从美空军解决手机通信挑战看美军移动通信发展史
2015-09-17 09:34:01
移动设备的直连与易连是我们需要的,但现代蜂窝网络离不开基站,如果基站不可用那如何打电话?为解决这个挑战,空军研究实验室的信息部、美国海军以及洛克希德马丁聚到一起,设计、制作并测试了“移动用户目标系统”(MUOS),一个用来在天空架设基站的卫星通信系统,为美国地面军队提供并提升更多通信能力。
 
基本的设计就像一个典型的收集系统,不过基站不是在地面,而是地球同步人造卫星上。有4颗卫星覆盖地球。原始的3G信息设计被改为能够连接到卫星。卫星传送通话信息到地面控制站,连接网络并完成通话。
 
用户需要一台MUOS手机以使用系统。这时,手机就像典型的战术无线电设备,不过新的MOUS设备随着系统成熟会更小。 其中一次系统试验放在南极洲。 团队成员能够联络到负责“极寒作战”的第62空军运输大队,其任务是向国家科学基金(NSF)和科考站运送补给。 在到达南极20分钟内,团队就能从南极大陆上发出第一个语音和数据通信。
 
在行程中他们收集了数据,将用于改进MUOS使其成熟到具备完全作战能力。团队负责人Michael Gudaitis表示,在一个无法使用手机的地方,测试验证了该系统3G蜂窝质量的语音、文本和数据通话。“试想在你最需要打电话的时候没有信息覆盖的感受。在南极,MUOS系统能够验证从没有其它无线通信设备或电话能工作的地方打电话。”他称目前系统有商业应用。“在民航飞行中,你无法使用手机,只能是飞行模式。但是有了MUOS,你可以随时保持联网状态。”
 
不只是手机通信,所有移动通信手段对于军事通信都非常重要。军事移动信息系统具有移动通信和移动计算两大功能,特别适用军事作战环境,因而在未来的高技术战争中具有重要地位和作用。美军在20世纪80年代利用商业CDMA和GSM网络成功实现部分军用特殊功能的基础上,结合军方GloMo、Mosaic、WIN-T等项目的开发,发展军事移动信息系统,为地理位置分散并移动的指挥员及指挥要素提供灵活、可靠的面向个人的移动通信连接。 
 
美军军事移动信息系统的发展
 
1.全球移动信息系统(GloMo)计划
 
20世纪90年代开始,世界形势和格局都发生巨大变化,经济上的激烈竞争已不允许甚至象美国这样的经济大国继续在世界各地保持庞大的武装力量,但由于利益的驱动,又不得不在缩减军备的同时,保持强大的军事潜力。全球移动信息系统计划(GloMo)就是在这样的背景下,由国防高级研究计划局(DARPA)于1994年提出的,其目的是在指挥控制、通信和计算机(C4)系统中应用先进技术,从而提高其网络的灵活性、通用性和互通性。它一方面是要满足未来国防上有效的移动信息系统的需求,另一方面又能利用商用部门开发的技术。同时,它也迎合了实施“数字化战场”计划的实际需要。 
 
GloMo计划于1995年开始实施,2000年底结束,试验了大量的由高等院校等提供的新工艺和技术,内容涉及网络应用、自动组网和适应环境的无线电技术。 
 
(1)GloMo的特点 
 
GloMo计划的主要目标是为全球移动环境中可靠的端到端信息系统开发技术,把基础的商用元部件综合进灵活、可靠、多跳的宽带系统开发中去。GloMo系统具有实时收发信息的能力,强调覆盖所有运动单元的能力,利用以陆地及空间为基础的各种通信设施,通过大容量通信干线连接到全球陆地移动通信网络中,GloMo计划是在DARPA原来研究项目的基础上进行的。 
 
GloMo计划开发的特点有: 
 
·强调“军民协同”发展军事移动信息系统的重要性; 
·计划基本涵盖了移动通信发展的前沿课题,并与第三代移动通信系统发展目标相吻合; 
·强调网络的可快速部署能力; 
·重视系统的模拟与仿真; 
·强调将高、中、低轨道卫星及无人中继器作为长距离无线链路的重要性; 
·强调将把Internet作为移动信息基础结构重要组成部分的必要性,并将移动信息系统作为Internet在无线领域的扩展,因为基于IP的网络是目前网络演进和融合的必然趋势: 
·强调硬件的模块化; 
·强调网络对信息流密度、带宽的不对称性以及自适应抗干扰能力; 
·通过“中间件”(Middleware)的研究和应用,达到无缝隙的互联互通,实现不同类型数据、不同移动终端和不同业务间的无线多媒体数据交换; 
·重视低功率、低成本技术的开发,并开发高效的便携式移动终端,实现非对称传输的目标。 
 
(2)发展状况与意义 
 
GloMo的一个重要思路是使计划的成果综合进商用产品,从而使下一代军事移动信息系统能以商用产品和业务为基础,同时,GloMo计划中,为支持国防需求而开发的许多技术最终将转移到商用技术和基础设施中。GloMo计划发展的特点是大量依靠非军事院校和研究机构参与军用通信的研究,参加该项计划的国际知名院校有10个,承担了35个研究课题中的22个。 
 
Glomo计划于2000年完成,其研究成果已成为一些后续计划的基础,如2000年开始实施的多功能移动保密自适应综合通信系统(Mosaic)计划,将充分利用Glomo的成果和产品,其中涉及工作协议、抗毁的移动IP、命名和寻址、多频段天线、抗同址干扰等技术。此外,Glomo计划及其子计划WING中研究的多跳分组无线网络(Ad hoc网络)等技术将是开发下一代战术互联网的基础。 
 
2.多功能动中通保密自适应综合通信系统
 
Mosaic是美陆军目前进行的一项先进技术演示计划,通过把无线技术和协议综合在一起,为下一代战术互联网提供基础。计划将进行两次演示,分别在2002年进行中期演示和2004年进行终期演示。Mosaic进行的高级技术演示将用来论证下一代战术互联网,以支持话音、数据、视频和多媒体业务在地面平台和空中平台上的无缝隙流通。 
 
多年来,改进战术作战中心(TOC)的移动性和抗毁性一直是美陆军的主要目标,随着新时期对可抗毁、能快速插入的应急部队需求的不断提高,移动性和抗毁性的要求愈加重要。因此, Mosaic ATD计划将着重开发未来所需的通信体系结构,以便支持战术环境下移动TOC(战术作战中心)的分布和传到——回传(reach-back)通信功能。同时,该计划的实施必须满足以下几项作战与技术要求: 
 
·与联合技术体系结构(JTA)一致; 
·完全受保护的保密网络和节点; 
·在一个作战中心(TOC)可支持多个移动主机; 
·用于移动系统的陆地、机载和空间的无缝多模式的通信基础结构; 
·当陆地和机载移动主机在战场移动时,使其能维持与数据网络的连接; 
·为动中通(OTM)作战中心(TOC)提供自动的横向和纵向越区切换; 
·支持话音、数据、视频及多媒体业务的近实时要求; 
·网络管理可允许快速自动的网络初始化和重建; 
·支持未来指挥所的无线连接; 
·实现车载系统、下车系统、战术干线系统以及战略系统的完全连接。 
 
3 .WIN-T中的个人通信
 
指战员信息网—战术(WIN-T)是美陆军史上第二次大规模重建的战术通信计划,是采用商用技术、用于传输有线无线话音、数据和视频的21世纪战术通信系统,将形成下一代高级战术互联网,是实现陆军2010年及以后作战概念最具竞争力的系统。 
 
(1)计划的重组 
 
WIN-T计划已于2001年完成作战需求分析。但根据美陆军将向"目标部队"全面转型的发展需求,2002年陆军对该计划进行了根本的改进 。 
 
目前计划的重组已完成,将着重通信结构的调整、风险、技术准备状况分析及与其它转型计划(如FCS、JTRS)的协调。重新编写的WIN-T可操作需求文件(ORD)将与目标部队概念结合起来,因此,其重点将从原先为传统部队和过渡部队提供通信能力转为更强调下一代系统(如FCS)的需求,更能反映新时期的作战方式。陆军要求企业界从头开始设计WIN-T,希望它包括计算机、电信和无线通信及卫星通信。 
 
新计划采取"在仿真的基础上进行采购"的方式。这样可以预先让大家知道规划的WIN-T系统是如何工作,给部队一个机会去解决相关的问题(如人员配置、设备需求和资金问题)。 
 
WIN-T已从现代化计划转变为革命性计划,更加强调移动通信和采用现成的新技术。 
 
WIN-T计划目前正在开发战术级的个人通信设备(PCD),应用于单兵和指挥官(soldiers and officers),PCD可使合法用户实现移动中访问网络。网络在战术级上具有巨大的网络操作,网络管理、信息安全和信息分发管理功能。 
 
(2)个人通信领域的最新发展动向 
 
美国陆军通信电子司令部(CECOM)空间与陆地通信管理局于2003年9月30日发布的25项研究与开发建议项目(有效期为2003 年9月-2007年9月 )中,有几项与WIN-T和未来军用移动通信有关: 
 
①Tactical Personal Communications System / 战术个人通信系统 
 
希望提供用于试验和演示的3G、4G个人通信系统(PCS)样机的研究。要求该项研究要解决战术移动通信应用中的技术难点。特别是应用方面,要求满足陆军战术通信系统(如WIN-T)的需求,WIN-T必须提供机动行动单元(Unit of Action)与部署单元(Unit of Employment)和外部网络的连接。PCS将提供移动、保密、抗毁、无缝和基于多媒体的C4ISR的能力。感兴趣的技术包括符合CDMA2000、UMTS标准的设备。  
 
对无线个人通信设备(PCD),例如PDA或蜂窝电话也感兴趣。PCD必须为整个战场的指挥中心提供保密的类似商用的通信功能(会议、定位信息、点对点、通播)以及各种扩展的网络业务(话音、数据、图像、视频/多媒体)。3G的解决方案应后向兼容2G系统,4G解决方案应把3G的容量提高一个数量级。项目应包括综合分析和描述4G系统将如何完成无线移动和无线接入通信的交会(convergence)。 
 
该项目还应解决频谱效率、动态带宽分配、无线保密通信的应用、改进QoS、数字收发信机技术、软件定义电台等,例举说明小区制组网结构(pico、micro、macro)的新一代系统是如何集成并应用于WIN-T结构的。把3G 战术个人通信系统发展成WIN-T结构的时间应是2012财年。至于4G的时间应是2015财年。 
 
②IPv6 for the Tactical Army / IPv6应用于战术陆军  
 
设想中IPv6应用于军用移动通信的性能之一是本身(native)移动IP 支持。WIN-T 系统的手持机将为战场的漫游者提供话音和数据通信。移动IP 特别适合漫游设备。移动IPv6比IPV4有巨大的改进,它不再需要国外代理,避免了三角路由。因此,IPV6对WIN-T计划具有潜在的价值。目前已通过"陆军科学技术计划"进行评估。 
 
军事移动信息系统 - 美军军事移动信息系统建设的经验与教训
 
1.强调移动信息系统的军民协同发展
 
GloMo计划的一个突出特点是强调军民协同的指导思想,成为21世纪“军民协同”发展移动信息系统的一个样板。Mosaic计划则是通过验证和筛选,把商用产品和国防部的研究成果集成在一起,以满足未来战斗系统(FCS)和目标部队(Objective Force)的通信需求以及战场指挥系统基础结构的可移动性,形成一个未来战场所需的无缝隙通信体系结构。WIN-T作为革命性计划,更加强调移动通信和采用现成的新技术。 
 
2.充分利用高校、企业的技术成果 
 
美军军事信息系统发展中的新技术插入、商用技术与产品军事应用性研究,大量交由高校演示、论证与模拟、仿真,从而避免了大规模基础性研究费用的投入。军方亦积极参与民用标准的制定工作,对移动信息技术的发展方向施加影响,以便在需要时可充分利用民用技术与商用系统。 
 
3.特别重视系统的建模、仿真与测试 
 
美军历来都十分重视通信网络的建模与仿真研究工作。GloMo计划中的许多研究项目都要进行计算机模拟与仿真;Mosaic本身即是一个先进演示验证计划;WIN-T中的PCS系统基本以仿真验证商用3G、4G产品与技术为主。这种开发方式有效避免将全部科研资金投入硬件开发,便于充分利用商业移动信息技术飞速发展带来的成果,通过进行计算机模拟、仿真和评估,有选择性地加以利用,以达到大幅度降低研发成本的目的。 
 
4.充分利用商业界研发的军民两用技术 
 
由于民用与军用移动信息系统的应用环境与目的不同,二者之间存在许多差异,很多时候不是通过简单的军民协同可以解决的。从需求与使用方式出发:在系统层次,可归结为网络结构、安全性、互操作性、多模式、多频段系统;在部件层次,军用系统需要软件无线电、智能天线、高性能的滤波器和智能波形等。另外,对军事应用环境中的高密度通信平台及同址干扰等问题也需要进行专门研究。但技术成熟、性能可靠、价格较低的商用现货如数字信号处理器、智能天线等产品都已被美军大量运用。 
 
5.注重论证和验证,及时调整项目进展 
 
美军在其军事信息系统建设过程中根据项目需求,做出过几次重大调整。20世纪80年代后期,高通公司提出CDMA设计方案时就开始研究CDMA的军事应用,并且参与了IS-95CDMA标准的制定。 但在GloMo计划初期(1994年),由于CDMA移动通信设备还未商品化而在移动信息站系统的设计中没有应用扩频技术,只采用了TDMA方案,使系统在安全性、抗干扰、系统容量、抗多径等方面的性能均受到限制。几年之后,随着商用CDMA扩频技术产品的成熟,DAPRA迅速提出在移动信息站中采用W-CDMA技术,以弥补上述缺陷。 
 
美国在“9.11”事件救援行动中意识到,基于固定基础设施的GSM网上建立的应急通信系统(无线优先系统WPS)也有其局限性,且不同地区赶赴现场的救援单位移动终端间的互通也无法协调,而软件无线电技术、Ad Hoc网络等军事通信网络中的研究热点技术,对解决上述问题具有民用网络无可比拟的优势。 
 
根据美陆军向“目标部队”转型以满足未来战斗系统(FCS)的需求,WIN-T也从现代化计划转化为革命性计划,强调结合、运用3G、4G的先进技术与产品为地理分散的、不依赖与地理位置的“无线指挥员”(Wireless Commander)提供不间断的面向个人的多媒体业务。 
 
对军民协同的军事移动通信发展启示
 
 
美军发展军事信息系统的经验教训启示我们,在建设军事移动通信系统过程中,应以军民协同发展为主线,加强系统仿真、验证,分步、持续发展,并结合军事理论进步及时调整计划。 
 
1.设立专门项目开展移动通信领域商业现货产品(COTS)及技术发展趋势军事适用性研究 
 
通过设立专门项目开展移动通信领域商业现货产品及技术发展趋势军事适用性研究,以判断在商业市场上,哪些技术、产品和业务有可能满足军事移动通信系统的发展需求。主要研究内容包括: 
 
·对发达国家军民协同移动通信系统已进行的工作,在现有跟踪研究的基础上,进行深入的分析、研究; 
·对利用民用通信网络结构、业务与应用、通信协议与标准等满足军事通信系统需求的研究; 
·加强对民用移动通信智能天线、软件无线电、低成本、低功率和小体积的移动终端等关键技术的研究以提高军事移动通信的性能。 
 
2.充分利用高校,科研院、所及企业的成熟产品与先进技术 
 
我国在短短十多年就已经发展成为民用移动通信大国,不仅是世界最大的移动通信市场,而且拥有了自主知识产权的国际3G标准TD-SCDMA,4G的理论支持LAS-CDMA也由我国率先提出。在民用移动通信的蓬勃发展中,国内市场也储备了巨大的技术资源可供军方选用。 
 
3.加强军事移动通信系统模拟、仿真与验证 
 
通过计算机模拟、仿真降低对具体硬件平台的依赖,加快对新技术的引入,通过软件性能的提升提高系统的可扩充性、可重用性;同时,通过系统工程集成与协调验证各种成熟产品、先进技术对军事移动通信系统的支持程度,使有限的国防经费投入发挥最大的军事效益。 
 
4.分步持续的发展军事移动通信系统 
 
由于对民用移动通信标准的掌握情况及国内器件生产水平的制约,军事移动通信系统建设应根据我国现状和发展规划进行长期规划、持续发展和分步进行,并结合军事理论发展、移动通信新技术的出现和国内关键技术的突破及时进行调整。 
 
美军军事移动信息系统发展的历程与趋势为建设“军民协同”的移动信息系统提供了极具价值的参考;而信息技术革命的迅猛发展也启示我们:在信息和知识已成为社会和经济发展的重要战略资源和基本要素的时代,人们更需要“随时随地”获取信息。因此,为满足我国信息产业的发展与国防需求,我们迫切需要建设一个军民协同的、大量采用商业现货产品(COTS)的、能够满足战时军事需求的、军民两用的移动信息系统。同时,利用先进的军事技术研究成果促进商业移动信息技术产品的发展,对提高我国的综合实力亦具有深远的意义。
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