美国陆军通信带宽需求及能力分析

2004年9月A版

　　军事通信在战争中的作用日益重要。随着军事通信需求的不断增长，带宽不足问题愈加突出。如果把1991年海湾战争通信带宽需求设为1，则科索沃战争通信带宽就为2或2.5，2002年阿富汗“持久自由行动”通信带宽为7，2003年“伊拉克自由行动”带宽需求大约为10。在伊拉克战争期间，相对带宽增长甚至更高，“在冲突高峰，美国国防信息系统局向该战区提供的卫星通信带宽为3Gbps，是海湾战争时的30倍。”

　　美国陆军正向更加灵活的“未来部队”转型，未来部队将更加依赖通信，以实现网络中心战。图1是美国国防部通信带宽需求预测。

美陆军目前及近期通信带宽能力

从信息交换需求看带宽需求

　　“斯瑞克”旅战斗队(SBCT)是目前美陆军接近快速部署、全频作战的部队。根据其对指挥、作战、管理/后勤、情报、火力支援及工程的支持，对信息流(信息交换需求)进行了分类，以根据信息流量确定主要用户及信息传输频率。其中，最大的用户为数据库升级与转换以及传感器数据，量大且频繁；其次可能是情报(图像情报及电子情报)用户，这些大型数据库每天更新数次；迄今为止，车辆位置报告是传输最频繁的信息，涉及用户最多，但消息规模很小。

　　表1给出分析结果。这些估计是针对静态或一般情况而言，不代表战时动态信息流；另外，始料未及的信息需求可能大大增加实际带宽需求。

从战场试验看带宽需求

　　利用实际战场数据(包括真实作战或战场试验)也可以对带宽进行评估。图2是1997年美陆军第四步兵师“师级先进作战试验”(DAWE)测量数据，给出24小时旅级部队通信容量需求，并按照通信支持的功能进行了细分，包括态势感知、协同计划编制、精确作战以及聚焦后勤。可以看出不同作战阶段(如计划编制、准备、主攻、反攻、巩固)与时间通信需求的变化，旅级部队最大容量需求为1.7Mbps。

　　图3给出师级部队的通信容量需求情况(不包括情报及后勤部队数据)，其最大容量需求为5.1 Mbps。图中即时数据反映了数小时内信息流的动态变化，最大、最小带宽需求相差5倍，说明可根据具体情况满足带宽需求。

　　需要指出，未来带宽需求评估应综合考虑上述两种分析方法，且对通信变化及灵活性亦不容忽视。

目前及近期通信系统

　　“斯瑞克”旅战斗队旅级网络支持指挥、态势/指挥与控制、数据库共享(陆军作战指挥系统)、管理/后勤以及火力支援，网络使用单信道地面和机载无线电系统(SINCGARS)、高频、增强定位报告系统(EPLARS)以及近期数字电台(NTDR)等多种无线电系统。

　　表2给出了美陆军旅级通信系统目前及近期能力评估。目前，NTDR已经取代移动用户设备(MSE)，而战术高速数据网(THSDN)则正在取代NTDR。THSDN目前的传输速率是256kbps，将来可能提高到2Mbps。

　　从远期看，WIN-T(单兵战术信息网)及JTRS(联合战术无线电系统)将扩大系统容量并增加系统机动性。作为在研项目，贝尔实验室空间与时间(BLAST)概念是一种频谱利用率很高的无线通信技术。在30kHz带宽时，其数据速率为0.5 Mbps~1 Mbps，是传统方法的10倍。

美陆军未来通信需求及系统能力

未来带宽需求

　　美陆军未来作战系统(FCS)将成为未来部队的重要组成部分，它是由协同操作的多功能战车组成的大系统，实时传输数据、信息和命令的移动自组通信网把这些车辆与原部队连接起来。FCS概念要求利用空间信息栅格、机载信息栅格以及陆地信息栅格将陆、海、空、天各种平台联结成一个整体，以实现信息主宰。FCS作战部队是旅级部队，未来部队将使用多个这样的作战部队。

　　通过对旅级部队未来带宽/通信容量的初步评估，可以看出传感器数据主宰着带宽需求。具体是：无人机(3级与4级)占67%，小型无人地面车、无人机(1级与2级)、无人值守地面传感器、徘徊攻击弹药/精确攻击弹药占18%，有人地面战车6%，态势感知数据6%，协同2%，射击1%，机器人控制及话音均在1%以内。图4给出FCS作战部队成员带宽需求情况。

　　研究表明，现有带宽及未来需求带宽至少相差2倍，很可能是10倍。因此，旅级作战部队的带宽供求差距是数百Mbps。

机遇与挑战

　　下面探讨未来作战系统各个通信网络层的需求及能力。

陆地网

　　网络中心环境下的战术通信网一定是机动自组网，支持地面车辆的陆地网也是机动自组网。自组网不依赖固定基础设施，其节点本身必须存储并转发彼此的数据包。关于移动自组网的理论容量极限，还需进一步研究。Gupta与Kumar的研究结果是：如果把任何两个网络节点之间的平均数据传输速率(单位bps)定义为容量，而且使用全向天线，则：

①对于平面网络而言，每节点的最大容量随着n的增加而下降；

②对于三维网络而言，每节点的最大容量随着n的增加而下降。

　　虽然这些理论结果可用于确定极限参数，但通信网的性能对具体的假设(如地形、机动性、车辆大小、天气等)也非常敏感。

　　另外，与路由选择相关的内务操作也占用带宽。移动自组网必须“发现”从发送端到接收端的“适当”路径。由于美陆军通信有其自身特点，可能还要设计开发专用网络协议。

　　影响网络传输信息能力的主要因素是：

①消息路由选择

　　如果路由转发次数较少，且内务操作不多，就可以相对提高容量。节点容量随着网络规模的扩大而下降，但较佳路由选择可能减缓其下降速度。

②电源管理方案

　　传输电源管理或者基于电源的路由选择使节点自动增加功率，获得更远的距离/连接，或使节点自动降低功率，减少对其它节点传输信息的干扰。

③天线技术

　　定向天线可降低网络中的干扰概率，节省节点发射能量。

④节点机动性

　　Wilson认为：当车辆较少时，吞吐量随着车速的增加而下降。而Grossglauser与Tse的实验结果却相反：车辆机动性可改善网络连通性，提高吞吐量。关于节点机动性与移动自组网吞吐量的关系，还需进行更多的实验与模拟。

⑤理论性能与测量结果的差异

　　最大数据速率的理论值和实际值就有出入。通常，实际最大吞吐量估计值只是其理论最大值的1/3~1/2。

士兵网

　　支持步兵部队的士兵网使移动自组网面临最大挑战，因为绝大多数士兵分布相对集中，且其电台能力有限。由于士兵网既不能使用现有固定通信设施，又不能公开运行，其挑战和机遇具有独特性。

　　徒步士兵最基本的通信需求是：自己、友军及敌人的位置。其天线大小及传输电源必须符合可实际穿戴、电池供电的要求。士兵网必须与主要的陆地网和/或一般的信息栅格保持连接。

　　美国国防先进研究计划局(DARPA)支持士兵通信的项目之一是“小型部队作战态势感知系统”，其目标是开发为徒步士兵提供所需态势感知信息的无线电系统。2002年，该项目成功地演示了挑战环境下徒步士兵保持通信联络的能力，在演示中电台测距精度达到4米。

　　美陆军“士兵级综合通信环境”项目，将继续在同一领域进行深入研究。其目标是：①开发支持移动自组网的电台；②开发具有连续定位/导航和测距能力的软件及硬件，以及开发智能管理工具——对向士兵显示的信息种类和数量进行智能管理。

机载网

　　使用机载中继设备，可以改善与网络中“分离”用户的连接，同时降低通过网络路由选择消息的难度。

　　崎岖的地形会使地面之间的通信遇到困难，此时机载网可以提供连接。网络内更大范围的连接则提供了额外的载容链路(capacity-carrying link)。因此，垂直节点就是一个容量倍增器。使用无人机作为垂直节点的挑战之一，就是确定向指定部队提供安全连接所需的无人机数量；另外，无人机节点可能无意识地限制通信业务，如暴露的终端问题。

　　对战术网来说，垂直节点可减轻消息路由选择的负担，减少内务操作。Helmy认为，少数额外网络路径的形成缩短了消息的平均路径长度(如消息转发次数减少)。他指出：“对于一个有1000个节点、5000条链路的网络，增加25~150条链路可使路径长度缩短40%~60%。”

　　垂直节点的选择根据覆盖范围确定，既可随机选择，也可预先指定。只是还需进行更多研究，确定垂直节点与其它网络节点的理想比率。

空间网

　　机载平台容易受天气的影响，其作战需要某些基础设施的支持。卫星面向全球提供支持，可以扩大陆地网的优势。

　　激光通信技术在空间是可行的，其主要技术挑战是从空间到地面的链路以及光链路。高速数据速率传输时，光学交联优于微波交联。与射频交联相比，光学系统天线尺寸更小。射频交联更适合100Mbps以下的数据传输。随着高效激光器及轻量光学镜片的开发，低速光链路也将受到青睐。此外，光信号在大气中传输时性能有一定衰减。

　　转型通信结构(TCA)正由美国国家安全空间结构办公室开发，目的是提高国防部通信容量。转型通信研究提出，通过光学交联增强系统间的互连。TCA将使美陆军拥有大容量(数个Gbps)通信能力，这对战区通信及战略通信相当重要。TCA目标是建立全球通信网，它将从光纤通信开始，然后是建立卫星光通信系统。不过，连接战术用户的射频链路尚待确定。

　　最后，需要指出：网络结构将对带宽需求及能力产生重要影响。约翰