空中计算在指挥控制数据链中的应用

源自：指挥信息系统与技术          作者：张子龙  田少鹏  孔令涛

摘要

空中计算提供了通信计算一体化的技术基础，具备推动指挥控制数据链系统效能快速提升的技术潜力。首先，对美军指挥控制数据链进行了深入调研，分析其研制历程、典型系统、性能水平和发展趋势；其次，研究了空中计算的技术原理、适用范围和约束；然后，基于实际应用需求，重点设计了指挥控制数据链系统中空中计算技术的使用模式，并给出了在航迹处理方面的典型应用方法；最后，进一步讨论了空中计算技术在宽带链路、树形网络、自组织网络和战术信息系统中的拓展使用模式。

0  引言

在战术节点之间，需要传输的大量时敏信息与匮乏的通信资源间的矛盾长期存在。联合作战场景中，指挥控制数据链（简称指控链）作为多军兵种力量联合发挥的纽带，其系统容量和传输速率一直是限制系统规模和能力提升的瓶颈；陆上作战场景中，底层战术节点一方面需要向上报送大量实时态势和情报信息，另一方面受传输环境限制仅具备窄带通信手段。尽管随着通信技术的发展，带宽严重不足的问题正逐步改善，多址接入方式也不断优化，但是随着底层节点数的快速增加、特别是军事物联网概念的迅速落地，战术数据逐渐呈现海量化趋势，导致战场边缘网络资源限制问题愈加严重。

随着新兴技术的快速发展，各行各业新应用层出不穷。在指控链应用领域，智能化信息处理、智能化决策迁移以及大数据体系构建等技术推动了杀伤链构建和跨域自主协同等先进理念的快速发展，实现这些理念的关键在于及时完成对海量战术数据的处理，但由于典型数据链系统的分布式架构、单节点性能和无线链路带宽等因素，为数据链智能化带来了挑战。

空中计算指利用无线信号传输的叠加特性，在接入通信系统收发两端信号传输的过程中完成计算的方式，它将传统的先通信再计算的架构转变为边通信边计算模式。在典型的指控链系统（如Link 16）中，空中计算要求的各终端间严格同步和信道衰落一致性问题相对容易满足，因此，可将其应用于指控链系统，通过通信计算一体化方式，在不增加带宽需求基础上，优化分布式智能应用模式的构建。

本文首先调研了美军指控链的研制现状，重点分析了其发展趋势；其次，研究了目前空中计算技术的发展情况，对其技术内涵和适用范围进行了阐述；然后，阐述了空中计算技术在指控链系统内的设计方法，并给出了基于空中计算的航迹融合方法新思路；最后，对空中计算在其他系统中的拓展应用模式进行了讨论。

1   指控链发展现状

实际上，数据链是在传感器、指挥控制系统和武器平台之间实时传输处理战术态势、指挥控制、战术协同和武器控制等格式化消息的网络化战术信息系统。美军和北约从20世纪50年代开始就启动指控链的重点研制，建设了包括Link 1、Link 4、Link 11、Link 16和Link 22在内的多个通用指控链系统，形成了以Link 16为核心的指控数据链族。典型的指控链系统用途和特性如表1所示。

表1 典型指控链系统用途和特性

在指控链体系不断发展的过程中，美军根据海湾、科索沃、阿富汗、伊拉克和叙利亚等数次战争中的实际使用情况，不断改进优化指控链系统，其发展趋势具体表现在如下5个方面。1) 通用化整合：美军逐步废弃了部分功能重叠、性能落后的系统，构建以Link 16和Link 22为核心的J系列通用指控链系统。2) 统一化集成：美军以研制通用集成装备模块为抓手，同时按照统一接口和标准要求，开发数据链集成应用公共软件，实现统一的数据链平台集成。3) 迭代化提升：美军在传输组网、信息交换和抗毁抗扰等方面充分吸收先进技术和算法，在确保参战平台互操作基础上，迭代提升指控链系统各方面能力。4) 条令化规范：美军针对数据链系统的论证研制和建设使用等各方面进行全过程条令化管理；涉及多链作战操作规程、多链协调发展等问题则由美军高级官员、国防部统一管理。5) 智能化推进：美军通过拒止环境下协同作战（CODE）、体系综合技术和试验（SOSITE）和马赛克战等一系列项目，探索了智能化传输组网、干扰抑制和资源调度技术，开发了智能化辅助决策软件。

2   空中计算研究现状

在空中计算架构中，多个节点向接入点发送数据时，利用相同的无线资源、而非正交的无线资源同时发送数据；数据“叠加”的计算操作在空中完成，接入点仅需完成后处理操作即可，如图1(b)所示。比较上述2种模式可知，空中计算主要优势在于：1) 所有节点并发传输，大幅度提高频谱利用率，降低了信息传输时延；2) 利用无线传输的叠加性，部分计算随着信号传输过程完成，缩短了接入点的计算时延。尽管空中计算的增益明显，但仍然受到计算函数和无线信道环境的约束。

图1 空中计算示意图

在目标函数适用性方面，已有研究证明，算术平均数、几何平均数、加权求和、多项式和欧几里德范数等函数（归类为nomographic函数）以及最大值最小值函数都可以通过空中计算完成，典型nomographic函数如表2所示；已证明任意函数可由多个nomographic函数组合形成，表明空中计算理论上可以适用于任何场景。在无线信道环境适应性方面，窄带无线信道的衰落特性对空中计算的影响已经得到分析，相关研究人员设计了解决单天线多节点接入信道衰落差异性问题的迫一致性收发信机，并推广至多天线场景下的收发信机设计。此外，由于空中计算对节点之间同步要求高，相关分布式同步机制设计也是研究关键。

表2 典型nomographic函数

3   指控链空中计算设计

3.1  应用需求

尽管多年来，指控链的传输速率和系统容量有一定提高，但由于频谱资源受限、抗干扰和保密要求高等方面原因，其传输速率和组网容量还无法满足日益增长的作战需求。典型数据链系统组网示意图如图2所示。以Link 11的轮询模式为例，单网内指定一个平台为网络控制站，负责对网络进行监视、管理和分析，其他网内平台均为从属站；网络启动后，网络控制站按照特定顺序依次对从属站进行点名，从属站应答，如图2(a)所示。Link 16系统采用TDMA体制组网，同时考虑层叠网等多网模式，一定程度上提高了系统容量和传输速率；通过划分网络参与组和时隙分配，入网平台间能够根据规划交换战术信息，不同战术子网间使用不同时频资源，互不影响，如图2(b)所示。典型的Link 11系统单网用户容量<20，Link 16系统单网用户容量为100～200，严重限制了联合作战和合成作战的平台规模。

图2 典型数据链系统组网示意图

无论是轮询模式还是TDMA模式，单网特定时隙只能有一个节点发送战术信息，其他节点接收信息。当根据作战应用需求，需要对各节点信息进行统一处理时，目前通常有2种方式：1) 由一个物理的或者逻辑的中心节点将其他节点的信息接收完成后，再进行统一处理，如数量或状态类典型信息的统一处理；2) 采用分布式算法，由所有系统节点中选出一个比较“合适”进行本次信息传输的节点来占用传输资源，系统信任并采用该节点发出的信息，典型如Link 16中的分布式航迹融合处理。方式1)虽然实现了信息的统一处理，但占用了大量时隙，增加了战术应用的时延；方式2)大幅度减少了时隙需求，但对信息处理的精度和算法提出了很高要求。值得注意的是，由于空中计算对同步要求的特殊性，目前只有少数TDMA系统（如Link 16，全系统精同步用户保持ns级同步精度），系统用户具备应用条件。

因此，基于受限的时隙资源快速完成信息处理来满足战术行动的实时性需求，成为目前指控链发展的关键问题。空中计算作为一种边通信边计算的手段，具备在不占用大量传输资源前提下实现快速信息计算的技术潜力。

3.2  模式设计

即在满足实际使用时隙数不超过系统总时隙数、任意一种作战应用均有节点参与、任意节点至少参与一种作战应用的约束下，根据作战应用特性设计预处理函数集和后处理函数集，从而实现节省系统实际使用时隙，优化了作战效能。针对上述优化问题，按照具体问题形式和性质，调用凸优化算法或其他算法进行求解。

3) 资源管理节点将求解得到的时隙分配方式和对应战术应用的预处理函数下发给系统各节点。

4) 启动网络，系统开始运行。

3.3  典型应用分析

本节以Link 16的航迹处理为例说明空中计算技术的潜在应用优势。目前，Link 16系统采用分布式航迹统一处理方式生成全网统一航迹。这种分布式航迹统一方法非常复杂，其流程包括数据配准、航迹质量计算、航迹相关/解相关和报告职责确定等。Link 16分布式航迹处理示意图如图4所示。

图4 Link 16分布式航迹处理示意图

从实际使用过程中可以发现，Link 16系统一直受到多名、重名航迹以及航迹不连续等问题的困扰，对战术应用造成了一定影响，其原因在于，一方面是其铰链的传感器主要是以预警探测为主要功能的战术级传感器，另一方面是由于系统传输带宽受限，目标信息由发现该目标中航迹质量最高的平台负责提供，导致其他传感器平台对该目标探测的结果不能提供增益。结合空中计算，适用于Link 16系统的航迹融合算法有简单协方差凸组合（CC）算法、互协方差组合（BC）算法]和协方差交叉融合（CI）算法等。为便于描述，以CC算法为例，描述上述航迹融合算法在Link 16系统中的应用方式。

4  拓展模式探讨

4.1 宽带链路系统应用

随着通信软硬件水平的发展和民用通信技术的引入，战术末端将逐渐具备宽带传输手段。在此背景下，除了窄带信道的噪声和干扰问题外，频率选择性衰落会导致空中计算的方式发生变化。一般情况下，采用正交频分复用（OFDM）技术将宽带信道分割为多个平坦的窄带子信道，从而抵抗频率选择性衰落，然后在不同子信道上传输。在子信道上，可以并行考虑采用空中计算技术，从而有效提升传输有效率。宽带链路空中计算应用示意图如图6所示。

4.2  树形网络/分簇自组织网络应用

树形网络和分簇自组织网络是常用的战术通信网络形式。空中计算技术经过适应性设计后同样也适用于上述2种网络。树形网络/自组织网络空中计算应用示意图如图7所示。其中，树形网络主要采用分级空中计算模式，即同级节点对信号进行预处理，并同时将信号发送给上级节点进行后处理，完成本级战术功能的支撑，要求同级别用户间保持严格同步；分簇自组织网络采用内外空中计算模式，即先在簇内完成多个节点向簇头节点发送时的空中计算，再按需在簇头间完成空中计算，要求同一分簇内用户间保持严格同步。

4.3  战术信息系统计算架构应用

在民用信息系统领域，云边协同和云网融合技术不断发展，应用日益拓展。结合战术信息系统使用需求，采用战役-战术云协同（即云边协同）方式将信息服务能力推向战术前沿，一直是业内重点研究方向。基于末端战术节点计算能力的分布式利用和通信计算一体化，空中计算能够为战术场景下云边协同提供有益补充，为构建中心计算-边缘计算-空中计算-节点计算的完整计算架构提供支撑。战术信息系统计算架构空中计算应用示意图如图8所示。

5  结束语

文首先分析了美军指控链的研制现状和发展趋势，以及目前空中计算技术的发展情况；然后，阐述了空中计算技术在指控链系统内的应用需求、模式设计，并给出了基于空中计算的航迹融合方法新思路；最后，讨论了空中计算在宽带链路系统、树形网络/分簇自组织网络以及战术信息系统中的拓展应用模式。尽管各军事强国坚持重点发展指控链系统，但由于受高度对抗环境下通信资源严重受限的约束，指控链的传输速率和系统效能提升缓慢。空中计算依托边通信边计算的技术机制，巧妙地发挥指控链端节点的计算能力，有效提升了系统通信资源利用率，在战术前沿实现了用计算资源换取通信资源的目标。

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