单位文秘网 2021-10-06 08:11:10 点击: 次
摘 要:战术Ad Hoc网络作为战术互联网(TI)的一个重要组成部分,在未来信息化战争中的地位将不言而喻。而目前针对战术Ad Hoc网的组网和路由研究不多,特别是高速移动的机载网络的研究更少。本文从面对战术出发,总结、分析了目前几种针对不同战术需求而提出的组网方法和路由算法,指出针对战术机载网络的路由设计的关键点,并提出路由设计的建议。
关键词:战术Ad Hoc;分级结构;战术机载网络;路由协议
中图分类号:TN915 文献标识码:B
文章编号:1004373X(2008)0316004
Survey of Tactical Ad Hoc Network Structure and Routing Protocol
HAN Jinye1,2,HUA Jiang2,WANG Xiaoning1
(1.Information Science and Technology School,Southwest Jiaotong University,Chengdu,610031,China;
2.No.10th Research Institute,China Electronic Technology Group Company,Chengdu,610036,China)
Abstract:To be a crucial part of Tactical Internet(TI),tactical Ad Hoc networks will definitely play a core role in informational battlefield in future.At present,there′s few research on networking face to tactical Ad Hoc,especially the high—motivation Airborne Network(AN).This paper analyzes several routing protocols that are designed for different purposes to meet different tactical needs and finally gives the summary and illumination.
Keywords:tactical Ad Hoc;hierarchical structure;airborne network;routing protocol
收稿日期:20070626
基金项目:“十一五国防某预研项目”支持
1 战术互联网和战术分组无线网
未来战术互联网强调一体化设计,增强系统的互联、互通和互操作性,将卫星通信、空中转发平台、地面通信网和战术电台网实现无缝连接,构成一种层次化战术互联网结构,为作战部队提供高速、大容量的战场信息传输系统。而战术互联网的定义是以分组无线网络技术为基础的,互联的战术无线电台,计算机硬件和软件的集合[1]。由此可见分组无线网(PRNET)对于战术互联网的重要性。
作为分组无线网发展的结果,Ad Hoc[1]网络以其灵活机动的组网方式,可快速展开,高抗毁性的特点,特别适用于战场通信指挥和控制,使得对战术Ad Hoc网络应用的需求日益继增。英国利用空中UAV平台和地面WAN结合(WAN又由多个LAN组成)[2,3],构成一个战术中继平台,为战区提供空中的包括电子邮件、语音、文件传输和视频会议等个人通信服务。而美国的一项用于支持战场信息传输系统(BITS)机载通信超视距扩展计划[4],主要是为战区指挥官直接控制的作战地域提供超视距通信能力,也提供了类似的战区个人通信服务。美军最新的ICAN(临时机载网络)能够实现一个动态机载数据网络通信系统,为指挥控制决策所需的及时精确信息交换提供高速的通信能力。
战术Ad Hoc网络不同于商用Ad Hoc网络的最大区别在于:军用网络随时面临的电磁对抗(导致高误码率)要求网络具有更强的顽存性(自愈能力),更好的可扩展性,并且战术Ad Hoc网的移动呈现出群组运动的特点,而在节能(机载或车载方式)和经济性方面的要求相对较弱。
2 战术Ad Hoc网络结构
Ad Hoc网络是一种无中心的网络,从结构形式上可以分为平面结构(Flat Structure)和分级结构(Hierarchical Structure)。在平面结构中,所有的节点关系是对等的,网络由节点构成,也称对等式网络。 对分级结构来说,网络被划分为簇(Cluster),每个簇由簇头和普通成员节点组成,而更高一级网络由已形成的下级簇中的簇头或成员构成,这样就形成节点构成簇,簇构成网络的簇结构。
对于战术Ad Hoc网络来说,分级结构相对于平面式结构的最大优势是:可扩充性好(便于因战术需求而随时加入节点),网络规模不受限制(能够应用于大型的战术网络需求),将具有同一特性的节点(比如一个排或一个直升机先遣队)纳为一个簇中便于行动与指挥控制的一致,适用于业务不对称的异构网络。分级结构是无中心和有中心模式的混合体,可以采用两种模式的技术优势。虽然采用分级结构后有了相对的控制中心——簇头,但是簇头和簇成员是动态变化的,节点仍是自动组网的。分级后网络被分成相对独立的簇,每个簇都有控制中心,这样,就可以兼顾有中心和无中心网络的各自优点。
对比两种结构的特点可以看出,分级结构在扩展性与容量,定位与寻址,移动管理方面都较平面结构有优势,在军事应用中更倾向于使用分级的结构,如美军的近期战术数字电台(NTDR)就使用了两层的分级结构,在第一层用簇内主动式的寻路方法,第二层则采用按需的方法。同时,分级结构也有自己较大的缺陷,比如网络的稳定性差,这就需要针对应用情况结合路由协议设计出更合理的分级方式和选簇头算法,增强稳定性。
3 战术Ad Hoc网络路由
一般路由协议的主要设计目标是:满足应用需求的同时尽量降低网络开销、取得资源利用的整体有效性、扩大网络吞吐量。其中,应用需求一般包括时延、丢包率、网络容量等诸多因素。而基本的Ad Hoc路由协议可以分为:平面式路由协议,分级路由协议和混合路由协议。平面路由协议又分为主动式路由协议和反应式路由协议,混合路由协议是借用各种路由技术的优势或者借助其他的辅助手段(比如独立的定位系统等)综合设计出的协议。图1列举了每个分类中最具代表性的协议。
图1 代表性路由协议
目前专门用于战术Ad Hoc网络的路由协议非常少,大多数Ad Hoc协议的设计都没有特别考虑到战术环境的应用,而战术应用的协议多是对已有协议的改进。文献[5,6]中提出的HSR协议改进后用在了异构的战术环境中,而美国的NTDR(近期战术数字电台)是少数的几个真正投入使用的基于Ad Hoc的战术网,使用了改进的OSPF作为其路由协议,而OSPF本身是用于以太网的路由协议。战术Ad Hoc网路由所面临的问题不同于商用网络,除了共同的对带宽和系统容量的需求外,不同用途的战术网络又有不同的要求。机载战术网络节点覆盖范围大,机动性很高,因此对实时性,系统容量和位置信息有较高要求;而用于陆军作战的网络则要求支持复杂战地环境下出现单向情况的路由协议。由此可见,战术Ad Hoc网的针对性非常强,没有通用的路由协议,对特别的应用场合要专门进行路由设计。
3.1 几种针对于战术环境的路由协议
对于机载的空空网络,文献[7]中提到了用于无人机群视频传输的Ad Hoc网络使用改进的OLSR协议。考虑到高发包频率使MAC层和物理层产生严重拥塞和冲突造成数据包丢失,从而影响到路由协议的控制数据包而导致寻径失败。由于OLSR机制本身具有反映链路状态的机制,而基于HELLO,TC消息的表驱动方式又可以使网络节点对链路的信息得以定期更新,所以能够在此基础上对其OLSR机制做出改进以反映链路的拥塞和冲突状况,在容易发生链路冲突的区域中使用改进后的OLSR协议进行传输能够使路由绕过可能产生溢出和冲突的节点,从而提高传输的成功率。同时,使用改进后的协议也可以平衡网络节点的负荷,在不增加MAC层缓存的情况下,增加网络承受负荷的能力。
在战术环境中,要求根据任务需求,节点一般进行有目的的群体移动,HSR协议[5]第一个提出了对移动群体的移动管理。HSR协议是一种分级的Ad Hoc协议,利用WCA[8]算法产生簇头,低一级的簇头形成上一级的成员节点,而更上一级的簇头又从这些成员节点中产生,直至生成最高层的簇,并且针对分级结构相对于平面结构健壮性较差的情况,引入了逻辑分区的概念。协议根据节点的物理地址,按从高到低的级层的簇头ID来定义每个节点的分级ID(HID)。如图2,节点1的HID为<11.2.1>,节点11代表最高层的簇头,节点2为此簇的成员节点,而节点2为节点1所在簇的簇头。如果节点1想要发送数据包到12,节点12的HID为<1.11.12>,通过对比HID,就可以建立虚拟链路{1,2,11,12},实际链路为{1,2,4,11,12}的连接。由此看到,HSR协议用HID来标示簇中的节点,大大降低了寻径的复杂程度,并且使节点处于整个网络的位置一目了然,这无疑满足了对作战成员位置管理的要求。
图2 HSR协议示意图
从整个战区范围分析,分级网络的鲁棒性是比较差的,但是HSR通过逻辑分区很好地解决了这个问题。每个节点除了自身的物理ID之外,还保存一个逻辑地址:〈逻辑子网,主机号〉。每个逻辑子网可以包含多个簇,并至少与一个家乡代理相联系,具有相同特性或任务的作战单元需要保持长时间通信状态,比如侦察营、坦克阵队等。但是由于很高的机动性,节点会频繁离开和加入簇,使得节点需要和其他节点通信时,可能不知道其他节点的HID,这时节点首先从逻辑地址中解析出目的节点所在的子网地址,从最高层的网络得到子网相应的家乡代理地址,然后节点将数据包发送到家乡代理,家乡代理根据逻辑地址中的主机号得到目的节点的HID,然后转发数据包到目的节点,一旦源节点和目的节点建立了连接,就可以不需家乡代理而直接建立连接了。
GLIHR[9]是针对大型网络提出的基于群组位置信息的层次式路由协议,充分考虑到了战术网络有高度的组织性,移动通常具有很强的目的性。协议将战场环境中的态势感知信息转化为有用的数据,由此大大减少控制分组开支,提高网络的有效容量。将路由表分为簇内和簇间路由表,簇内的各个节点在簇内广播自己的位置并通过接收该信息建立节点位置表,簇首根据节点位置表计算簇中心,并向整个网络广播:各个节点将节点位置表转化为簇内节点拓扑图,并计算簇内路由表。而边界节点建立自己的邻簇表并在簇内广播,簇首则将整个簇的邻簇表广播到整个网络,各个节点根据这种簇间拓扑计算簇间路由表。在簇间,他只考虑簇和簇之间的邻接关系,而不是节点和节点之间的邻接关系,与一般的层次式路由算法相比,最大的优点是分组不必经过各级簇首,他直接以最短的路径穿越中间簇,从而总路径更短。GLIHR的缺点是不适应高速率运动的环境,这是因为GLIHR的位置更新分组随着速度的增长而快速增多,会造成网络的拥塞,导致时延增大。
3.2 对各种协议的分析
从以上的几种协议可以看到,针对不同应用需求的路由方法的侧重点是不同的。
视频传输对数据包传输的成功率要求很高,OLSR是经典的反应链路状态的平面路由协议[7],利用跨层设计的方法,将MAC层关于节点拥塞的状况作为路由层选径的依据,使OLSR协议进行改进传输能够使路由饶过可能产生冲突的节点,从而提高传输的成功率来适应无人机视频的传输要求。
HSR协议和GLIHR协议是基于分级结构的路由协议,分级结构利用分簇,避免了平面结构随着规模加大而导致控制开销的巨增而使得有效带宽利用率急速下降,从而可以大大提高网络的可扩展性。HSR的优势是对具有群组移动性节点的位置管理策略,使网络能更好地体现出局部与整体之间的层次性,这对战术网络,特别是高机动性的战术网络是一项很重要的考虑。处于同一作战单元(划分在同一个簇内)的节点可以对面临的快速多变的环境做出迅速反映(如多个战机同时发现了敌机,相互之间迅速交换信息,通过战术决策得到最佳方案,在敌机逃离有效区域之前发起攻击),相对于平面路由协议,有效地缩短寻径的时延,并节约了宝贵的带宽。由于HSR协议突出的优点,使得对HSR的研究很多,也提出了很多改进的方法。
文献[10]将HSR中由下级簇头生成上级成员的办法变为由下级网关节点生成上级成员节点,使得簇头节点通信和存储的复杂性下降,平均了网络的流量,克服了网络的负载过于集中的缺点。而文献[11]中考虑到实际战地上会出现的通信单向,重点解决了HSR协议不能适用于单向的问题。一般分簇路由协议都过于依赖簇首,使簇首节点容易成为网络瓶颈,且降低了网络的抗毁性。GLIHR由簇内基于位置的路由算法和簇间的链路状态算法组成,网络中的每个节点根据自己保存的节点位置表计算簇内的连通图,再在此之上运行Dijkstra算法来计算到其他节点的最短路径。可以看出,GLIHR在发送数据包到外簇接点的时候,并没有要求从簇首节点转发,从而较其他的分级路由协议,能够更好地平衡网络负载;另外,“群组中心位置预测”的提出,使位置更新数据量相对于基于距离的位置更新DBA算法明显减少,这点对于群组移动性强的战术网络十分有利。但与此同时,GLIHR由于重点考虑对带宽的有效利用,并且位置消息多于其他平面主动式路由协议,当移动速度较高的时候,时延就增加较大,这是GLIHR用于高速率移动网络的缺陷。
4 战术机载网络路由协议设计的启示
目前相对于地面组网来说,对机载网络的组网和路由的研究不多。
美国空军在白皮书中对机载网络(Airborne Network)的定义是:至少通过飞行平台的一个节点提供通信传输服务的一种基础体系结构。图3中的战术子网(Tactical Subnet)便是多以Ad Hoc形式构成。
图3 机载网络图
现有的对机载组网的研究多是针对无人机(UAV)平台,其作用也是作为空中中继[2,7],或是作地面控制信息的辅助平台[6],对于战机(Tactical Aircraft)以纯Ad Hoc方式组网的研究很少。但是,未来战争越来越需要机动灵活的自组织组网,战机组网将成为信息化战场的一个重要研究领域。与无人机组网不同的是,战机的机动性更高,作为中继或是战场信息采集的无人机一般长时间保持编队,使网络的拓扑变化较小,并可以保持长时间的用户数量稳定。而战机组网,由于面临前线战斗环境,飞机编队可能随时变化,会出现大量的用户脱离或加入编队的情况。并且如果将用户数据业务主要划分为指挥控制(Control Information)和态势感知(Situation Awareness)的话,可以看到战术机载网络对时效性要求相当高。特别是态势感知的需要,例如对定位的要求很高,从而需要更好的减小延迟。他被称为高度动态多跳无线网(HDNet),这种网络包括两类节点:移动基站和移动主机,相当于簇首和成员节点,几乎还没有文章提出设计一个体系结构来同时支持可扩展性和高度移动性。
这里有几个关键因素是必须要考虑的:总的系统容量、带宽、最大用户数量、用户的最大可达速率、时延、定位。面对可能存在大量随时加入或离开用户的情况,选择怎样的网络结构;当业务对带宽需求不均匀时,怎么协调协议层以保证QoS;怎样设计路由协议才可以满足对时延的要求,这些都是实际需要解决的问题。
另外,在面临组网的时候可以看到有这样几个矛盾的地方:时延的要求使主动式协议比反应式协议更具优势,但是主动式协议适用的网络规模非常有限;分级结构对于集中控制和网络的扩展非常有利,但是鲁棒性差是其急需解决的问题;战术网络要求高的传输成功率,这样就必然要求增加更多的控制消息,控制消息的增多反过来就降低了有效带宽的使用。
对于战术Ad Hoc组网和路由的研究虽然远没有达到技术成熟的地步,但是初步的研究对现有问题提供了一些重要启示:
(1) 虽然分层结构有自身的缺陷,特别是在高速动态变化的环境中,其稳定性将会大大降低,但是可以通过好的分簇算法弥补不足。同时,系统带宽不变、网络在规模扩大的情况下,分层结构的优势明显强过平面结构。
(2) 可以利用其他辅助手段增强网络的性能。比如用到定位系统(GPS、北斗星等)来辅助寻路过程,实现优势互补。在分层结构中,寻路的路径长短往往大于平面结构,而利用位置辅助手段恰恰可以避免冗余路径。且这样一些额外的手段,在军事应用领域是可以实现的。
(3) 跨层设计的思想非常重要。路由层的发挥依赖链路层协议的好坏,而物理层的技术又最能决定整个网络的性能,因此,考虑MAC层协议的选取、路由层和链路层的结合改进,将可大大提高网络性能。
参考文献
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[14]Mobile Ad Hoc Networks(MANET)..cn/qkpdf/moet/moet200803/moet20080356-2.pdf" style="color:red" target="_blank">原版全文(责任编辑:单位文秘网) )
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