军事认知通信网络研究

黄天章

(1.通信网信息传输与分发技术重点实验室,河北石家庄050081;2.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)

0 引言

认知网络是近几年比较热点的研究课题,其概念源于“认知无线电”。认知网络是认知无线电技术在系统和网络高度的扩展。认知网络广义上不只限于无线网络,而是适用于有线和无线均可的网络范围。认知无线电网络可以看作是认知网络的一种具体实现形态。认知网络的自认知、重配置的特点,适用于网络重构。在军事通信应用场景下,适用于解决通信网络的抗毁和重建,以及运动中的通信问题。基于对认知网络的研究,从具体工程应用的角度,针对军事通信网拓朴变化频繁、网络要求抗毁重建等特点,将认知网络的概念和要素,引入到军事通信网络体系中,初步提出构建军事认知通信网络,解决通信保障的服务质量问题。

1 应用需求

1.1 网络抗毁与快速重建需求

在战场应用环境情况下,已有的军事通信网络会遭到严重损坏,原有网络拓扑、网络能力和网络环境会发生不可预测的重大变化。同时在特种应急环境下,会综合应用无线、蜂窝、卫星以及有线等多种通信手段,覆盖不同的区域环境,如指挥中心、医疗中心、前沿指挥所以及后勤中心等。每一类区域可用的通信手段不一定相同,通信需求和通信方式也不相同。因此对通信网络要保障为用户提供不间断的网络服务提出了更高的要求。

1.2 网络服务质量QoS的需求

从最近的伊拉克和阿富汗战争来看,战争条件下的电磁环境、气候环境和应用环境情况越来越复杂多变,通信网络的拓朴也要快速地随之变化,与之相应的通信网络服务也相关地发生变化。而网络用户对已经建立连接的服务质量和将要建立连接的服务质量要求不变。因此需要更有效的、新的方法和技术来解决通信网络保障,为用户提供不变的网络服务质量。

1.3 网络异构性互连互通的需求

军事通信网络异构性包括3方面：一是接入技术的异构性,典型的通信技术包括光纤、散射、微波、卫通、WiFi以及蓝牙等;二是终端的异构性,例如：具有不同程度的智能无线终端、适配多制式网络的多模终端、基于软件无线电技术的可重配置终端、计算机终端、手持PDA等;三是组网方式的异构性,如IP数据网、卫星网、电台网、有线电话网、单跳式无线网络以及多跳式的无线自组织网和网状网等。目前的军用通信网络,包括有线网络和无线网络,还无法做到各终端与节点间、各节点间、各网络间采用统一标准的物理端口和协议,它们之间还采用多种不同物理层接口和协议来达到互连互通。由于使用的协议和接口不同,使得重组网络的动作比较复杂、困难。需要更有效的、新的方法和技术来解决网络异构性互连互通的问题。

2 网络体系架构

2.1 网络组成和功能实体

目前在现有军事通信网络的核心节点中已经具备一些网络参数的感知或自动选择功能雏型,但是仅限于某一功能或某一设备。网络设备还没有实现“认知—决策—重配置”的自动过程,还没有全面地、系统化地从整个通信网络体系结构角度进行研究和实现。

针对上节描述的需求,目前的军事通信网络技术和具备功能尚不能达到要求。因此引入认知概念,有意识地、系统化地采用“认知—决策—重配置”自动过程,构建军事认知通信网络,可以在战场复杂环境和网络拓朴频繁变化的情况下,解决军事通信网络异构性互连互通的问题,保障网络安全,为用户提供不间断的网络服务和不变的高质量网络服务。认知概念应用到广义的军事通信网络中,提出构建军事认知通信网络,也可以认为是“智能”的军事通信网络。

军事认知通信网络可以划分由策略生成分系统、网络认知与重配置控制分系统和可编程通信网络分系统3部分组成,对应认知网络的层面模型,如图1所示。

图1 军事认知通信网络体系架构与层面参考模型关系

可编程通信网络分系统由可编程路由交换节点和网络状态传感器组成,可编程路由交换节点是军事认知通信网络的控制实体,采用物理接口统一标准、链路速率可编程自适应、链路协议可编程自适应和路由协议可编程自适应等方法进行网络接口和协议设计。网络状态传感器完成网络外部环境网络状态(如电磁环境、天气环境、地理环境等自然环境)的感知和状态报告,以及完成网络内部环境网络状态(网络不同接口种类、不同接口速率、不同协议等网络多种条件环境)的感知和状态报告。同时接受网络重配置策略,按照策略完成网络的重组。可编程通信网络对应着认知网络层面参考模型中的实体层和服务层之网络子层。

网络感知与重配置控制分系统完成网络环境感知信息的汇总和初步分析,包括网络物理接口状态、网络链路状态、网络协议状态、网络节点状态以及网络安全状态等信息,提交给策略生成单元;在控制方面,采用带宽资源控制、流量资源控制以及优先级链路控制、优先级队列控制等策略,将策略生成的相关网络重配置策略转换为网络重配置参数,完成网络资源的分配和路由交换的管理。

策略生成分系统是将网络感知单元提交的“局部”网络环境认知信息经过融合处理形成通信网络“全局”的网络资源认知信息,然后通过智能决策系统形成必要的网络重配置策略。

网络感知与重配置控制分系统和策略生成分系统对应实现认知网络层面参考模型中的服务层之应用子层。

2.2 工作流程

军事认知通信网络认知工作流程如下：

①军事认知通信网络通过可编程路由交换节点中或与之相连的网络状态传感器感知网络外部自然环境状态或内部环境网络状态生成状态报告;

②通过网络传递给通信网络感知控制单元,经过初步的分析处理,汇总到网络认知环境单元;

③网络认知环境单元将“局部”网络环境认知信息经过融合处理形成与当前现实环境相对应的网络认知环境,然后通过智能决策系统的智能化推理形成必要的网络重配置策略;

④通信网络资源管理单元将策略生成的相关网络重配置策略转换为网络带宽、标识、链路等重配置参数,控制可编程路由交换节点进行网络重构;

⑤可编程路由交换节点按照重配置参数完成网络的重组。

2.3 网络要素

表1给出了认知网络要素在军事认知通信网络中的实例化说明。目的在于将认知概念引入到军事通信网络的各个层面要素,从整个军事通信网络体系结构角度进行网络应用的研究和实现。

表1 军事认知通信网络的网络要素

3 功能特点分析比较

3.1 功能特点分析

军事认知通信网络实现的网络功能特点有：

(1)实现网络抗毁与快速重建功能

军事认知通信网络会根据环境条件自适应地选择可用网络;快速自动地适配网络拓扑的变化以及网络节点的加入和退出;保证高优先等级通信的连接;确保指挥信息的跨区域通信连接;保障重要通信业务的安全性。为用户提供不间断的网络服务。

(2)实现网络服务质量QoS功能

军事认知通信网络可以管理一个连接的服务质量。随着应用环境情况的变化,通信网络的拓朴快速变化,与之相关连的周围相应的通信网络要素也发生变化。军事认知通信网络可以根据所处网络环境现状,快速感知网络变化的信息,确认网络中的瓶颈,评估网络连接的可靠性,决策选择可用的有线或无线接入网络,迅速作出自适应的调整;并且综合利用多层网络的能力,改变服务优先顺序,优化运作行为,重构网络拓朴,优化通信路由和链路,从而达到为用户提供不变的高质量网络服务的目标。

(3)实现异构网络互连互通功能

军事认知通信网络通过认知过程,确认不同的网络、协议和接口,选择优化后的连接。军事认知通信网络可以根据所处网络环境的感知信息,决策选择可用的互连网络,克服每个节点的冲突并优化连接,将网络由混乱变为有序,实现采用不同有线或无线接入技术和不同的终端组成的异构通信网络之间的互连互通,从而保障为用户提供不变的网络服务质量。

(4)实现网络安全功能

军事认知通信网络增加接入控制、隧道、信任管理或入侵检测等安全措施,达到安全目的。军事认知通信网络通过对网络各层的反馈进行分析,通过采取改变规则、协议、加密和分组成员的设置、认证等行为,预防、阻止和化解网络被破坏的风险,以提高网络的安全性。

3.2 功能特点比较

军事认知通信网络较之以前的军事通信网络的不同特点是：①按照“认知—决策—重配置”的方法,系统化、有意识地增强对外界的电磁环境、天气环境等环境的复杂多元素感知自动化,以及对网络内部不同网络接口种类、不同接口速率、不同协议等多种条件环境的认知自动化;②分析网络环境认知信息,得出共性特征,并利用过去获得的和新学习得到的知识信息,参与决策,以得到更优化的配置策略;③进行统一处理,增加对越来越复杂环境的认知和智能化处理,增加决策策略多种选择的智能化处理,增强对网络重配置的可控制力和执行力。④实现循环“认知——决策——重配置”的自动化过程,从而实现网络智能化重构,达到满足为用户提供不间断的网络服务和不变的高质量网络服务要求。

4 关键技术

基于军事认知通信网络“认知——决策——重配置”自动过程对应的功能实现所必须的技术,重点提出相关的关键技术。

4.1 认知环境多域认知技术

多域认知是指对多个领域环境的认知,包括物理环境、气候环境、无线电磁环境、有线环境以及网络环境等多个领域中、多属性要素的认知。

要解决如何实现认知信息的海量摄入、认知信息的传递融合以及认知信息的挖掘利用。多域认知是军事认知通信网络首先需要解决的关键问题。

认知环境多域认知技术研究网络多域认知模型与认知方法,研究信息网络多域认知信息的获取、传送、表示、融合和利用技术,研究网络环境参数快速感知、网络全局感知信息快速融合处理和网络全局环境态势生成技术。

4.2 认知智能决策技术

军事认知通信网络是一个具有智能的主体,可以将机器学习、人工智能、推理机制引入认知智能决策,使得通信网络能够实现环境自适应。

认知智能决策技术研究信息网络资源虚拟控制机理,研究基于网络认知信息对可重配置网络要素和网络功能的快速决策机制,研究可重配置网络要素与网络的智能化管理与配置技术。

4.3 重配置技术

军事认知通信网络的实现最终要落实到实体的重配置。重配置的对象不仅包含终端重配置,还包含网络重配置和服务重配置;重配置的作用范围不仅限于单个节点,而且还要实现端到端重配置,即覆盖端到端路径上的所有网络节点,其复杂度和重要性要高于单一的终端重配置。

重配置技术研究军事认知通信网络组网方式、路由方式和连接方式等要素的可重配置能力,研究基于可调整参数或软件可编程平台的路由交换实现技术,研究智能网络层协议和跨层设计技术。

5 结束语

军事认知通信网络是在通信网络的各个层面和实体上实现认知概念,从而使整个通信网络体系上具备认知功能。与非认知网络相比,认知可以用于改善资源管理、服务质量(QoS)、接入控制、安全或其他网络目的。军事认知通信网络能为网络用户提供更好的端到端性能。随着通信技术和计算机技术的发展,军事智能化通信网络将是发展方向。为用户提供不间断的网络服务和不变的高质量网络服务,是军事通信网络持续追求的目标。

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