战术云在战术边缘的应用研究

周虎

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

随着大国格局的演变以及军事科技的发展，传统的大规模集群作战方式逐渐转换为小范围的非对称作战，战术边缘的作战活动在军事战争中扮演越来越重要的角色。战术边缘又称为“第一战术英里”（First Tactical Mile）[1]，它远离指挥中心，通常是一种资源（通信、计算等）受限环境。战场迷雾是战术边缘的典型问题[2]，即前线指挥人员对战场态势的不确定性，包括无法清晰的掌握己方能力、敌方能力以及敌方意图等，同时瞬息万变的作战环境又需要指挥人员迅速作出决策。解决战场迷雾需要强大的态势感知能力和信息处理能力，最有效的解决方案是将战术边缘的各种态势数据迅速传回指挥中心的高性能计算中心，经过处理后将分析结果以及高层指挥人员的指挥命令传回战术边缘。然而，战术边缘一般远离指挥中心，回传到指挥中心会引入很大的传输时延，从而贻误战机。另外战术边缘通常采用窄带的无线通信方式，一方面会受到战场环境，例如地形地貌的限制，另一方面还会受到敌方的故意干扰，同时还存在机动性、低探测和低截获等需求。上述原因都导致战术边缘很难直接利用指挥中心的计算能力。

战术云是云计算技术在战术领域的应用，基于虚拟化等思想，战术云可以提供轻量化、易部署的计算环境和存储环境，能够为战术边缘提供所需的态势感知和数据处理服务。本文首先介绍战术云的基本概念，分析目前外军典型战术云体系架构，并提出一个基于软件定义的战术云方案，结合软件定义网络技术以及软件定义无线电技术，该方案可以在战术边缘提供不同服务质量（QoS）级别的战术应用服务以及计算存储能力，同时可以保障无线资源的利用率。

1 战术云

1.1 战术云基本概念

在网络中心战的背景下，战术边缘的作战人员通常会装备具有基本通信和计算力的移动设备，例如智能手持终端、穿戴式设备以及智能步枪等。这些移动设备具有摄像头、GPS等简单传感器，但其通信、计算、存储以及电源能力都是非常有限的，仅靠这些移动设备无法为指挥和作战人员提供所需的战场态势感知和信息处理能力。战术云可以定义为在战术环境下可以获得的云计算能力，它可以降低移动设备的计算复杂度，提高移动设备的工作时间，还可以提供单个移动设备无法实现的能力。

1.2 战术云的配置方式

基于战场的特殊环境，战术云的配置方式可以分为常规战术云与和动态战术云，如图1所示。常规战术云基于民用云计算技术和概念，使用标准计算设备和虚拟化管理方式，组成云的物理计算设备中通过有线紧密连接在一起。移动设备可以通过低带宽链路访问和接入常规战术云以获得计算和存储能力，并使用战术云提供的各种服务。动态战术云是基于战场特殊的机动和不稳定环境的特点，组成云的物理计算设备通过无线网络连接在一起，并且可能会随着作战进程的发展而动态地加入云或离开云。动态战术云对云计算技术，尤其是资源管理技术提出了更高的要求，但它在一定程度上更适合战场环境。

1.3 战术云的体系结构

根据战术云的部署方式和系统架构，参考美军的战术云部署情况，战术云可以分为中心云，分散云，微云和皮云[2]，具体如图2所示。

图1 战术云的配置方式

图2 战术云的体系结构

（1）中心云（Centralized Cloud）

中心云主要采用常规战术云的配置方式部署在指挥中心，利用数据中心的计算资源池，可以提供近似无限动态调整的计算资源和能力。中心云在严格意义上其实是一种战略层面的云，它可以提供整个国防系统范围内的云计算能力。但是中心云的信息情报和数据处理能力也对战术边缘的作战活动具有一定的影响，并且可以为其他几种战术云提供强有力的支撑。

（2）分散云（De-Centralized Cloud）

分散云通常采用常规战术云的配置方式部署在前沿指挥所或舰船上。在作战前沿会产生和收集大量的情报和态势信息，将其传到指挥中心有助于高层指挥人员更好的了解战场态势并作出及时和正确的指挥决策。但受限于地理距离和网络通信能力，将大量的原始信息数据传回指挥中心会导致很大的延时甚至丢包，这反而会影响指挥效果。而分散云可以为前沿指挥所的设备和附近的战车和无人机等提供接入、计算、存储以及信息访问等服务，进而支持本地化的信息处理以及实时作战决策制定，同时还可以将处理后的精简信息传回指挥中心。分散云采用与中心云类似的云计算技术，只是其具有更小的规模。分散云提供方便灵活的部署和拆除能力，例如可以将整个计算设备和供电、制冷设备安置在一个集装箱上。

（3）微云（Cloudlet）

在更小范围内的战术边缘军事行动中，作战人员仅仅装备有限通信和计算能力的移动设备，此时微云是一种更合适的战术云架构。微云又称为“盒子里的数据中心”，微云可以采用常规战术云的配置方式部署在一个离作战人员一跳距离的机动车辆/飞机/船上，或者以动态战术云的配置方式通过车联网（VANET）部署在多个机动车辆/飞机/船上，从而通过共享计算和存储资源以提供更强大的云计算能力。

在作战前，微云可以从分散云或者中心云下载关于任务地区的各类情报和地图信息，以支持在战时更好的提供服务。作战人员可以将移动设备的计算和存储需求转移到微云上，以便扩展移动设备的能力，增加移动设备的电池时间。同时还可以从微云上获取其他应用服务，例如地图服务、战场增强现实服务、目标人物人脸识别等。

（4）皮云（Pico-Cloud）

在部分特殊的战术边缘环境下，作战人员无法将移动设备连接到微云，此时可以通过移动自组网（MANET）的方式实现移动设备之间的数据、计算以及存储资源的共享，以实现优于单一移动设备的性能，这种架构被称为皮云。皮云在移动设备间分布式地处理任务，通过参与移动自组网，移动设备将自己的感知和处理能力扩展到整个网络。需要注意的是实现皮云架构需要消耗各移动设备的能量用于频繁的共享数据，因此皮云主要适合短期的特殊应用场景。

1.4 战术云架构性能评估

本小节从技术成熟度、应用程度、目前影响力和未来影响力四个指标，对上述四种战术云架构对支撑和改善战术边缘作战能力的性能进行对比分析。技术成熟度用于评估该战术云框架的整体技术成熟度，包括在民用领域和军事领域。应用程度指该云框架在目前军事作战活动中的应用程度（主要参考美军）。目前影响力用于描述该云技术对当前战术边缘作战效能的影响。未来影响力用来评估该云技术对未来战术边缘作战效能的潜在影响。评估采用5分制，得分越少说明某类战术云架构在该项指标的能力越弱。

表1 四种战术云评估对比

2 基于软件定义的微云方案

根据上一小节的分析，微云是战术边缘最具应用价值和前景的战术云架构，在微云的基础上，结合软件定义无线电（SDR）、软件定义网络（SDN）、虚拟化等概念，本小节提出一种基于软件定义的微云方案，可以为战术边缘的作战人员提供计算存储以及各类战术服务能力，并具有较好的无线资源利用率。

2.1 微云架构

基于软件定义的微云方案采用常规战术云的配置方式，即该战术云部署在单个作战平台，例如作战车辆上，其具体架构如图3所示，左半部分从下向上依次为：基于SDR的通信资源层，基于SDN的网络管理层，基于虚拟化的应用支撑层，图3的右半部分是微云管理层。

基于SDR的通信资源层包括一个SDR控制器和若干个SDR设备。每个SDR设备支持工作在不同的无线频段，SDR控制器负责对SDR设备进行管理和配置，包括调制解调、编解码、多址接入等工作参数的调整。每个 SDR设备根据配置参数加入相应的网络，并提供不同的带宽、误码率以及传输距离等网络服务能力。

基于SDN的网络管理层包括一个SDN控制器和一个虚拟交换机，虚拟交换机的下行接口连接到每个SDR硬件设备，上行接口连接到应用支撑层。SDN控制器对每个端口的队列拥塞情况进行检测，并通过流表对每个业务的业务流进行控制[3]。

基于虚拟化的应用支撑层由一个应用管理器和若干个运行在云平台计算设施的虚拟机或轻量化容器内的应用组成。各应用基于作战任务动态创建和运行，并根据需求动态扩展。应用管理器可以根据应用的安全需求提供鉴权、接入控制以及不同信任级别用户的隔离。

微云管理层：微云管理层主要由微云控制器组成，它从应用管理器、SDN控制器以及SDR控制器收集状态信息，并根据优化算法对三层的工作状态进行管理。

图3 基于软件定义的微云架构

2.2 管理机制

（1）状态参数监测与上报

SDR控制器监测和上报给微云控制器的参数包括：无线环境中各个网络的信号强度、丢包率、冲突和拥塞情况以及每个 SDR设备的发送队列状态。在基于SDN的网络管理层，SDN控制器监测虚拟交换机每个端口的状态信息以及各类应用业务的吞吐量和时延信息，并上报给微云控制器。应用层提供的主要是各应用的QoS需求、优先级以及可调节参数，例如视频服务器可以提供不同级别的编码参数。

（2）配置策略

微云控制器收集各层模块的运行状态信息后，以对应用层的业务提供相应的 QoS保障以及提高无线通信资源的利用率为目标，通过优化算法计算各层的配置策略并下发到各层实际执行模块。配置策略的基本思想是首先通过 SDN控制器调整各应用的传输网络，其次通过 SDR控制器调整各网络的无线参数，最后调整各应用的可调节参数。下面通过举例对配置策略进行说明。

当应用层业务数量较少时，微云控制器首先根据应用层业务对带宽、传输距离等需求，结合SDN控制器上报的虚拟交换机的状态，为应用选择最合适的无线网络（映射为虚拟交换机的下行接口），然后为该应用配置流表并下发到 SDN控制器。随着应用层业务的不断增加，当前的通信资源层的无线网络无法再承载新业务，此时微云控制器根据SDR控制器上报的通信资源层状态，通过调整每个无线网络的 SDR设备的配置参数，在不降低已有业务以及其他节点业务的服务质量的基础上，增加网络的带宽，扩展网络的服务能力。随着应用层的业务进一步增加，微云控制器可以尝试对应用服务的可调节参数进行调整，例如可以通过修改视频业务的编码级别来降低其传输带宽需求，以便更好的为业务提供服务。同样，当应用业务的需求降低时，可以通过调整相关配置参数以提高业务的 QoS以及无线资源的利用率。

3 总结

战术云能够为战术边缘的移动设备提供计算、存储和信息处理能力，为作战人员提供更好的战场态势和作战支撑服务。本文首先分析和对比了四种典型的战术云架构以及相应的优缺点，指出微云是最适合战术边缘的战术云架构。然后提出一种基于软件定义的微云方案，通过动态调整软件定义无线电设备、软件定义网络以及应用服务的参数，可以提供对业务QoS的支持并优化无线资源的利用率。

参考文献：

[1]Dandashi F, Higginson J and Hughes J, et al.Tactical Edge Characterization Framework – Volume 1: Common Vocabulary for Tactical Environments.MITRE Technical Report[R].2007.

[2]Magar A.Assessing the Use of Tactical Clouds to Enhance Warfighter Effectiveness. Defence Research and Development Canada Contract Report[R].2014.

[3]Phemius K, Seddar J, and Bouet M, et al.Bringing SDN to the Edge of Tactical Networks [J].IEEE Military Communications Conference, 2016:1-6.