舰艇编队通信组网策略研究*

张世伟　郝　威　于　钱

(1.海军工程大学电子工程学院　武汉　430033)(2.92941部队95分队　葫芦岛　125001)



舰艇编队通信组网策略研究*

张世伟1郝威1于钱2

(1.海军工程大学电子工程学院武汉430033)(2.92941部队95分队葫芦岛125001)

立足信息化条件下海上编队作战需求,在分析海上军事通信需求的基础上,给出了舰艇编队通信组网策略。基于分布式TDMA的组网模式,提出有中心与无中心相结合的拓扑结构建立策略和动态按需分配的时隙分配策略,并给出了相应的入退网策略和安全策略。最后,提出舰艇编队组网优化关键技术框架,为舰艇编队通信组网优化方法的研究提供了理论基础。

舰艇编队; 组网策略; 拓扑结构; 时隙分配; 组网优化

Class NumberTP302.1; TN915

1　引言

舰艇编队通信网络规模庞大、移动性强,如何通过合理的组网策略使通信网络满足信息化条件下联合作战的要求,是一项复杂的系统工程[1]。通信组网策略应包含通信模式、拓扑关系、资源分配规则、入退网机制和安全措施等内容[2],是通信组网优化的基本依据。

信息化战争条件下,海上作战空间广阔,参战单元复杂,作战强度大,持续时间长,突发事件多,各类作战保障部门对通信组网要求更高。舰艇编队通信网络系统作为指挥命令、战场态势等重要信息传递的基础,是海军履行新世纪新阶段军队历史使命、打赢高技术条件下海上战争的重要保证。

2　舰艇编队通信组网需求

现代海战以舰艇编队为主,作战任务艰巨,更加突出集陆、海、空等多军兵种参与的联合作战模式[3]。由于海上战场态势及战场坏境多变,指挥关系复杂,信息流通量大,在实时性、高效性和保密抗扰能力等方面对军事通信网络都提出了更高的要求。主要从三个方面分析舰艇编队通信组网的需求:

1) 实时性

在执行海上任务时,战场态势动态性强,攻防转换迅速,通信的实时性是确保指挥所与战斗单元进行战场态势融合、作战效能释放的基础。通信的实时性主要包括话音通信和数据通信的实时性要求。要满足实时性要求,必须选择合理的通信方式,并科学分配通信资源。

2) 高效性

通信实时性是通信高效性的前提,通信高效性是指通信链路的建立、信息的分发、信息的传输高效可靠。现代海战要求信息准确,即通信传输需要采取合理的拓扑结构(传输链路)、传输方式保证信息的准确传输。

3) 保密抗扰能力

信息化条件下,海战场信息对抗激烈。极端情况下,还应该具有一定的抗毁性。保密性和抗干扰性是紧密相关的,保密性主要是采取加密技术,提高我通信的隐蔽性和可认证性,以降低敌方截获、还原信息、制造假信息的可能性；而抗干扰性是采取通信抗干扰技术,在遭到敌通信干扰的情况下,保持我方的通信系统正常运转。

3　舰艇编队通信组网方式

在现有的数据链系统中,大多以时分多址(TDMA)作为接入算法。TDMA具有使用简单,系统效率高的特点,但同时也存在系统结构固定,容纳动态接入性能较差等缺点。TDMA作为一种有效的通信手段已得到广泛应用[5～7],其多址接入技术特有的突发通信模式具有良好的抗截获和抗干扰能力,安全保密性能强。另外,TDMA使用的是“时间维”信道,组网灵活性强,更加适应多变的环境。因此,军用战术通信网大量使用了TDMA技术。

舰艇编队通信采用基于TDMA的组网方式,其拓扑结构建立和时隙资源分配是TDMA组网的重要内容。同时,由于舰艇通信网络的动态变化性和安全保密性,还需要考虑入退网策略和安全策略。

3.1拓扑结构建立策略

通信网络拓扑结构一般分为三种:点对点组网、星形组网和网状组网[8]。点对点组网要求每个时刻每个通信节点只能与另一个通信节点通信,该类结构一般只适用于只有两个通信节点的通信；星形组网对中心节点要求较高,中心节点控制每个终端节点,各终端节点均可以经过中心节点进行通信(经过二跳),星形组网抗毁能力较弱；网状组网则是每个终端节点均可不经过中心节点而完成通信,即只经过一跳变就可以完成任意两节点之间的通信,该种组网方式抗毁能力强,单通信链路过多,会造成资源浪费。

图1　通信网络拓扑结构种类

一般认为战术通信网应采用无中心节点的端到端结构形式,以提高灵活性和抗毁性。商业通信采用的蜂窝体制中,其每个小区都有自己的中心节点,基站各用户间通信均通过基站控制和转发。相反,端到端结构的网络因其各成员用户均直接互通而具有较好的抗毁性,但由于没有统一的协调控制,其系统容量及信道使用效率相对较低,这往往难以满足现代化战争高密度、大强度信息交换的要求。

对于典型的通信数据链网络,其拓扑结构又可分为有中心网络和无中心网络是两种典型的网络结构。有中心数据链网络管理方便,但对中心节点的通信质量及可靠性要求非常高,当执行任务的节点数量较多时,会导致时隙轮询周期延长、通信实时性下降、通信质量和传输速率降低等问题,因此中心式网络结构对大型水面舰艇中心节点数据链通信装备的性能提出了更高的要求。而对于无中心网络具有更好的稳健性,更适用于在舰载机等临时性节点上使用,但是当节点较多时难以进行网络管理与规划。

图2　有中心节点与无中心节点相结合的拓扑结构

因此,提出采用有中心节点与无中心节点相结合的舰艇编队通信组网拓扑结构,如图2所示。在这种组网结构中,虽然设置中心节点,但各普通节点(端节点)间可以不通过中心节点进行通信。在某些普通节点间建立通信链路以减轻中心节点的压力,同时这种组网方式既考虑了通信网络的抗毁能力,又兼顾了通信资源的利用率。

3.2时隙资源分配策略

以TDMA为多址接入方式的战术通信网中一个关键问题就是时隙资源分配。时隙分配是否合理将影响到通信组网的性能。目前,时隙分配策略主要有固定分配和按需分配两种[9]。但常规的固定时隙TDMA网络对时隙的利用率较低,当业务量变化较大时,会导致大量资源浪费,甚至会造成某些节点无法顺利完成规定通信业务。现代战争形势瞬息万变,固定时隙分配方法得到的时隙预分配方案很难满足战场通信要求,难以应对如通信业务突然增加、节点突然如退网等紧急情况。因此,舰艇编队通信组网中应采用按需分配的时隙资源分配方式,使各通信节点的时隙资源能够根据实战中的情况进行改变。

时隙需求由以下几个方面来决定[10]:

1) 业务量。表示报告周期的某类业务的数量。所需时隙数随着业务量增大而增大。

2) 业务消息量。业务消息量表示一个业务要发送消息的个数。业务消息量也会影响所需时隙数量。

3) 消息容量。即时隙包格式限制。消息容量表示一个时隙能够最大发送消息的数量,它受时隙包格式的影响。

4) 业务周期与时隙动态分配周期。业务的报告周期一般与时隙动态分配周期不相同,需要将报告周期所需的时隙数量转换到时隙动态分配周期所需的时隙数量。

按需分配又可分为静态分配方式和动态分配方式。静态分配方式是在数据链系统使用之前,结合网络组织的节点规模、应用场景、作战任务、业务大小等,按照提前的通信需求预判为各通信节点分配相应的时隙资源,其网络简单,具有较高的通信可靠性,但通信网络不够灵活。动态分配方式则是在组网过程中完成,根据通信拓扑结构变化、通信业务量需求变化等信息,为各通信节点动态分配时隙资源。动态分配方式能有效提高数据链系统的灵活性和时隙资源利用效率,动态时隙分配流程如图3所示。

在海上军事通信组网过程中,不同的任务阶段,不同的时刻,不同的作战区域,其通信节点的位置、通信业务量都是变化的。而固定分配或者静态分配方式不足以支持参与作战的平台的实际任务需求,为了使信息能够在有限的时隙资源内完全共享,舰艇编队通信组网应采用动态按需的时隙分配策略,以实现时隙资源按需动态调整。

图3　动态按需时隙分配流程图

3.3入退网策略

节点入网按入网节点在入网过程中所处的状态,可以分为主动入网和被动入网[11]。被动入网是指网络中的主节点按照一定规则在整个空域内发送入网消息,新节点一直处于扫描接收状态,当收到入网消息后,新节点完成入网应答,加入网络。主动入网是指新节点主动发送申请入网消息,在网络中的节点一旦接收到申请入网消息,就向簇首节点申报发现新节点消息。簇首节点允许新节点加入后,就会为其分配通信时隙,使之加入网络。

图4　节点入网策略示意图

无论是主动入退网策略还是被动入退网策略,都会引起组网的网络拓扑结构及时隙资源分配的改变。因此,入退网优化实际上是解决拓扑结果优化和时隙资源分配优化两个方面的问题。传统方式下,入网节点根据与子网的距离选择加入哪个子网,时隙资源将从冗余时隙中进行分配；节点退网时,释放时隙资源,而其节点分配时隙资源不随之改变。传统入退网策略比较固定,不能灵活多变,降低网络的稳定性,影响资源的利用率。

图5　节点退网策略示意图

在舰艇编队协同通信中,作战平台(通信节点)种类多且分布不稳定,由于任务的紧急性以及作战单元到达指定位置时间的不确定性,新节点的入网具有随机性的特点。新节点一般不会刚好在前一个动态周期结束和下一个周期开始之间到达,因此新节点入网前需要等待下一个调整周期的到来,在此之前只与所进入子网的节点建立通信链路,并与之争用时隙资源。节点退网时,将增加冗余时隙,同时也影响到与之建立通信链路节点的拓扑关系。在下一个动态周期到来,时重新调整通信节点的拓扑结构和时隙资源分配。

3.4安全策略

安全抗干扰能力是军事通信网络的重要指标,主要提出如下安全策略:

1) 用户分级保护策略

对不同密级的用户访问应有控制措施,用户在管理上应相互区分。

2) 物理隔离策略

重要通信设备应与其他设备进行物理隔离,进行单独管理。重要通信网络应该独立,不与其他子通信系统建立链路。

3) 信息加密策略

为确保信息系统在传输过程中的安全保密,防止信息系统的非法窃取和篡改,军事通信信息传输过程中都应采用加密措施,保证传输信息系统的保密性。

4) 流量监测策略

对链路上传输的通信流量和信息系统内容应进行安全监测,及时发现通信链路上出现的异常流量。

5) 访问控制策略

节点入网必须经过严格的身份验证,严格控制访问加入通信网络的用户,建立一定的口令对接制度。

6) 方案及设备备用策略

为防止通信网络遭受毁灭性的打击,应建立预案管理机制,通过紧急方案迅速建立通信网络；每个通信平台应存放备用通信设备。

4　舰艇编队通信组网关键技术

本文中舰艇编队通信组网采用有中心与无中心相结合的拓扑结构策略,采用动态按需分配的时隙分配策略。通信网络是按照动态周期进行调整的,节点间的通信链路不是固定的,分配的时隙资源也随着实际业务需求而变化。

图6　舰艇编队通信组网技术框架

每个新的调整周期开始,系统都将根据实际的战场态势和作战任务进行拓扑结构和时隙资源分配的优化,以适应新的战场环境。拓扑结构优化采用改进的遗传算法,时隙资源分配采用改进的粒子群优化算法。通过两个智能优化算法来解决通信组网的关键问题,为舰艇编队通信组网提供最优组网方案,技术框架如图6所示。

5　结语

本文首先分析了舰艇编队通信组网的实际需求,分别从拓扑结构建立、时隙资源分配、入退网机制和安全抗毁性四个方面阐述和分析了海上军事通信组网策略,并根据组网策略提出海上军事通信的关键技术,为后续研究提供了基本技术参考,对信息化条件下军事通信网络系统建设具有重要意义。

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Communication Networking Strategy of Warship Formation

ZHANG Shiwei1HAO Wei1YU Qian2

(1. Electrical Engineering School, Naval University of Engineering, Wuhan430033) (2. Unit 95, No. 92941 Troops of PLA, Huludao125001)

Be established in the demand of the sea formation attack under information condition, and based on the analysis of the demand of maritime military communication, the strategy of formation communication network is presented. Based on the network model of distributed TDMA, a strategy combining the central and non-central topological structure and the dynamic on-demand allocation of time slot allocation strategy is proposed. Then the relevant strategy of entry or exit of the network and security strategy is presented. At last, the key technology framework of warship formation network optimization is proposed, which provides a theoretical basis for the research of the optimization method of communication network.

warship formation, networking strategy, topological structure, slot allocation, network optimization

2016年4月3日,

2016年5月26日

张世伟,男,硕士研究生,助理工程师,研究方向:通信组织与指挥、军事通信、信息安全等。郝威,男,硕士研究生,副教授,研究方向:通信组织与指挥、军事通信等。于钱,男,硕士研究生,助理工程师,研究方向:智能优化技术、军事通信、卫星导航等。

TP302.1; TN915

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.10.019