基于Mesh网络的航母编队通信网研究*

虞霖方 张桂英 吴有俊

(海军指挥学院信息战研究系 南京 211800)

基于Mesh网络的航母编队通信网研究*

虞霖方 张桂英 吴有俊

(海军指挥学院信息战研究系 南京 211800)

为解决航母编队存在的高带宽、高速率的通信需求问题,在分析Mesh网络特点及其结构的基础上,提出了一种Ad Hoc + Mesh的航母编队通信网络组网方式。探讨了网络中节点的设计并对路由协议的选择进行了仿真验证,对Mesh网络在军事领域的深入研究提供了一定的参考价值。

航母编队Mesh网络; 组网设计; 节点; 路由

Class Number TN92

1 引言

在现代海军作战中,航母是国家海上军事力量的核心组成部分,担负着保卫国家安全、保护海上航线以及维护海洋权益等一系列重要使命。由于航母编队的活动远离海岸,它需要实时地与岸上指挥部、空中飞机及其它舰船保持通信联络,以传送各种重要的战略战术信息。因此,航母编队的通信保障就成为了未来高科技战争中夺取海上制空、制海权和制胜权的关键。研究适用于航母编队的具有高带宽、高速率的通信网络具有十分重要的军事意义。

无线Mesh网络,又称WMN,具有多跳、自组织等优点,是一种高带宽、高速率的分布式网络[1]。在军事通信方面,由它组建的指挥通信网络可以在战场中临时自组织、自愈,能与其他不同结构网络进行集成,是一种非常有前途的无线接入网络技术。

2 Mesh网络研究现状

无线Mesh网络,是一种多跳、自组织、高速率传输的分布式网络。它由Mesh路由器和Mesh客户端组成。网络中的每个节点不仅可以接受和转发数据,而且可以与一个或者多个节点进行直接通信。

无线Mesh网络包括有三种结构：骨干Mesh结构、客户端Mesh结构以及混合结构。

图1所示为骨干结构。如图所示,网络分为两层,上层为Mesh路由器,下层为终端节点。终端节点可以通过Mesh路由器接入到上层的骨干Mesh网络中,实现节点的互联互通。

图1 骨干Mesh结构

在国内,对于无线Mesh网络的军事应用还处于理论研究阶段。炮兵学院汪涛提出了基于无线Mesh网络的野战网络系统,构建了覆盖指挥观察所和前方阵地的无线Mesh骨干网络,配置了便携式视频控制系统,可以提高炮兵部队的作战机动能力；西安电子科技大学王林研究了组建基于Mesh网络的战术互联网过程中要考虑的关键问题,如网络的框架结构、MAC层协议和路由协议的选择等；海军工程大学刘显静提出了采用WLAN Mesh的综合组网模式,将舰艇编队通信网设计为三级网络,并验证了该网络的性能。目前关于Mesh网络的军事应用研究多集中于陆上战场战术网络[2],而海上电磁环境及作战区域与陆上机动网络有诸多不同[3],需要进一步深入研究。

3 基于Mesh网络的通信组网设计

3.1 组网需求分析

未来海上的立体战争需要投入空中、水面、水下的各种兵力,只有组成编队才能统一指挥、密切配合、协同作战。因此,具备可靠的通信网络,是航母编队立于不败之地的重要前提。

现代航母编队通信网络,主要具备以下几个特征：

1) 通信方式以无线为主。航母编队舰与舰、舰与飞机、舰与岸基指挥所之间不能构建有线链路,必须依靠无线方式进行通信。

2) 网络拓扑变化频繁。航母编队在作战时各作战单位需要不停变换阵位,同时会受到来自敌方的电磁干扰,使得某些通信链路中断。

3) 覆盖范围广阔。核心舰艇之间一般间距5海里,防空驱逐舰一般距离核心舰艇10海里,而护卫舰则部署于距离核心舰艇20～25海里处。

3.2 组网设计

表1为航母编队的典型编成配置,在一般巡航状态下,各作战单元以航母为中心组成空舰一体化的攻防体系,通常以航空母舰和综合补给舰为核心,其余舰艇则部署在它的周围。战斗队形形成内、中、外几层防区,具有搜索、防空、反潜等能力。图2所示为航母编队航渡状态下的基本队形。

表1 航母编队典型编成配置

图2 航母编队基本队形

根据Mesh网络的定义,其节点不能进行快速的移动。考虑到航母编队的实际需求,将航母编队中移动较快的节点,如驱逐舰、护卫舰、作战飞机等,依据作战任务不同组建Ad Hoc网络,而移动相对缓慢的舰艇,如航母、补给舰等作为骨干节点,构建骨干Mesh网络,Ad Hoc网络中的节点通过网络内的骨干节点接入到骨干Mesh网中,通过Ad hoc+Mesh的方式组建航母编队通信网络,实现各作战单元之间的互联互通。图3为构建的航母编队通信网络。

图3 航母编队通信网络

4 网络节点设计

Mesh节点作为网络中的关键部分,其设计直接关系着网络的性能与稳定。

4.1 物理层

物理层规定了数据传输信号的特征和调制方法。IEEE802.11在使用无线电波作为传输介质时,可分为直接序列扩频与跳频扩频。

Mesh网络采用了直序扩频技术。直序扩频是指在发送端扩展信号频谱,并在接收端进行相应的解扩,还原为原始信号。其优点主要在于将原始信号淹没在噪声中,使敌方难以发现,提高信号的隐蔽性和抗干扰性。

4.2 MAC层协议

MAC协议的主要作用是保证公平性和有效的资源共享[4]。

目前针对Mesh网络的信道接入协议有CSMA、CSMA/CA[5]、DCF。

DCF主要用于支持异步数据传输,图4为DCF基本接入方式,它以帧间间隔(IFS)表示数据发送的优先级,包括短帧间间隔(SIFS)与分布式帧间间隔(DIFS)。发送时,节点首先监听信道,若信道空闲,则等待DIFS后发送数据,接收节点计算校验和,确定收到的分组正确无误后,等待SIFS后发送一个确认帧(ACK)。

DCF允许兼容的物理层之间通过CSMA/CA和无线媒介忙条件下的随机退避定时机制来自动进行媒介共享[6]。

DCF协议不仅对CSMA/CA协议进行了扩展,一定程度地解决了隐藏终端与暴露终端问题,而且通过ACK实现对链路层的确认,可见,使用DCF作为信道接入协议是比较合适的。

图4 DCF基本接入方式

4.3 路由协议

路由协议在很大程度上决定着一个网络的性能。作为一个新兴网络,传统的基于因特网的协议并不适用于Mesh网络[7]。因此,作为与Mesh网络相似的Ad hoc网络的路由协议成为了最优的选择。

路由协议总的来说分为两大类：表驱动路由协议和按需路由协议。

常见的表驱动路由协议一般有DSDV、WRP、FSR、CGSR等；按需路由协议一般有DSR、AODV、TORA、SSR[8]等。

表驱动路由协议通过定时检测链路,及时更新准确的网络拓扑以及路由消息。其优点是发送数据时可以立即获取准确的路由信息,但需要大量的控制报文,开销太大。按需路由协议不需要定时更新自身路由信息,只有在需要查找时才更新路由,减小了网络的开销,但在发送数据时需要一定时间的延时。

为了比较上述两种路由协议在Mesh网络中的适用性,选择最具代表性的DSDV、DSR和AODV三种路由协议进行仿真对比。

仿真工具选取OPNET仿真软件,针对航母编队通信的移动性和大流量特性,对节点运动的情况的性能进行仿真分析。节点数目为12个,运动速度为30km/h,节点移动方式选取了组移动模型(Group Mobility Model),范围设定10km×10km,MAC层采用IEEE 802.11 DCF协议。在仿真中选取丢包率、吞吐量、网络时延作为统计量。

1) 丢包率

图5 丢包率

2) 吞吐量

图6 吞吐量

3) 传输时延

图7 传输时延

由仿真图中可以看出：

AODV协议在丢包率、吞吐量方面相比其余两种协议具有明显优势；在传输时延方面,由于DSDV是表驱动路由协议,发送数据时可以立即获取准确的路由信息,因此,其传输时延更短。总体来说,在Mesh网络中,按需路由协议性能要高于表驱动路由协议,而在按需路由协议中,AODV协议拥有更好的性能。因此,在该网络中将AODV作为路由协议是最适合的。

5 结语

未来的海上战争,是信息化的战争。保障航母编队通信需求将成为决定战争胜负的重要因素。本文将Ad Hoc与Mesh进行结合,组建航母编队通信网络,探讨了网络中节点的设计,特别是对于路由协议的选择,对于今后Mesh网络在军事通信中的深入研究提供了一定的参考价值。

[1] Hossain E, Leung K K. Wireless Mesh Networks Architectures and Protocols[M]. New York: Springer Science,2008:173-182.

[2] 杨斌,吴学智,阳昆.水面舰艇编队的无线局域网研究及构建[J].舰船电子工程,2008,28(8):27-29.

[3] 刘显静,吴学智,沈钊.基于Mesh结构的海上无线局域网组网性能研究[J].计算机技术与发展,2013(6):162-165.

[4] 陈洁莲.无线Mesh网络组网技术研究[D].成都:电子科技大学,2008.

[5] 王健全,胡云,吕召彪.无线Mesh网络性能分析及协议优化研究[J].计算机工程,2013(8):107-111.

[6] IEEE 802.11 Working Group. Port-Based Network Access Control. IEEE Std 802.1X,2001.

[7] 解亚琦,张海林,赵力强.基于WLAN的Mesh网络和PMP网络性能比较[J].现代电子技术,2007(3):32-34.

[8] 王林.基于Mesh网络的战术互联网组网研究[D].西安:西安电子科技大学,2008.

Aircraft Carrier Formation Communication Network Based on Mesh Networks

YU Linfang ZHANG Guiying WU Youjun

(Department of Information, Naval Command College, Nanjing 211800)

To solve the requirements of high bandwidth, high-rate communication in aircraft carrier formation, an Ad Hoc + Mesh networking communications network carrier battle group based on the characteristics and structures in the Mesh networks analysis is proposed. This paper discusses the design of nodes in the network and the right choice of simulation verification agreement, which is helpful to the further research of the mesh network in the military field.

aircraft carrier formation, mesh networks, node, route

2014年6月8日,

2014年7月27日

虞霖方,男,硕士研究生,研究方向:海军通信理论与技术。张桂英,女,硕士生导师,研究方向:海军通信理论与技术。

TN92

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.018