美國陸軍通信帶寬需求及能力分析

2004年9月A版

　　軍事通信在戰爭中的作用日益重要。隨著(zhù)軍事通信需求的不斷增長(cháng)，帶寬不足問(wèn)題愈加突出。如果把1991年海灣戰爭通信帶寬需求設為1，則科索沃戰爭通信帶寬就為2或2.5，2002年阿富汗“持久自由行動(dòng)”通信帶寬為7，2003年“伊拉克自由行動(dòng)”帶寬需求大約為10。在伊拉克戰爭期間，相對帶寬增長(cháng)甚至更高，“在沖突高峰，美國國防信息系統局向該戰區提供的衛星通信帶寬為3Gbps，是海灣戰爭時(shí)的30倍?！?/P>

　　美國陸軍正向更加靈活的“未來(lái)部隊”轉型，未來(lái)部隊將更加依賴(lài)通信，以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )中心戰。圖1是美國國防部通信帶寬需求預測。

美陸軍目前及近期通信帶寬能力

從信息交換需求看帶寬需求

　　“斯瑞克”旅戰斗隊(SBCT)是目前美陸軍接近快速部署、全頻作戰的部隊。根據其對指揮、作戰、管理/后勤、情報、火力支援及工程的支持，對信息流(信息交換需求)進(jìn)行了分類(lèi)，以根據信息流量確定主要用戶(hù)及信息傳輸頻率。其中，最大的用戶(hù)為數據庫升級與轉換以及傳感器數據，量大且頻繁；其次可能是情報(圖像情報及電子情報)用戶(hù)，這些大型數據庫每天更新數次；迄今為止，車(chē)輛位置報告是傳輸最頻繁的信息，涉及用戶(hù)最多，但消息規模很小。

　　表1給出分析結果。這些估計是針對靜態(tài)或一般情況而言，不代表戰時(shí)動(dòng)態(tài)信息流；另外，始料未及的信息需求可能大大增加實(shí)際帶寬需求。

從戰場(chǎng)試驗看帶寬需求

　　利用實(shí)際戰場(chǎng)數據(包括真實(shí)作戰或戰場(chǎng)試驗)也可以對帶寬進(jìn)行評估。圖2是1997年美陸軍第四步兵師“師級先進(jìn)作戰試驗”(DAWE)測量數據，給出24小時(shí)旅級部隊通信容量需求，并按照通信支持的功能進(jìn)行了細分，包括態(tài)勢感知、協(xié)同計劃編制、精確作戰以及聚焦后勤?？梢钥闯霾煌鲬痣A段(如計劃編制、準備、主攻、反攻、鞏固)與時(shí)間通信需求的變化，旅級部隊最大容量需求為1.7Mbps。

　　圖3給出師級部隊的通信容量需求情況(不包括情報及后勤部隊數據)，其最大容量需求為5.1 Mbps。圖中即時(shí)數據反映了數小時(shí)內信息流的動(dòng)態(tài)變化，最大、最小帶寬需求相差5倍，說(shuō)明可根據具體情況滿(mǎn)足帶寬需求。

　　需要指出，未來(lái)帶寬需求評估應綜合考慮上述兩種分析方法，且對通信變化及靈活性亦不容忽視。

目前及近期通信系統

　　“斯瑞克”旅戰斗隊旅級網(wǎng)絡(luò )支持指揮、態(tài)勢/指揮與控制、數據庫共享(陸軍作戰指揮系統)、管理/后勤以及火力支援，網(wǎng)絡(luò )使用單信道地面和機載無(wú)線(xiàn)電系統(SINCGARS)、高頻、增強定位報告系統(EPLARS)以及近期數字電臺(NTDR)等多種無(wú)線(xiàn)電系統。

　　表2給出了美陸軍旅級通信系統目前及近期能力評估。目前，NTDR已經(jīng)取代移動(dòng)用戶(hù)設備(MSE)，而戰術(shù)高速數據網(wǎng)(THSDN)則正在取代NTDR。THSDN目前的傳輸速率是256kbps，將來(lái)可能提高到2Mbps。

　　從遠期看，WIN-T(單兵戰術(shù)信息網(wǎng))及JTRS(聯(lián)合戰術(shù)無(wú)線(xiàn)電系統)將擴大系統容量并增加系統機動(dòng)性。作為在研項目，貝爾實(shí)驗室空間與時(shí)間(BLAST)概念是一種頻譜利用率很高的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。在30kHz帶寬時(shí)，其數據速率為0.5 Mbps~1 Mbps，是傳統方法的10倍。

美陸軍未來(lái)通信需求及系統能力

未來(lái)帶寬需求

　　美陸軍未來(lái)作戰系統(FCS)將成為未來(lái)部隊的重要組成部分，它是由協(xié)同操作的多功能戰車(chē)組成的大系統，實(shí)時(shí)傳輸數據、信息和命令的移動(dòng)自組通信網(wǎng)把這些車(chē)輛與原部隊連接起來(lái)。FCS概念要求利用空間信息柵格、機載信息柵格以及陸地信息柵格將陸、海、空、天各種平臺聯(lián)結成一個(gè)整體，以實(shí)現信息主宰。FCS作戰部隊是旅級部隊，未來(lái)部隊將使用多個(gè)這樣的作戰部隊。

　　通過(guò)對旅級部隊未來(lái)帶寬/通信容量的初步評估，可以看出傳感器數據主宰著(zhù)帶寬需求。具體是：無(wú)人機(3級與4級)占67%，小型無(wú)人地面車(chē)、無(wú)人機(1級與2級)、無(wú)人值守地面傳感器、徘徊攻擊彈藥/精確攻擊彈藥占18%，有人地面戰車(chē)6%，態(tài)勢感知數據6%，協(xié)同2%，射擊1%，機器人控制及話(huà)音均在1%以?xún)?。圖4給出FCS作戰部隊成員帶寬需求情況。

　　研究表明，現有帶寬及未來(lái)需求帶寬至少相差2倍，很可能是10倍。因此，旅級作戰部隊的帶寬供求差距是數百Mbps。

機遇與挑戰

　　下面探討未來(lái)作戰系統各個(gè)通信網(wǎng)絡(luò )層的需求及能力。

陸地網(wǎng)

　　網(wǎng)絡(luò )中心環(huán)境下的戰術(shù)通信網(wǎng)一定是機動(dòng)自組網(wǎng)，支持地面車(chē)輛的陸地網(wǎng)也是機動(dòng)自組網(wǎng)。自組網(wǎng)不依賴(lài)固定基礎設施，其節點(diǎn)本身必須存儲并轉發(fā)彼此的數據包。關(guān)于移動(dòng)自組網(wǎng)的理論容量極限，還需進(jìn)一步研究。Gupta與Kumar的研究結果是：如果把任何兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)之間的平均數據傳輸速率(單位bps)定義為容量，而且使用全向天線(xiàn)，則：

①對于平面網(wǎng)絡(luò )而言，每節點(diǎn)的最大容量隨著(zhù)n的增加而下降；

②對于三維網(wǎng)絡(luò )而言，每節點(diǎn)的最大容量隨著(zhù)n的增加而下降。

　　雖然這些理論結果可用于確定極限參數，但通信網(wǎng)的性能對具體的假設(如地形、機動(dòng)性、車(chē)輛大小、天氣等)也非常敏感。

　　另外，與路由選擇相關(guān)的內務(wù)操作也占用帶寬。移動(dòng)自組網(wǎng)必須“發(fā)現”從發(fā)送端到接收端的“適當”路徑。由于美陸軍通信有其自身特點(diǎn)，可能還要設計開(kāi)發(fā)專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。

　　影響網(wǎng)絡(luò )傳輸信息能力的主要因素是：

①消息路由選擇

　　如果路由轉發(fā)次數較少，且內務(wù)操作不多，就可以相對提高容量。節點(diǎn)容量隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )規模的擴大而下降，但較佳路由選擇可能減緩其下降速度。

②電源管理方案

　　傳輸電源管理或者基于電源的路由選擇使節點(diǎn)自動(dòng)增加功率，獲得更遠的距離/連接，或使節點(diǎn)自動(dòng)降低功率，減少對其它節點(diǎn)傳輸信息的干擾。

③天線(xiàn)技術(shù)

　　定向天線(xiàn)可降低網(wǎng)絡(luò )中的干擾概率，節省節點(diǎn)發(fā)射能量。

④節點(diǎn)機動(dòng)性

　　Wilson認為：當車(chē)輛較少時(shí)，吞吐量隨著(zhù)車(chē)速的增加而下降。而Grossglauser與Tse的實(shí)驗結果卻相反：車(chē)輛機動(dòng)性可改善網(wǎng)絡(luò )連通性，提高吞吐量。關(guān)于節點(diǎn)機動(dòng)性與移動(dòng)自組網(wǎng)吞吐量的關(guān)系，還需進(jìn)行更多的實(shí)驗與模擬。

⑤理論性能與測量結果的差異

　　最大數據速率的理論值和實(shí)際值就有出入。通常，實(shí)際最大吞吐量估計值只是其理論最大值的1/3~1/2。

士兵網(wǎng)

　　支持步兵部隊的士兵網(wǎng)使移動(dòng)自組網(wǎng)面臨最大挑戰，因為絕大多數士兵分布相對集中，且其電臺能力有限。由于士兵網(wǎng)既不能使用現有固定通信設施，又不能公開(kāi)運行，其挑戰和機遇具有獨特性。

　　徒步士兵最基本的通信需求是：自己、友軍及敵人的位置。其天線(xiàn)大小及傳輸電源必須符合可實(shí)際穿戴、電池供電的要求。士兵網(wǎng)必須與主要的陸地網(wǎng)和/或一般的信息柵格保持連接。

　　美國國防先進(jìn)研究計劃局(DARPA)支持士兵通信的項目之一是“小型部隊作戰態(tài)勢感知系統”，其目標是開(kāi)發(fā)為徒步士兵提供所需態(tài)勢感知信息的無(wú)線(xiàn)電系統。2002年，該項目成功地演示了挑戰環(huán)境下徒步士兵保持通信聯(lián)絡(luò )的能力，在演示中電臺測距精度達到4米。

　　美陸軍“士兵級綜合通信環(huán)境”項目，將繼續在同一領(lǐng)域進(jìn)行深入研究。其目標是：①開(kāi)發(fā)支持移動(dòng)自組網(wǎng)的電臺；②開(kāi)發(fā)具有連續定位/導航和測距能力的軟件及硬件，以及開(kāi)發(fā)智能管理工具——對向士兵顯示的信息種類(lèi)和數量進(jìn)行智能管理。

機載網(wǎng)

　　使用機載中繼設備，可以改善與網(wǎng)絡(luò )中“分離”用戶(hù)的連接，同時(shí)降低通過(guò)網(wǎng)絡(luò )路由選擇消息的難度。

　　崎嶇的地形會(huì )使地面之間的通信遇到困難，此時(shí)機載網(wǎng)可以提供連接。網(wǎng)絡(luò )內更大范圍的連接則提供了額外的載容鏈路(capacity-carrying link)。因此，垂直節點(diǎn)就是一個(gè)容量倍增器。使用無(wú)人機作為垂直節點(diǎn)的挑戰之一，就是確定向指定部隊提供安全連接所需的無(wú)人機數量；另外，無(wú)人機節點(diǎn)可能無(wú)意識地限制通信業(yè)務(wù)，如暴露的終端問(wèn)題。

　　對戰術(shù)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，垂直節點(diǎn)可減輕消息路由選擇的負擔，減少內務(wù)操作。Helmy認為，少數額外網(wǎng)絡(luò )路徑的形成縮短了消息的平均路徑長(cháng)度(如消息轉發(fā)次數減少)。他指出：“對于一個(gè)有1000個(gè)節點(diǎn)、5000條鏈路的網(wǎng)絡(luò )，增加25~150條鏈路可使路徑長(cháng)度縮短40%~60%?！?/P>

　　垂直節點(diǎn)的選擇根據覆蓋范圍確定，既可隨機選擇，也可預先指定。只是還需進(jìn)行更多研究，確定垂直節點(diǎn)與其它網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的理想比率。

空間網(wǎng)

　　機載平臺容易受天氣的影響，其作戰需要某些基礎設施的支持。衛星面向全球提供支持，可以擴大陸地網(wǎng)的優(yōu)勢。

　　激光通信技術(shù)在空間是可行的，其主要技術(shù)挑戰是從空間到地面的鏈路以及光鏈路。高速數據速率傳輸時(shí)，光學(xué)交聯(lián)優(yōu)于微波交聯(lián)。與射頻交聯(lián)相比，光學(xué)系統天線(xiàn)尺寸更小。射頻交聯(lián)更適合100Mbps以下的數據傳輸。隨著(zhù)高效激光器及輕量光學(xué)鏡片的開(kāi)發(fā)，低速光鏈路也將受到青睞。此外，光信號在大氣中傳輸時(shí)性能有一定衰減。

　　轉型通信結構(TCA)正由美國國家安全空間結構辦公室開(kāi)發(fā)，目的是提高國防部通信容量。轉型通信研究提出，通過(guò)光學(xué)交聯(lián)增強系統間的互連。TCA將使美陸軍擁有大容量(數個(gè)Gbps)通信能力，這對戰區通信及戰略通信相當重要。TCA目標是建立全球通信網(wǎng)，它將從光纖通信開(kāi)始，然后是建立衛星光通信系統。不過(guò)，連接戰術(shù)用戶(hù)的射頻鏈路尚待確定。

　　最后，需要指出：網(wǎng)絡(luò )結構將對帶寬需求及能力產(chǎn)生重要影響。約翰