美陆军积极寻求机动动作战人员通信问题解决方案

美陆军正在进行一项开发战术无线解决方案的基础性研究，该方案可快速应用于大型计划。这项工作由政府、商界及学术研究机构合作实施，以共享资源和研究成果。
　　开发一套完整的通信系统通常需要许多不同的技术。通信和网络合作技术联盟（C&N CTA）的目的是为机动战术作战开发各种应用。据美陆军研究实验室（ARL）的合作协议主管格雷戈里?西林西恩称，通信和网络合作技术联盟是陆军资助的一系列合作协议联营企业组成部分，旨在与商业部门合作开发和共享复用技术。此联营企业于2001年发起，负责通信与网络、高级决策体系结构、高级传感器和机器人技术的开发。该联营企业的目标是为陆军未来战斗通信基础设施提供基础性研究。
　　移动无线网络具备陆军地面环境的诸多独特属性。其中，一项关键性的服务需求是，能够在高度机动的网络基础设施中进行移动作战的能力。此体系结构的特别之处在于，不仅节点在移动，而且整个基础设施也在移动。西林西恩称：“此基础设施不是一种蜂窝塔式的设施，即基础设施处于固定状态，仅仅节点在移动，而是所有的蜂窝塔都在移动。”
　　带宽和能量需求对于运动中的作战人员至关重要，因此，通信和网络合作技术联盟支持低功率传感器、士兵、可优化带宽使用的移动网络等方面的研究。西林西恩称：“我们的大多数资源都将针对高机动环境，在该环境下，资源非常有限，有时甚至没有战略资源可用。”
　　研究人员使用域服务（如自动配置）缓解了资源短缺问题。陆军未来战斗系统（FCS）及其他一些高级技术计划面临的一大问题是，移动网络必须以ad hoc的方式快速部署，同时要保持一定的连贯性。西林西恩问：“怎样才能在96个小时内建立一个网络并将其部署至相关区域，而且在无需大量网络工程师的情况下使其自行运行？”

　　通信和网络合作技术联盟的自动配置解决方案创建了一套协议，可使网络进行自动配置。研究人员最近发现，此技术在大型网络中存在可扩缩性问题，即随着更多系统的加入，网速会逐渐降低。一种解决方案是将网络划分成多个域。互连网的特征是具有多级域，从而使网络具有较强的可扩缩性。这一概念可应用于无线系统。西林西恩称：“现在面临的问题是一切都在移动。因此，在过去的两、三年里，我们的工作重心之一是域自动配置。”

　　域自动配置包括可在运动中将网络配置和再配置成多个域的技术。这项工作的重点是开发系统运行协议和域优化技术。西林西恩指出，这项工作已取得成功，许多协议已应用于陆军通信与电子研究开发与工程中心（CERDEC）的一些计划以及战术级作战人员信息网（WIN-T）计划。

　　通信和网络合作技术联盟的另一项计划是开发一些可实现服务器安全可靠地共享的应用。服务器安全可靠地共享可为机动战场上的网络维护服务。此项研究的目的是避免端到端通信中断。研究人员已开发了可为移动战场节点提供安全服务的软件协议。当链接由于移动而发生中断时，这些协议将可将用户无缝地接入所需的资源。

　　战场加密应用的密钥管理也是一项需要优先开发的内容。在公开密钥加密系统中，当给用户发布密钥时，必须通过认证授权机构来验证他们的身份。联邦政府的授权机构通常是单独的机构，如国家安全局。但西林西恩说，战场作战人员难以享受这种服务。通信和网络合作技术联盟正在检查为士兵提供密码和公开密钥信息的方法，这样，士兵就无需访问美国本土的战略性服务。他解释说：“你不能总是依赖战略性服务，此外，你必须能够在运动中独立作战。”

　　研究人员还修改了战术通信装备的物理层和媒体访问控制（MAC）层。西林西恩解释道，通信和网络合作技术联盟正在开发多输入/多输出系统，该系统将在接收机和发射机上安装多副天线。由于通信装备使用了信道频谱的多样性，因此，使用多副天线可以增加设备的吞吐量，并增强其抗干扰和反干扰能力。他指出，这种方案非常成功，与一个实验系统进行测试时获得了高吞吐量通信能力。

　　但是技术挑战仍然存在。其中一个障碍是降低天线的复杂程度，以降低生产成本。此外，通信和网络合作技术联盟的成员正在努力增强信号处理能力，因为高带宽通信系统必须在电磁噪杂的环境下工作。

　　由于陆军研究实验室与通信和网络合作技术联盟集中于战术作战，因此，加强无人值守地面传感器等系统也是他们的工作范畴。西林西恩指出，机动性较弱是传感器网络的优势所在，因此与机动性较强的其他应用相比，几乎不存在连接性问题。这些系统的主要问题是功耗。他说：“在协议研究中，能量是一个关键因素。即使对非传感器网络而言，能量也将是一个重大问题。”

　　通信和网络合作技术联盟还致力于波形和信号处理方面的研究，如使用正交调频（OFM）的多载波波形，这些波形可高效地访问非邻近频谱。正交调频波形可以用各种方式利用非邻近频谱，包括减轻部队机动时产生的信道衰减问题。“如果你进入一个因有其他人使用频谱而信号噪杂的区域，你希望做的事是使用非邻近频谱。军方所面临的问题之一是缺少频谱。”

　　研究的重点是使用IPv6应用来解决管理方面的问题。西林西恩解释道，战术移动无线系统的缺点之一是它们构建于互连网体系结构之上。而互连网体系结构有两大缺陷，这使其无法成为很好的移动无线通信媒介。缺陷之一是，互连网的传输层彼此隔离，这一特点为陆线系统提供了可扩缩性。他解释说：“互连网的传输层效率较低，但传输管道容量很大，因此关系不大。”

　　缺陷之二是，互连网协议地址实际上就是互连网的连接点。但是，移动ad hoc网络（MANET）协议的连接点并不是地址，因为这些连接点一直在变。他说：“如果你的地址所连接的是我在马里兰州的办公桌，那么当我前往另一个地方时，就必须更改原来的地址。”

　　但是，在战术无线系统中，地址就无法以这种方式工作。通信和网络合作技术联盟实施了许多地址管理计划，以识别地址并使其独立于物理位置。IPv6的另外一个优势是，在地址数量上为用户提供了更高的灵活性。但西林西恩称，要想在移动中定位并维护这些地址，还需要其他一些协议。

　　通信和网络合作技术联盟所开发的技术必须能够在杂乱的地理环境下操作，因此，该联盟的研究人员将面临重重挑战，包括资源、能源和处理能力等方面的限制。西林西恩称：“我们可以研制出信号处理能力很强的波形，但它们无法在电台处理器上运行。因此，应寻求复杂程度较低的解决方案。”

　　复杂系统的网络动态性也产生了很多困难。陆军呼吁建立高动态性移动网络，这种网络能够适应各种任务要求，并且具有机动的节点和网络基础设施，而这些常常会被计划人员所忽视。但现在，所有的路由器、域名服务、移动服务以及安全授权都是移动的。他说：“如何在一切都处于移动状态的情况下，仍为士兵提供服务呢？”

　　西林西恩所说的另外一个问题是“信道问题”。战术无线移动网络经常会出现强电磁干扰、连接中断和信道堵塞等情况。各种干扰影响了最初为陆线网络设计的现行无线协议。这种挑战的实例之一是互连网传输控制协议（TCP）。当连接失败时，传输控制协议会认为网络被堵塞。为减轻资源压力，此协议通过延长消息之间的间隔来减少其对网络资源的占用。这种策略在无线环境下工作得不太理想，因为最可能失效的机制不是堵塞，而是由信道噪音产生的错误。他说：“如果重传的话，情况会更糟。实际上，你必须针对那个噪声信道改变你的协议。”

　　无线系统也在很大程度上依赖于集中式服务。许多使用中的协议都需要集中式服务器，而这种服务器无法为依赖无线电通信的广泛分散的部队提供支持。另外一个挑战是可扩缩性问题，因为在网络规模变得非常大时构建会变得十分困难。通信和网络合作技术联盟正在研究能更好地评估大型网络的影响的方法。

　　通信和网络合作技术联盟研究的一些技术开始应用于陆军保障网络安全的入侵检测系统。西林西恩解释说，这些应用使用移动ad hoc网络协议，该协议运行在管理网络路由基础设施的更大的合作协议内。移动ad hoc网络协议一直应用于多跳无线电通信。他指出，对于点对点通信来说，需要一个协议来确定接收方将在哪里接收多跳传输信息包。但是这种控制业务很容易受到干扰、电子欺骗和入侵。

　　为对付这种潜在的威胁，通信和网络合作技术联盟针对多跳环境制定了入侵检测机制规则。基于互连网的入侵检测系统，可通过网关对通信业务加以控制。但是这种类型的应用无法工作于基于移动ad hoc网络的无线系统，因为所有的节点都要与其他不通过单一网关选择信道的节点进行通信。

　　西林西恩解释说，基于以往的研究实践，通信和网络合作技术联盟总结了以下几条经验：一是创建多个域来管理可扩缩性；二是无线系统的层交叉设计。为了获得较高的性能和能量效率，协议层必须链接在一起，且必须联合设计。例如，为优化协议，路由必须与媒体访问控制层链接。

　　此计划的众多优势之一是其灵活性及其对技术的适应能力，这是该计划概念的关键所在。西林西恩称：“由于技术在不断地变化，所有的事情都在变化，因此，你不能要求在制订此计划按预期运行五年，而是要不断适应这些变化，适应技术上的突破。”

　　作者：亨利 S.肯扬

　　编译：知远/严骁