采用Ad Hoc网络技术的卫星移动通信设备
2010-12-17 16:52:25
来源：《半导体器件应用》2010年7月刊
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1 引言
向推进中的数字化部队提供内部联网及保证其向后方指挥所和军用指挥自动化网通信联络的畅通，是对现代军事通信网的基本要求。目前的战术互联网主要采用短波和超短波技术，不仅通信容量有限，覆盖范围较小，易受地形影响，而且与骨干网的宽带通信能力弱。因此，迫切需要采用新的通信手段来解决这些不足。
2 卫星通信系统与Ad Hoc网络简介
卫星通信系统具有广域无缝隙覆盖的优势，是实施战场通信一个不错的选择。但目前战术卫星通信系统面向单个移动用户，主要解决话音和低速数据传输；战略卫星通信系统主要针对固定用户，通常用作透明中继信道。这些系统的组网能力较弱，系统的容量受到卫星总功率、天线增益等各种条件的限制，用户量也相对较小，与我军目前的实际情况要求不相适应。尽管卫星通信系统保障战场通信具有许多优势，但其局限性也很明显，不能满足大量战场用户的灵活组网。
未来战争多为小规模局部战役，在此情况下，各种军事车辆之间、士兵之间、士兵与军事车辆之间都需要保持密切的联系，以完成集中统一指挥、协调作战，这就要求建设战场通信网络。
有中心的无线网络存在一个预先建设的基础设施，它的网络设备往往是固定部署的，移动的只是网络的终端，由于终端之间的通信必须经过基础设施，显然在战场上建立此类系统是比较困难的。
无中心网络是不存在固定骨干网络的通信网络模式，也称为Ad Hoc网络。该网络是一种不依赖任何已有的固定设施，网络拓扑自组织，各移动节点地位平等，且能自由移动的多跳无线网络。在Ad Hoc网络中，既不需要一个固定的网络结构，也没有专门固定的基站或路由器作为网络的管理中心。由于Ad Hoc网络中没有预先部署的组网控制节点，如基站、接入点以及固定的路由设备，故移动的节点既具有主机的功能，还具有路由器的功能。节点在彼此的无线收发范围内直接通信；当节点不在彼此的无线收发范围内，则通过中间节点中继，经多跳完成通信，因此也称为无线多跳网络。与有中心网络相比，Ad Hoc网络更坚固耐用，具有组网方便迅速，抗毁能力强等特点，在军事战术通信系统中具有广阔的应用前景，是数字化战场通信的首选技术。
战场环境对通信的要求：一是要求通信设备具有机动性，避免被定点打击，提高抗毁性；二是要求网络能够具有自组织和重构能力，能避免网络中心节点单点失效导致的通信中断，网络具有高可用性；三是要求网络在机动中能保持通信能力。容易知道这些要求无法采用传统的组网技术来满足，最佳方案是采用统一协议规范、信息格式标准的无中心Ad Hoc网络。事实上，Ad Hoc网络的出现和发展最主要的动力就是军事需求，美国近期研制的数字电台NTDR和无线互联网控制器等通信设备都利用了Ad Hoc网络技术。
应该特别注意的是，在Ad Hoc网络中，主机之间的通信一般有两种方式，直接通信和经过多次转接的间接通信。即使是间接通信，中间转接的次数也是很有限的，一般为(2~3)次，因此，Ad Hoc网络的覆盖范围有限，一般用于战斗级指挥。
3 Ad Hoc网络与卫星移动通信网相结合的应用前景
通过分析卫星通信系统以及Ad Hoc网络的特点可以看出，将Ad Hoc网络应用于卫星通信系统，可以充分发挥Ad Hoc网络的优势，使一个个孤立的Ad Hoc网络互联为一个整体，相互之间进行优势互补，具有重要的实用价值和应用前景。在军事通信网中，各战术分队通过Ad Hoc网络来组建战术网络，各战术网络再通过卫星通信系统构成一个完整的战略网络系统。通过将Ad Hoc网络与卫星通信系统相结合，将可以组建一个战略战术一体化的通信网络体系。这里提到的卫星通信系统基于全IP的网络框架，因为美国军方和NASA经过反复论证，一致认为未来的军事移动卫星通信网络应当基于全IP的网络框架，它可以为基于移动IP的移动网络接入提供诸多好处。这样，该方案既有实现的可行性，又可以在有限的卫星信道资源的情况下优化卫星信道的合理使用，能够有效地实现卫星系统的路由选择功能，提高卫星与地面站及空间系统的互操作性，从而大大促进卫星系统的网络化。Ad Hoc网络与卫星通信系统相结合在军事应用上的重大意义主要表现为以下三个方面：
(1) 高效利用有限的卫星信道资源
由于战时电磁环境的复杂性，可利用的卫星信道资源比平时更为有限。在局部作战区域内，大量不同种类的作战单元借助自身的卫星接入能力进行通信时，必将导致该局部作战区域内卫星链路信道资源的短缺，现有的技术很难保证为整个区域内所有作战单元提供基于IP协议的军事卫星通信支援。将Ad Hoc网络应用到卫星通信系统中，只有某个终端代表整个Ad Hoc网络与卫星进行无线连接，这将大大降低卫星链路的信道占用率，实现高效公平地利用有限的信道资源。
(2) 增强卫星通信网络的战术应用能力
在未来的作战部队进行部署时，每支军事力量都可以建立一个Ad Hoc网络，该网络中的每个成员通过此网络与卫星进行通信，进而实现每个成员与整个作战信息系统的连接。当然，与Ad Hoc网络内部的通信比较而言，这种联系的需求要少得多。
(3) 该方案在一定程度上减少了卫星对地面信关站的依赖，增强了系统的抗毁性。
正是由于上述优势，各国都广泛关注如何实现一个移动网络的卫星接入。目前主要的研究工作是放在如何利用移动IP协议来实现移动网络的卫星接入，至于如何利用卫星移动通信来为Ad Hoc网提供网络接入的研究目前还非常少，美国的mublcom试验卫星系统可以说是应用移动Ad Hoc网络卫星系统的前身。下面提出一种将Ad Hoc网络与卫星通信系统相结合的方案，并简单分析该方案的主要技术难点。
4 Ad Hoc网络与卫星移动通信网相结合的基本方案
在该方案中，利用卫星网络将战场Ad Hoc网络、一些专用子网及军用干线网络连接起来，将有线通信与无线通信相结合，实现Ad Hoc网络与广域网和局域网的连接，其网络结构如图1所示。这样既保证了覆盖整个战场，又能够根据战场的态势变化，及时地重新组网和自动调整网络结构，抗毁力强，大大增强了战场和指挥机关的信息传输、处理能力，有力地保障了作战部队的快速反应需要。该网络将战场及与战场相关的各要素连接成一个有机整体，即把信息横向传输的重要性体现出来。在设计网络时，要求综合考虑网络的实时性、交互性、集成性。该网络以互联网技术作为支撑，以IP分组作为基本传输单元，在网内各要素之间交互指挥信息及敌我位置信息。
其中，卫星网络主要用于建立战场及后方范围的网络连接，支持作战范围的指挥信息和敌我位置信息的传输。它一般采用平面网络结构，实现资源统一管理，为各种不同的应用分配所需的网络资源。
固定军用IP网为师级以上单位提供高速数据通道，满足平时和战时各个相关单位之间文电信息和战场图像信息传输的需要。该网络由多种通信手段组成，带宽较宽，因此可以传送的信息内容比较丰富。其与卫星网和战场Ad Hoc网络相结合，可大大增强对战场和指挥中心之间的信息传输、处理能力，主要用于总部或后方指挥部的战略级指挥链路。
战场Ad Hoc网络组成具有一定抗毁能力，是保密、抗干扰的多跳无线数据分组网，支持移动用户间的话音和分组数据通信，满足指挥信息和敌我位置信息的传输需要，话音和数据信道具有自动转换的能力。
除此之外，一些兵种的专用数据网络也可以通过网关接入卫星网，与其他网络要素交互，此时这些专用数据网络被称为“专用子网”。
5 战场Ad Hoc网络的主要技术难点
5.1 动态拓扑
由于战场Ad Hoc网络节点具有任意移动性，此外，无线传播条件的快速改变，也导致了网络拓扑需要以不可预测的方式任意和快速地改变，因此路由协议成为Ad Hoc移动网络研究中关键的问题之一。
5.2 带宽限制和变化的链路容量
无线Ad Hoc网络采用无线传输技术作为底层通信手段，其相对于有线信道具有较低的容量；并且由于多路访问、多径衰落、噪声和信号干扰等多种因素，使得移动节点的实际带宽小于理论上的最大带宽值。
5.3 能量限制节点
移动节点依靠电池提供工作所需的能量，功耗将是影响网络协议设计的一个非常重要的因素。
5.4 多跳通信
由于无线收发信机的信号传播范围有限，Ad Hoc网络要求支持多跳通信。这种多跳通信带来了隐藏终端、暴露终端和公平性等问题。
5.5 分布式控制
无线Ad Hoc网络中的用户节点都兼备独立路由和主机功能，不存在一个网络中心控制点，用户节点之间的地位是平等的。网络路由协议通常采用分布式控制方式，因而具有很强的鲁棒性和抗毁性，但也相对提高了用户设备的复杂度。
6 Ad Hoc网络与卫星移动通信网相结合需要解决的主要问题
利用卫星通信系统将多种类型的战场网络互联，重点在于Ad Hoc网络与卫星通信网络的互联。Ad Hoc网络是一种移动通信和计算机网络相结合的网络，一方面，网络的信息交换采用了计算机网络中的分组交换机制；另一方面，用户终端是可以移动的终端。在Ad Hoc无线网中每个用户终端都具有路由器和主机两种功能，它是一个在物理层采用无线局域网(WLAN)标准的、以Ad Hoc的形式互联起来的一个具有顽强生存能力和自愈能力的通信网。Ad Hoc网络能够把各种武器平台和战场人员所用的终端都互联成一个局域网。目前使用的局域网(LAN)，通常由路由器实现用户之间的路由选择等功能，而LAN之间通过WAN来实现互连。由于连接地面LAN的链路通常是固定的，在LAN之间操作的路由协议设计成主要解决链路故障和拥塞，而该方案需要解决由于整个Ad Hoc网络的移动，从而改变干线网到Ad Hoc网络的连接点。Ad Hoc网络移动性所面临的问题比单一节点的移动性或具有固定拓扑结构的局域网的移动性要复杂得多，因为整个Ad Hoc网络在移动过程中，不仅可能会改变到卫星的连接点，而且要求在这个链路的断开、再连接的重复过程中保持用户的通信不中断，为此需要解决一个网络移动问题。要实现移动自组网络与卫星移动通信网之间的集成与互通，由于Ad Hoc网络通常是以末端子网的形式接入卫星移动通信网，相关的技术目前还处在萌芽时期，由网络移动技术构建无缝隙的移动方案需要进行大量的研究和实践。
对于这种网络移动，具有几个方面的特点：一是容许波束间和卫星间切换，因此覆盖范围增大；二是Ad Hoc网络中的每一个移动用户必须支持不间断的通信；三是可以使用LEO，MEO和GEO等各种卫星通信系统；四是在卫星信道上采用了移动IP协议，但在移动终端上（即Ad Hoc网络内部）采用的仍是网络本身的协议。
根据问题性质的不同，基于卫星移动通信的Ad Hoc网络移动需要研究的问题可以分为两大类：一是如何解决网络移动管理问题；二是如何维护用户在移动过程中的连接及路由选择。
在由卫星移动通信网提供地面网络和移动平台之间连接的系统中，网络管理问题显得尤为重要。当移动平台穿越卫星覆盖边界时，路由器必须判断应该利用哪个卫星来向特定的移动平台发送／接收信息，很有可能陆地到移动平台流入和流出的信息人口点是不同的设备（上行和下行通信可能通过不同的卫星通信链路到达不同的目的地面站）。
另一方面，Ad Hoc网络不同于普通的Internet加上Mobile IP协议支持的移动网络。在Mobile IP中移动主机通过基站等有线基础设施的支持来实现移动通信，而Ad Hoc移动网络完全由移动主机构成，其网络主机配置有无线电装置，相互间以此进行通信。军用移动Ad Hoc网络与战术互联网的主要不同是，能够基于标准的无线局域网技术来提供宽带通信能力。只要在任何设备或武器装备中，
向推进中的数字化部队提供内部联网及保证其向后方指挥所和军用指挥自动化网通信联络的畅通，是对现代军事通信网的基本要求。目前的战术互联网主要采用短波和超短波技术，不仅通信容量有限，覆盖范围较小，易受地形影响，而且与骨干网的宽带通信能力弱。因此，迫切需要采用新的通信手段来解决这些不足。
2 卫星通信系统与Ad Hoc网络简介
卫星通信系统具有广域无缝隙覆盖的优势，是实施战场通信一个不错的选择。但目前战术卫星通信系统面向单个移动用户，主要解决话音和低速数据传输；战略卫星通信系统主要针对固定用户，通常用作透明中继信道。这些系统的组网能力较弱，系统的容量受到卫星总功率、天线增益等各种条件的限制，用户量也相对较小，与我军目前的实际情况要求不相适应。尽管卫星通信系统保障战场通信具有许多优势，但其局限性也很明显，不能满足大量战场用户的灵活组网。
未来战争多为小规模局部战役，在此情况下，各种军事车辆之间、士兵之间、士兵与军事车辆之间都需要保持密切的联系，以完成集中统一指挥、协调作战，这就要求建设战场通信网络。
有中心的无线网络存在一个预先建设的基础设施，它的网络设备往往是固定部署的，移动的只是网络的终端，由于终端之间的通信必须经过基础设施，显然在战场上建立此类系统是比较困难的。
无中心网络是不存在固定骨干网络的通信网络模式，也称为Ad Hoc网络。该网络是一种不依赖任何已有的固定设施，网络拓扑自组织，各移动节点地位平等，且能自由移动的多跳无线网络。在Ad Hoc网络中，既不需要一个固定的网络结构，也没有专门固定的基站或路由器作为网络的管理中心。由于Ad Hoc网络中没有预先部署的组网控制节点，如基站、接入点以及固定的路由设备，故移动的节点既具有主机的功能，还具有路由器的功能。节点在彼此的无线收发范围内直接通信；当节点不在彼此的无线收发范围内，则通过中间节点中继，经多跳完成通信，因此也称为无线多跳网络。与有中心网络相比，Ad Hoc网络更坚固耐用，具有组网方便迅速，抗毁能力强等特点，在军事战术通信系统中具有广阔的应用前景，是数字化战场通信的首选技术。
战场环境对通信的要求：一是要求通信设备具有机动性，避免被定点打击，提高抗毁性；二是要求网络能够具有自组织和重构能力，能避免网络中心节点单点失效导致的通信中断，网络具有高可用性；三是要求网络在机动中能保持通信能力。容易知道这些要求无法采用传统的组网技术来满足，最佳方案是采用统一协议规范、信息格式标准的无中心Ad Hoc网络。事实上，Ad Hoc网络的出现和发展最主要的动力就是军事需求，美国近期研制的数字电台NTDR和无线互联网控制器等通信设备都利用了Ad Hoc网络技术。
应该特别注意的是，在Ad Hoc网络中，主机之间的通信一般有两种方式，直接通信和经过多次转接的间接通信。即使是间接通信，中间转接的次数也是很有限的，一般为(2~3)次，因此，Ad Hoc网络的覆盖范围有限，一般用于战斗级指挥。
3 Ad Hoc网络与卫星移动通信网相结合的应用前景
通过分析卫星通信系统以及Ad Hoc网络的特点可以看出，将Ad Hoc网络应用于卫星通信系统，可以充分发挥Ad Hoc网络的优势，使一个个孤立的Ad Hoc网络互联为一个整体，相互之间进行优势互补，具有重要的实用价值和应用前景。在军事通信网中，各战术分队通过Ad Hoc网络来组建战术网络，各战术网络再通过卫星通信系统构成一个完整的战略网络系统。通过将Ad Hoc网络与卫星通信系统相结合，将可以组建一个战略战术一体化的通信网络体系。这里提到的卫星通信系统基于全IP的网络框架，因为美国军方和NASA经过反复论证，一致认为未来的军事移动卫星通信网络应当基于全IP的网络框架，它可以为基于移动IP的移动网络接入提供诸多好处。这样，该方案既有实现的可行性，又可以在有限的卫星信道资源的情况下优化卫星信道的合理使用，能够有效地实现卫星系统的路由选择功能，提高卫星与地面站及空间系统的互操作性，从而大大促进卫星系统的网络化。Ad Hoc网络与卫星通信系统相结合在军事应用上的重大意义主要表现为以下三个方面：
(1) 高效利用有限的卫星信道资源
由于战时电磁环境的复杂性，可利用的卫星信道资源比平时更为有限。在局部作战区域内，大量不同种类的作战单元借助自身的卫星接入能力进行通信时，必将导致该局部作战区域内卫星链路信道资源的短缺，现有的技术很难保证为整个区域内所有作战单元提供基于IP协议的军事卫星通信支援。将Ad Hoc网络应用到卫星通信系统中，只有某个终端代表整个Ad Hoc网络与卫星进行无线连接，这将大大降低卫星链路的信道占用率，实现高效公平地利用有限的信道资源。
(2) 增强卫星通信网络的战术应用能力
在未来的作战部队进行部署时，每支军事力量都可以建立一个Ad Hoc网络，该网络中的每个成员通过此网络与卫星进行通信，进而实现每个成员与整个作战信息系统的连接。当然，与Ad Hoc网络内部的通信比较而言，这种联系的需求要少得多。
(3) 该方案在一定程度上减少了卫星对地面信关站的依赖，增强了系统的抗毁性。
正是由于上述优势，各国都广泛关注如何实现一个移动网络的卫星接入。目前主要的研究工作是放在如何利用移动IP协议来实现移动网络的卫星接入，至于如何利用卫星移动通信来为Ad Hoc网提供网络接入的研究目前还非常少，美国的mublcom试验卫星系统可以说是应用移动Ad Hoc网络卫星系统的前身。下面提出一种将Ad Hoc网络与卫星通信系统相结合的方案，并简单分析该方案的主要技术难点。
4 Ad Hoc网络与卫星移动通信网相结合的基本方案
在该方案中，利用卫星网络将战场Ad Hoc网络、一些专用子网及军用干线网络连接起来，将有线通信与无线通信相结合，实现Ad Hoc网络与广域网和局域网的连接，其网络结构如图1所示。这样既保证了覆盖整个战场，又能够根据战场的态势变化，及时地重新组网和自动调整网络结构，抗毁力强，大大增强了战场和指挥机关的信息传输、处理能力，有力地保障了作战部队的快速反应需要。该网络将战场及与战场相关的各要素连接成一个有机整体，即把信息横向传输的重要性体现出来。在设计网络时，要求综合考虑网络的实时性、交互性、集成性。该网络以互联网技术作为支撑，以IP分组作为基本传输单元，在网内各要素之间交互指挥信息及敌我位置信息。
其中，卫星网络主要用于建立战场及后方范围的网络连接，支持作战范围的指挥信息和敌我位置信息的传输。它一般采用平面网络结构，实现资源统一管理，为各种不同的应用分配所需的网络资源。
固定军用IP网为师级以上单位提供高速数据通道，满足平时和战时各个相关单位之间文电信息和战场图像信息传输的需要。该网络由多种通信手段组成，带宽较宽，因此可以传送的信息内容比较丰富。其与卫星网和战场Ad Hoc网络相结合，可大大增强对战场和指挥中心之间的信息传输、处理能力，主要用于总部或后方指挥部的战略级指挥链路。
战场Ad Hoc网络组成具有一定抗毁能力，是保密、抗干扰的多跳无线数据分组网，支持移动用户间的话音和分组数据通信，满足指挥信息和敌我位置信息的传输需要，话音和数据信道具有自动转换的能力。
除此之外，一些兵种的专用数据网络也可以通过网关接入卫星网，与其他网络要素交互，此时这些专用数据网络被称为“专用子网”。
5 战场Ad Hoc网络的主要技术难点
5.1 动态拓扑
由于战场Ad Hoc网络节点具有任意移动性，此外，无线传播条件的快速改变，也导致了网络拓扑需要以不可预测的方式任意和快速地改变，因此路由协议成为Ad Hoc移动网络研究中关键的问题之一。
5.2 带宽限制和变化的链路容量
无线Ad Hoc网络采用无线传输技术作为底层通信手段，其相对于有线信道具有较低的容量；并且由于多路访问、多径衰落、噪声和信号干扰等多种因素，使得移动节点的实际带宽小于理论上的最大带宽值。
5.3 能量限制节点
移动节点依靠电池提供工作所需的能量，功耗将是影响网络协议设计的一个非常重要的因素。
5.4 多跳通信
由于无线收发信机的信号传播范围有限，Ad Hoc网络要求支持多跳通信。这种多跳通信带来了隐藏终端、暴露终端和公平性等问题。
5.5 分布式控制
无线Ad Hoc网络中的用户节点都兼备独立路由和主机功能，不存在一个网络中心控制点，用户节点之间的地位是平等的。网络路由协议通常采用分布式控制方式，因而具有很强的鲁棒性和抗毁性，但也相对提高了用户设备的复杂度。
6 Ad Hoc网络与卫星移动通信网相结合需要解决的主要问题
利用卫星通信系统将多种类型的战场网络互联，重点在于Ad Hoc网络与卫星通信网络的互联。Ad Hoc网络是一种移动通信和计算机网络相结合的网络，一方面，网络的信息交换采用了计算机网络中的分组交换机制；另一方面，用户终端是可以移动的终端。在Ad Hoc无线网中每个用户终端都具有路由器和主机两种功能，它是一个在物理层采用无线局域网(WLAN)标准的、以Ad Hoc的形式互联起来的一个具有顽强生存能力和自愈能力的通信网。Ad Hoc网络能够把各种武器平台和战场人员所用的终端都互联成一个局域网。目前使用的局域网(LAN)，通常由路由器实现用户之间的路由选择等功能，而LAN之间通过WAN来实现互连。由于连接地面LAN的链路通常是固定的，在LAN之间操作的路由协议设计成主要解决链路故障和拥塞，而该方案需要解决由于整个Ad Hoc网络的移动，从而改变干线网到Ad Hoc网络的连接点。Ad Hoc网络移动性所面临的问题比单一节点的移动性或具有固定拓扑结构的局域网的移动性要复杂得多，因为整个Ad Hoc网络在移动过程中，不仅可能会改变到卫星的连接点，而且要求在这个链路的断开、再连接的重复过程中保持用户的通信不中断，为此需要解决一个网络移动问题。要实现移动自组网络与卫星移动通信网之间的集成与互通，由于Ad Hoc网络通常是以末端子网的形式接入卫星移动通信网，相关的技术目前还处在萌芽时期，由网络移动技术构建无缝隙的移动方案需要进行大量的研究和实践。
对于这种网络移动，具有几个方面的特点：一是容许波束间和卫星间切换，因此覆盖范围增大；二是Ad Hoc网络中的每一个移动用户必须支持不间断的通信；三是可以使用LEO，MEO和GEO等各种卫星通信系统；四是在卫星信道上采用了移动IP协议，但在移动终端上（即Ad Hoc网络内部）采用的仍是网络本身的协议。
根据问题性质的不同，基于卫星移动通信的Ad Hoc网络移动需要研究的问题可以分为两大类：一是如何解决网络移动管理问题；二是如何维护用户在移动过程中的连接及路由选择。
在由卫星移动通信网提供地面网络和移动平台之间连接的系统中，网络管理问题显得尤为重要。当移动平台穿越卫星覆盖边界时，路由器必须判断应该利用哪个卫星来向特定的移动平台发送／接收信息，很有可能陆地到移动平台流入和流出的信息人口点是不同的设备（上行和下行通信可能通过不同的卫星通信链路到达不同的目的地面站）。
另一方面，Ad Hoc网络不同于普通的Internet加上Mobile IP协议支持的移动网络。在Mobile IP中移动主机通过基站等有线基础设施的支持来实现移动通信，而Ad Hoc移动网络完全由移动主机构成，其网络主机配置有无线电装置，相互间以此进行通信。军用移动Ad Hoc网络与战术互联网的主要不同是，能够基于标准的无线局域网技术来提供宽带通信能力。只要在任何设备或武器装备中，
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