的天空地一体化网络技术［J］.国际航空杂志，2008，（9）：34-37.

［3］CIESLAK R.GIG 3.0 Design Factors［EB／OL］.［2011-06-11］.http：／／info.publicintelligence.net／USPACOMGIG.pdf

［4］卢建川.机载协同数据链系统现状与未来［J］.国际航空杂志，2010，7：40-42.

［5］刘红军.2012年外军通信系统年度发展概述［J］.电讯技术动态，2013，1：1-19.

［6］WILLIAM M.Airborne Network of Networks：Long-Term Development of Joint Aerial Layer Network Seeks Aerial，Ground and Space Network Integration［J］.Military Information Technology，2012，16（8）：10-11.

［7］MICHAEL J.BASLA.Joint Aerial Layer Network Version Moves Toward Reality［J］.Signal，2013，6：8-9.

［8］欧阳劲松，黄徐.无线光通信技术在机动式系统中应用［J］.指挥信息系统与技术，2013，4（1）：52-56.

［9］张玉军，张瀚文，许智君.基于主动路由的无线Mesh网络区域移动管理方法［J］.软件学报，2012，23（7）：1838-1848.

［10］肖春静，刘明，龚海刚，等.无线Mesh网络低干扰组播［J］.软件学报，2013，24（6）：1295-1309.

［11］陈鹏.新一代双层Mesh通信网络结构建模［J］.指挥信息系统与技术，2013，4（2）：21-25.

［12］KONG R S，FENG J，ZHOU H B.Route Optimization for Network Mobility Based Aeronautical Network Using Correspondent Router［J］.International Journal on Communications，Network and System Sciences，2011，4：667-673.

［13］史立，贺俊吉，鲁士文.空间通信设施模型与仿真［J］.系统仿真学报，2006，18（6）：1643-1652.

［14］USAF Airborne Network Special Interest Group.Airborne network architecture-system communications description＆technical architecture profile［R］.Version 1.1，2004.

［15］张招亮，陈海明，黄庭培，等.无线网络的差异化比特错误率估计方法［J］.计算机研究与发展，2014，51（1）：138-150.

黄松华（1979—），男，江苏海门人，博士／高工，主要研究方向为包括网络架构、移动计算和复杂网络等；

E-mail：hushgg＠gmail.com

梁维泰（1958—），男，南京人，研究员，硕士，主要研究方向为信息系统总体技术。

Research on Space-Air-Ground Information Network Architecture Based on M esh and NEMO

HUANG Song-hua，LIANGWei-tai
（Key Laboratory of Information Systems Engineering，the 28th Research Institute of CETC，Nanjing 210007，China）

Heterogeneous platform capabilities，variable communication protocols，dynamic network topologies and fluctuant transmission quality are the characters of space-air-ground information networks，which bring the basic challenges to the reasonable design of network architecture.After analyzing the status quo of research on space-air-ground networks，a space-air-ground information network architecture based on Mesh and NEMO is introduced according to the characteristics in service requirements，platform and environment，and then the key technologies need to resolve and development directions are indicated.This research provides technical supports to the construction of future space-air-ground information networks.

mesh；space-air-ground networks；architecture；network mobility

TP393

：A

：1673-5692（2015）01-037-07

10.3969／j.issn.1673-5692.2015.01.006

2014-11-09

2015-01-12