水下智能跨域异构网络设计

李壮，孔军，刘鹏，黄珊琳，高天孚，邓尧文

(中国舰船研究院，北京 100192)

0 引 言

近年来，美军先后提出空海一体战、多域战、蜂群作战、分布式作战、算法战和马赛克战等作战概念，并且随着人工智能、大数据、云计算等技术的快速发展和应用，未来海战将越来越表现出智能化、无人化的作战概念，依托先进网络能力、人工智能处理、计算和联网、分布式指挥控制等能力，形成基于海战场的陆、海、空、天、网电跨域协同的分布式、开放式、可动态协作和动态重组的网络架构，受限空气-海水2 种介质时空环境的非连续性，导致缺乏十分有效的远程跨介质水面-水下通信手段和途径，在信息下发、回传和兼顾隐蔽性时面临了较大的困难。为应对我国水下战略建设急需，解决水下信息出入水难题，迫切需要在现有通信链路的基础上，通过认知等手段开展水面/水下跨域协同异构网络的设计。

1 水下认知跨域异构网络

未来海战场网络是基于陆、海、空、天、网电跨域协同的分布式、开放式、可动态协作和动态重组的网络架构，其水下跨域网络以水面-水下有人与无人平台之间构建的分布式广域通信网络为对象，分析水面-水下不同网络信道参数、组网协议、路由信息和功能模块的自适应调整流程，开展水下通信网络的端到端服务质量映射和流量控制机制研究，实现不同信道异构适配和跨网转接。

水下认知跨域网络是在不同信道环境下，充分考虑水下环境下衰减大、时延高、窄带宽以及多途扩展严重等诸多困难，通过与不同外界环境信息的实时感知与信息交互，通信系统不断获取不同传输信道的背景知识信息，并反馈给通信系统调整其通信参数，进而实现信息的跨域异构传输。因此，水下认知跨域网络通信系统具备感知外界环境能力，可根据水下信道特征、水下环境参数、组网和路由协议、业务传输种类和类型等动态的调整传输频点和相关通信参数，具有高度的智能属性是该通信系统最大的特点。

水下认知跨域网络的目标是优化通信传输性能，支持不同业务的跨域异构传输需求，在满足用户对不同业务通信需求的同时，对使用频带、接口转换、业务类型、传输流程和服务质量等资源的消耗动态调配，进而实现了传输的最优化。认知功能模块是该通信系统的关键设备之一，基于对周围环境和信道的知识获取来自适应重新配置网络参数，通过环境感知和自主建模构建认知、建模、学习、反馈的一体化智能跨域网络通信系统。

2 认知跨域异构网络体系架构

2.1 异构网络体系架构设计

面对海战场陆、海、空、天、网电跨域协同的网络需求，结合异构网络和认知网络的特性，提出了面向未来的新型信道认知异构网络体系架构，采用服务层、网络层和接入层3 层体系架构，将多种异构信道接入网络，如水声通信网络、数据链网络、卫星通信网络等。其中，服务层为用户提供应用服务，提供各种业务和应用。网络层采用全IP 服务化架构，为整个网络的提供控制及管理功能，用户通过接入层实现水声、数据链、卫星等各种通信手段接入网络，体验应用服务，可在不同接入网络间进行动态切换，如图1所示。

图 1 跨域认知异构网络体系架构Fig. 1Cross domain cognitive heterogeneous network architecture

全IP 核心网：全IP 核心网部分是跨域认知异构网络架构中最核心的部分，负责认知异构网络的管理和控制。它由大量分布式跨域认知节点组成，全IP 网络这些跨域认知节点可以由各种有人-无人平台、浮标、潜标等通过软硬件升级，嵌入认知功能模块后实现。

信道接入部分：水声通信网络、无线通信网络或其他网络通过信道接入集成到跨域认知异构网络。在整个认知过程中信道接入部分主要完成感知和动态接入的步骤，不断感知外界环境的变化以及不同业务的需求信息，并将结果上报全IP 核心网，通过在核心网进行环境参数、组网协议、业务内容自适应的动态调整，将结果反馈给信道接入部分，动态接入不同信道。

跨域认知异构网络设计的思想是为了提高整体网络传输性能，并不是非局限在某个节点、某种业务或者某条信道中，跨域认知异构网络的认知功能实现了网络从追求单个节点优化目标转变为实现整体网络效能优化目标的共赢局面。

2.2 跨域认知节点设计

跨域认知节点中采用了分层跨域设计思想，该思想的核心是避免重新建立一个新的网络，而是在现有的网络基础上增加一些新的功能。跨域认知节点框架如图2 所示，由认知平台模块、认知层接口模块、知识模块、决策模块和协议适配模块等功能组成。该架构能够完成从认知、建模、学习、反馈等功能组成的闭环认知流程，进而实现认知节点信息的跨域异构传输。

图 2 跨域认知节点框架Fig. 2Cross domain cognitive node architecture

认知平台：认知平台的主要功能是在认知节点内部各功能单元间、认知节点间以及节点与业务应用间执行信息传输和交互。认知平台由分布式的跨层优化模块组成，该模块主要功能是通过不同层数据交互模型和网络参数模型的不断反馈，并根据不同用户的业务应用需求，采用相应的算法实现资源的不断优化，通过基于端到端服务质量映射和流量控制机制处理业务、资源、位置以及各种时空变化的需求智能选择配置节点，并且在每个可重配置节点执行重配置信息，这些可重配置信息由软件定义并可在时间和空间上改变，通过软件模块进行重配置。

认知层接口模块：认知层接口模块的主要功能是收集各协议层的信息并控制传输协议参数，其主要交互接口为协议层接口模块与认知模块，认知层接口模块负责收集各协议层的原始信息，主要根据协议层之间不同的认知平台状态，执行相应的控制指令。认知层接口模块负责感知各协议层信息，并上报给认知平台，进而存储在知识模块单元中，主要根据认知平台的指令反馈给协议层，重新配置各协议层参数。

决策库模块：决策库模块是一个具有优化功能的模块化决策池，与认知平台具有接口连接，并为认知平台提供深度学习等各类先进的人工智能算法，根据所要解决的不同问题，认知平台调用决策库中合适的人工智能算法，解决异构网络中出现的各种优化问题。

知识库模块：知识库模块具有数据分析功能，与认知平台具有接口连接，根据网络需求和自身存储的经验和知识数据，包含用户业务需求信息、节点之前决策和经验信息等数据。知识库模块可以对其进行分析，当接入节点感知到环境信息变化时，知识库模块可根据变化重配置节点参数。

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协议适配单元：当异构网络节点间需要进行信息交互时，可通过协议适配单元进行不同协议和格式的消息进行标准化适配转换，进而保证异构节点间的通信。

3 跨域协同通信系统

3.1 系统组成

跨域协同通信系统以网关通信浮标、潜标和UUV 等为主要节点装备组成，水面以下以水声通信方式实现节点之间的信息接入和传输，水面以上通过卫星、数据链等通信方式实现节点的信息接入和传输，可为水下预警探测、指挥控制、导航定位和海洋观测等业务应用提供通信链路。

跨域协同通信系统采用认知异构网络架构，其主体由“两网一系统”组成。“两网”即无线通信网和水声通信网，为岸、海、空、潜等各类平台之间信息传输提供基本手段，主要包括超长波、短波、超短波、微波、卫星、水声及光缆等各种无线、有线传输手段，以及各个频段的数据链。“一系统”即通信管控系统，主要包括综合业务应用、通信指挥、网络综合管理、频谱管理及安全防护等五大功能域。在水面/水下协同跨域体系的上层是岸基、移动平台的各种信息系统（含用户终端系统）。跨域协同通信系统组成结构如图3 所示。

图 3 跨域协同通信系统组成示意图Fig. 3Composition diagram of cross domain cooperative communication system

3.2 系统接入和传输

跨域协同通信系统通过对通信资源进行有效整合和综合管理，构建分层传输服务体系逐层向上提交服务，向下屏蔽网络异构细节和变化，改变现行基于指挥关系建立的树状通信网，解决目前指挥所与数据链转信站点绑定使用等方面的问题，提高通信传输可靠性，支持综合应用各类通信手段进行实时格式化战术数据、非实时数据、语音、视频等信息传输。

用户/应用系统根据作战要求，提出通信网络规划要求，并将需传输的信息和质量需求提交至信息分发服务层，信息分发服务层根据信息的传输服务质量要求（如指挥信息的时效性和可靠性、情报信息的保鲜性等）将用户和需传输的信息进行分级分类，并按级、按类向信息传输服务层提出传输要求。

信息传输服务层汇总各类传输要求，统一调度通信资源，在信息分发服务层与信息传输网络之间建立逻辑链路，实现应用与物理链路的映射和基于逻辑链路的资源调度，解除上层应用与具体物理链路的绑定，进而实现不同物理链路之间的网间路由、随遇接入可靠传输等功能。

根据任务统一开设通信子网，通过实时上报的子网状态和信道质量，集中对各通信子网进行管控，并可通过自适应选频、跳扩频等技术，以及灵活路由组织使用多种备用通信手段等网络技术，从物理链路、网络控制等多层面开展通信系统抗干扰设计，以适应复杂电磁环境。

3.3 系统架构设计

跨域通信系统是水下信息传输和共享的重要手段之一，水面/水下跨域通信总体架构由水下信息处理中心节点、网关认知节点、主节点和探测节点配置组成，其总体架构如图4 所示。

图 4 水面/水下跨域通信总体架构Fig. 4Overall architecture of surface/underwater cross domain communication

1）水下信息处理中心节点

水下信息处理中心节点包含岸基水下信息处理中心和编队水下信息处理中心。其主要功能是与网关节点配合形成数据链路，基于岸海之间的通信协议和格式，水下信息处理中心与网关节点之间可传递水下目标信息和指挥控制信息。其主要通信链路包含数据链和卫星通信等无线通信链路。

2）网关认知节点

网关认知节点主要负责水下信息网与外部信息的沟通，具有认知功能，并承担跨域信息格式协议转换作用。该节点为水下信息网与外界联系的纽带，也是水下网络信息系统与海战场信息交互的核心。网关认知节点主要包含移动和固定节点组成，固定节点通常采用水声/无线电浮标（包括拖曳综合浮标、系留浮标、空投浮标等）构成视距无线电通信链路，移动节点采用有人或无人移动平台充任。

3）主节点

主节点是水下信息网的核心，每个主节点周围可布放若干普通传感器节点，通过主节点对它们进行控制，并承担附近传感器节点与外部信息交流的中继。普通传感器节点信息最终汇聚到主节点上，因此主节点是整个通信网络的关键节点，要求其具有隐蔽、低功耗、远距离通信能力。

4）传感器节点

传感器节点一般都包含水声通信节点和水下探测设备。水声通信节点负责水声节点之间通信，同时进行信息的调制和解调；水下探测设备完成信息的采集，并通过传感器节点与各型平台通信声纳同构节点联网，同时发挥网关节点的作用，水下探测设备可由水下有人/无人平台构成，通过传感器节点接入异构网后，可以与无线通信各节点实现异构信息联网，在水下状态下传输隐蔽性较好的业务信息，并与海、陆、空、天等上层主干网络连接，实现更大范围的信息交换。

4 结 语

本文针对我国水下战略转型发展要求，满足未来军事战略安全需求，解决水下信息出入水的难题，对水下智能跨域异构网络进行具体分析和研究，提出了一种面向未来的水下智能跨域异构体系架构，设计跨域协同通信系统，通过对异构网络组成、接入传输手段和认知节点的设计，实现水下信息的信息传输和共享。