当前位置 : 首页 > 美国军事 > 专题栏目 > 装备研究 > 内容

美国陆军通信带宽需求及能力分析

来源:互联网 责编:ldzldz 作者:佚名 时间:2009-04-26

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22.5,2002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。

>1  美国国防部通信带宽需求预测

 

 

>2  DAWE期间旅级部队通信使用情况

 

 

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。

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21997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

>3  DAWE期间师级作战带宽需求变化情况

 

 

>4  FCS作战部队带宽需求(按旅级部队成员划分)

 

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。

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NTDRTHSDN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)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)67%,小型无人地面车、无人机(1级与2)、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。GuptaKumar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GrossglauserTse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·霍普金斯大学根据对信息交换需求的估计,对未来作战系统通信结构拓扑方案进行了评估,提出建立分层多级通信网,它将使用定向天线及无人机作为通信中继。据此,每个连级部队将至少需要两架无人机完成通信中继。