基于空中自组网的导调通信网络系统设计

◆李海滨 唐晓刚 周尚辉 吴署光 王梦阳

基于空中自组网的导调通信网络系统设计

◆李海滨1，2唐晓刚1周尚辉1，3吴署光1，4王梦阳1，5

（1.航天工程大学 北京 100000；2. 66242部队 内蒙古 026000；3. 95806部队 北京 100000；4. 32039部队 北京 100000；5. 66138部队 北京 100000）

近年来，随着无人机与无线自组网技术的不断发展，二者结合的无人机自组网作为空中自组网技术的一个重要组成，在越来越多的领域展现出了广泛应用前景。本文针对当前基地化训练中导调信息系统主要依托于固定基础设施，从而导致在向全域作战转型要求下基地化训练的广域延伸性和灵活机动性不足问题，通过分析研究空中自组网的技术特点及应用优势，结合提升基地化训练中全域全时导调评估能力的实际需求，提出一种基于空中自组网的机动导调通信网络设计构想，并探讨了空中自组网在机动导调通信保障中的几种典型应用场景，为丰富补充基地化训练中的机动导调通信保障手段提供参考与借鉴。

空中自组网；机动导调；基地化训练；通信保障

随着我军规模结构与军事力量编成改革的深入推进，部队执行多样化军事任务能力得到有效提升，作战模式正在由区域防卫型向全域作战型加速转变。基地化训练作为我军检验提升战备训练水平、评估体系作战指挥能力重要手段，需逐步提升对参演部队在战备等级转换、远程机动投送和实兵对抗演习等期间全域全时组织导调评估的能力。当前，基地化训练导控裁评系统主要依托于固定基础设施支持的通信网，广域延伸性与灵活机动性不强，不利于作战空间的全域拓展。近年来，无人机与自组网技术正在快速应用与发展融合，具有组网成本低、部署机动灵活、自愈能力强等特点。作为一种无中心、自组织且无需预设使用场景的空中无线网络系统，无人机自组网已经越来越多地在各个领域提供可快速部署的应急机动通信网络0，如公安现场应急通信0、应急救援0、震后灾情观测0等。尤其是在军事领域，随着无人机蜂群技术的研究与发展0，使得无人机与无线自组网结合应用产生了巨大的潜力。

本文将参考无人机自组网在以上领域的应用模式，提出一种基于空中自组网的机动导调通信网络系统设计构想，并对其在机动导调通信保障中的典型应用场景进行探讨分析，为丰富补充基地化训练中的机动导调信息保障手段提供参考与借鉴。

1 全域作战转型中的演习导调通信发展趋势

1.1 全域作战的概念

全域机动作战，是指部队根据使命任务要求，通过远程立体机动，向不同战略方向实施的跨区机动作战0。在空间维度上，全域指地域、空域、海域或本土区域与海外地域；在任务维度上，全域指遂行单一或多样化任务。陆军由区域防卫向全域作战转型既是深化军队改革的战略要求，也是顺应世界军事发展潮流的必然。美国认为新时期其面临的安全环境将更加复杂多变，在2019年12月美军就提出了全域作战的概念，并将其写入了《空军条令》0。

1.2 适应全域作战的演习导调通信发展趋势

基地化训练作为我军提升和检验部队战斗力的重要手段，在全域作战背景下也面临着新的挑战。一是作战训练环境由熟悉向陌生转变；二是作战训练空间由一维向多维转变；三是作战训练样式由阵地攻防向机动作战转变。而现有基地化训练中，支撑实兵对抗、导控裁评等系统的导调信息采集技术传输依赖于场区现有基础通信设施，即无线基站、通信光缆组成的数据传输网络，限制了在部队机动途中、场外地域等场景下临机依托信息系统组织对抗性演习的应用。因此，训练导调通信网络适应全域作战特点，由固定化、区域受限向可快速展开全域保障发展是一种必然趋势。即要使用一种不受地形因素、交通条件限制，可快速展开部署的机动网络，作为对现有以固定网络为主的导调通信保障手段的补充和延伸。

2 空中自组网特点及应用情况

2.1 基本概念及技术特点

空中自组网（UAV Ad-Hoc Network，UANET）是由有人机、无人机、高空气球等空中平台搭载自组织网络节点组成空中移动自组织网络。各节点兼具收发器和路由器功能，节点间通过自组网和无线中继技术实现互联互通，收发传递用户信息、发送控制指令、感知搜集态势。空中网络节点机动性高，部署不受复杂地形及交通条件限制，在灾后救援通信、应急搜救、森林防火等方面应用前景非常广泛。

空中自组网在具备移动自组网临时性、动态性、自治性等共同特点的同时，因其平台的特殊性，相比于传统地面自组网还有以下明显不同：一是拓扑结构变化迅速。由于无人机等空中平台可高速运动，飞行中的旋翼无人机速度就可达30至460km/h0，空中自组网的拓扑结构变化更快，对网络通联性和接入、路由协议等产生重要影响；二是节点稀疏、网络异构互联。网络节点在空中散布，节点间距离因无人机性能、位置和通信载荷功率在几百米至几公里范围内变化，节点密度变化明显，实际应用中，无人机自组网还可能需要与卫星、高空通信中继平台等差异性的节点进行通信；三是空中网络节点为适应动态变化的网络拓扑结构和用户覆盖需求，具有一定的计算、精确定位能力及较长的续航时间；四是空中节点远离地面运动，无线电传播不易受地形条件因素影响，节点间更多存在视距链路。这些空中节点又组成了更加复杂的三维运动模型。主要有随机运动模型、时间依赖模型、路径规划模型、群体运动模型、拓扑控制模型与生物启发式运动模型0等。

2.2 应用优势及现状

相比于固定网络，空中自组网在特定领域及场景应用中展现出了独有的优势。一是组网成本低，传统无线通信网络需要建设固定地面基站及基础通信网络支撑，其覆盖地理范围固定其建设成本高。根据任务需求通过空中自组网对预定区域进行覆盖，实现移动网络多时空重用，无需建设地面基础设施，从而降低组网成本；二是空中自组网具有与生俱来的快速灵活部署优势，可以突破传统地面自组网受地形环境、交通条件的限制，大大拓展通信保障支持范围，同时还可根据用户需求、位置特点规律灵活组网。三是自适应抗毁伤能力强。自组网是无中心的无线移动网络，任何节点都可随时加入或退出网络。单一空中节点的损坏不会破坏网络连通性，具有较高的自适应性和抗毁伤能力。四是将搭载不同载荷的空中平台接入网络，提高空中自组网承载任务的多样性，如物联网信息探测感知、视频采集等，同时与任务领域相关的应用系统有效融合，按需提供视频转播、数据传输、指挥调度语音通信等业务。

3 基于空中自组网的导调通信网络设计

通过上一节可以看出，空中自组网的性能特点及应用优势能够满足快速部署、组网灵活、可扩展和支持异构互联等要求，因此本节提出一种以空中自组网为主，可接入演习专用网络和卫星通信网的机动导调通信网络设计构想。

3.1 设计原则和目标

针对机动导调通信的特点和不同环境中各类用户的通信需求，依托临机部署的机动通信系统，充分发挥无人机自组网在快速支持应急通信方面的技术优势，设计一种灵活、可靠的通信平台，以保障演习导调现场内实兵交战系统、态势感知采集终端及各类人员与演习指挥中心的实时、准确、快速信息交互。

3.2 分层框架

基于上述设计原则和网络分层思想，将网络由下至上划分为基础网络层、信息控制层和演习业务层（图1）。其中，基础网络层由临机部署的无基础设施依托的通信网络组成，主要包括无人机自组网、车载自组网和卫星地面站，为其他两层提供网络物理设施及网络支撑。信息控制层的功能主要有两部分，一是收集处理网络通信层内的各种信息，如网络拓扑结构状态、网络性能变化动态、关键节点地理位置及设备状况等；二是在演习业务层与网络通信层之间进行控制信令的处理与相互传递。演习业务层根据不同的演习场景和通信保障任务需要为用户提供多样化的应用与业务服务，包括实兵交战单元短报文传递、导调语音通信、战场实时视频资源采集等业务。

图1 机动导调通信网分层框架示意

3.3 网络架构及组织部署

该网络由主控单元（ Master Unit，MU）、多个中心节点（Central Node，CN）和大量普通节点（Normal Node，NN）组成，主体是具有双频分级分簇结构的自组织网络，并可接入卫星网络和有基础设施依托的演习专用网络（图2）。MU具有很强的通信和计算能力，负责自组网管理、资源调度和设备部署，由于能耗较大，对电力保障要求高，部署位置相对固定，MU可连接卫星网络和演习专网。CN同时工作在两个频率上，具有快速移动部署和较强的通信能力。工作在频率A上，CN在MU的管理和控制下，对任务区域进行快速通信覆盖，组成移动骨干网。工作在频率B上，CN在低级网络中担任簇头节点，簇内NN通过其接入骨干网。NN是便携式自组网终端，相邻NN可自行组网，也可以通过CN接入移动骨干网。

图2 机动导调通信网网络架构示意

网络通过双频分级分簇的组织结构，可有效兼顾网络性能和可扩展性。MU首先部署于便于演习指挥的位置，之后根据任务覆盖需要选择一定数量CN作为簇头，快速部署于经过最大化覆盖算法优选的位置。在高级网络中由CN构成骨干网，负责远距离信息传输，经一跳或多跳与MU相连；在低级网络中CN与簇内的NN直接通信。簇内NN节点间组成的小型自组网主要任务是演习现场信息采集、传递及演习指挥控制信息的传输，簇内节点数量与节点功率、地形环境、信道传播特性及分布特点等因素相关。同时NN通过自组织的方式连接簇内的CN节点，经骨干网与MU连接实现各演习任务系统所需信息的远距离回传。

图3 机动导调通信网应用部署示意

机动导调保障现场网络应用部署如图3所示，地面部分主要包括搭载大功率自组网基站的通信节点车作为MU，机动导调车、指挥方舱通过搭载自组网设备作为地面CN加入骨干网络；空中部分由无人机群组成，其搭载自组网设备、北斗定位系统、图像采集设备等载荷组成空中CN节点群；用户部分组成NN节点群，主要包括携带自组网终端的导调人员和加装实兵交战系统的单兵和装备。

4 基于空中自组网的导调通信网络典型应用场景

根据演习任务及时机，使用无人机快速搭建支撑演习导调的通信及信息采集的空中自组网，突破传统固定传输网络及车辆自组网的限制，提升部队全域化训练中多场景下的临机、快速组网能力。以下是五种典型的机动导调运用场景。

4.1 机动过程组网

演习导调群通常在部队远程机动投送过程中采取纵队伴随式行进的方式展开，导调车辆需在行进和驻停过程中组网通信。特别在行进中，导调车辆间通信易受车间距离、行军长径、交通状况和地形环境限制，车间组网难以动态调整基站位置，对网络拓扑结构变化的适应性不强。在部队远程投送的编队机动过程中，使用无人机作为空中通信中继或网络接入节点，可有效突破地面组网节点限制，提升网络覆盖范围和性能，增强车间组网的动态适应性。

4.2 复杂地形组网

在坡度起伏较大的山地及植被茂密的丛林地带，受天线桅杆高度及车辆机动性能限制，基站车或固定自组网节点难以部署或覆盖效果不好。无线自组网传输设备可应用于各种无人机空中平台，可以迅速飞抵目的地，并根据需要进行灵活转移，不需要其他预置网络设施就能在任何时间、任何地点进行自动组网0。在山地、丛林演习中，无人机自组网可根据用户节点密度、QoS、通信链路质量，通过调整空间三维位置、无线收发器天线增益、路由策略等，满足不同地理位置、不同通信需求的用户网络覆盖。

4.3 水上组网

在无导调通信网络覆盖的水域临时组织演练任务时，演练部队位于水面时，无法通过常规方式在演习区域部署网络。若在演习水面区域采用航标式部署固定基站则加大了运行维护成本，若采用水面载具搭载通信节点的方式则加大了运输携带、部署时间成本。通过部署无人机自组网动态覆盖水面演习区域，采集回传演习信息至岸侧演习指挥中心实施分析处理，可有效、快捷的解决此问题，效费比高。

4.4 辅助实弹检验组网

实弹检验评估是基地化训练中的一个重要环节，是检验部队实弹射击水平和毁伤能力的主要手段。我军基地化训练中，实弹检验评估数据采集主要采取的是无线靶标、地面摄像与架高固定位置摄像头等手段。由于实弹射击的危险性，无法近距离采集毁伤数据及影像，通过部署无人机自组网，在指定无人机上安装高清摄像头及目标指示装置，可以快速设置目标及回传图像资源，支撑检验评估系统进行分析处理，是现有实弹检验评估手段的一种有效辅助及补充措施。

4.5 视频导调评估组网

现有演习导调任务中，采集视频图像资源的方式主要有依托摄像车辆伴随拍摄、手持终端拍摄和场区铁塔高清摄像头拍摄等方式，存在拍摄地点机动转换慢、拍摄视角难以由导演部灵活掌握和统一调配的缺点。而且，场外机动导调过程中缺乏铁塔架高摄像头，无法拍摄演习全局影像。将多架摄像无人机作为功能节点加入无人机自组网，能够在任务区域上空根据演习进度、关注范围，统一统筹规划任务，快速灵活采集视频资源，并通过各无人机中继节点时时回传，为导演部提供视频导调信息源支撑。

5 结束语

本文针对当前基地化训练中存在的导调通信网络保障手段广域扩展性和灵活机动性不强的问题，通过研究无人机自组网的技术特点和应用优势，分析其在全域机动导调通信中的几种典型应用场景，提出一种采用双频分级分簇结构，以无人机自组网节点群为主体的机动导调通信网络设计构想。创新了无人机自组网在演训导调专用通信保障上的应用，为促进机动导调网络向“快速部署、组网灵活、抗毁性强”的空地一体无线自组织网络体系发展提供了借鉴和参考。

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