基于模板的战术通信网络自动规划研究*

赖 昕，武 明，江 华

（中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

战术通信网络作为信息化指挥作战系统的基础，通信网络的规划及开通效率尤为重要，直接影响着作战效能。随着业内对战术通信网络自动规划技术的大量研究，现役的战术网络管理系统已经在一定程度上实现了网络规划的自动化，但还达不到无需人工干预的地步，特别是针对较大规模编制的部队，网络层级结构复杂、网络对象数量大，多种通信组网方式并存[1]，这都需要规划人员根据作战任务梳理清楚通信需求，结合作战编制、作战区域等要素、通过软件人工完成通信网络拓扑设计和布设。

为进一步减少人工干预，实现以作战任务为导向的通信需求自动映射和规划方案的自动生成，规划模板是一个关键要素，它是对战术通信网络系统中的各类对象、典型组网模式和规划方法的总结，并以此为基础，对各要素间的关联关系进行挖掘，形成的一系列统一描述的数据模型[2]。根据任务需求，通过对规划模板的匹配和编排，实现网络规划工作流程的自动执行和规划方案的自动生成。鉴于此，本文对战术通信网络规划过程涉及的相关要素进行抽象和建模，提出不同粒度、不同层次的多维属性的规划模板，实现了以任务需求分解和模板匹配为驱动的通信网络自动规划，为提升战术通信网络规划效率提供一种有效途径。

1 战术通信网络规划过程

战术通信网络是一种以无线信道为主的多层级、立体化的战术级网络[3]，它应用于真实战场环境，随部队的移动而移动，其网络结构经常发生变动。在不同环境下的战术通信网络开通，都需要以作战任务为输入进行网络规划，通过对任务通信需求的分析，完成网络节点布设、各类无线通信子网规划以及通信资源的分配和部署[4]，从而构建满足任务需求的通信网络。根据战术通信网络规划的特点，将规划过程定义为3个阶段，如图1所示。

图1 战术通信网络规划过程

（1）预规划阶段：它是在任何规划实施之前进行的规划，主要完成对装备、车辆等物理资源以及IP地址、频率和用户号码等逻辑通信资源的管理维护，按照约定规则进行资源预先规划，形成各类自定义模板，为规划应用提供数据模板支撑。

（2）任务规划阶段：本阶段是在某项任务下达后完成的规划，对任务通信需求进行分解和提取，完成任务实际资源需求在数据库的资源映射和模板匹配；

（3）规划实施阶段：本阶段是完成在任务规划后的进行的网络规划实施，主要完成拓扑节点布设、组网拓扑规划、通信资源分配以及规划校验评估等，最终形成网络规划方案。规划中的每个步骤都可被定义为一种规划模式，每种模式都可通过匹配模板的实例化来实现。

根据上述分析，要实现基于模板的网络自动规划，首先要对各种资源和组网规则等进行抽象，建立不同粒度、不同级别的基于多维属性的对象模板，在满足任务要求和资源约束等条件下，再通过有效的需求映射和模板匹配，自主选择一系列有序的活动集合形成规划预案，以完成特定的通信网络规划任务。

2 网络规划模板库构建

针对战术通信网络规划的对象关系及过程特征，本文抽象出资源模板、拓扑模板、功能模板3类基础模板，在此基础上提出了基于规划任务流程的规划预案模板。

2.1 资源模板

战术通信网络资源是执行网络规划的数据基础[5]，要构建复杂的预案模板，首先需要对各类网络对象资源抽象，构建表述唯一、格式统一的结构化元数据模型，形成资源模板。战术通信网络资源具有如下特征：

1）战术通信网络中各类对象皆可描述为资源，比如车辆、设备、端口、链路、子网等。

2）资源具有标准化的信息描述模型和元数据。

3）资源是一个可复用可集成的集合。

4）资源具有可扩展性。包含两方面的含义：资源本身属性、功能、数据等可扩展，资源集成对象和集成方式也可扩展。

在对战术通信网络资源特征分析的基础上，将资源模板定义为一个六元组，如式（1）所示：

其中：

Name表示资源名称；

ResourceId是资源模板的唯一标识；Attributes={

Description表示当前资源的描述信息；

Rule表示当前资源的约束信息，定义资源的使用规则、依赖关系等。

2.2 拓扑模板

战术通信网络是综合利用无线电台、微波、散射及卫星等多种通信方式构建的多手段、多层级的无线网络，各类子网的组网方式、网络特性及适应场景各不相同，例如微波、散射链路主要用于距离较远的通信节点，用于构建基础骨干网络；高速台子网主要用于指挥所内部短距离节点通信；超短波电台子网主要用于构建上下级指挥节点间的指挥网，实现数据、话音通信。通过大量的战术通信网络应用实践经验，对各类子网的典型拓扑、组网方式、应用模式及约束条件等进行归纳和抽象，形成拓扑模板。

将拓扑模板定义为一个五元组，如式（2）所示：

其中：

TopoId是拓扑模板的唯一标识；

Scene表示组网的应用场景，包括指挥所内部、指挥所间、旅营间、营连间或者连内部等；

Nets={Net1,…,Netm}表示当前应用场景下的通信组网模式，例如指挥所内部的典型组网模式是构建3个子网，包括无线局域网WLAN、超短波电台网和光纤网。

Relation={

Rule表示当前场景下子网构建的约束信息，包括节点位置、业务优先级等。以超短波电台子网为例，只有当欲组网通信节点的部署位置在超短波通信距离范围之内时，才能选择构建超短波电台子网。

2.3 功能模板

功能模板用于描述网络规划过程中一个业务功能的实现算法以及与资源对象的关系，用于从通信需求到资源分配的转换。功能模型可以用一个五元组来描述，如式（3）所示：

其中：

Action表示规划功能的名称，例如IP分配、频率分配等；

FunctionId是功能模板的唯一标识；

Entitys={ResourceId1,…,ResourceIdm}表示当前功能直接作用的资源对象；

Operation={

Rule表示当前功能执行的约束条件；

2.4 规划预案模板

资源模板、拓扑模板和功能模板的定义，实现了对战术网络规划过程中各类对象、操作和规则的抽象，形成了一系列规划任务集合。我们利用基于PetriNet的工作流模型[6]对规划任务集合进行建模，完成规划“工作流”的编排，从而构建规划预案模板，以满足不同规模、不同任务等不同条件环境下的任务需求。

PetriNet模型可以定义为一个三元组（P，T；F），其中P表示条件、资源等，T表示动作、功能执行等，F是关系流，表示PetriNet按引发规则使得事件驱动状态的演变。利用基于PetriNet的工作流模型建立的规划工作流模型由规划任务和任务间的关系组成，按照关系的分类，基本的规划工作流模型包括顺序执行工作流模型、分支执行工作流模型和并行执行工作流模型，如图2所示。

图2 基于PetriNet的网络规划基本工作流模型

基本工作流模型描述了规划任务的执行次序，通过将规划任务和上述的3种基本执行模型进行合理组织，能够构建任何复杂的规划预案模板。借鉴PetriNet建模思想，将规划预案模板定义为一个七元组，如式（4）所示：

其中：Name表示规划预案模板名称；Type是预案模板的类型，主要表示模板适用的部队规模，包括军级、旅级、营级等；PreplanId是规划预案模板的唯一标识；

Tasks={Task1,…,Taskm}表示规划预案模板中的规划任务集合，规划任务Task={FunctionId,TopoId,ResourceId1,…,ResourceIdm}表示任务涉及的具体功能、相关算法、约束条件及作用的资源对象，由对应的功能模板、拓扑模板和一系列资源模板集合所构成；

Workflow={Tasks,Relations}表示规划任务工作流，即规划任务集合和规划任务关系集合，任务的关系集包含顺序、并行和分支；

Description={Field1,…,Fieldm}表示预案中各个子域预案集合，是匹配任务需求和预案模板的主要参数。子域是对模板对应部队规模的组网结构划分，形成的各个拓扑域，以一个营级规模预案为例，子域包括营指挥所域、指挥所间域、营连间域和连内域。子域预案Field={Mode,Member,Rule}描述该子域内的组网模式、典型成员及约束条件。

Times表示模板被引用的次数，是衡量模板性能的重要指标。

3 模板在网络规划中的应用

由上文所述可知，规划模板在实现战术通信网络自动规划中的应用可以分为两个层级。较初级的应用是规划人员执行网络规划操作时，首先根据部队实装情况选取并实例化对应的装备、车辆资源模板，完成通信节点布设，然后在规划过程中调用相关拓扑模板和功能模板，完成拓扑的自动绘制和各类业务、网络配置参数的自动分配。这种层级的应用主要是通过一系列组网策略和分配算法，减少规划人员在网络规划中的手动建网和配置的工作量，但是整个规划“过程流”的执行步骤还是由人工控制，并且当部队规模大、组网层级结构复杂时，也需要规划人员通过头脑风暴来选择适当的模板。

更高级的就是应用规划预案模板。预案模板封装了整个规划过程涉及的动作及其组合逻辑，规划人员只要能够查找并匹配任务需求对应的预案模板，即可实现面向过程的网络自动规划。基于预案模板的网络自动规划通过任务需求分解和模板匹配来实现。

3.1 任务需求的分解

在实际的战术通信网络规划时，通信人员接收上级下达的作战编成、作战计划等信息，并形成编成编组、通信计划等格式化文件，作为通信任务需求输入。编成编组文件包含了此次任务的作战单元以及隶属关系信息，通信计划文件包含了此次任务各级节点的通信保障需求。通过对文件进行解析，完成对作战任务需求的分解，如图3所示。

3.2 预案模板匹配

完成通信需求分解后，就要选择能够最大程度满足节点域通信组网要求集合的预案模板。一般来说，战术通信网络开通所要执行的规划任务及其步骤相对固定，因此规划人员在选择预案模板时，最重要的是关注预案模板中提供的子预案集合与节点域通信组网要求集合的匹配度如何。

因此，我们采用基于覆盖度的模板匹配算法，规划人员通过输入节点域组网要求集合和模板中子预案集合，并设置对模板的覆盖度期望，系统就会自动筛选并匹配出可用模板。

图3 作战任务通信需求分解实现流程

模板覆盖度匹配算法实现流程如下：

输入：节点域组网要求集合Req={Reqi}，(1≤i≤m)；规划模板子预案集合Pln={Plnj}，(1 ≤j≤n)。

输出：预案模板对通信需求的覆盖度。

Step1：取Commons=0，执行Step2；

Step2：选取节点域组网要求集合Reqi=(1≤i≤m)，如果m<1，转入Step6；否则，转入Step3；

Step3：遍历节点域组网要求集合Reqi=(1 ≤i≤m)，转入 Step4；

Step4：选择Reqi，遍历规划模板子预案集合Plnj=(1≤j≤n)，转入Step5；

Step5： 如 果Reqi=Plnj， 执 行Commons=Commons+1，i=i+1，转入Step3；否者，直接执行i=i+1，转入Step3；

Step6：遍历结束，输出覆盖度=Commons/|Reqi|；

通过以上算法，可以计算出作预案模板对组网要求集合的匹配度。当输出的覆盖度为1时即为最佳匹配。

3.3 应用实例

以旅级规模的战术通信网络规划为例，一个典型的合成旅下辖节点包括指挥所、营级部队、直属分队等，营以下包含若干连节级部队，连以下就是车辆、便携式装备以及单兵等末端作战单元。当通信人员收到上级下达的任务后，生成编成编组文件和通信计划文件。编组文件中给出了执行本次任务的车辆配备和结构编制，通信计划文件则给出各级节点的通信保障要求。通过上文所述的需求分解方法和模板匹配算法，在模板库中找出匹配的旅级预案模板，如图4所示。

图4 基于规划工作流的典型合成旅规划预案模板

P0：资源模板、编组文件准备就绪；t1：调用编组导入功能模板；P1：节点布设完成；t2：调用拓扑模板集合；P3、P4、P5、P6:旅指挥所、旅营间、营连间、连以下的子网、链路规划完成；t3、t4、t5、t6: 调用旅指挥所、旅营间、营连间、连以下的子网、链路参数规划功能模板；P7、P8、P9、P10:旅指挥所、旅营间、营连间、连以下的子网、链路参数规划完成；t7：调用用户号码分配功能模板；P11：全网用户号码分配完成；t8：调用IP参数分配功能模板；P12：全网IP参数分配完成；t9：提示IP资源不足；P13：预案模板调用结束；t10：调用无线频率分配功能模板；P14：无线频率分配完成；t11：提示频率资源不足；P15：预案模板调用结束；t12：调用配置参数分配功能模板；P16：全网通信设备配置参数分配完成；t13：调用规划校验功能模板；P17：预案模板调用结束，输出规划方案文件。

4 结 语

本文通过对战术通信网络规划过程涉及的相关要素进行抽象和建模，提出了资源模板、拓扑模板和功能模板三种基础规划模板，在此基础上提出了基于规划过程的预案模板，同时阐述了预案模板在网络规划中应用方法。在实际情况中，战术通信网络的需求是复杂多变的，预案模板匹配度不一定都能达不到最佳。当模板库无法满足的当前的通信要求时，则应对新的应用场景和组网模式进行抽象建模，并纳入模板库，以保证规划模板库最大程度的适应各种应用需求，切实提升网络规划效率。