基于SDN 的航空通信服务调度关键问题分析*

冉金鹏，王 翔，赵尚弘

（空军工程大学，西安 710077）

0 引言

航空领域一直以来都是体系化全域战场的重要组成部分，经过近现代历次战争的实践检验，其作战力量在军事作战领域发挥了不可替代的作用，作为一种战略力量，在关键时刻能够发挥决战决胜效果。近年来，我国围绕如何有效应对周边国家与地区在军事航空领域的威胁做了大量相关调查与研究，周边一些潜在对手已陆续装备先进作战飞机、航空武器等；外军的高性能航空平台将迫使我国立足于现有航空作战力量，以一种“不对称”思维最大限度发挥平台效能。此外，随着航空作战理念、作战方式的不断演进，新兴信息技术创新发展，未来的航空作战将面临高度不确定性、动态性和对抗性的战场环境，这将促使我航空平台必须能够灵活适应战场环境变化，满足航空作战高性能需求。因此，针对航空领域空中作战特点，构建满足作战任务需求的航空平台信息支援体系是达成空域系统对抗、体系制胜的关键。

1 航空通信服务调度概述

航空信息网络是指利用可用的有线、无线通信链路和适当的组网机制将各层、各类的航空平台、传感器等链接形成的信息化网络系统，具有大尺度、高动态、覆盖广、网络异构、资源受限、业务多样等特点。作为连接卫星网络与地面网络的空中通信节点和枢纽，对上完成天基信息的及时注入，对下完成地面指控信息的向上输出，实现平台转发、传输地面指控信息和空中感知信息，以及空中指挥决策的功能，在空天地一体化网络架构中起到承上启下的作用。良好的广域覆盖性、高灵活性、动态自组织性，使得航空信息网络在航空航天、ISR（Intelligence Surveillance Reconnaissance）一体化系统、通信中继、应急救援、协同作战等领域具有广泛应用［1-3］。尤其是在军事航空领域，通过构建一体化作战航空信息网络平台，扩展现有地面指控系统至空中，提升空战场信息资源共享能力，有效夺取战场态势主动权，达到快速反应、超强决策、灵活自组织和高效协同的目的，将是未来军事航空信息网络的重点发展方向。

航空通信的服务调度是以航空平台网络为信息交互纽带，依托网络的高效信息交互能力，实现各类信息传输满足业务应用需求，为航空用户提供高效服务。当前阶段，航空平台网络规模不断扩大，应用需求愈发多样，作战任务与战场环境复杂化，对航空信息网络服务质量需求提出了更高的挑战。由于受平台载荷、电磁兼容性、计算能力、存储能力等因素限制，仅仅依靠单一的作战能力强而全的航空平台已无法满足日益复杂的空战任务需求［4-5］，未来航空作战必然发展成为多平台联合作战模式，依托信息体系优势，弥补单平台性能差距。然而，现有的航空信息网络过多强调单平台作战效能，多平台间协作少，协同关系不紧密，战术协同效能较低，机载网络系统的开放性、兼容性、灵活性、互操作性较差，难以保证持续不间断的航空通信服务。

基于此，迫切需要开展针对多航空平台间通信服务调度相关问题的研究，以提高网络可控性及以资源优化利用为目标，高效合理地对航空信息网络进行配置管理，实现航空作战资源的灵活调度与互联共享。

2 航空集群发展及研究现状

“集群智能”［6］是指多个无智能个体为了达到同一目的，通过紧密协作所涌现出的异常复杂的群体智能行为。由于其巨大的军事效益，美军方面很早就着手发展相关技术，最具代表的当是智能无人集群。智能无人集群是指由大量无人航空平台综合集成，以航空信息网络为通信纽带，以平台间协同组织能力为基础，构建的具有低成本、强抗毁、自组织、高智能的分布式空中移动作战系统。近年来，随着“集群”优势在军事领域逐步显现，国内外研究机构对其展开了深入研究并取得阶段性成果。

1）美国、芬兰等其他国家。早在2005 年，美国国防部就发布了《无人机系统路线图2005-2030》［7］，文件中明确指出推动无人机集群技术向作战需求靠拢，实现集群的全自主能力。随后，在2016 年和2018年又分别发布了《小型无人机系统飞行规划2016－2036》和《2017-2042 无人系统综合路线图》［8-9］，进一步强调了无人机集群的作战优势，指出集群作战将是未来联合作战的重要分支。

在完成无人机集群技术路线规划后，美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Project Agency，DARPA）开展了一系列试验验证，其中，典型项目如下页图1 所示。2015 年发起“快速轻量自主”（FLA）项目［10］，希望通过研发先进的感知、控制算法，解决复杂战场环境下无人系统易受干扰和欺骗的问题，并于2018 年6 月测试了小型无人机集群在各种复杂环境下（城市、郊区等）的自主飞行能力。2016 年启动“集群使能攻击战术”（OFFSET）项目［11］，旨在通过对多集群目标的战术操作，研究验证集群战术的生成效率、执行任务的有效性，并于2019 年成功试验了以隔离城市为目标的多个相关战术。

图1 DARPA 发起的部分无人机集群项目

除美国外，其他一些国家也对无人机集群开展了相关研究。2017 年，俄罗斯研究人员透露未来航空作战将是少量有人战斗机与20 架～30 架无人机集群协同作战的模式。2019 年10 月，芬兰提出“压制防空无人机蜂群”项目，实现压制、摧毁敌方防空系统的目标［12］。

2）中国。国内各科研单位同样密切关注无人机集群相关技术研究。2016 年，我国在珠海航展上展示了67 架无人机组成的室外集群飞行试验，成功超越了美军同时期放飞的无人机集群数量，标志着我国无人机集群技术处于世界领先地位。2018 年5 月，中国电子科技集团利用200 架固定翼无人机顺利实现了集群飞行，并成功完成了国内首次小型折叠翼无人机双机低空投放和模态转换试验。这些均为国内开展航空信息网络领域相关技术研究打下了良好基础。

进入21 世纪，以无人机集群为代表的航空集群作战思想正在逐步引起各国军方重视。与智能无人集群概念类似，航空集群是指由一定数量和功能各异的有人/无人航空平台组成，通过集群成员间智能、紧密的协同，涌现出远超单航空平台简单叠加效能的空中作战系统。传统机群以平台为中心，追求单平台性能优势，通过航空平台间简单战术协同完成战术任务；而航空集群则更加强调以网络为中心，依托网络优势，实现集群成员间的高度协作、灵活适应。因此，针对以航空集群作战应用为背景，构建满足集群作战通信需求的航空信息网络，对于提升网络通信服务能力、发挥集群作战优势具有重要作用。

3 航空信息网络架构探索

当前的数据链系统存在诸多问题，一是各类封闭式网络设备内部集成了大量复杂协议，特定的网络协议只能解决特定的问题，转发行为模式固定（比如，路由协议只能依据IP 地址进行转发），缺乏开放的网络接口；二是网络技术标准复杂多样，设备厂商之间软、硬件系统多数互不兼容，设备之间难以实现有效互操作，增加了网络管理、配置、升级、扩展难度，通信服务能力与航空作战任务需求不具备灵活的耦合关系，对业务应用类型缺乏针对性。

面对以上难题，2014 年，DARPA 开展了C2E（Communications in Contested Environments）［13］项目研究，通过建立一个自适应的信息系统开发架构，使得作战飞机不再局限于使用相同的无线电和波形与其他飞机进行通信，以满足不同空中平台的异构通信需求。在此研究成果基础上，DARPA 于2015年启动了DyNAMO（Dynamic Network Adaptation for Mission Optimization）［13］项目，该项目重点关注动态作战任务需求对网络参数的自适应优化调整，能够使当前互不兼容的机载无线电网络高效共享彼此战术信息。

为了克服当前TCP/IP 网络体系结构引发的弊端，解决网络缺乏开放性、兼容性、灵活性和互操作性能力的问题，美国斯坦福大学Clean Slate 提出构建一个全新的网络架构模型，软件定义网络（Software-Defined Networking，SDN）［15］。SDN 作为新兴的网络架构有效打破了传统网络性能“僵局”，通过将控制面从网络设备中剥离出来，使控制与转发分离，并以开放的编程接口实施集中式的网络管控，实现网络功能的灵活重构，有效促进网络的创新和发展。

凭借其易管控、可编程等优势特点，SDN 一经提出便引起学术界与工业界的广泛关注，应用范围逐步从有线网拓展至无线网，以求得具体场景下更大的性能突破。比较典型的如SDN 在车载网［16］、无线传感器网络［17］、5G 网络［18］中的实际应用已经得到了各领域的广泛认可。这种新型网络架构对航空信息网络满足多样化任务需求的特点极具启发性。文献［19-20］均指出SDN 网络范式应用于航空信息网络构建能够带来众多优势；文献［21］总结了机载网络的通信特征及其面临的诸多挑战，明确指出SDN 技术能够简化网络的部署和管理，有利于设计可扩展、高容错的航空信息网络体系架构。

国内乔文欣等［22］针对现有航空通信战术数据链存在通用性差、封闭性高等局限，提出基于SDN逻辑集中控制思想构建虚拟数据转发路径，满足点对点间高速数据传输需求。赵尚弘等［5］基于对军事航空信息化作战的思考，分析了航空集群作战应用对机载战术网络的基本能力需求，总结了将SDN 设计思想运用于构建航空集群机载战术网络的优势，在此基础上设计了一种面向集群空战的机载可定义网络架构，如图2 所示。

图2 面向集群空战的机载可定义网络逻辑架构

在具体仿真验证方面，文献［23］提出了一种基于SDN 的航空网络弹性多路径路由协议，使得多无人机之间的平均端到端中断率和延迟分别降低了18 豫和12 豫；文献［24］针对基于SDN 的机载战术网络环境，提出了一个控制通道消息通信协议及基于该协议的传输框架，通过仿真验证了该设计方案能够满足可靠、实时的信息交互需求。

SDN 技术由于其革命性、颠覆性的架构特点，目前已经成为诸多学者重点研究的对象，尤其在应用领域的发展，几乎已经渗透至目前所有网络领域，为网络的创新和突破带来了前所未有的机遇。

4 对比分析

根据国内外研究现状可知，目前对航空作战领域的研究正处于从传统“机群”作战向“集群”作战转变的阶段，相应地，组网方式从简单的协同组网转变为灵活的集群组网。面对集群通信这一全新的网络模式，现有的航空信息网络仍存在以下问题。

1）应用背景简单。当前对航空信息网络的应用主要以编队协同为背景，以传统协议模型为基础，通过提升航空信息网络的模块化与综合化程度，设计、改进和优化网络协议及网络参数，引入更多统一且开放的网络接口来进一步提高网络的灵活性、互操作性。没有以航空集群这一未来新型空战模式为应用背景，缺乏对新背景条件下全新信息交互需求能力的思考与探讨。

2）发展思路固化。为了提升航空信息网络的综合性能，现阶段主要采取的方法（如优化通信系统结构、改进通信协议及引入新物理层技术等）确实起到了一定的效果，但始终都是一种“打补丁”的改进思路，并不能从根本上解决问题。航空集群的能力涌现和进化，要求航空信息网络提供的通信服务能力同样具备与之相适应的涌现性和进化性，若继续以“打补丁”的方式提升网络性能，将不可避免地造成网络更加笨重和僵化，导致难以支撑集群作战的有效进行。

3）具体瓶颈显著。一是以往的“一站式”、“烟囱式”的航空信息网络设计思路已固化了当前航空网络的基础架构，导致难以在现有框架下对其性能进行根本性提升。二是当前的各类数据链系统基本采用定制化的设计思路，不同系统针对特定的需求设计，仅能完成其特定的战术功能，互操作能力非常有限，缺乏耦合任务的差异化网络服务能力。三是这些数据链系统大都缺乏开放的系统访问接口，导致在运行系统前必须基于专用工具进行人工化的参数配置与加载，配置与管理过程复杂，开放性、灵活性不够。

面对以上存在的挑战，SDN 以其开放性、兼容性、灵活性、互操作性等无可替代的优势，能够较好地满足航空集群作战通信需求，实现航空信息网络的无缝接入和信息互联共享，具体体现在以下几个方面。

1）支持高效灵活的网络管控。航空集群较大的组成规模、作战能力强弱不一的航空平台以及任务执行过程中对网络服务较强的多样性和动态性需求等因素，使航空网络在提供网络服务时必须具备较强的管控能力。部署在大型飞机平台（如指通机、预警机等指控飞机）上的SDN 控制器具有综合信息处理和集中网络控制功能，依靠其下发的网络配置策略对战术数据流进行适应性处理，一方面可以在不同平面通过控制器统一部署创新性的网络功能、服务和应用，提升网络配置效率和管控的灵活性；另一方面数据面与控制面的独立发展有利于系统的升级和扩展。

2）满足异构子网间无缝互操作。未来空中通信环境具有复杂性、不确定性等特征，不同网络技术在不同航空平台和作战应用背景下往往各有优势，但同时又各有缺陷，促使航空网络需要具备无缝的网络技术互操作能力。SDN 恰恰提供了开放统一的可编程接口，通过控制器实现网络数据的统一抽象化处理，较好地摆脱了网络底层物理操作的繁琐细节，促使异构子网间的互操作以及网络服务能力的灵活扩展、升级。用户可以结合具体作战任务和战场环境的变化，利用开放式统一接口，灵活发挥各平台网络技术的潜力优势。

3）提供差异化的网络服务。在航空集群作战应用背景下，网络服务需求会随着作战任务的不同而相应改变，而作战任务常常快速动态变化，因此，要求航空信息网络必须能够提供灵活耦合任务的差异化网络服务。而SDN 的控制面提供了网络虚拟化的功能，可以根据任务执行对象及其交互业务的特点，灵活构建承载不同高价值信息内容以及具备不同网络服务质量等级的逻辑通信子网，为不同任务的执行提供针对性的网络服务，从而在基于全局视图基础上实现全网的差异化服务。

在集群作战应用过程中，航空用户的业务需求在本质上可视为网络中的诸多逻辑通信子网，根据作战任务需求特点，借助于共享资源池向各集群成员动态分配作战资源以完成具体作战任务。整个过程可以概括为：首先依托软件定义航空信息网络的控制面，完成对全网的逻辑集中控制，然后利用节点可编程特性提供的虚拟化功能，为战场环境中不同航空用户提供差异化的网络服务。其实质就是航空信息网络的服务调度，最终的目的是实现信息传输符合航空用户需求，其中的关键问题形式化描述如图3 所示。

图3 关键问题的形式化表示

1）面向航空信息网络的控制逻辑部署问题。要实现将SDN 网络基本范式完美地应用到航空信息网络中，首先要解决的就是网络的管控问题，即控制逻辑部署问题。传统SDN 网络采用集中式的网络控制器，在战场环境下存在控制时延大、网络鲁棒性不强、可扩展性较弱及负载失衡等问题。因此，研究满足逻辑集中分布式协同的控制逻辑部署方法，以网络延迟、可靠性和负载均衡等指标为优化目标，在保证网络性能的基础上完成对控制面的灵活构建，这是实现SDN 网络范式与航空信息网络有效融合的关键。

2）航空信息网络生存性资源映射问题。在完成对航空信息网络的灵活管控之后，需要进一步以提升灵活耦合任务的差异化网络服务能力为目的，构建具有针对性功能的信息传输新模式，从而使航空信息网络有限的通信资源发挥最大的通信效能。构建具有差异化服务能力通信网络的关键就是有效屏蔽各种资源的异构性，使底层物理实体资源可以在多个虚拟子网间得到共享，核心问题就是如何给不同虚拟子网分配物理资源，即虚拟资源的映射技术。在由一定数量和功能各异的航空平台构成的航空集群中，平台上搭载的所有机载设备可以抽象成一个“共享资源池”，池内包含了集群作战所需的各类计算、存储、武器等资源。而在资源映射过程中，很可能出现节点或链路映射的“瓶颈”现象或者网络故障问题，这对保证持续不间断的通信服务提出了更高要求。

3）考虑多自治域的可靠资源映射问题。多个自治域的情况在航空集群中可以看作多个任务协同编队，编队内部集群成员间可以高效共享彼此传感器信息，编队之间须通过骨干链路进行通信连接。对于决策平台而言，由于各个物理域详细的网络资源和拓扑信息未全部公开，且跨域链路代价相比域内更加高昂，使得多域的虚拟网络映射问题更加复杂，在满足通信服务能力需求条件下提升网络性能难度更大。因此，如何针对航空信息网络中有线链路与无线链路共存的场景，选择合适的边界节点和相应的域间链路，实现多域虚拟网络资源合理优化分配，提高可靠映射效率，是一个值得重点研究的课题。

5 结论

SDN 的出现为发展航空信息网络开辟了全新研究方向，满足了当前航空网络系统所需的开放性、兼容性、灵活性和互操作性等网络性能需求。然而，要在航空集群背景下将SDN 技术完美地融合到航空网络中去，还需要考虑一系列针对航空环境的适应性问题。因此，在借鉴地面有线网络解决方案的基础上建立相应模型，分析研究SDN 技术在航空信息网络的实现手段具有重要现实意义。