引言

    當前的戰術通信網受制于有限的帶寬和相對固定的網絡結構，這些均不滿足數字化戰場的要求。無線MESH網絡作為一種新型的無線寬帶網絡架構，具有無需架設網絡設施、可快速展開、抗毀性強等特點。因此研究基于Mesh的戰術通信網，對提高戰術通信網的帶寬、抗毀性、組網的靈活性有著重要的意義。

1 無線Mesh網絡概述

無線MESH網絡(WMN，wireless mesh networks)是一種新型的無線寬帶網絡架構，它吸收了星型網及網狀網等結構特點，可以與802.11、802.16、802.20以及3G移動通信技術相結合，組成一個含有多跳無線鏈路的無線網狀網絡，從而提高了網絡的可靠性、鏈路的帶寬和帶寬容量，并且能與現有的各種網絡實現互通。其網絡結構如圖1.1所示

圖1.1  Mesh網絡結構圖

與傳統網絡相比，無線Mesh網絡具有幾個無可比擬的優勢：

l         快速部署和易于安裝:安裝Mesh節點非常簡單，將設備從包裝盒里取出來，接上電源即可。用戶可以很容易增加新的節點來擴大無線網絡的覆蓋范圍和網絡容量。Mesh的設計目標就是將有線設備和有線AP的數量降至最低，因此大大降低了成本和安裝時間。

l         非視距傳輸(NLOS):與發射臺有直接視距的用戶先接收無線信號，然后再將接收到的信號轉發給非直接視距的用戶。按照這種方式，信號能夠自動選擇最佳路徑不斷從一個用戶跳轉到另一個用戶，并最終到達無直接視距的目標用戶。無線Mesh網絡能夠非視距傳輸的特性大大擴展了無線寬帶的應用領域和覆蓋范圍。

l         健壯性:Mesh網絡比單跳網絡更加健壯，因為它不依賴于某單一節點的性能。由于每個節點都有一條或幾條傳送數據的路徑。如果最近的節點出現故障或者受到干擾，數據包將自動路由到備用路徑繼續進行傳輸，整個網絡的運行不會受到影響。

l         結構靈活:在多跳網絡中，設備可以通過不同的節點同時連接到網絡，因此不會因為產生通信阻塞而導致系統性能的降低。Mesh網絡還提供了更大的冗余機制和通信負載平衡功能。

l         高帶寬:無線通信的物理特性決定了通信傳輸的距離越短就越容易獲得高帶寬，因為隨著距離的增加，各種干擾和其他導致數據丟失的因素隨之增加。因此選擇經多個短跳來傳輸數據將是獲得更高網絡帶寬的一種有效方法。在Mesh網絡中，一個節點不僅能傳送和接收信息，還能充當路由器對其附近節點轉發信息，隨著更多節點的相互連接和可能的路徑數量的增加，總的帶寬也大大增加。

2 戰術通信網概述

2.1戰術通信網特征

未來戰爭要求戰術通信網能夠提供快速、機動、保密和實時的綜合業務通信能力,并具有良好的抗毀性。除此之外，戰術通信網還有以下需求:

l       能夠及時掌握戰場態勢。

l       要做到無縫聯通。無縫聯通是指各種武器平臺、指揮控制中心能夠互連互通,支持戰場上任何兩點信息傳輸。

l       擁有自給自足的基本通信能力。

l       能夠迅速準確地處理綜合業務。

2.2戰術通信網結構

戰術通信網可以按三種結構組成:

l         集中式。集中控制結構網絡,選擇網絡中某一節點對網絡進行控制和管理,其抗毀性能弱, 不適合在戰術通信網中應用。

l         完全分布式。所有節點在網絡控制、路由選擇和流量管理上都是平等的,維護動態變化的 路由信息需要大量的控制消息,網絡規模越大,路由維護和網絡管理的開銷就越大。

l         分層分布式。分層分布式結構網絡被分為多個簇,一個簇就是一個子網。每個簇由一個簇頭(Cluster Header)和多個簇成員(Cluster Member)組成。幾個簇頭形成高一級的網絡,在高一級網絡中,又可以再分簇,形成更高一級的網絡。簇頭節點負責簇與簇之間的數據轉發。

    分層分布式結構結合了有中心和無中心模式,可以采用兩種模式的技術優勢。它使路由信息局部化,減少了路由協議的開銷,并且具有較好的擴展性。

3 基于Mesh的戰術通信網的設計

3.1基于Mesh戰術通信網框架結構

    按照我軍的現行編制和軍隊慣例，傳統的“軍師旅團營連排”制隸屬關系仍然占據了主要地位，如圖3.3所示

圖3.1 指揮體制結構圖

戰術通信網是為其作戰行動服務的，其網絡構成形式必須完全符合軍隊編制體制和戰場軍事指揮特征的要求，使系統與部隊的作戰指揮原則相一致。本文提出基于Mesh的網絡結構提出如圖3.2所示的戰術通信網模型。

圖 3.2 戰術通信網模型

其中旅團級以上的節點(含)并不是移動節點，它們之間的通信鏈路通常都由專門的通信部隊負責保障，裝備有大功率的戰術無線電臺、指揮車，甚至衛星通信工具和固定專線連接，基本上可以做到相互間隨時通信。旅團級以下的節點在戰時執行具體的戰術任務，戰斗實施過程中不可能隨時架設有線連接保障通信，同時也是位于情況最復雜多變的戰斗環境當中通常都處于運動狀態。上級指揮部門所需的一切戰場情況都從這些戰術單元節點發出，上級的各項戰斗命令也只有傳達給這些節點來完成。所以戰術通信網的主要組成是旅團級以下的移動戰術單元節點。

目前戰術通信網的網絡結構屬于分層分級的結構，可以分為三層:旅營級，營連級和連級以下各作戰單位。各級之間采用無線電臺進行通信聯系。

3.2  基于Mesh戰術通信網的分群

       每個子網稱為一個群，其中一個群首可以在群中確定。一個或多個節點作為網關來實現群內節點與群首或群內節點之間的相互通信以及本群與其它群的通信。分群是指依據分群算法將特定范圍內的無線節點通過共享相同的無線介質組成子網的過程。分群算法的作用是按照某種規則，通過初始化獲得互相連通、覆蓋所有節點的群結構，并且在網絡結構發生變化時生成新的群結構，確保網絡的正常通信。

在無線Mesh網絡中所有節點都是平等的，既是用戶終端又是路由器，而且通常情況下拓撲結構是平面式的。但平面式網絡結構在節點數目增多時的路由開銷很大，可擴展性較差。解決這個問題的最主要方法就是采用適當的分群算法構造分層的拓撲，在相互鄰近的一組節點構成一個簇，群內的成員可分群首、群成員、網關二種，如圖3.3所示。群成員之間的通信通過群首進行，群之間的通信經過網關轉發。

圖3.3 網絡分群圖

基于群的層次結構能夠優化網絡帶寬的應用，提高共享信道的利用率，減少路由維護的代價以及提高應用的可擴展性，在路由、安全、網絡管理及服務發現等方面具有重要的應用。在Mesh網絡中，基于群的層次結構具有廣泛的應用，是增強網絡擴展性的最重要手段。

戰術通信網中節點由于戰斗編制的原因已自然劃分了群組，如圖3.4所示。

圖3.4 戰斗編制分群圖

考慮戰術通信網應用環境的特點，一般現有的分群算法都會把屬于同一個戰斗編制內的節點分劑成兩個或者多個群，或者把分別屬于多個不同的作戰任務的編制序列的戰術單元分為了一個群。這個群必定會因為戰術單元向各自的目標運動而很快解體，增加構建和重建群的開銷。即使群能夠生存一定的時間，也會額外地增加群間的數據傳輸的開銷。因此，在戰術通信網中我們的分群算法必須考慮到這點。

在戰術通信網中，現在一般的作戰體制是滿足“三三制”的關系，即每一級都管轄三個直接下級單位。如果基本的戰術單元為排，一個標準的建制團應該有36個基本戰術單元節點。各級指揮員通常都加入到某個戰術單元當中，不作為單獨的節點。為了研究方便，我們假設:戰斗編制是完整的;不管戰術單元節點采用何種鏈路接入方式，網絡連接總是有效的;群內節點間總是可以通信的:所有戰術單元節點的通信范圍都為，即不存在單向鏈路:群由當前分群算法產生。算法的基本思想如下：

(1)群的劃分

在戰術通信網中，由于歸屬于同一戰斗編制的戰術單元節點在地理位置上通常位于一個作戰區域內，執行相同的任務，以這種基于編制的自然節點集作為分群基本依據。節點與鄰居節點建立聯系后，尋找戰斗編制序列中隸屬關系最靠近的部分節點組成一個群，并且這些節點必須同時隸屬于相同的戰斗任務群當中。如果鄰居節點與本節點沒有任何隸屬關系時則獨立成群。

(2)群首選舉

群形成后成員節點即開始選舉簇首。群首以正常的算法選舉產生，群ID為群內成員最高編制級別節點的ID。

(3)群的合并與分裂

當群的成員數少于3個時，這此節點可加入戰斗編制鄰近的鄰居群，但不參與群首的選舉，當找不到隸屬關系鄰近的鄰居群時，即使單個節點也可以獨立成簇。當群內節點數量多于6個時，按數量占優勢的節點所屬的兩個編制分裂成兩個群。所以一般情況下群的成員數應保持在3到6個節點之間。

4結束語

本文對基于Mesh的戰術通信網的網絡拓撲和基于編制的分群算法做了初步的闡述，戰術通信網的相關重點研究還應包括：①基于戰術通信網的MAC和路由算法等實現其業務的QoS保障② 網絡管理問題③網絡安全問題④網絡分析及評估問題等方面。

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