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1.3 战术通信技术演变

随着战场环境和作战需求的变化以及通信技术的发展,战术通信系统逐步向着数字化、宽带化、分组化、综合化、机动化方向发展,目标是实现即插即用、柔性重组、无缝互联、动中通、可扩展性以及安全可信。下面我们简要回顾战术通信技术的发展历程。

1.3.1 网络结构

随着战术通信系统的不断发展,其网络结构从最初的点对点结构发展为树状、星状、栅格状等多种形态,目前正朝着扁平化、网状网等方向发展。

19世纪末期到20世纪40年代,战术通信主要依靠无线电台完成,功能较为单一,以点对点直接通信为主,无组网能力。

进入20世纪中期,随着通信技术的发展,无线电台的性能得到很大的改善,微波接力机开始大规模运用,美军开始研制野战地域通信网。战术通信系统的网络结构逐渐发展到以树状结构为主,点对点结构为辅,大大提高了信息共享能力。但是这种集中式的网络架构快速部署能力弱,抗毁性差,一旦中心节点被摧毁将导致整个系统瘫痪,同时信息经过层层处理和传输,系统反应速度慢。

20世纪末21世纪初,现代战争对战术通信提出了更高的要求。战术通信网络向多手段融合以及陆海空天一体化发展,通过综合运用无线电台、微波接力、散射、卫星、流星余迹等多种通信手段,形成一体化战术信息栅格,网络结构朝着扁平化、分布式、自组织、网状网等方向发展。

目前,无线Mesh网和Ad Hoc网是战术通信网络发展的热点,它们采用分布式架构,具有移动性好、快速部署能力强、抗毁性能好、组织运用灵活等特点,符合现代化战争对战术通信网络的要求。

1. 无线Mesh网

无线Mesh网是一种具有多跳、自组织和自愈特点的宽带无线网状网。无线Mesh网中的节点可以与通信范围内的其他节点建立连接,网络各节点通过相邻的其他节点以无线多跳方式相连。Mesh技术主要有如下特点。

① 多跳功能:在无线Mesh网中,节点之间可以通过中间节点转接通信,从而把单点覆盖扩充到区域覆盖,大大提高其应用范围。

② 网状网拓扑结构:在无线Mesh网中,只要在无线发射功率可及范围之内的节点都可以直接通信,一个节点故障只会影响到与它相关的无线链路,其他链路可照常通信。这种网络的一个显著特点就是可靠性高。

③ 自组织能力:在无线Mesh网中,网状的拓扑结构不依赖中心站的集中控制,只要节点间可达就可以构成网络,不需事先规划,不需外部参与,各节点可自行组织形成网络,而且可以随着环境变化而自适应调整。

④ 自愈:在无线Mesh网中,当网络中的一个节点出现故障时,一方面其他节点会自动调整路由,不会让后续的数据传输选择已发生故障的无线链路;另一方面,相邻节点会自适应加大发射功率提高覆盖范围,完成无线网络的自修复。

⑤ 自平衡:在无线Mesh网中,由于一个节点与多个相邻节点间存在无线路连接,导致任意两个节点间有多条可达路径。节点具备自平衡能力,能根据数据目的地和前向路由中拥塞情况选择最佳路径发送,使整个网络的通信带宽容量最大。

⑥ 集中控制与分布式控制相结合:无线Mesh网的一系列控制功能,如认证、无线资源管理、路由发现等,可由集中式的网络管理中心或各节点自动完成。

2. Ad Hoc网络

Ad Hoc网络是由一组无线移动节点组成的多跳、无基础设施支持、临时开设的无中心网络,强调多跳、自组织和无中心的概念。Ad Hoc网络具有以下特点。

① 无中心:Ad Hoc网络没有严格的控制中心,所有节点的地位平等,是一个对等式网络;节点可以随时加入和离开网络;任何节点的故障不会影响整个网络的运行,具有很强的抗毁性。

② 自组织:Ad Hoc网络相对常规通信网络而言,最大的区别就是可以在任何时刻、任何地点不需要既设网络基础设施(包括有线和无线网络)的支持,快速构建起一个移动通信网络。

③ 多跳路由:当节点要与其覆盖范围之外的节点进行通信时,需要中间节点的多跳转发。与固定网络的多跳不同,Ad Hoc网络中的多跳路由是由普通的网络节点完成的,而不是由专用的路由设备(如路由器)完成。网络中的每一个网络节点扮演着多个角色,它们可以是服务器、终端,也可以是路由器。

④ 动态变化的网络拓扑结构:Ad Hoc网络中,移动用户终端可以以任意速度和任意方式在网络中移动,加上无线发送装置发送功率的变化、无线信道间的互相干扰、地形等综合因素的影响,移动终端间通过无线信道形成的网络拓扑结构随时可能发生变化,而且变化的方式和速度都是不可预测的,具体的体现就是拓扑结构中代表移动终端节点的增加或消失,代表无线信道的有向边的增加或消失,网络拓扑结构的分割和合并等。

无线Mesh网与Ad Hoc网络既有相似之处也有不同之处。主要特性比较见表1-1。

表1-1 无线Mesh网与Ad Hoc网络的比较

3. 战术通信网络典型组网模式

目前,各国战术通信网络大都采用Mesh+Ad Hoc的典型组网模式,即采用无线Mesh网构建战术通信的核心网络,覆盖作战地域,网络中的用户群组成Ad Hoc网络,采用多跳方式接入Mesh核心网络。

通过无线Mesh网与Ad Hoc网络综合运用可构建分层分布式网络(如图1-3所示),网络通常分为两层。边缘为Ad Hoc接入网层,中间为无线Mesh核心网层,接入网层与核心网层之间通过接入节点连接起来,形成一体化网络结构。每一层都是分布式自组织网络,各节点功能相同,地位平等,具有多跳动态路由。这种网络结构的移动性和抗毁能力好,快速部署能力强,解决了平面分布式网络的用户容量有限问题,网络覆盖范围也得到了扩展。

图1-3 Mesh+Ad Hoc的典型组网模式

1.3.2 传输技术

在战术通信由简易通信发展到一体化信息栅格的各阶段中,通信手段和传输技术也随之不断进步和丰富。

简易通信阶段的传输手段主要包括运动通信和简易信号通信。运动通信是由人员徒步或乘坐交通工具传递文件、消息的通信方式,如驿站传信。运动通信虽然比较传统,但在军事上仍有存在价值。战场上需要无线电静默时,运动通信的作用就更加重要。简易信号通信是使用简单的器材工具和简便的方法,按照预先规定的信号或记号传递信息。我国古代战争中使用的旗、鼓、角、金等就是简易通信工具。简易通信的手段简便,信息容量和传输范围都很有限,主要用于报告情况、识别敌我、指示目标等简单的信息传送。

随着电信号被作为信息载体使用,有线电通信技术得到了快速发展。这里有线电通信特指利用金属导线传输信息达成的通信,可承载电报、电话、数据、图像等业务。有线电通信起源于19世纪。1845年,有线电报开始用于军事通信,早期的电报通信采用直流信号传输,传输距离近,线路利用率低;1918年,载波电报通信进入实用化。1877年,有线电话开始用于军事通信。

无线电通信起源于19世纪末,它利用电磁波作为信息的载体,可传输电话、电报、数据、图像等信息,是军队指挥作战的主要手段,对于飞机、坦克、舰船等运动单元,无线电通信则是唯一的通信手段。无线通信的传播模式包括超视距传播(如短波天波传播、卫星传播、对流层散射和流星余迹传播等)、地波传播(如极长波、超长波、长波、短波传播等)和视距传播(如超短波、微波传播)。早期的战术无线通信中主要采用模拟调制技术,从调幅(Amplitude Modulation,AM)发展到调频(Frequency Modulation,FM)和调相(Phase Modulation,PM)。随着数字信号处理技术和微电子技术的发展,无线通信调制技术也由模拟调制发展到数字调制,其中振幅键控(Amplitude Shift Keying,ASK)、频移键控(Frequency Shift Keying,FSK)、相移键控(Phase Shift Keying,PSK)、差分相移键控(Differential PSK,DPSK)、脉冲编码调制(Pulse Code Modulation,PCM)等方式,都在战术通信中得到应用。为了满足作战指挥对实时传输战场态势的需求,无线通信不断向宽带化、大容量、高可靠的方向发展。卷积码、涡轮(Turbo)码、低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check Code,LDPC)等信道编码技术,跳/扩频、正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)、单载波频域均衡(Single Carrier Frequency Domain Equalization,SC-FDE)等调制解调技术,智能天线、多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)、软件无线电等技术得到了广泛应用。

光纤通信是20世纪60年代发展起来的一种以光波为信息载体的通信方式。1966年7月,高锟发表的论文“用于光频的介质纤维表面波导” [2] 指出,通过光纤能够进行长途通信。同期出现的半导体激光器为光纤通信的商业和军事应用创造了最重要的条件,开创了光纤通信的新时代。1981年,国际上已经将45 Mbit/s的光纤传输应用于公用通信网,同期出现了为光纤传输设计的光同步数字传输序列(即SONET/SDH标准)以及异步传输模式(Asynchronous Transfer Mode,ATM),10年之后美国国防部把2.5 Gbit/s光通信系统作为其全球战略信息网的基础。现在光纤通信正向扩大通信容量、增加中继距离和全光化方向发展。光纤通信具有通信容量大,中继距离长,抗电磁干扰性强,无电磁辐射,稳定、轻小等优点,已经占据了军事战略通信的支柱地位,并广泛地应用于战术通信。

网络化通信和一体化信息栅格是在现代高技术战争的背景下发展起来的通信组织方式。现代高技术条件下的战争是体系与体系的对抗,战场上各作战要素必须紧密配合,组成一个有机整体才能更好地发挥整体优势。因此,网络化通信和一体化信息栅格综合利用各种通信传输技术,将分散在战场上的各种专用网络互联组成一个统一管理、信息共享、灵活性高、可扩展性强的信息网络,以达到陆、海、空、天、电磁等多维战场的信息及时、准确、快速交互的目的。

1.3.3 交换路由技术

在交换体制方面,战术通信系统主要经历了从模拟空分交换、电路交换到分组交换的演变,先后采用了同步传输模式(Synchronous Transfer Mode,STM)、IP、ATM、多协议标记交换(Multi-Protocol Label Switching,MPLS)等技术;复用方式也产生了明显的改变,从确定复用演变为统计复用;业务承载方式由业务独立承载发展为业务综合承载。

在网络化通信阶段早期主要采用电路交换技术,战术通信系统主要基于确定复用方式支持话音业务的交换。电路交换技术采用面向连接的方式,在用户双方通信前,为通信双方分配一条具有固定带宽的通信电路,通信双方在通信过程中将一直占用所分配的资源,直到通信结束,并且在电路的建立和释放过程中都需要利用相关的信令协议。电路交换的优点是在通信过程中可以保证足够的带宽,业务实时性强,时延小。电路交换的缺点是网络的带宽利用率不高,一旦电路建立,不管通信双方是否处于通话状态,分配的电路都一直被占用。电路交换只适用于传送与话音相关的业务,传送数据业务有着很大的局限性。在电路交换中,主要采用点对点、专线、静态路由和泛搜索等路由方式。

随着分组交换技术的出现以及对作战指挥、态势感知等数据业务支持能力要求的大大增加,战术通信系统逐渐采用分组交换技术来提高数据通信能力。分组交换技术就是针对数据通信业务的特点而提出的一种交换方式,它采用存储转发的方式,将需要传送的数据按照一定的长度分割成许多小段数据,并在数据之前增加相应的用于对数据进行选路和校验等功能的头部字段,作为数据传送的基本单元(即分组),分组交换采用统计复用方式,链路利用率较高。分组交换技术主要包括X.25、FR、ATM、IP、MPLS等。

在分组交换网发展初期,主要采用在原有电路交换网上叠加模块的方式构建分组交换网络,由电路交换网络承载话音业务,分组交换网承载数据业务,这种叠加方式使数据传输能力得到了增强,但业务的独立承载不利于对多媒体业务的支持。为此,分组交换网采用ATM技术实现了对话音、数据、图像等多媒体业务的统一承载。ATM技术将面向连接机制和分组机制相结合,在通信开始之前需要建立一定带宽的连接,但是该连接并不独占一个物理通道,而是采用和其他连接统计复用的方式占用一个物理通道,同时所有的业务,包括话音、数据和图像业务都被分割并封装成固定长度的信元在网络中传送和交换。ATM另一个突出的特点就是提出了保证服务质量(Quality of Service,QoS)的完备机制,将流量控制和差错控制移到用户终端,网络只负责信息的透明传送和交换,从而使传输时延减少,这使得ATM非常适合传送高速数据业务。虽然协议复杂性在一定程度上制约了ATM技术的发展,但强大的技术优势仍然使其在战术通信系统中得到了广泛的应用,例如在美军MSE系统和法军RITA 2000系统中,无线干线网都采用了ATM交换机制。

20世纪90年代以来,基于TCP/IP体系结构的Internet在全世界范围内获得了巨大成功,TCP/IP基本上成为网络体系结构的工业标准。同时,IP技术逐渐成为网络承载业务的主要方式。战术通信系统开始广泛应用TCP/IP技术,边界网关协议(Border Gateway Protocol,BGP)、简单网络管理协议(Simple Network Management Protocol,SNMP)、开放最短通路优先协议(Open Shortest Path First,OSPF)、增强型内部网关路由协议(Enhanced Interior Gateway Routing Protocol,EIGRP)等商用协议被大量地应用于战术通信系统中。但是,基于“尽力而为”传送思想的TCP/IP体制无法满足不同业务的QoS要求,而MPLS技术很好地解决了这一问题。MPLS能够基于IP路由协议和信令协议来提供面向连接的标记交换,弥补了IP协议无连接的缺陷。MPLS与IP技术的结合既为战术通信系统提供了多业务承载能力,又能够有效地保证业务的时效性,是较为理想的战术通信系统骨干网络交换与路由解决方案。

随着战术通信系统分布式组网和用户移动性需求的增强,其路由体制由单一的固定路由体制向分布式、自组织、自恢复的动态路由体制发展。

1.3.4 业务类型

战术通信系统初期仅具备基本的话音通信能力,随着通信技术的发展和战场需求的变化,逐步发展到数据和话音业务并重。而现代信息化战争则对通信业务提出了更高的需求,要求实现对话音、数据、图像、视频等综合业务的支持。业务种类的增加和信息量的急剧膨胀要求战术通信系统具备完善的QoS保证机制。

20世纪初,无线电台在战术通信当中逐步得到应用,主要支持话音通信;20世纪50~70年代,战术无线电台的性能得到了极大改进,战术通信以话音为主并逐渐支持简单的数据业务。

20世纪70~80年代,分组交换技术在降低通信成本、提高通信可靠性和灵活性方面取得了巨大成功。地域通信网在电路交换的基础上,增加了分组数据交换网、分组无线电系统和战场信息分发系统,战术通信网络从以话音为主过渡到数据和话音业务并重。

从20世纪90年代开始,战场对通信的要求不再限于话音和低速数据,战场监视、战术数据库共享及作战任务下达等,都要求通信系统提供包括视频在内的综合业务传输能力。战术通信系统通过构建高速、宽带的信息传送平台,实现对话音、数据、图像、视频等综合业务的支持。

随着网络中心战理论的发展,作战更加依赖于分布在广阔作战空间的大量传感器系统(情报侦察、预警探测),以获取战场态势信息,传感器信息急剧增长并成为网络中的主要业务 [3]

现代战争对信息的质量要求很高,要求战术通信系统具有完善的QoS保证机制,保证话音、数据、图像、视频等综合业务的QoS需求。在战术通信系统中,对业务端到端QoS的实现应包括以下几个方面。

① QoS测量。即在业务发起前对业务所经过路径的QoS性能进行测量,判断当前网络性能是否支持业务的需求。

② 资源预留。通过全程的资源预留为业务提供硬性的带宽支持,由于业务通常具有一定的持续性,资源预留方式可以更好地保证一段时间内业务的QoS。

③ 业务监控。在业务运行时间对业务进行监控,根据其服务质量以及当前网络状况进行统计与调整。

不同网络QoS的实现方案不尽相同,每种网络都需要一套独立的QoS机制来满足用户的需求。移动无线系统与固定系统的一个显著区别在于前者需要适应由于移动引起的不断变化的QoS。移动无线系统可提供的带宽远低于固定有线网络,容易受到周围环境的影响。移动环境中的QoS变化比有线网络频繁和剧烈,因此需要采用自适应的动态QoS管理机制,规定一个用户可以接受的QoS范围,并且应用需要具有QoS感知和自适应能力,而不是将它与底层网络的QoS变化相隔离,同时网络协议和算法要能适应设备移动和环境变化。 LP0kaZXgO2RPD5UX4t8bZsE5HfNSsmhYB6BrT9/XCim3TdIh/vw2+ip/K5GC1AQG

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