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。隨著軍事通信需求的不斷增長，帶寬不足問題愈加突出。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”通信帶寬為7，2003年“伊拉克自由行動”帶寬需求大約為10。在伊拉克戰爭期間，相對帶寬增長甚至更高，“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，是海灣戰爭時的30倍。”

　　美國陸軍正向更加靈活的“未來部隊”轉型，未來部隊將更加依賴通信，以實現網絡中心戰。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)進行了分類，以根據信息流量確定主要用戶及信息傳輸頻率。其中，最大的用戶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，這些大型數據庫每天更新數次；迄今為止，車輛位置報告是傳輸最頻繁的信息，涉及用戶最多，但消息規模很小。

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

從戰場試驗看帶寬需求

　　利用實際戰場數據(包括真實作戰或戰場試驗)也可以對帶寬進行評估。圖2是1997年美陸軍第四步兵師“師級先進作戰試驗”(DAWE)測量數據，給出24小時旅級部隊通信容量需求，并按照通信支持的功能進行了細分，包括態勢感知、協同計劃編制、精確作戰以及聚焦后勤。可以看出不同作戰階段(如計劃編制、準備、主攻、反攻、鞏固)與時間通信需求的變化，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。圖中即時數據反映了數小時內信息流的動態變化，最大、最小帶寬需求相差5倍，說明可根據具體情況滿足帶寬需求。

　　需要指出，未來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”旅戰斗隊旅級網絡支持指揮、態勢/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，網絡使用單信道地面和機載無線電系統(SINCGARS)、高頻、增強定位報告系統(EPLARS)以及近期數字電臺(NTDR)等多種無線電系統。

　　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已經取代移動用戶設備(MSE)，而戰術高速數據網(THSDN)則正在取代NTDR。THSDN目前的傳輸速率是256kbps，將來可能提高到2Mbps。

　　從遠期看，WIN-T(單兵戰術信息網)及JTRS(聯合戰術無線電系統)將擴大系統容量并增加系統機動性。作為在研項目，貝爾實驗室空間與時間(BLAST)概念是一種頻譜利用率很高的無線通信技術。在30kHz帶寬時，其數據速率為0.5 Mbps~1 Mbps，是傳統方法的10倍。

美陸軍未來通信需求及系統能力

未來帶寬需求

　　美陸軍未來作戰系統(FCS)將成為未來部隊的重要組成部分，它是由協同操作的多功能戰車組成的大系統，實時傳輸數據、信息和命令的移動自組通信網把這些車輛與原部隊連接起來。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、天各種平臺聯結成一個整體，以實現信息主宰。FCS作戰部隊是旅級部隊，未來部隊將使用多個這樣的作戰部隊。

　　通過對旅級部隊未來帶寬/通信容量的初步評估，可以看出傳感器數據主宰著帶寬需求。具體是：無人機(3級與4級)占67%，小型無人地面車、無人機(1級與2級)、無人值守地面傳感器、徘徊攻擊彈藥/精確攻擊彈藥占18%，有人地面戰車6%，態勢感知數據6%，協同2%，射擊1%，機器人控制及話音均在1%以內。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

　　下面探討未來作戰系統各個通信網絡層的需求及能力。

陸地網

　　網絡中心環境下的戰術通信網一定是機動自組網，支持地面車輛的陸地網也是機動自組網。自組網不依賴固定基礎設施，其節點本身必須存儲并轉發彼此的數據包。關于移動自組網的理論容量極限，還需進一步研究。Gupta與Kumar的研究結果是：如果把任何兩個網絡節點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，則：

①對于平面網絡而言，每節點的最大容量隨著n的增加而下降；

②對于三維網絡而言，每節點的最大容量隨著n的增加而下降。

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

　　另外，與路由選擇相關的內務操作也占用帶寬。移動自組網必須“發現”從發送端到接收端的“適當”路徑。由于美陸軍通信有其自身特點，可能還要設計開發專用網絡協議。

　　影響網絡傳輸信息能力的主要因素是：

①消息路由選擇

　　如果路由轉發次數較少，且內務操作不多，就可以相對提高容量。節點容量隨著網絡規模的擴大而下降，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自動增加功率，獲得更遠的距離/連接，或使節點自動降低功率，減少對其它節點傳輸信息的干擾。

③天線技術

　　定向天線可降低網絡中的干擾概率，節省節點發射能量。

④節點機動性

　　Wilson認為：當車輛較少時，吞吐量隨著車速的增加而下降。而Grossglauser與Tse的實驗結果卻相反：車輛機動性可改善網絡連通性，提高吞吐量。關于節點機動性與移動自組網吞吐量的關系，還需進行更多的實驗與模擬。

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際值就有出入。通常，實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

　　支持步兵部隊的士兵網使移動自組網面臨最大挑戰，因為絕大多數士兵分布相對集中，且其電臺能力有限。由于士兵網既不能使用現有固定通信設施，又不能公開運行，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。其天線大小及傳輸電源必須符合可實際穿戴、電池供電的要求。士兵網必須與主要的陸地網和/或一般的信息柵格保持連接。

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

　　美陸軍“士兵級綜合通信環境”項目，將繼續在同一領域進行深入研究。其目標是：①開發支持移動自組網的電臺；②開發具有連續定位/導航和測距能力的軟件及硬件，以及開發智能管理工具——對向士兵顯示的信息種類和數量進行智能管理。

機載網

　　使用機載中繼設備，可以改善與網絡中“分離”用戶的連接，同時降低通過網絡路由選擇消息的難度。

　　崎嶇的地形會使地面之間的通信遇到困難，此時機載網可以提供連接。網絡內更大范圍的連接則提供了額外的載容鏈路(capacity-carrying link)。因此，垂直節點就是一個容量倍增器。使用無人機作為垂直節點的挑戰之一，就是確定向指定部隊提供安全連接所需的無人機數量；另外，無人機節點可能無意識地限制通信業務，如暴露的終端問題。

　　對戰術網來說，垂直節點可減輕消息路由選擇的負擔，減少內務操作。Helmy認為，少數額外網絡路徑的形成縮短了消息的平均路徑長度(如消息轉發次數減少)。他指出：“對于一個有1000個節點、5000條鏈路的網絡，增加25~150條鏈路可使路徑長度縮短40%~60%。”

　　垂直節點的選擇根據覆蓋范圍確定，既可隨機選擇，也可預先指定。只是還需進行更多研究，確定垂直節點與其它網絡節點的理想比率。

空間網

　　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，可以擴大陸地網的優勢。

　　激光通信技術在空間是可行的，其主要技術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，光學交聯優于微波交聯。與射頻交聯相比，光學系統天線尺寸更小。射頻交聯更適合100Mbps以下的數據傳輸。隨著高效激光器及輕量光學鏡片的開發，低速光鏈路也將受到青睞。此外，光信號在大氣中傳輸時性能有一定衰減。

　　轉型通信結構(TCA)正由美國國家安全空間結構辦公室開發，目的是提高國防部通信容量。轉型通信研究提出，通過光學交聯增強系統間的互連。TCA將使美陸軍擁有大容量(數個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，它將從光纖通信開始，然后是建立衛星光通信系統。不過，連接戰術用戶的射頻鏈路尚待確定。

　　最后，需要指出：網絡結構將對帶寬需求及能力產生重要影響。約翰