面向网络火力控制的通信网链路层协议研究

高 昂，张国辉

（陆军装甲兵学院，北京 100072）

0 引言

分布式网络火力控制是指依托火控系统和高速无线通信网，使分布在不同地域的多元化武器平台及作战集群之间实现信息高速流动、资源实时共享、火力最优化配置。这种方式对信息传输实时性、信息种类综合性、信息交互高效性、信息可达全局性等方面提出了更高的要求［1-3］，传统通信网数据链路层中，CSMA、TDMA 等一系列协议成熟且应用广泛，但未考虑火力控制信息的优先传递等级、态势信息实时性等需求。如何在通信网逻辑链路层构建火力控制网络，将是实现上述要求的关键一环。

1 信息传输需求

网络火力控制系统涉及的信息形式很多，在信息传输的实时性、准确性、网络各节点的可达性等方面对相应的通信网有着特殊的需求，具体分析如下。

1.1 信息到达时间

信息到达时间包括信息处理时延与传播时延。信息到达时间从整体上反映火力控制系统对态势信息和火控信息传递的及时性要求。

1.2 信息到达时间差

信息到达时间差，即不同节点接收同一信息，信息到达节点的最长与最短时间差。该指标反映对网络火力协同的满足程度。例如，网络火力控制系统向分布在不同地域的节点下达集火射击的指令，如果不同的节点接收到同一指令的信息到达时间差过大，就不能达到火力协同。

1.3 信息到达率

网络火力控制系统的突出特点是以分布式的火力结构、协同式的火力打击实现作战目的，这要求信息在全系统的聚合和扩散［4-6］。信息到达率是确保上述需求的主要因素，根据信息的种类，对信息到达率的要求会有所不同，但通信网络保障要求较高的信息可达率是一定的。

1.4 误码率

火力控制网对信息传输的准确性要求更高，误码率也是衡量通信网络性能的一个重要指标。

2 设计思路

针对以上网络火力控制需求，本文提出了一种支持高速实时数据分发和多类型业务及时传递，具有良好抗干扰性的通信网数据链路层协议技术方案，文献［7-21］是该方案的主要思想来源。协议主要是对TDMA 的时隙按照网络火力控制需求进行了重新分配。将数据帧划分为同步时隙段、申请时隙段、态势融合时隙段、火控业务时隙段。首先，在同步时隙段采用了跳频时钟同步技术，保证网络的抗干扰性。其次，在业务时隙段设置了固定时隙，保证各节点实时态势数据的传输和生成。第三，在申请时隙段的固定分配时隙，采用了威胁等级评估方式，避免了数据冲突并保证威胁等级较高的信息优先传输。第四，在固定时隙段的随机申请时隙，对没有利用的时隙引用了竞争方式，一些要发送的威胁等级较低的数据被安排在了这些时隙中竞争以提高信道利用率。

3 设计方案

3.1 条件假设

假设战术通信网最大节点数为32，节点与节点之间的通信距离为5 km，由此可以推算出两相邻节点内的时钟误差不超过16.666 7 μs，取3.333 3 μs作为保护时间。考虑到网络火力控制对信息到达时间差的需求，这里规定各节点绝对时钟误差不超过4 s，网络使用跳频频率进行同步，更新周期为16 s。

3.2 协议帧结构

面向网络火力控制的通信网数据链路层通信在MAC 数据帧中进行，数据帧结构如图1 所示。

一个MAC 协议帧由同步时隙段、申请时隙段、态势融合时隙段、火控业务时隙段组成。申请时隙段分为固定分配时隙段和随机申请时隙段。火控业务时隙段分为分组交换时隙、电路交换时隙。同步时隙段的作用是节点间同步，交换邻节点信息，未入网节点同步到网络。申请时隙段作用是节点在此时隙段申请业务发送时隙和预约接收节点；态势融合时隙段作用是各火力节点利用固定时隙传递态势信息，生成统一态势图。火力控制业务时隙段是申请时隙段要发送业务的各节点预约的火力控制业务发送时隙，包括分组交换时隙段和电路交换时隙段，为不同类型的业务提供支持。

3.3 时间和跳频同步实现原理

每一个火力节点内部有1 个精度为1μs 的36bit时钟，由于各火力节点内部时钟之间的绝对误差小于4 s（222=4 194 304 μs），所以节点内部时钟［35～22］bit 的值相差不超过1。为增强网络的抗干扰能力，设置频率为16 s 更新一次，所以让节点内第［0～22］bit 为时钟同步，［24～35］为跳频同步，当第24位（224=16 777 216 μs）刷新后再等待4 194 304 μs 就可以实现时间和跳频的同步。

图1 MAC 协议帧结构图

3.4 时间和跳频同步数据帧设计

同步数据帧是在同步时隙段使用的数据帧，帧中包含数据帧类型、子网标识、源节点IP、节点关系、时钟同步节点IP、时钟版本号、内部时钟等项，用来进行网络同步的维护和邻节点的拓扑更新。时隙的定位以节点内的绝对时钟为标准，网络约定一个绝对时钟作为帧的开始，同步数据帧结构如图2所示。

图2 同步数据帧结构

节点关系用来表示发送信息节点的邻节点信息，利用同步数据帧中的节点关系信息可以计算出两跳范围内的节点。网络火力控制系统将邻节点和两跳范围内的节点存储于系统中，便于火控解算。每个节点内部都有一个精度为1 μs 的36 bit 时钟，用时钟的新旧版本号来进行网络同步的维护以及邻节点拓扑结构的更新。

3.5 同步的维护和邻接点拓扑更新

为保证通信网连通性，协议设计要考虑网络同步维护和邻节点拓扑更新。同步时隙段的作用就是用跳频同步频率来实现同步的维护和邻节点的拓扑更新，组网后，每一帧都是从同步时隙段开始。在同步时隙段，标准时钟节点每隔一定的周期，将会更新一次时钟版本号，并将该同步数据帧以一种有效的方式扩散到网络中，网络中的节点接收到这些数据帧，便会以标准时钟为基准对自身内部时钟修正达到全网络同步。非标准时钟节点收到这些数据帧时，如果内部版本号比数据帧中所携带的版本号低，就将节点内时钟进行修正，并与收到的同步数据帧时钟保持一致，然后将同步数据帧转发。

由于在节点间转发的过程中，可能导致同一版本号的时钟精度有所偏差，如图3 所示。

图3 同步数据帧转发示意图

当标准时钟节点1 的同步数据帧分别经过路径1→2→3→4→5→6→7→8 和1→9→10→11→12→13→14→15→16 到达8 号节点和16 号节点时，两个节点虽然接收到具有同一版本号的标准时钟数据帧，但是可能由于数据帧传播过程中时间误差的积累，使得8 号节点和16 号节点的标准时钟存在一定的误差。所以，为减小这种时间误差，一方面要对信息传递的跳数加以限制（假设最多为N跳），另一方面，规定标准时钟节点拥有最高时钟级数，并且在数值上等于信息传递的最大跳数（在这里标准节点的级数等于N），节点每转发一次数据帧，会将数据帧中的时钟级数降低1 个数值，直到帧中的时钟级数为0 时不再转发。节点在接收到同步数据帧时，如果版本号与本节点内部的时钟版本号相同，但数据帧中的时钟级数高于节点内部，节点也会对内部的时钟进行修改，和同步数据帧中的时间保持一致，并转发同步数据帧。除以上情况外节点会丢弃所有的同步数据帧。

当标准时钟节点无法正常工作导致网络内的其他节点无法接收到同步数据帧时，各节点将依靠内部的绝对时钟保持同步一定时间。如果达到规定时间没收到同步数据帧，网络中的节点将会根据所在时隙，在其中随机延迟一定时间。在延迟耗尽后，如果节点没有收到其他节点的同步数据帧，就以自己的本地时钟作为标准产生一个同步数据帧并向邻节点进行广播。

在重新选择时钟标准的过程中，可能会同时出现多个时钟标准的情况，为了保证子网中只有唯一的时钟标准，采用对数据帧中的时钟级数大小进行比较的方法，时钟级数较大的时钟标准兼并级数较小的时钟标准。

在网络同步维护过程中，节点利用同步数据帧中所携带的节点关系信息来实现网络拓扑结构的更新。因此，网络同步维护与拓扑结构更新是同步进行的，更新周期都是一个MAC 帧时长。

3.6 冲突避免数据帧RTS 和CTS 设计

为提高网络连通性，本文针对网络化火控的特点在TDMA 的基础上改进了时隙分配方法。申请时隙段分为固定分配时隙和随机申请时隙。在固定分配时隙，假设网络中有32 个节点，地址编号分别为0～31，那么该节点在第i%16（i 为节点地址编号）个时隙，拥有预约业务发送时隙最高权力（在1 个时隙中，最多有2 个拥有最高优先权的节点，这两个节点称为冲突节点）。为了保证优先级高的业务优先发送，在时隙申请段，设计了冲突避免数据帧RTS（Request To Send）和CTS（Clear To Send）。如果在1个时隙中，两个拥有最高优先级节点都要预约业务发送时隙资源，那么优先保证业务优先级高的节点发送，另一个优先等级较低的节点在随机申请时隙段的i%8 时隙进行业务发送时隙资源的预约。随机申请时隙段的每个时隙中，也是最多有2 个节点进行业务发送时隙资源预约，这里采用CSMA 的方式进行信道接入。

协调节点信息存储于RTS 数据帧中，当本地节点A 与冲突节点B 同时要发送数据，且在两跳范围时，需要根据同步数据帧中的邻节点信息找一个共同邻节点C 来协调。火力控制系统根据探测目标的威胁程度以及所要发送信息的实时性、重要性，将信息划分为不同的威胁等级，以保证信息及时有效的传递。申请应答信息存在于CTS 数据帧中，用于比较本地节点A 与冲突节点B 要发送信息的威胁等级。节点关系用来表示发送信息节点的邻节点信息。

3.7 各类业务传递连通性实现原理

为保证火控业务时效性，协议在RTS 和CTS 中加入了威胁等级信息。同时，为保证连通性，协议考虑了系统严重失步、子网分裂、融合等情况。

节点的火控系统根据同步数据帧中的节点关系信息判断本地节点A 和冲突节点B 的距离关系，下面就本地节点A 与冲突节点B 在两跳范围之外、本地节点A 与冲突节点B 在两跳范围、本地节点A与冲突节点B 在一跳范围3 种情况分别进行讨论。

假设本地节点A 的邻节点集为NA，冲突节点B的邻节点集为NB，本地节点A 的目的节点集为GA，冲突节点B 的目的节点集为GB。

当本节点A 与冲突节点B 在两跳范围之外时，网络处于低冲突模式，节点A 和节点B 直接以CSMA 方式接入固定分配时隙段的相应时隙进行业务时隙资源预约，如图4 所示。

图4 本地节点A 与冲突节点B 在两跳范围外的情况

当本地节点A 与冲突节点B 在一跳范围之外两跳范围之内时，如图5 所示。

图5 本地节点A 与冲突节点B 在一跳范围外两跳范围内的情况

需要根据同步数据帧中的邻节点信息找一个共同邻节点C 来协调。本地节点A 的RTS 中，协同选项就是邻节点C 的地址。在这种情况下，会有以下几种情况发生。

1）本地节点A 与冲突节点B 同时有数据发送

a）冲突节点B 以隐藏终端形式出现

如果本地节点A 与冲突节点B 要发送数据的目的节点集G=GA∪GB与A、B 的共同邻节点集N=NA∩NB有交集，即G∩N≠Ø，那么，邻节点C 通过对比A、B 的RTS 数据帧中的目的节点信息以及邻节点信息可以判定冲突节点B 此时以隐藏终端的形式出现，如图6 所示。

图6 冲突节点B 以隐藏终端形式出现情况

邻节点C 根据A、B 帧中所携带的节点关系信息以及目的节点信息，判定B 为隐藏终端，比较A、B 的RTS 的威胁等级，然后邻节点C 在CTS 的申请应答选项中写入威胁等级高的节点，发送给本地节点A 和冲突节点B。威胁等级高的节点便可以在固定分配时段对应的i%16（i 为高威胁等级节点编号）时隙进行业务时隙资源的预约。威胁等级低的节点在固定分配时隙段结束后，在随机申请时隙段对应的j%8（低威胁等级节点编号）时隙，根据同步数据帧中的节点关系选项，计算出两跳范围内的空闲节点，以CSMA/CA 方式接入，对空闲节点的业务时隙资源进行预约。

b）冲突节点B 不以隐藏终端形式出现

如果本地节点A 与冲突节点B 要发送数据的目的节点集G=GA∪GB与A、B 的共同邻节点集N=NA∩NB没有交集，即G∩N=Ø，那么，邻节点C 通过对比A、B 的RTS 数据帧中的目的节点信息以及邻节点信息可以判定冲突节点B 此时不以隐藏终端的形式出现，如图7 所示。

图7 冲突节点B 不以隐藏终端的形式出现

邻节点C 根据A、B 帧中所携带的节点关系信息以及目的节点信息，判定B 为不隐藏终端，在CTS数据帧中写入A、B 具有相同的威胁等级，A、B接收到CTS 数据帧后，各自在固定分配时隙段对应的时隙预约业务时隙资源。

2）冲突节点B 没有数据发送

如果冲突节点B 没有数据要发送，那么，邻节点C 在接收到本地节点A 传送的RTS 时，无法接收冲突节点B 发来的RTS，那么节点C 自动向冲突节点A、B 发送CTS，A 收到CTS 数据帧后，固定分配时段对应的i %16（i 为高威胁等级节点编号）时隙进行业务时隙资源的预约。

当本节点A 与冲突节点B 在一跳范围内时，网络处于高冲突模式，如图8 所示。

图8 本节点A 与冲突节点B 在一跳范围内的情况

那么会有以下几种情况发生。

1）本地节点A 与冲突节点B 同时有数据要发生

a）冲突节点B 以暴露终端形式出现

如果目的节点A 与冲突节点B 要发送数据的目的节点集G=GA∪GB与A、B 的共同邻节点集N=NA∩NB没有交集，即N∩G=Ø，此时，冲突节点B 以暴露终端的形式出现，如图9 所示。

图9 冲突节点B 以暴露终端形式出现情况

节点B 根据A、B 帧中所携带的节点关系信息以及目的节点信息，判定B 为暴露终端，B 在CTS数据帧中写入A、B 具有相同的威胁等级发送给节点A，A 接收到CTS 数据帧后，各自在固定分配时隙段对应的时隙预约业务时隙资源。

b）冲突节点B 不以暴露终端的形式出现

如果目的节点A 与冲突节点B 要发送数据的目的节点集G=GA∪GB与A、B 的共同邻节点集N=NA∩NB有交集，即N∩G≠Ø，此时，冲突节点B 不以暴露终端的形式出现，如图10 所示。

图10 冲突节点B 不以暴露终端形式出现情况

本地节点A 向冲突节点B 发送冲突避免RTS数据帧，节点B 在收到RTS数据帧后要比较A 帧的信息威胁等级和B 要发送信息威胁等级，威胁等级高的信息优先发送。如果本地节点A 的威胁等级高，冲突节点B 就在CTS 帧申请应答项写入同意申请，发送给本地节点A，本地节点A 收到CTS，就可以在固定申请时隙段对应的时隙申请业务时隙资源。节点B 等固定分配时隙段结束后，在随机申请时隙段相应的时隙（i %8 ，i 为节点B 的编号）以CSMA/CA 方式对信道进行竞争。如果冲突节点B 的威胁等级高，就在CTS 中申请应答项写入不同意申请，发送给本地节点A，本地节点A 收到CTS 后，在固定分配时隙段结束后，根据同步数据帧中的节点关系选项，计算出两跳范围内的空闲节点，以CSMA/CA 方式接入，对空闲节点的业务时隙资源进行预约。

2）冲突节点B 没有数据发送

如果没有数据要发送，则节点B 在CTS 帧的申请应答项写入同意申请，发送给本地节点A。A 收到CTS 后，就可以在固定申请时隙段对应的时隙预约业务时隙资源。

分组交换时隙位图信息用于标识节点预约的发送业务时隙资源的位置。接收节点位图信息用于标识要接收话音信息的节点。逻辑链路层协议技术方案为话音信息的传递提供了方便，16 bit 的电路交换时隙申请方式可以同时保证8 路话音信息的传输，其中每2 个bit 表示一路话音。

4 结论

本文根据网络火力控制对通信网络的需求，提出衡量网络性能的信息到达时间、信息到达时间差、信息到达率、误码率指标，并针对这些指标，从时间和跳频同步实现原理、数据帧设计、网络同步的维护和邻节点拓扑更新、冲突避免数据帧设计、各类业务联通性原理等方面对协议进行了设计，从而更适合于面向网络火力控制的通信网。