高忠長，王 星，唐 敏

（31621 部隊(duì)，北京 101121）

0 引 言

在當(dāng)今不斷進(jìn)步的軍事科技領(lǐng)域，直升機(jī)作為一種多用途的工具，其在攻擊、電子對抗及搜索營救等方面的應(yīng)用日益廣泛[1-4]。目前，直升機(jī)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)通常采用有中心的組網(wǎng)方式，地面基站負(fù)責(zé)為空中通信終端和地面通信終端分配網(wǎng)絡(luò)資源，以實(shí)現(xiàn)信息傳輸和管理。這種方式下，中心節(jié)點(diǎn)易成為性能瓶頸和安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，限制網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性和適應(yīng)性，直接影響直升機(jī)在復(fù)雜任務(wù)中的有效執(zhí)行。

文章針對在中心組網(wǎng)模式下中心節(jié)點(diǎn)受地域限制或出現(xiàn)故障導(dǎo)致通信受限的問題，提出一種可自適應(yīng)切換的扁平網(wǎng)絡(luò)。在地面基站無法發(fā)揮中心節(jié)點(diǎn)作用時(shí)，通信網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)切換至無中心自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通過互同步、按需路由及動(dòng)態(tài)資源分配等機(jī)制，實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)的無線通信傳輸與網(wǎng)絡(luò)隨遇接入，從而提升直升機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)性能和資源利用率方面的潛力，使其更好地適應(yīng)復(fù)雜多變的作戰(zhàn)環(huán)境。

1 自適應(yīng)切換扁平網(wǎng)絡(luò)

在直升機(jī)訓(xùn)練場景中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對于通信的可靠性和效率至關(guān)重要。通常情況下，直升機(jī)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)采用有中心組網(wǎng)模式，以“集中、統(tǒng)一”為原則進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)，依賴于中心節(jié)點(diǎn)（地面基站）來控制其他節(jié)點(diǎn)。在該模式下，中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)分發(fā)同步信息，完成網(wǎng)絡(luò)資源管理，而空中節(jié)點(diǎn)與地面節(jié)點(diǎn)之間需要通過地面基站完成點(diǎn)對點(diǎn)間通信。中心節(jié)點(diǎn)擁有強(qiáng)大的處理能力和廣泛的覆蓋范圍，能夠有效管理多個(gè)節(jié)點(diǎn)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以中心控制和集中式管理為核心，以確保網(wǎng)絡(luò)的可靠性、穩(wěn)定性及安全性。

受地形、天氣等外部因素影響，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)可能無法及時(shí)接收來自地面基站的同步信息，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間通信異常。采用自適應(yīng)切換機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)將自動(dòng)切換到“端到端”的無中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]。無中心組網(wǎng)模式如圖1 所示。在這種模式下，所有節(jié)點(diǎn)被視為平等且獨(dú)立的，網(wǎng)絡(luò)不再依賴于任何特定的中心節(jié)點(diǎn)。各節(jié)點(diǎn)之間直接通信，網(wǎng)絡(luò)鏈路自動(dòng)維護(hù)，路由計(jì)算自動(dòng)進(jìn)行，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)無須經(jīng)過中心節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，提升節(jié)點(diǎn)間的通信效率。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)能夠隨時(shí)接受新的入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，也能夠隨時(shí)刪除離網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，無須進(jìn)行額外配置。

圖1 無中心組網(wǎng)模式

2 自適應(yīng)扁平網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)與傳輸

將網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)切換為無中心網(wǎng)絡(luò)，為實(shí)現(xiàn)空中節(jié)點(diǎn)和地面節(jié)點(diǎn)能夠隨時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)，以及任意節(jié)點(diǎn)間的無線通信傳輸，需要采取網(wǎng)絡(luò)互同步、按需路由以及動(dòng)態(tài)資源分配等策略。

2.1 基于互同步的全網(wǎng)時(shí)鐘同步

基于時(shí)分多址（Time Division Multiple Address，TDMA）體制的自適應(yīng)扁平網(wǎng)絡(luò)是一種具有靈活性和健壯性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)包含4 種不同類型的時(shí)隙，分別是接入時(shí)隙、控制時(shí)隙、業(yè)務(wù)時(shí)隙及保護(hù)時(shí)隙。其中，控制時(shí)隙起著關(guān)鍵作用，用于傳輸網(wǎng)絡(luò)同步所需的重要信息，包括時(shí)間基準(zhǔn)、時(shí)隙號及節(jié)點(diǎn)號等。這些信息約束各個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的時(shí)間，避免沖突，從而保證數(shù)據(jù)的正確傳輸和處理[6]。

互同步方案的實(shí)施主要依賴于節(jié)點(diǎn)之間的相互影響和交互，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在啟動(dòng)時(shí)會周期性地發(fā)送時(shí)間基準(zhǔn)信號。當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的時(shí)間基準(zhǔn)信號時(shí)，會根據(jù)接收到的時(shí)間基準(zhǔn)信息適當(dāng)?shù)恼{(diào)整本地時(shí)鐘，從而與其他節(jié)點(diǎn)保持同步。這種交互主要在一跳節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行，多個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘向中間值調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的同步。

當(dāng)自適應(yīng)扁平網(wǎng)絡(luò)中只有部分節(jié)點(diǎn)搜索不到中心節(jié)點(diǎn)同步信息時(shí)，其余部分節(jié)點(diǎn)仍與地面基站保持同步。此時(shí)，其余受影響的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)切換至無中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)切換后，網(wǎng)內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)會搜索周圍其他節(jié)點(diǎn)的控制時(shí)隙。如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)沒有搜索到任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息，表明該節(jié)點(diǎn)周圍沒有可直接通信的節(jié)點(diǎn)，此時(shí)該節(jié)點(diǎn)可發(fā)出自己的控制信息，主動(dòng)發(fā)起組網(wǎng)；如果連續(xù)幾次搜索到同一個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制信息，那么可將其作為自己的初始同步節(jié)點(diǎn)，向其發(fā)出入網(wǎng)申請；如果收到多個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制信息，選擇節(jié)點(diǎn)號最小的節(jié)點(diǎn)發(fā)出入網(wǎng)申請。根據(jù)該節(jié)點(diǎn)的交通導(dǎo)向發(fā)展（Transit Oriented Development，TOD）信息，調(diào)整本地時(shí)隙。以地面節(jié)點(diǎn)2 向空中節(jié)點(diǎn)2 同步為例，其互同步時(shí)間計(jì)算過程如圖2 所示。

圖2 互同步時(shí)間計(jì)算過程

圖2 中，T1和T4分別表示地面節(jié)點(diǎn)2 發(fā)送入網(wǎng)請求信息和收到時(shí)間信息包的時(shí)間（以地面節(jié)點(diǎn)2 時(shí)間系統(tǒng)為參照），T2和T3分別表示空中節(jié)點(diǎn)2 收到入網(wǎng)請求信息和發(fā)出時(shí)間信息包的時(shí)間（以空中節(jié)點(diǎn)2 時(shí)間系統(tǒng)為參照），δ1和δ2分別表示入網(wǎng)請求和反饋信息在無線信道傳播所消耗的時(shí)間。假設(shè)空中節(jié)點(diǎn)2 的時(shí)鐘比地面節(jié)點(diǎn)2 的時(shí)鐘快θ，可以得到

考慮無線信道網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓^慢，可將傳輸信道看做對稱信道。入網(wǎng)請求和反饋信息的傳播時(shí)間是相等的，由此推斷得到地面節(jié)點(diǎn)2 需要調(diào)整的時(shí)隙為

根據(jù)式（2）可以實(shí)現(xiàn)地面節(jié)點(diǎn)2 與空中節(jié)點(diǎn)2的同步。

通過節(jié)點(diǎn)間互同步方案為無中心自組網(wǎng)提供一種有效的方式來實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的時(shí)間同步。通過節(jié)點(diǎn)之間的相互影響和交互，網(wǎng)絡(luò)能夠自動(dòng)地調(diào)整和維護(hù)自身的狀態(tài)，確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸和處理。

2.2 基于AODV 的按需路由

在自適應(yīng)扁平對抗網(wǎng)絡(luò)中，空中節(jié)點(diǎn)與地面節(jié)點(diǎn)之間僅存在一跳業(yè)務(wù)傳輸，意味著網(wǎng)絡(luò)只需要維護(hù)兩跳路由信息。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)切換至無中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)，采用無線自組網(wǎng)按需平面距離向量路由（Ad hoc On-Demand Distance Vector，AODV）的路由方案。

AODV 是一種典型的按需路由協(xié)議，適用于無線自組網(wǎng)環(huán)境。在自適應(yīng)扁平對抗網(wǎng)絡(luò)中，采用AODV可以使得節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)實(shí)際需求建立臨時(shí)的路由路徑，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

該路由方案的運(yùn)作原理如下：第一，當(dāng)某一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要建立連接時(shí)，會廣播連接建立的請求消息到周圍的節(jié)點(diǎn)；第二，其他節(jié)點(diǎn)在接收到這個(gè)請求消息后，會記錄消息中的源節(jié)點(diǎn)信息，并轉(zhuǎn)發(fā)該請求消息；第三，轉(zhuǎn)發(fā)請求消息的節(jié)點(diǎn)會在轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)記錄到達(dá)該節(jié)點(diǎn)的路徑信息，即臨時(shí)路由；第四，當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到連接請求后，會生成一個(gè)響應(yīng)消息并發(fā)送到源節(jié)點(diǎn)；第五，響應(yīng)消息沿著之前記錄的臨時(shí)路由返回源節(jié)點(diǎn)，從而建立起連接。

按需路由方案能夠在需要時(shí)動(dòng)態(tài)地建立路由，避免維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開銷。每個(gè)節(jié)點(diǎn)只在需要時(shí)才會記錄和轉(zhuǎn)發(fā)路由信息，減少網(wǎng)絡(luò)中路由信息的維護(hù)和更新的復(fù)雜性。

2.3 基于資源預(yù)留的動(dòng)態(tài)資源分配

在有中心組網(wǎng)模式下，當(dāng)?shù)孛婊咀鳛橹行墓?jié)點(diǎn)正常工作時(shí)，資源根據(jù)當(dāng)前的應(yīng)用場景、業(yè)務(wù)類型及網(wǎng)絡(luò)容量進(jìn)行規(guī)劃。終端節(jié)點(diǎn)通過一種“申請-分配”的方式向地面基站請求時(shí)隙資源，進(jìn)而降低資源沖突概率，提高資源分配的靈活性。

在無中心組網(wǎng)模式下，針對僅存在一跳業(yè)務(wù)傳輸?shù)那闆r，設(shè)計(jì)一種基于資源預(yù)留的動(dòng)態(tài)資源申請方案。該方案將自適應(yīng)扁平網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)時(shí)隙劃分為競爭時(shí)隙和預(yù)留時(shí)隙2 部分。其中，競爭時(shí)隙基于時(shí)隙ALOHA 協(xié)議，由網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各用戶進(jìn)行搶占。預(yù)留時(shí)隙則根據(jù)搶占情況，為搶占成功的用戶提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。以空中節(jié)點(diǎn)2 向地面節(jié)點(diǎn)3 傳輸數(shù)據(jù)為例，描述資源預(yù)留和傳輸過程的時(shí)序圖如圖3 所示。

圖3 資源預(yù)留和傳輸時(shí)序

在競爭時(shí)隙中，空中節(jié)點(diǎn)2 和其他節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送資源申請請求。這些請求消息通過時(shí)隙ALOHA 協(xié)議進(jìn)行競爭，可能會出現(xiàn)碰撞。地面節(jié)點(diǎn)會監(jiān)聽這些競爭時(shí)隙，并記錄搶占成功的節(jié)點(diǎn)。在預(yù)留時(shí)隙中，地面節(jié)點(diǎn)根據(jù)競爭時(shí)隙中搶占成功的節(jié)點(diǎn)情況，為這些節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙資源，并提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。因此，對于空中節(jié)點(diǎn)2 向地面節(jié)點(diǎn)3 傳輸數(shù)據(jù)的情況，地面節(jié)點(diǎn)將為空中節(jié)點(diǎn)2 預(yù)留一定數(shù)量的時(shí)隙，用于數(shù)據(jù)傳輸。然后，空中節(jié)點(diǎn)2 利用分配的時(shí)隙資源，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)發(fā)送給地面節(jié)點(diǎn)3。地面節(jié)點(diǎn)在指定的時(shí)隙中接收來自空中節(jié)點(diǎn)2 的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)處理。

在網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)完成同步后會建立并維護(hù)一跳節(jié)點(diǎn)的收發(fā)狀態(tài)信息。當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要傳輸時(shí)，會在競爭時(shí)隙中發(fā)送請求發(fā)送（Request To Send，RTS）信號。其他節(jié)點(diǎn)在接收到這個(gè)RTS 信號后，通過查驗(yàn)信號中的路由信息頭判斷自己是否為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。如果是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，則在競爭時(shí)隙中發(fā)送清除發(fā)送（Clear To Send，CTS）信號作為響應(yīng)。完成握手交互后，數(shù)據(jù)傳輸才會開始。傳輸完成后，節(jié)點(diǎn)會發(fā)送確認(rèn)（Acknowledgment，ACK）信號來終止數(shù)據(jù)傳輸過程。

這種基于RTS/CTS 信號的握手機(jī)制能夠有效地避免數(shù)據(jù)碰撞和沖突，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院陀行浴Ｍㄟ^在競爭時(shí)隙中進(jìn)行這些信號的交互，節(jié)點(diǎn)能夠協(xié)調(diào)地完成數(shù)據(jù)傳輸過程，從而提高網(wǎng)絡(luò)的性能和效率。

3 結(jié) 論

文章提出一種可自適應(yīng)切換的扁平網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)模式的按需自動(dòng)切換。同時(shí)該扁平網(wǎng)絡(luò)具有不依賴中心節(jié)點(diǎn)、采用互同步方案、按需路由及動(dòng)態(tài)資源申請等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效應(yīng)對多種復(fù)雜環(huán)境下的挑戰(zhàn)，滿足直升機(jī)無疆域限制的訓(xùn)練對于通信網(wǎng)絡(luò)靈活性和自由性的要求。