未来机载数据链的网络结构研究

进入二十一世纪以来发生的阿富汗、伊拉克和利比亚这几场战争表明，现代战机业已成为当前战争的主要作战实施单元。作为现代战机的神经中枢，机载数据链的重要性也在这几场战争中得到充分体现。
从军事上讲机载数据链是通过单网或多网结构和通信介质，将两个或两个以上的指控系统和/或武器系统链接在一起，是一种适合于传送标准数字信息的通信链路[1]。其主要功能是完成战机之间、战机与地面、战机与卫星之间的通信与数据传输。机载数据链通过采用标准化的信息格式、高效的组网协议、保密抗干扰的数字信道将各作战单元链接成一个有机整体，实现相互间的信息共享，从而协同、高效、有序的完成作战任务。
一、机载数据链的发展概述[2]
上世纪50年代到60年代，为了应付不断增强的空中威胁，适应飞机的高速化与舰载、机载武器导弹化的发展，发达国家开始着手发展机载数据链。美军于上世纪50年代与北约国家联合发展了Link-4机载数据链，其后又发展了Link-4A/4C、Link-11系列机载数据链。这一时期的机载数据链主要是各军种专用，不适合联合作战，同时数据链的数据吞吐能力低，影响数据链组网的容量数、数据精度和作用范围，因为结构单一因而造成应用上存在局限性。随后美军又与北约联合发展了Link-16数据链/联合战术信息分发系统（JTIDS），其目的是实现各军种数据链的互联互通，增强联合作战的能力，同时，数据链的通信容量、抗干扰、保密及导航定位性能也得到进一步的提高。Link16虽具有通信、导航和识别功能，抗干扰和抗窃听能力强等许多优点，但它存在任务规划时间长，动态入网延时大，网络吞吐量低，信道利用率不高，必须通过中继才能进行远距离、跨视距的信息传输等缺点，且缺乏灵活性，不支持计划外的用户要求。为此美军又针对性的开发了编队飞行数据链(IFDL)、多功能先进数据链(MADL)、 战术瞄准网络数据链(TTNT)三种机载数据链[3]。
IFDL最多可支持由16架F-22A组成大编队进行超视距空战，但只能用于F-22A飞机之间通信，不能组网、容量有限。MADL是为美军主导的JSF-35项目而设计，可以在多架飞机之间实现一对多或多对多的定向组网通信，是一种低截获概率的网络化数据链。MADL将成为美军所有隐身作战飞机（如F-22A、F-35、B-2、X-47B）的通用数据链装备，并逐步替代早期研制的IFDL。TTNT是一种适用于空中高机动平台、可实现多传感器协同瞄准的新型网络化武器协同数据链。它能够使有效区域内的空中平台或地面单元根据任务需要及目标属性动态组成一个协同打击网络，对时敏目标实现快速定位、瞄准、打击与评估。在技术体制上，TTNT采用J系列报文格式，能够在消息标准上与Link-16完全兼容和互操作。按照美军计划，TTNT将作为波形模块集成到基于联合战术无线电终端的多功能信息分发系统(MIDSJTRS)当中，并最终融入一体化战术互联网。
中国、俄罗斯和其它国家也都发展了自己的机载数据链，但在技术上仍以美军的机载数据链为代表，因此本文仅以美军机载数据链为依据进行分析。
二、现有机载数据链的网络结构及不足
早期的机载数据链大多采用有节点的组网方式，如Link-4、Link-4A/4C均采用该方式。Link-4是一种非保密的数据链路，数据传输速率只有5kbit/s。Link-4A采用V系列报文格式，它的数据吞吐量受限，最多只能有8架飞机参与。Link-4C采用F系列报文，在一个Link-4C网中，最多只能有4架飞机参与。这一系列的数据链存在着可靠性差、数据吞吐量不高、抗干扰能力差等缺点。
Link-11采用网式体系结构及轮询呼叫协定，有节点组网方式。存在以下缺点：不具备抗干扰能力，传输速率低，系统容量有限，不具备语音传输功能，网络中必须设置一个网控台，因此一旦遭受打击将造成整个网络崩溃，抗毁性较差。
为此，较新型的数据链Link-16采用无中心节点组网方式，其抗毁性得到了极大的提高。但是，随着作战需求的发展，其不足也慢慢体现出来：只能视距传输，传输距离有限；传输速率低，理论传输速率为238kbit/s，但实际可用的传输速率远远低于该值；动态性能较差，Link-16的网络必须事先分配，网络设计中没有涉及或超过设计容量的平台不能加入网络，因此平台的通信容量不能根据作战需求实时调整。
综观现有的机载数据链，可以看出，未来的机载数据链应至少该能满足以下要求：
1.具备较高的抗毁性，因而必须采用无中心网络结构；
2.具有动态组网的能力，因而具有较高的网络容量；
3.具备较高的数据传输速率，传输的安全要求必须得到保证；
4.传输距离必须得到进一步增强，超视距传输应能得到满足。
因此，在Link-16的基础上，新型的机载数据链如MADL、TTNT均采用高动态无中心的网络结构，即Ad hoc网络。
三、未来机载数据链的网络结构——Ad hoc网络[4]

（一）Ad hoc网络概述
“Ad hoc”一词源自拉丁语，其含义为“Purpose only”翻译为中文的意思是“特别的、临时的”。由于翻译后的名字很难描述该网络的特点，为了避免引起歧义，一般中文仍使用“Ad hoc”一词来称呼这种特殊的无线网络。
20世纪70年代美国国防部高级研究计划局（DARPA，Defense Advanced Research Project Agency）资助研究在战场环境下采用分组无线网（PRENT，Packet Radio Net）进行数据通信的项目中产生“自组网”网络构架技术。其后，又在1983年和1994年进行了抗毁可适应网络SURAN（Survivable Adaptive Network）和全球移动信息系统GloMo（Global　Information　System）项目的研究。Ad hoc技术就是吸取了PRENT、SURAN以及GloMo等项目的组网思想，从而产生的一种新型的网络构架技术。
Ad hoc网络是一种特殊的无线移动通信网络。Ad hoc网络中所有节点的地位平等，无需设置任何中心控制节点，具有很强的抗毁性。网络中的节点不仅具有普通移动终端所需的功能，而且具有报文转发能力。当通信的源节点和目的结点不在直接通信范围之内时，它们可以通过中间节点转发报文进行通信。有时节点间的通信可能要经过多个中间节点的转发，即报文要经过多跳（Hop）才能达到目的地，这是Ad hoc网络与其他移动通信网络的最根本区别。Ad hoc网络节点通过分层的网络协议和分步式算法相互协调，实现网络的自动组织和运行。因此它又被称为多跳无线网（Multi-Hop Wireless Network）、自组织网络（Self-Organized Network）。
（二）Ad hoc网络的特点
Ad hoc网络具有以下特点：节点可自由出入网络，网络拓扑结构动态变化；网络各节点地位平等、无中心，采用分布式协议控制方式，因而抗毁性较强；采用多跳路由、由各节点完成的多跳组网方式；由于采用无线信道，因而无线传输带宽有限；节点可能存在功耗方面的要求；由于采用无线链路，容易受到物理安全攻击，安全性较普通网络差；存在单向无线信道，增加了路由协议的复杂性；主要用于临时的通信需求，相对与有线网络，其生存时间一般比较短。
（三）机载数据链采用Ad hoc网络面临的技术问题
机载网络存在着拓扑结构频繁变化、带宽要求高、误码率高、衰落大、干扰严重、信道随机变化等特点，随着战机性能的提升和战场环境的日益复杂，必将要求机载数据链网络向高速率、高带宽、抗干扰、自适应、智能化、网络化等方向发展。采用ad hoc网络，能够很好地符合这一发展方向。但是，机载数据链采用该网络还存在以下的技术问题：
1.信道共享的方式
通信网络中的信道共享方式有点对点、点对多点和多点共享三种。点对点是最简单的共享方式，两个节点可以共享一个信道（有线或无线）。早期的机载数据链一般采用点对点的信道共享方式。点对多点共享一般用于有中心站控制的无线信道，如Link-11数据链就采用该方式。在这种方式中，所有节点在中心站的控制下共享一个或多个无线信道，所有节点必须处于中心站的覆盖范围内。对于未来的机载数据链，超视距通信是必然的要求，因此这两种信道共享方式显然不能全部满足要求。
多点共享是指多个终端共享一个广播信道，以太网是最典型的多点共享方式。在多点共享方式中，一个节点发送报文，所有节点都能收到。即相当于一个全互联的网络。这种共享方式下的信道为一跳共享广播信道。ad hoc网络的无线信道虽然也是一个共享的广播信道，但却是多跳的。因为当一个节点发送报文时，ad hoc网络只有在该节点覆盖范围内的节点（称为邻居）才能收到，在该节点之外的其它节点由于不能感知此节点通信的存在因而可以同时发送报文，由此带来报文冲突。在一跳共享的广播信道中，报文冲突是全局事件。而在ad hoc网络中，报文冲突只是局部事件。发送节点和接收节点对信道的感知状况不一样，由此将带来隐藏终端和暴露终端等一系列特殊问题。在机载网络中，由于战机的高速运动，这一问题将更加突出。
由于ad hoc网络特定的多跳信道共享方式，基于点对多点共享广播信道的信道接入协议无法直接应用于该网络，必须为其设计专用的信道接入协议。关于ad hoc网络信道接入协议的研究已经成为国内研究的热点。
2.路由协议
ad hoc网络中的节点是运动的，由此带来网络拓扑结构的频繁变化。常规的路由协议需要花费较长时间才能达到算法收敛状态，但此刻可能网络的拓扑结构又已发生变化，从而导致路由协议式中跟不上拓扑的变化而一直处于不收敛状态。在机载网络中，拓扑结构变化更是频繁，所以要求路由算法具有极高的效率，且能够跟踪和感知节点运动造成的链路状况变化，以进行动态路由维护。关于ad hoc网络路由协议的研究也是一个重点，现在应经开发出了很多实用的ad hoc网络路由协议，如对IEEE802.11进行改进。但是关于机载数据链的ad hoc网络路由协议国内还只是停留在理论阶段。

3.有限的无线传输带宽
ad hoc网络采用无线传输技术作为底层通信手段，与有线信道相比，带宽窄、信道质量差。机载网络中的信道可靠性更差，随着战场环境的日益复杂，对带宽的要求更高。因此对ad hoc网络协议设计应尽可能的考虑到这两点。目前解决这一问题的主要技术是超宽带技术和网络编码。美国研制的基于超宽带技术的ad hoc网络已投入实用，而国内才刚刚起步。
4.网络管理
Ad hoc网络的特性决定了管理上比有线网络复杂许多，因为网络拓扑的动态变化，要求网络管理也是动态自动配置。而且要考虑到移动节点本身的限制，例如能源有限、链路状态变化和有限的存储能力等，因此要将管理协议给整个网络带来的负荷考虑在内。最后还要考虑到网络管理对不同环境的适用性等。提出高效的网络管理算法是Ad hoc网络管理的关键。目前比较完善的管理协议有3个：ANMP（Ad hoc Network Management Protocol）、CNR（Combat Net Radio）管理和Terminodes计划。
机载数据链传输的主要是语音和各种数据业务，尽管信道质量差，但其服务质量必须要得到保证。而且由于机载网络拓扑频繁变化，数据分组可能在任意两个移动节点之间直接传送，或者经过中间节点的转发，转发的节点数受路由协议和服务质量要求的限制，这样一来网络管理不仅涉及了通常移动通信中的介质访问层，还扩展到了路由层甚至更高的传输层。同时机载网络对能量有效性的考虑也是网络管理必须考虑的内容。
5.网络安全问题
由于Ad hoc网络没有中心节点，所有节点都是移动的，网络的拓扑结构动态变化，节点间通过质量较差的无线信道相连，节点自身需要充当路由器，网络中产生和传输的数据也具有不确定的特点，对网络变化的信息以及群组消息交换的信息等都有很高的实时性要求，因此传统的网络安全方案不能应用于Ad hoc网络。
由于机载网络的特殊性，其对安全方面的要求更加严格。但是由于Ad hoc网络采用的是无线多跳信道共享方式，因此其安全方面的要求只能通过协议和算法来实现。目前提出的解决方案仍然是借鉴有线网络领域内取得的经验。已经提出的方案有：自组织公钥结构，但需要解决密钥交换带来的可扩展性问题、多播传输时密钥的定义问题；基于安全的路由策略，支持容错路由方案，可以提高可靠性和安全性。但是由于机载数据链的高动态性，其对算法的复杂性有着苛刻的要求，因此针对机载数据链的安全解决方案更加复杂，关于此方面的研究也一直是个难点。新型的网络编码技术允许网络的中间节点进行编码，正好符合机载网络的特点，也许可以利用这一技术来解决机载数据链的安全问题。
四、结论
Ad hoc网络的特点能够满足未来机载数据链的发展要求，因此未来机载数据链也必将采用这一网络结构。美军已经在这一方面取得的成功经验也印证了这一点。这也我军未来数据链的建设指明了方向。
[参考文献]
[1]骆光明.数据链-信息系统连接武器系统的捷径.国防工业出版社，2008:1-20
[2]李颖,赵洪利.美军数据链的装备及发展.装备指挥技术学院学报，2005:68-72
[3]和欣,张晓林.机载网络中武器协同数据链组网体制.指挥信息系统与技术，2011；（06）：19-22
[4]郑相全.无线自组网技术实用教程.清华大学出版社,2004,9-25
（作者单位：海军航空工程学院青岛分院 青岛）