解放军理工大学通信工程学院   王海涛 宋丽华     

    战术通信网的主要任务是为战术兵团和部队（分队）指挥提供保障，主要由便于携带的或车载的野战通信装备组成，通信手段以移动（无线）通信为主。战术通信网对于保障战场环境的军事通信至关重要，世界上许多国家都给予了高度重视，如美军已经制定了战术互联网的相关标准――MIL-STD-188-220B。当前，对于节点可以移动的战术网，保证网络的性能和通信的可靠性是一项急需解决的长期性工作。自组织网络是一种对等式网络，它源自美军上世纪70年代提出的分组无线电网络。自组织网络具有自组织特性，结点无需人工干预，可快速自动组网。自组织网络通常采用无线通信技术，网络中的结点互相作为其邻居结点的路由器，通过中间结点的转发实现结点间的通信。自组织网络的运行不能依赖于任何预设的固定网络设施，结点可以随意移动，它可以在没有或不便利用现有的网络基础设施的情况下提供一种通信支撑环境。因此，自组织网络特别适用于战术通信环境和“动中通”的要求。鉴于上述因素，本文提出了一种战术自组织网络体系结构，目标是为战术通信，特别是战场环境提供一种可靠、灵活的通信支撑平台。

    一、自组织网络的体系结构
    自组织网络可以分成两种结构：平面结构和分级结构。平面结构中（见图1），所有结点的地位平等，所以又称为对等式结构。而分级结构中，网络被划分为簇，每个簇由一个簇头和多个成员节点组成，簇头结点负责簇间业务的转发。根据不同的硬件配置，分级结构又可以分为单频分级和多频分级两种。单频率分级网络（见图2）只有一个通信频率，所有结点使用同一个频率通信。为了实现簇头之间的通信，需要有网关结点（同时属于两个或多个簇的结点）的支持。簇头和网关形成了高一级的网络，称为虚拟骨干。而在多频率分级网络中（见图3），不同级采用不同的通信频率。低级的结点的通信范围较小，而高级的结点要覆盖较大的范围。高级的结点同时处于多个级中，有多个频率，用不同的频率实现不同级的通信。在图3所示的两级网络中，簇头结点有两个频率。频率1用于簇头与簇成员的通信。而频率2用于簇头之间的通信。
    平面结构的网络配置比较简单，网络中所有结点是对等的，原则上不存在瓶颈，所以比较健壮。平面结构的最大缺点是网络规模受限。在平面结构中，每一个结点都需要知道到达其它所有结点的路由。由于结点的移动性，维护这些动态变化的路由信息需要大量的控制消息。网络规模越大，路由维护和网络管理的开销就越大，网络的可扩充性就较差。分级结构克服了平面结构可扩充性差的缺点，网络规模不受限制。分级结构中，簇头的功能相对较强，而普通节点的功能比较简单，基本上不需要维护路由，这大大减少了网络中路由控制信息的数量。此外，分级结构易于实现节点的移动性管理和保障通信业务的服务质量。因此，当网络规模较大并需要提供一定的服务质量保障时宜采用分级网络结构。

    二、军用战术自组织网络体系结构
     1. 战术通信环境的特点
    （1）在一个作战区域存在大量移动的异质节点，骨干链路将向战斗单元传输大量的信息（包括数据、图像、话音和视频等），须由 系统协助士兵处理这些信息。整个战斗环境由多个作战区域构成，每个区域都包含大量的移动的士兵、坦克、火炮、飞机等战斗单元，此外还包括监视传感设备以及其它通信设施用于支持战场数字化通信。
    （2）每个战斗区域内具有地面骨干网络并可以使用无人驾驶飞行器（UAV）充当多功能网关。
    （3）由UAV或战术通信卫星构成的空中骨干网络可以覆盖整个战斗区域，从而使彼此距离较远的作战区域可以借助于空中骨干网络通信。
    （4）不对称的信息传输：在战术环境中，信息业务的传输通常是不对称的，通常战斗单元接收的信息要远远多于它发送的信息，如士兵通常会向骨干节点发送请求，希望获得所处位置的各种信息，即普通节点发送的请求消息的数据量较少，而需要接收大量的信息。但是，对于传感器网络或侦察分队，情况将有所不同。
    2. 设计原则和策略
    考虑到战场环境中的网络规模可能较大，节点种类繁多，并且节点的分布地理范围较广，因此可以将整个网络划分为多个战斗区域网络，每个区域网络包括若干骨干节点，并为一定范围（几百米到几公里）内的移动节点服务。距离较近的区域网络之间可以通过骨干节点进行通信，当距离较远时可以借助于UAV或战术卫星形成的空中骨干网络进行通信。由于骨干节点一般由处理能力和功率较强的车载通信设备充当，由单兵可携带通信设备充当普通节点，因此可以将这种网络看作为多频分级网络结构。在节点可以移动的情况下，这种异质分级网络结构能够为多个战斗区域内的战斗单元提供“动中通”能力。  
    在每个战斗区域网络内，骨干节点类似蜂窝网络中的基站，能够比较容易地对其所属范围内的节点进行管理。而超过一跳的节点间的通信可以通过骨干网络完成。为了便于通信和管理，希望每个战斗区域网络内的普通节点到其骨干节点都是一跳可达的，但是这样需要配置较多的骨干节点，成本较高。然而，网络中的骨干节点数量过少又不利于节点间的通信和管理，并且网络的冗余性不高。此外，配置骨干节点的数量受骨干节点和普通节点的发射功率的制约。虽然增大发射功率，可以减少骨干节点的数量，但是发射功率过高会造成较强的干扰，并且易被敌方侦听，安全性受到威胁，特别是在战场通信环境中。因此需要对这些因素综合考虑。我们这里采用的策略是合理配置骨干节点的数量，使骨干网络中的骨干节点尽量覆盖所有的普通节点，这样可以将指挥命令和相关数据快速准确地传送到每个普通节点，同时尽量保证每个普通节点可以经过一跳或多跳接入骨干网络。在战场环境中，骨干节点很容易暴露而遭到敌方的干扰和破坏，并且可能受地形地貌的限制而影响有效的通信，因此，当骨干网络失效时，如果普通节点能够直接与UAV或卫星进行通信，则可以借助于空中骨干网络进行通信，否则，将退化为平面自组织网络，但此时仍可以通过节点间的多跳转发来满足大多数场合下的通信要求。
    3. 战术自组织网络体构结构的设计
    从理论上讲，可以根据情况将自组织网络分成任意多个层次，但是，级数越多，节点间的通信采用最优路由的机会就越少，因为路由需要通过更多的骨干节点进行转发，并且需要更多的控制信息用于维护分级结构。因此，应在能够满足网络功能和可扩展性要求的基础上尽量减少网络的级数。这里将整个网络划分为三级，分别对应于普通节点、地面骨干节点和空中中继节点，如图4所示。网络结构的三个层次具体描述如下：
    （1）位于地面的自组织网络节点构成第一层网络。该层包括各种普通移动节点和骨干节点，并且以骨干节点为簇头，将网络化分成多个簇。在每个簇内，由骨干节点负责管理和协调簇内的普通节点，并且可以采用合理的信道接入机制来支持数据访问的可靠性，同时可以在簇间使用CDMA技术来增加网络的空间重用率。
    （2）地面移动骨干网络作为第二层。为了解决网络规模较大时可扩展性较差的问题，引入地面骨干网络作为网络的第二层。在战术环境中，装甲车、通信车可以作为骨干节点，在一个战斗区域内，它们可以借助定向天线技术构成高速的点到点的无线连接。
    （3）空中骨干网络作为第三层。该层主要用来维护相距较远的骨干网络之间的通信，并且在地面骨干节点失效时可以充当地面骨干网络的备份通信设施，来提高整个网络的可靠性。
     通过采用这种三层的立体式网络体系结构，可以为战术通信网络提供一种可靠性较强、易于管理、灵活的通信支撑平台。
    上述设计的一种适用于战术通信环境的分级自组织网络体系结构，该结构配置简单灵活、便于管理网络中的移动节点和协调各种节点之间的通信，能够为战场环境中的战斗单元之间的通信提供一种底层支撑平台。此外，这种结构可以根据实际需要和设备的能力自适应地组织，具有很强的通用性和可靠性，并且具有较小的控制开销。因此，这种战术自组织网络体系结构具有一定的实用价值，并将对军队数字化通信网络的建设起到积极的作用。