傅軍 常揚(yáng) 寧治文 韓洪祥

摘 ? 要：在林業(yè)、消防、治安反恐、軍事等領(lǐng)域，任務(wù)單元之間靈活、可靠的動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳遞，是提高一體化指揮能力和快速響應(yīng)能力的關(guān)鍵所在。傳統(tǒng)的無(wú)線局域自組網(wǎng)技術(shù)易受距離、遮擋等條件限制，在大區(qū)域、有遮擋條件下的應(yīng)用有一定局限性。文章基于北斗系統(tǒng)定位和短報(bào)文通信能力，結(jié)合無(wú)線局域自組網(wǎng)技術(shù)，利用北斗應(yīng)用終端設(shè)備為骨干構(gòu)建了分層編組邏輯網(wǎng)絡(luò)，有效擴(kuò)大了覆蓋范圍和增強(qiáng)了組網(wǎng)可靠性。不同參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)變化與修復(fù)過程的仿真表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)修復(fù)與重組，提供可靠通信保障，解決了多種場(chǎng)合下所需的精確、無(wú)間斷一體化指揮要求。

關(guān)鍵詞：北斗導(dǎo)航系統(tǒng);短報(bào)文通信;自組網(wǎng);混合式

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)[1-3]是我國(guó)自主研發(fā)、自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)營(yíng)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，不僅具有高精度定位服務(wù)能力，還可提供短報(bào)文服務(wù)[4]。北斗三號(hào)系統(tǒng)短報(bào)文服務(wù)功能在出入站服務(wù)能力、覆蓋方位和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度上都得到了進(jìn)一步增強(qiáng)?？蓾M足信息量小但突發(fā)要求高、用戶量大的通信需求，可作為應(yīng)急、機(jī)動(dòng)通信時(shí)的重要力量。無(wú)線局域自組網(wǎng)是無(wú)線通信領(lǐng)域的高新技術(shù)[5]，可為公共安全部門提供快速部署[6]。無(wú)線局域自組網(wǎng)是一種多跳、無(wú)中心、臨時(shí)系統(tǒng)[7-9]，可為應(yīng)急救援人員現(xiàn)場(chǎng)處置險(xiǎn)情提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸鏈路[10-11]。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是一種廣域的通信系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，解決傳統(tǒng)樹形指揮結(jié)構(gòu)的不足，但其帶寬較小，信息傳達(dá)不夠精確、連續(xù)、快速。無(wú)線局域系統(tǒng)傳遞信息范圍較小，但傳達(dá)信息較精確的通信系統(tǒng)。因此，將北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與無(wú)線局域系統(tǒng)相結(jié)合，構(gòu)建合理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，可將二者的缺點(diǎn)互補(bǔ)?；诒倍沸l(wèi)星通信上的冗余路由設(shè)計(jì)可以給復(fù)雜環(huán)境中可靠通信提供保障，能有效提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量[12]。無(wú)線技術(shù)可對(duì)北斗導(dǎo)航應(yīng)用終端設(shè)備組網(wǎng)進(jìn)行有效補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)靈活組網(wǎng)。由于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備終端收發(fā)指令受到北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)頻度限制，不能實(shí)時(shí)將位置信息、狀態(tài)信息和指令信息進(jìn)行有效收發(fā)，無(wú)線通信技術(shù)可進(jìn)行很好的補(bǔ)充，通過基于北斗導(dǎo)航功能和短報(bào)文功能構(gòu)建無(wú)線局域通信網(wǎng)，能集合指揮機(jī)或大量底層用戶機(jī)的頻度權(quán)限機(jī)會(huì)，充分發(fā)揮集群效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)信息的收發(fā)效率和信息實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性，并實(shí)現(xiàn)分級(jí)授權(quán)、靈活組網(wǎng)。另外，設(shè)計(jì)合理的北斗網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)各單元的信息如指令信息、位置信息、狀態(tài)信息、屬性信息等實(shí)現(xiàn)可控共享和高速共享，使任務(wù)運(yùn)行更加高效。

基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的單元網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)和無(wú)線局域自組網(wǎng)技術(shù)適合林業(yè)、消防、治安反恐、軍事等多種應(yīng)用場(chǎng)景和多種復(fù)雜任務(wù)[13-14]。在林業(yè)領(lǐng)域，需要對(duì)林區(qū)情況監(jiān)視，對(duì)林區(qū)工作人員目標(biāo)識(shí)別、對(duì)林區(qū)各類信息收集。在消防領(lǐng)域，需要對(duì)固定范圍內(nèi)的火情監(jiān)視、傳達(dá)救援信息。在治安反恐領(lǐng)域，需要進(jìn)行化學(xué)和生物制劑檢測(cè)、戰(zhàn)術(shù)誘騙、物資運(yùn)輸?shù)榷喾N任務(wù)。這些應(yīng)用需要集成傳感器、通信、移動(dòng)、執(zhí)行器等多種能力，便于實(shí)現(xiàn)群體協(xié)同工作需要。在軍事領(lǐng)域，任務(wù)突發(fā)性、多樣性更加需要高效的指揮網(wǎng)絡(luò)體系實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)單元的指揮協(xié)同。為了滿足上述實(shí)際需求，本文提出了一種基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，結(jié)合短報(bào)文編碼技術(shù)和無(wú)線局域自組網(wǎng)技術(shù)，能快速組網(wǎng)并利用虛擬組網(wǎng)技術(shù)在人員和裝備地理分布之上構(gòu)建的分層編組邏輯網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)任務(wù)所需實(shí)施的精確、無(wú)間斷一體化指揮。

1 ? ?結(jié)構(gòu)組成

在基于北斗傳統(tǒng)的組網(wǎng)方案中，虛擬邏輯網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常與物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)緊耦合，導(dǎo)致邏輯網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞闹囟x十分困難。軟件定義的方式可以將虛擬邏輯網(wǎng)絡(luò)與物理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行解耦，使虛擬網(wǎng)絡(luò)的重組無(wú)需考慮物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而可以達(dá)到任務(wù)定義的動(dòng)態(tài)組網(wǎng)需求。在此，需要設(shè)計(jì)軟件定義終端管理系統(tǒng)，方便對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行虛擬組網(wǎng)。

軟件定義終端管理系統(tǒng)主要分為管理服務(wù)器和可編程終端設(shè)備兩個(gè)部分。管理服務(wù)器向可編程終端設(shè)備發(fā)送自定義的虛擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息。首先，該信息發(fā)送至北斗系統(tǒng)，隨后，北斗系統(tǒng)將該信息轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的可編程終端上。可編程終端接收自定義的虛擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并根據(jù)信息更新該設(shè)備的分組情況，從而實(shí)現(xiàn)軟件定義虛擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞墓δ?。軟件定義的終端管理系統(tǒng)框架，直接采用軟件定義網(wǎng)絡(luò)的控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離框架，設(shè)計(jì)成管理服務(wù)器和可編程的終端裝備兩部分，在指揮機(jī)上形成新的邏輯結(jié)構(gòu)，完成覆蓋網(wǎng)的傳輸。軟件定義的終端管理系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其框架主要分管理服務(wù)器和可編程終端設(shè)備。管理服務(wù)器負(fù)責(zé)向可編程終端設(shè)備發(fā)送邏輯組網(wǎng)信息和相關(guān)路由信息?？删幊探K端設(shè)備負(fù)責(zé)接收發(fā)送的邏輯組網(wǎng)信息和路由信息，并根據(jù)該信息更改當(dāng)前設(shè)備的路由表和所屬分組。如圖2所示，軟件定義的終端管理框架的主要流程分為以下幾個(gè)步驟：（1）指揮中心指定當(dāng)前的分組策略和路由表策略，并由管理服務(wù)器發(fā)送給各個(gè)可編程終端。（2）管理服務(wù)器將信息轉(zhuǎn)發(fā)給中繼網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)北斗衛(wèi)星，并利用北斗衛(wèi)星的覆蓋范圍將信息轉(zhuǎn)發(fā)給各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。（3）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的可編程終端設(shè)備接收到由北斗衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的分組和路由報(bào)文信息。（4）根據(jù)由北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的分組信息和路由信息的報(bào)文更新本地網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所屬的分組和對(duì)應(yīng)的路由表。

2 ? ?系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 ?異常環(huán)境下的組網(wǎng)保障機(jī)制

某些特殊環(huán)境具有高破壞性和高對(duì)抗性，SDN技術(shù)允許根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)自定義調(diào)整虛擬網(wǎng)絡(luò)嵌入方案，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)路由冗余以及網(wǎng)絡(luò)資源的冗余，從而保障網(wǎng)絡(luò)的魯棒性，保證任務(wù)順利執(zhí)行。此技術(shù)可提高在不具備網(wǎng)絡(luò)全連通條件下，合理地配置節(jié)點(diǎn)的度分布，提高網(wǎng)絡(luò)對(duì)隨機(jī)失效和惡意攻擊的魯棒性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)受到隨機(jī)故障或敵方的攻擊，損失了部分節(jié)點(diǎn)或通信鏈路的情況下，剩余的節(jié)點(diǎn)會(huì)重新構(gòu)建新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，盡可能地保持最大的連通子圖。影響整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)魯棒性的主要因素有4個(gè)方面：節(jié)點(diǎn)的特性、鏈路的特性、編隊(duì)的特性、環(huán)境的特性。MOLLY-REED準(zhǔn)則[15]是判斷網(wǎng)絡(luò)中是否存在巨片的準(zhǔn)則。MOLLY-REED準(zhǔn)則的推導(dǎo)出發(fā)點(diǎn)是：巨片存在中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)j在網(wǎng)絡(luò)中任選一個(gè)節(jié)點(diǎn)i，i與j之間存在邊，即存在通信鏈路，且邊的個(gè)數(shù)應(yīng)當(dāng)大于2。公式如下：

圖4 ?北斗裝備系統(tǒng)模擬系統(tǒng)架構(gòu)

（1）模擬場(chǎng)景輸入模塊，主要功能是配置模擬場(chǎng)景。使得能夠構(gòu)建出自定義的模擬場(chǎng)景，用來驗(yàn)證性能。其中包含網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)行為、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)基本信息配置、模擬器組網(wǎng)策略和路由算法配置、模擬過程特殊事件等策略來提高報(bào)文設(shè)計(jì)的性能和效率。

（2）核心網(wǎng)絡(luò)模擬模塊，主要功能是根據(jù)輸入提供全棧式模擬。以達(dá)到對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)突發(fā)事件、路由策略，組網(wǎng)策略的準(zhǔn)確模擬。其中包括輸入解析、事件驅(qū)動(dòng)模擬、日志輸出等方式，從而有效地提高仿真效率。

（3）模擬過程展示模塊，為了能夠更加清楚地觀察模擬行為，并檢查自身模擬行為配置是否存在錯(cuò)誤，需要對(duì)模擬過程進(jìn)行展示，包括模擬過程日志解析和動(dòng)畫展示。

（4）模擬結(jié)果分析模塊，為了對(duì)整個(gè)模擬過程的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，可以通過解析上述模擬模塊產(chǎn)生的模擬日志來獲取整個(gè)網(wǎng)絡(luò)模擬中最終吞吐量結(jié)果、報(bào)文丟包率等模擬數(shù)據(jù)。采用折線圖的方式反映每個(gè)時(shí)間點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和丟包率，可以實(shí)時(shí)反映出在特殊事件發(fā)生時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)狀況。

3.2 ?仿真結(jié)果

采用開源軟件Echarts框架展示了仿真結(jié)果，系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)折線圖表示不同單元在仿真時(shí)網(wǎng)絡(luò)吞吐量和不同單位的傳輸成功率。與目的節(jié)點(diǎn)序列距離矢量（DSDV）等傳統(tǒng)的路由算法相比，本系統(tǒng)所采用的綜合的路由算法更加靈活，能夠在多變的環(huán)境中更快地發(fā)現(xiàn)毀壞節(jié)點(diǎn)，并以更快的速度重新組網(wǎng)，同時(shí)相較于傳統(tǒng)的無(wú)線組網(wǎng)方法，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠擁有更加高的吞吐和更加低的丟包率。仿真設(shè)計(jì)了3種場(chǎng)景：正常場(chǎng)景、節(jié)點(diǎn)孤立場(chǎng)景、節(jié)點(diǎn)毀滅場(chǎng)景，仿真結(jié)果如圖5—7所示。結(jié)果表明，該算法相比于DSDV傳統(tǒng)算法而言，能更快地恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)通信，能在更短的時(shí)間內(nèi)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，能較快地回復(fù)通信量，無(wú)論是在網(wǎng)絡(luò)吞吐和網(wǎng)絡(luò)丟包都更加優(yōu)秀。

動(dòng)畫展示頁(yè)面使用了pixi引擎[23]。動(dòng)畫展示界面中每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元[24]都繼承了pixi框架中的精靈類，通過引擎自帶的渲染器進(jìn)行快速實(shí)時(shí)渲染，同屏展示千甚至萬(wàn)數(shù)量級(jí)的網(wǎng)絡(luò)單元移動(dòng)模擬，匹配上自帶的粒子效果，達(dá)到了網(wǎng)絡(luò)單元損壞動(dòng)畫，網(wǎng)絡(luò)單元發(fā)包動(dòng)畫等效果。為了更加方便觀察情況，頁(yè)面只顯示所關(guān)注的信息，更加方便無(wú)間斷一體化指揮[25]。動(dòng)畫展示頁(yè)面如圖8所示，文本框制作的字幕模塊，主要作用是將模擬中發(fā)生的時(shí)間進(jìn)行字幕式的展示，方便獲取更加精準(zhǔn)的仿真過程信息。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

本文研究了基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，結(jié)合短報(bào)文編碼技術(shù)和無(wú)線局域自組網(wǎng)技術(shù)，開展了混合式自組網(wǎng)技術(shù)研究，利用北斗應(yīng)用終端設(shè)備構(gòu)建分層編組邏輯網(wǎng)絡(luò)，通過參數(shù)控制與模擬的方式實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)變化與修復(fù)過程的仿真。通過參數(shù)控制，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)毀壞節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)與修復(fù)，以及在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)實(shí)現(xiàn)鏈路重組，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的可靠性與健壯性。仿真結(jié)果能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)的修復(fù)與重組，提供可靠與穩(wěn)定的通信保障。解決了多種場(chǎng)合下所需的精確、無(wú)間斷一體化指揮要求，滿足林業(yè)、消防、警力抓捕、治安反恐、軍事等領(lǐng)域多種應(yīng)用需求。

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Abstract：In the fields of forestry， fire fighting， public security， anti-terrorism and military affairs， flexible and reliable data transmission between task units in dynamic ad hoc networks is the key to improve integrated command capability and fast response capability. Traditional wireless local area ad hoc network technology is easily limited by distance， occlusion and other conditions， its application in large areas with occlusion has certain limitations. In this paper， based on Beidou system positioning and short message communication capabilities， combined with wireless local area ad hoc network technology， a hierarchical grouping logical network is constructed using BeiDou application terminal equipment as the system effectively enhancing the coverage and networking reliability. The simulation experiments results of network changes and process reparation with different parameters show that this system can realize network repair and reorganization in dynamic environment， provide reliable communication guarantee， and solve the requirements of precise and uninterrupted integrated command in various occasions.

Key words：Beidou navigation system; short message communication; ad hoc networks; composite