基于终端自组网的军事移动信息服务模式*

郑寇全，徐莎莎，姚 旭，惠军华

（1.国防科技大学信息通信学院，西安 710106；2.解放军93685 部队，河北 张家口 075000）

0 引言

随着军事移动终端设备性能的不断提升和普及应用，战场信息环境日益复杂，信息资源呈现出了海量化、随机化、错综复杂化的新特点，军事信息服务需求突破了时间、空间的阻隔，逐渐趋向全域同步化、实时精确化、移动散射化和供需智能化，现行以计划协同服务为主的固网信息服务机制已难以有效满足未来战场军事应用的实际需求［1-3］。军事移动信息服务就是伴随移动互联网、无线通信和便携式智能终端技术在军事领域应用发展而衍生的新型信息服务模式，其真正实现了以“用户”为核心的信息增值服务，已成为未来战场信息服务发展的必然趋势，而稳定高效的战场移动网络生态体系是确保军事移动信息服务价值有效发挥的前提和基础［4-5］。然而，目前应用较为广泛的移动无线网络通信系统的战场应用均存在不同的缺陷，卫星网络通信系统虽可有效确保整个战场无线链路全覆盖，但其建造和维护成本高昂、技术要求严格，资源保障效能有限。蜂窝系统、集群系统等无线网络链路组织需要公众网基础设施支持，组网方式不够灵活、网络拓扑自适应能力较弱，难以满足陌生地域无线网络通信保障和无基础设施支撑的战场信息链路组织的现实需求［6-7］。因此，研究构建“广覆盖、高速率、强兼容”的无线网络生态体系，已成为战场移动信息服务能力建设亟待解决的关键问题。移动自组织网络是一种没有预定基础设施支撑的自组织可重构的多跳无线网络，其支持有中心、无中心、单层、多层等多种网络形态，网络拓扑结构、信道环境和业务模式可随节点的移动而动态改变，组网机制灵活，系统运行鲁棒性强，拥有较好的网络抗攻击能力；终端节点可随时接入和退出网络体系，且在无需频繁调动军用通信卫星、预警机等紧缺资源的前提下，即可实现战场信息互联互通，可有效应对战场网络恶劣生态环境下的多种信息服务保障需求［8］。由此可见，随着战场基础网络通信技术的迭代演进，大规模、高带宽的移动自组织网络，必将成为指挥决策与各作战单元间大量数据高速分发、共享和利用的主要网络支撑系统，从而改变未来联合作战信息服务保障模式，发展成为战场移动网络信息交互的主流方向。

1 移动自组织网络战场应用场景分析

移动自组织网络具有不依赖公众网基础设施进行通信的技术优势，且能通过临时组网的方式在恶劣环境中支持移动节点间的数据、语音、图像和视频等业务的无线传输，其应用范围可以覆盖工业、商业、医疗、家庭、军事等各种场合［9］，是目前最为先进的无线组网方式，其战场应用场景主要包括以下几种情形。

1.1 无可用基础通信设施支撑的陌生地域作战

对于我军而言，随着国家战略利益的逐步拓展，无基础通信设施支撑的陌生地域作战信息服务保障需求日益突出，一方面我国陆上边境地区环境恶劣，公众网基础通信设施缺乏，战场网络链路不完备，网间信息交互效率低下，亟需利用先进的网络信息技术，构建符合战场特征且能有效覆盖边境陌生地区的网络信息链路，支持打赢未来可能发生的无可用基础通信设施支撑的陌生地域局部冲突；另一方面，我军海外维和救援、支援地方维稳冲突等非战争军事行动任务逐年增加，陌生地域作战行动趋于常态化，而复杂条件下尤其是地质灾害后，行动区域基本没有可用的通信基础设施，网络通信快速重构已成为困扰部队行动效能发挥的主要因素。

移动无线自组织网络具有不依赖通信中心自行组网的先天特性，可在陌生地域发挥极其重要的作用，已成为无可用基础通信设施支撑的特殊应用场景信息通信保障的首要选择［10］。如图1 所示，移动自组织网络体系下，用户既可以使用移动终端与组网设备连接，各个组网设备之间形成无线自组织网络，从而自适应拓展终端网络覆盖范围；也可以只携带加载自组网模块功能的终端进入目标地域，开机后便可自动组网，完成通信网络快速搭建，实现信息通信保障目标。

图1 无可用基础通信设施支撑的陌生地域作战应用示意图

1.2 面向未来战场的无人机蜂群作战

随着无人作战装备逐步列装、快速发展，以及智能协同技术战场应用范围的不断扩大，无人机蜂群作战已成为影响信息化战争进程的重要因素。而作为网络中心战的重要节点和打击平台，无人机蜂群可快速发现、定位、跟踪和打击各类动静目标，被称为信息化战场的“尖兵之翼”。然而，战场无线信道不稳定且信道资源极其有限，加之无人机蜂群网络的节点移动迅速且不可预测、网络拓扑动态变化，蜂群无人机测控和网络定位难度极大，且反无人机作战体系逐步完善，无人机蜂群网络自适应重构和网络对抗形势日益严峻。因此，构建具有自配置、自适应能力、低开销路由协议和数据链抗干扰性能的无线网络体系，就成了面向无人机蜂群作战信息支援保障的关键和基础。

移动自组织网络采用开放式分层网络架构设计，多层级的子网让组网更加灵活，便于无人机间、无人机子网间的协同任务规划。无人机蜂群自组网综合考虑了协议栈层次设计与优化，并允许任意层次和功能模块之间信息自由交互，可对本地变化和其他层反馈信息快速合理响应，适应无人机蜂群网络动态变化的基本特性。如图2 所示，系统将无人机蜂群划分为任务级信息系统测控应用子网，通过无人机分簇自组网、蜂群无人机测控、蜂群网络定位以及无人机任务规划，实现子网一级的精细化协同控制，可有效解决复杂电磁应用环境下无人机蜂群组网编队的问题，成为支撑未来无人机蜂群作战网络应用的基础。

图2 面向未来战场的无人机蜂群自组网分层设计示意图

1.3 网络刚需但承载信息量小的全域特种作战

随着战争形态的迭代演变和社会安全预防形势的不断发展，未来局部冲突条件下的全域特种作战已成为应对战争演化、达成特定作战目的或目标的主要作战行动。特种作战是一种非常规作战，是专门执行秘密突袭、破袭敌重要的军事、政治、经济等目标的战斗和临时应急处突的特殊作战，其具有目标特殊、计划周密、方式独特、手段多样、隐蔽突然、速战速决等特点。可见，特种作战一般只需要监控一个或者少数的目标行为参数，数据量相对较少，采用传统通信手段接入目标区域不仅代价高昂，且极易暴露行动意图，其网络服务的快速构建和抗攻击自适应协同需求突出。移动无线自组网无需线路接入调试，通过加载自组网模块即可快速组网，并协同无线链路传输将相应节点数据通过不同路由最近传送至最优的网络出口，实现对目标区域全时段大范围的信息掌控，可支撑特种作战网络信息优势向决策优势和行动优势的有效转换。

1.4 战场物联网条件下的智能化作战

作为新一代信息技术的重要组成部分，物联网已成为“信息化”时代发展的标志性产物，并逐渐应用于军事领域。战场物联网是指战场环境下各类装备、设备物物相连的战场互联网，其核心和基础仍然是强大的战场现代化网络体系，并且要求网络延伸和扩展至战场智能设备、传感器和无人机等武器装备节点，实现无阻碍的信息交换和通信，也就是战场装设备间的物物相息，即战场物联网终端通过智能感知、识别等技术实现信息采集，并传送到网端进行信息交互。因此，战场物联网环境下，作战数据的潜在源泉需要高强度的“连接性和安全性”，即需要一个强大的网络生态体系以保证战场上的竞争优势，而随着战场物联网智能终端数量的不断增加，传统网络的星型拓扑结构难以提供足量的接入地址，以满足智能化战场网络体系构建的现实需求，网络拓扑组织方式的突破创新已迫在眉睫。移动自组织网络可以使不同终端自行组网连接，并通过就近的网络出口进行网端信息交互，必将成为未来战场物联网生态构建的基本依托。

2 信息服务技术体系

移动终端用户实时、精准的服务需求要求移动信息服务保障必须具备随节点移动而动态变化的网络拓扑、信道支撑和业务应用的自适应能力。利用移动自组织网络作为骨干信息交互网络构建移动信息服务体系是对战场移动信息网络链路组织方式的突破，其实现简单、网络容量大、保密性好、抗干扰能力强、使用灵活且功能齐全，可有效减少不必要的基础通信设施，节约信息传输成本，提高信息服务的精确性、实时性和稳定性［11］，其技术体系主要包括无线频谱管理、动态网络拓扑控制和移动自组织网络并行交互等内容。

2.1 无线频谱自适应管理技术

战场环境下，频谱授权用户对于频谱使用的优先权和使用情况的未知随机性，将引发无线网络底层频谱资源可用性不确定，进而导致无线资源随意抢占，传输质量无法保证、数据传输拥塞以及端到端传输稳定性差等系列衍生问题。加之，战场无线自组织网络处于频谱可用性未知、路由拓扑变化频繁的环境中，频谱自适应管理难度更大。

如图3 所示，本文针对战场频谱静态分配机制易造成频谱资源利用率分布不均匀的实际，根据移动信息服务质量需求，设计战场无线频谱选择、频谱共享、频谱迁移机制，构建无线频谱自适应管理技术架构，实现频谱资源的自适应动态调配。图中物理层和链路层通过频谱探测、频谱共享实现频谱自适应管理；网络层和传输层通过频谱迁移、频谱决策，消除战场频谱资源动态变化对上层端到端路由和传输性能所造成的影响，即当移动自组织网络拓展至多跳范围时，为实现具有移动服务质量保证的端到端路由和负载均衡、拥塞最小化的数据传输，需要在网络层、传输层和应用层自适应优化对频谱资源动态变化的处理。因此，如图4 所示，本文面向系统感知层面、管理层面和数据层面，设计战场无线频谱管理分层管理技术架构，确保系统稳定运行。其中，环境感知管理器主要是对通信环境进行感知并对感知策略进行管理；资源管理器主要用于对节点接入策略进行管理；端到端连接管理器主要用于在移动自组织网络源端到目的端之间建立稳定、高效的端到端路径，当环境感知管理器探测到频谱可用性发生变化时，协同节点的拓扑随之进行改变，确保节点的连通性同步变化；业务需求管理器主要为无线自组织网络的传输提供稳定、高效的传输机制。

图3 无线自组织网络频谱自适应管理技术架构

图4 移动自组织网络分层管理功能架构

2.2 动态网络拓扑控制技术

移动自组织网络是通过多跳接力的方式进行信息交互，如何选择最优的数据交互路径是链路构设的核心问题［12］。如图5 所示，本文提出的移动自组织网络拓扑结构优化技术，就是将战场无线自组织网络的拓扑结构控制在链路层实现，即拓扑结构控制只涉及链路层和物理层，不涉及网络层，从而在网络传输稳定的前提下，实现及时高效的网络拓扑结构自适应优化控制，确保可持续提供稳定可靠的端到端信息交互服务［13］。

图5 移动自组织网络链路层拓扑结构优化控制

2.3 移动自组织网络并行交互技术

移动自组织网络通信节点具有移动性，无线信道感知和实际可用带宽动态变化，极易导致无线网络链路出现不确定间歇性中断的问题。因此，如图6所示，本文采用多Radio 并行传输机制来提供高效、自适应的端到端网络交互服务保障，即将移动自组织网络建模为多条有向无线链路，任意一条均可定义为有序的信息交互节点序列，利用节点活动规律计算信道可用率，并通过标准凸优化问题求解，选取最优传输链路。

图6 移动自组织网络多Radio 并行交互技术原理图

3 军事移动信息服务模式

战场末端信息服务需求的多样性决定了军事移动信息服务模式的复杂性；移动节点时空分布的不确定性，决定了战场移动信息获取和处理服务必须具备广泛共享、有机集成和高效协同的功效。因此，军事移动信息服务需着眼战场信息高速流转和有效利用的现实需求，从优化作战应用流程、整合协调信息资源、完善信息服务闭环的角度，探索满足不同对象、不同层次、不同场景的复杂服务模式，构建以战场移动无线网络生态体系为依托，不断演进的、集多种服务手段于一体的军事移动信息服务模式，解决战场信息服务在时间、空间、效能上与作战任务同步的问题。本文根据战场无线网络支撑性能状况，将移动信息服务分为终端在网、网络性能弱化（劣网）和终端脱网3 种典型应用类型。

3.1 在网移动信息交互共享服务模式

3.1.1 在网移动信息主动推送服务模式

在网移动信息主动推送服务模式是系统主动分析、获取和处理用户信息需求，并把个性化信息产品主动推荐给用户，从而减少需求传递环节，缩短信息交互流程，提高服务时效性。

如图7 所示，在网移动信息主动推送服务模式就是根据用户属性和行为特征进行信息服务需求分析，自动搜索数据库，进行数据产品整编，并按需求清单将信息预先主动推荐给用户的服务方式。其中，对于动态敌情侦察、恶劣天气预报、地质灾害预警等时间敏感性强的动态信息、任务信息和预警信息，均应采用主动推送的服务方式，以方便用户预先采取应对措施。可见，在网移动推送服务模式可分为以下几种类型：

图7 在网移动信息主动推送服务模式示意图

1）定向推送服务，即对用户的作战任务、作战行动和行为习惯进行研究、分析，提取和预测用户信息服务需求，并自主向用户推送其可能需要的、有针对性的信息产品，定向推送的关键核心在于设计用户信息库，跟踪和记录用户的行为规律，全程完善信息需求数据库，构建用户需求管理和预测模型，并根据用户需求预测结果对信息资源进行筛选和综合集成，进而向用户进行个性化推荐，使主动推送服务更具针对性和精确性。

2）定制推送服务，即用户根据自身需要和节点终端性能特点，自主选择信息内容和服务功能进行订阅，系统按照用户订阅主题进行信息选取、服务组织和综合集成，并按权按约定时定点推送给用户。定制推送服务是由用户指定的信息服务需求驱动，其关键在于用户要了解掌握移动信息服务系统能力和状态，需求制订必须科学合理，其主要分为定期推送和即时推送两种类型，定期推送主要是满足用户相对稳定的服务需求，而及时推送则主要是针对突发事件的预警信息服务。

3）应急推送服务，即快速处理和分发所获取的突发事件信息，并主动推送给相关节点用户，弥补定向推送服务因战场情况偶然性和不确定性，而难以准确把握用户动态性需求的缺陷，其关键核心是准确分析判断突发事件信息，并选择最短路径进行信息推送。

3.1.2 在网移动信息自主提取服务模式

在网移动信息自主提取服务是终端用户通过移动资源目录系统或移动检索引擎，主动查找、获取权限内信息和调用移动信息处理等功能的服务方式，是用户主导并自主完成的信息服务模式。对于短期内变化不大，且需要大量计算和存储资源支撑的基础综合信息，如法规政策信息、情报影像信息、人员编制信息、装备信息等，均可优先利用自主提取的方式获取服务。因此，如图8 所示，在网移动信息自主提取服务模式就是将各种相关信息资源按照目录标准进行分类整合，终端用户可借助目录系统索引或关键词检索，从数据库中提取所需要的信息并在终端设备上直观展示，其信息服务模式主要包括以下两种类型：

图8 在网移动信息自主提取服务模式示意图

1）数据自主提取服务，即移动终端用户在相应的访问权限下，根据自身需求，进行信息的查询和下载。

2）服务自主调用服务，即移动终端用户通过门户节点的软件服务接口，直接按规定接口调用系统功能软件，并同步共享后台软件功能的更新和升级服务。

3.1.3 在网移动信息按需订阅服务模式

在网移动信息按需订阅是一种“推、拉”结合的军事移动信息服务方式，是终端用户根据自己需要，从移动信息服务系统提供的各种信息目录中，选择自己所需要的信息服务进行定制，系统对定制信息汇总分类后，根据用户定制信息类型和内容，把具有个性化特殊需求的定制信息定期发送给订制用户，其示意图如下页图9 所示。对于重要目标、重要时段和重点地区的气象水文、电磁状态和交通实时路况等，具有个性化需求的战场环境信息和专业敌情信息，均可采用按需订阅的方式为授权终端用户提供服务。

图9 在网移动信息按需订阅服务模式示意图

3.2 劣网移动信息同步加工服务模式

劣网移动同步加工服务是指移动网络传输带宽支撑条件不足时，采用的一种预置同步加工的应急优化服务方式。如图10 所示，军事移动信息服务系统预先根据移动应用数据标准、结构特征和场景模型，建立移动信息服务数据字典体系，规范数据应用环节，并整编关键信息元素字典检索数据库；紧急劣网情况下，针对军事用户所处的移动环境和所持移动终端或所使用移动节点设备的性能特点，对信息内容进行专题优化加工，提取如即时信息、核心信息、线索信息等便于快速存储、传输和处理的，表示单一实际对象的关键信息元素，利用有限的网络资源进行传输；移动终端接收到同步加工数据包后，利用离线字典检索查询软件进行数据包解析反编译，获取相关信息服务内容，并基于标准数据进行体系内服务交互，从而最大程度地提高军事移动信息服务的战场适应性。

图10 劣网移动信息同步加工服务模式示意图

3.3 脱网移动信息协同联动服务模式

脱网移动信息协同联动服务是指受限于移动服务环境与网络支撑状况，在终端脱网情况下，基于移动自组网技术进行的一种离线应急信息服务方式，其关键核心是在移动军事信息服务体系中构建自适应移动终端路由网络生态体系，即通过加载自组网模块，使移动终端既可以作为节点处理器，也可以作为自组织网络路由器（即移动路由器），即每个移动路由器均可自带一个移动网，确保节点在移动的过程中始终保持与整个网络体系的连接。而对于网络的其他部分而言，节点看起来似乎仍然位于本地网络之中，但其实际上处于移动路由器的移动网中，从而实现了战场移动信息服务网络资源的不间断调用。如图11 所示，移动终端在脱网情况下，可迅速启动自组网模块功能，以节点处理器的身份通过自组织网络验证，就近加入移动路由器所携带的移动网络体系，并相互协调配合、协同运作，共同完成移动信息的获取、处理和传输等服务任务，打破战场网络资源（或系统）之间的各种壁垒和边界，实现移动军事信息服务资源统一调配，从而解决终端脱网无法工作的移动信息服务瓶颈问题。

图11 脱网移动信息协同联动服务模式示意图

4 结论

本文针对目前战场移动信息服务网络链路组织过程中存在的需求分析不完备、网络交互不稳定、数据保障不充足、服务组织不灵活等问题，在分析移动自组织网络战场应用情景的基础上，面向战场末端进行终端自组织网络应用问题研究，提出了战场无线频谱管理、动态网络拓扑控制等战场移动自组网方法，创新了面向战场末端自组网的在网、劣网和脱网移动信息服务模式，为促进军事移动信息服务体系更好地服务于作战，实现军事固网、移动信息服务体系的有效融合，增强综合信息服务“兵力倍增器”的效能，推进我军联合作战信息保障能力提升提供理论和技术支撑。如何进行移动自组织网络信息交互接口技术瓶颈突破，研究基于终端自组网的战场移动信息链路组织方式将是下一步研究的重点。