MANET的关键技术及其在军事通信中的应用

摘　要：MANET因具有自组性、机动性及抗毁性而受到人们的高度关注。在阐述MANET的起源与发展及其工作原理的基础上，较全面详细地分析了MANET的关键技术；介绍了MANET在法军、美军通信中的应用。

关键词：MANET　关键技术　军事通信

中图分类号：TN911　　　　文献标识码：A　　　　　文章编号：1007-3973（2012）007-089-03

1 引言

MANET（Mobile Ad-hoc Network，MANET）起源于1971年美国夏威夷大学设计实现的第一个分组无线网络——ALOHA系统，在军事通信中具有广阔的应用前景。美国DARPA（Defense Advanced Research Project Agency）在1972年、1993年和1994年分别启动于分组无线网（PRNET,Packet Radio NETwork）、高残存性自适应网络SURAN和全球移动信息系统GloMo三个项目，取得丰硕的理论和应用成果，并一直持续深入研究PRNET技术。1991年成立的IEEE802.11标准委员会使用术语“Ad Hoc网络”来描述这种特殊的自组织对等式多跳无线移动通信网络。1997年成立IETF MANET工作组，致力于MANET协议的标准化，加速推动了商用MANET的研发。

以局域网技术、数据分组交换技术为基础，MANET由一组带有无线收发装置的移动分组无线单元(Packet Radio Unit，PRU)组成，是一种多跳临时性移动通信网络。PRU由无线电台、天线和数字控制器组成。在MANET网络中传送的信息以分组为基本单元，每个分组包括包头和正文两部分。包头通常包括该分组在分组无线网中的源地址、目的地址和相关路由信息；正文部分则是需要传送的消息，正文部分可包含IP数据或其他数据。MANET不设中心站、采用分布式网络结构，每个节点均可作为源节点、目的节点或中继节点，且利用分组包头中的控制信息分包为每个分组选择传输合适的路由。

和依赖于固定基础设施的通信网络相比，MANET具有自身的特点和优点，近年来受到人们的广泛关注。

2 MANET的关键技术

不依赖于固定的基础设施、节点可能随时进入/离开网络、整个网络采用分布式结构运行，MANET有很多技术难点，其关键技术主要有：MAC协议、QoS保障、路由协议、功率控制、安全问题、网络互联和网络资源管理等。

2.1 MANET的MAC协议

链路层解决的主要问题包括介质接入控制以及数据的传送、同步、纠错和流量控制等，分为媒介访问控制层（MAC）和逻辑链路控制层（LLC）。MAC协议决定节点什么时候允许发送其分组，且通常控制对物理层的所有访问。

在MANET中存在隐藏终端和暴露终端问题，要在MAC层解决这两个固有问题，因而不能直接应用载波侦听多址访问（CSMA）协议（WLAN中使用最多的异步随机访问协议）。MANET的MAC协议有竞争协议、分配协议和混合协议三类。竞争协议使用直接竞争来决定信道访问权并通过随机重传来解决碰撞问题，在传输载荷轻的时候碰撞次数少、信道利用率高、分组传输时延小；但在传输载荷增大时，协议性能下降很快甚至致使网络崩溃。改进的竞争协议代表有：多址访问与碰撞回避（MACA）协议、信道获取多址访问（FAMA）协议、IEEE802.11 MAC等。分配协议使用同步通信模式，时隙与节点的映射决定一个节点在其特定时隙内允许访问的信道。分配协议往往在中等到繁重传输载荷条件下运行良好，但信道时隙化导致在轻传输载荷条件下的时延相对于竞争协议是非常大的。分配协议有：五步预留协议（FPRP）、跳频预留多址访问协议（HRMA）等。混合协议能够保持所组合的各个协议的优点又能避免其缺陷，在传输载荷轻的时候表现为竞争协议的性能，而在传输载荷重的时候近似表现为分配协议的性能。典型的混合协议有：TDMA/CSMA混合协议、Meta-协议等。

2.2 路由协议

MANET设计中的一个关键问题是开发能够在两个节点之间提供高质量高效率通信的路由协议。Internet路由协议不能适应MANET网络节点的移动性和网络拓扑结构不断变化，专门的适用于MANET的路由协议应能够满足功能：能感知网络拓扑的变化、维护网络拓扑的连接、高度自适应的路由。IETF MANET已经完成的标准化路由协议主要有：主动式路由协议有最优化链路状态路由协议（OLSR）和基于反向路径转发的拓扑分发协议（TBRPF）；按需路由协议有按需距离矢量路由协议（AODV）和基于节点间相互关系的路由协议（ABR）；综合主动式路由思想和按需路由思想的路由协议称为混合型路由协议，有域路由协议（ZRP）和抢先式路由协议等。

分组无线网应用环境复杂多样，不同的应用环境追求不同的性能，这导致很难寻找MANET的最优路由协议。如：在军事应用中更关注系统的抗毁性、隐蔽性和保密性；而在无线会议系统中则更注重端到端的时延和吞吐量。不同类型的路由协议具有自身的优缺点，适应于不同的网络环境。不可能用一种路由算法作为标准的路由协议去比较好地解决所有MANET路由问题，路由算法的最优化石针对具体网络环境的工程化问题。混合型路由协议因其固有的灵活性，而具有很好的应用前景。

MANET的用户通常是具有协同工作关系的群体，而群组通信必须由多播路由协议提供通信支持。但有线网络环境中使用的多播路由协议(如：多播开放最短路径优先协议MOSPF等)在移动分组无线网中不再适用，因为动态的网络拓扑结构会导致分发树的破坏，而不得不因连接变化而调整。原达等提出了适用于移动分组无线网的多播路由协议。在移动分组无线网环境中，多播路由协议起着非常重要的作用。在协议中采用按需路由发现策略，动态建立路由信息及维持多播组成员关系。控制开销小、实现简单，能够适应较低带宽的大规模动态网络环境，具有稳定的分组转发成功率和良好的伸缩性，获得了较好的多播数据传输质量。

2.3 服务质量（QoS）

QoS是指当源端向目的端发送分组流时，网络向用户保证提供一组满足预先定义的服务性能约束，如端到端的时延、带宽和分组丢失率等。保障Ad Hoc网络QoS一般采用两种策略：(1)采用保守的方法通过提供足够的网络资源来避免资源竞争；(2)采用对特定分组进行标记，并提供不同优先级别的方法来确保某些特定业务的QoS，如IETF MANET提出的综合服务模型（InterServ）和区分服务模型（Diffserv）。但这些服务模型没有考虑无线移动的网络环境、现有的无线网络QoS保障机制大多基于有基础设施支持的单跳蜂窝模型，无法直接应用于多跳、动态拓扑的移动Ad Hoc网络中。MANET采用VHF和UHF频段，信道带宽窄，而且网络容易遭受敌意破坏和干扰，需要为MANET网络设计新的QoS保障机制。

2.4 安全问题

自身的特点使得MANET面临众多安全威胁：受到链路层的攻击，包括被动窃听和主动假冒、信息重放和信息破坏；节点在敌方环境（如战场）漫游时缺乏物理保护，使网络容易受到已泄密的内部节点（而不仅是外部节点）的攻击；MANET的拓扑和成员经常改变，建立节点间的信任关系是网络安全的中心问题；MANET可能是包含成百上千个节点的庞大网路，需要采用具有扩展性的安全机制。目前的安全策略有：基于密码的认证协议，密钥和密码由多台机器决定，且有完善的密码更新机制；“复活鸭子”的安全模式；异步分布式密钥管理，密钥管理服务由多个节点管理。

特别地，MANET通常提供群组服务，组密钥是安全组通信中实现信息机密性和完整性的关键。组密钥管理是指为组成员生成、分发和更新组密钥。MANET的计算、通信资源有限，其组密钥管理协议应具有较少的计算量、较低的运算强度。基于身份标识的贡献式MANET组密钥协商管理协议CEAGKP，具有较小的通信量、较强的安全性与可扩展性，能够很好地适应MANET环境要求。

组密钥管理方案都基于Diffie-Hellman算法，性能不够理想、不具备认证功能，面临诸多挑战。安全簇组密钥协商协议(ESGKAP)有效地减少了组密钥协商过程中的秘密贡献交互开销，增加了协议的灵活性、可扩展性和容错性，提高了方案的安全性。用高效的签密及门限联合签名方案，将进一步增加方案的安全性。

2.5 功率控制

移动终端采用的便携式能源直接限制了MANET节点的生存时间、MANET采用的共享信道易导致节点之间相互干扰，必须采用节能技术和对节点的发射功率进行控制，降低干扰并节省能耗。

与蜂窝移动通信网络相比，MANET没有集中控制中心，网络带宽资源也相对有限，不能使用传统网络中的功率控制算法，同时由于节点的处理能力较低以及网络的全分布式结构等特点，应该采用相对简单有效的功率控制算法。固定功率控制和随机功率控制策略对MANET的连通性具有不同的影响。数值仿真结果表明，网络中节点密度低时，固定功率控制策略的网络连通性较高；而网络中节点密度较高时，线性分布的随机功率控制策略能提供较高的网络连通性。节点能耗可以分为通信费用和计算费用两部分。通信费用是指无线网络借口消耗的能量；计算费用是指协议处理方面消耗的能量。因此，节能技术和功率控制问题涉及无线网络中的各层。硬件层次上采用低功耗元器件和节能算法、物理层调整节点发射功率、MAC层减少数据发送的冲突避免重传、网络层采用功率控制路由算法、天线采用有向天线等，从系统的角度设计全面的节能技术和功率控制框架可延长MANET节点生存时间和整个网络的寿命、提升网络通信效果。

2.6网络的互联

用户希望不同MANET网络的移动终端之间能通信、MANET移动终端可以访问有线网资源，这就要求不同MANET网络实现互联及MANET与有线网互联。

与MANET有关的网络互联方式通常有3类：同种类型MANET网络的互联，这种形式可以用来向位于多个分散地理位置上的工作小组提供协同通信能力；与现有有线网的互联，这种形式主要用于满足MANET移动终端访问有线网资源的需求；通过隧道方式的互联，这种形式利用现有网络（如：Internet）作为信息传输系统，将位于不同地理位置的MANET网络通过隧道方式组成一个更大的MANET网络。在MANET网络与其他网络的接口处，都需要网关设备进行接入，并需要解决几个问题：MANET网络的合并策略问题；多网重叠区域节点的入网选择问题；异构网络的融合问题（包括MANET网络与无线局域网或蜂窝网的融合，通过MANET将现有一些网络的最后1跳扩展为多跳无线连接)。

2.7 网络资源管理

与蜂窝通信系统相比，MANET的网络资源管理更为复杂，不仅涉及了如蜂窝通信中的介质访问层，还扩展到了路由层甚至更高的传输层。

3 MANET技术在军事通信中的应用

在现代化战场上，各种作战车辆之间、士兵之间、士兵与作战车辆之间都需要在动态变化的战场条件下保持密切联系，以完成指挥、部署和协调作战，MANET在战场环境下大有用武之地。不依赖于固定设施、展开迅速、抗毁性强等特点使MANET技术已成为数字化战场通信的首选技术，其中最重要的应用就是战术互联网。

3.1 法军战术互联网

法军战术互联网主要由RITA2000通信系统和MATIS移动战术互联网融合构成，主要由UHF电台构成高速电台骨干网、第4代可编程系列电台（PR4G）构成战术电台子网，并通过路由器实现电台骨干网、电台子网、以太网及广域网等的互联。法军战术互联网的主要设备性能和系统集成技术处于世界领先水平。

3.2近期数字化电台（NTDR）

战术互联网（TI）是美军21世纪部队战场数字化的关键措施。美军现役战术互联网主要由4大通信系统、6个指控接入系统、3类网络互连设备和4种装载平台组成。美军正积极发展基于联合战术无线电系统（JTRS）、战术级作战人员信息网（WIN-T）等组成的下一代战术互联网。

NTDR是美军战术互联网的主干电台，是一种采用开放体系结构的网络无线电台。NTDR系统是以簇为基础的两层分级网络结构，如图1。簇内由一个簇头节点和若干簇内成员节点组成。簇头负责收集簇内成员的信息并与外部簇头交换路由信息，本地簇成员只有通过簇头才能与外部簇成员通信；簇头之间形成骨干网，使用OSPF路由协议通信。

3.3 联合战术电台系统宽带网络波形（JTRS WNW）

JTRS WNW是一种宽带自组织网络，在美国陆军、海军、空军部队中都有应用，以在美国海军陆战队的应用为例。JTRS是海军陆战队作战区域内战术通信基础设施的关键组成单元，JTRS WNW网络的主要作用是将各个作战指挥中心（COC）连接在一起，包括从地面移动单元（HMMWV、LAV、AAAV）和空中移动单元（MV-22、直升机）到较为稳定的大露营地和大型舰船。JTRS WNW网络提供话音、数据、视频的交互。用于实现JTRS WNW网络的JTRS电台安置在UAV和其他中继平台上，用于提供视距连接。图2所示的海上作战机动（OMFTS）通信体系结构是OMFTS C4ISR的顶层系统体系结构。OMFTS通信结构由大量低功率无线局域网（WLAN）组成，各个WLAN通过JTRS自组织广域网（WAN）连接在一起。

4 结束语

MANET具有无中心、自组织、自愈、独立组网、动态拓扑、节点移动、多路由、展开迅速、带宽有限、抗毁性强、链路容量不稳定、全分布式拓扑结构等特征，几乎可以应用到所有方面。例如：搜寻与营救、数字化与自动化战场、群体控制、移动办公、大型活动的安保、虚拟教室、传感器网络等。在军事应用上，MANET节点可安装在机器人、装甲车、坦克、武装直升机、军舰等移动平台上，增强部队的战场态势感知能力、情报侦察能力，因此，MANET的研发深受各国军方（特别是美军）高度重视。

由于MANET应用环境的复杂多样，而且不同的应用环境追求不同的性能，因而不可能过找到最佳的解决方案。很多关键技术需要进一步的完善，以适应不同的环境和需求。

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