Перспективные мобильные адаптивные сети передачи информации для СВ США

Капитан Л. Разгуляев

Одним из ключевых направлений повышения боевых возможностей вооруженных сил США является формирование интегрированного информационного пространства на основе новейших информационных технологий. Минимизация длительности цикла принятия решения, увеличение производительности вычислительных систем, эффективное распределение информационного потока между аппаратными ресурсами посредством унифицированного сетевого оборудования позволят достичь максимального уровня ситуационной осведомленности и управляемости критическими процессами.
Командование СВ США осуществляет полномасштабную модернизацию своей сетевой инфраструктуры, начиная с внесения изменений в организационно-штатную структуру соединений, подразделений, частей и заканчивая организацией на ТВД удаленного доступа к информационным ресурсам мест постоянной дислокации.
Предпринимаемые шаги непосредственно связаны с усилиями МО США по формированию инфраструктуры, предоставляющей возможности совместного использования информационных ресурсов как в рамках вида вооруженных сил, так и за счет сетевого обмена информацией между всеми видами ВС согласно концепции «сетецентричности». Так, построение перспективной глобальной информационной структуры СВ США, получившей название LandWarNet, рассматривается руководством этого вида ВС в качестве базовой основы перехода к сетецентрическому принципу боевого управления, обеспечивающему на основе совместного использования информационных ресурсов и надежного сетевого обеспечения высокую степень согласованности и синхронизации действий широко рассредоточенных на ТВД боевых и обеспечивающих формирований всех видов ВС.
Как показал анализ ключевых руководящих документов, командование сухопутных войск США выделило 17 направлений перспективного строительства СВ, определенных в качестве базовых для достижения подавляющего превосходства над любым противником. Спектр этих направлений достаточно обширен - от индивидуальной подготовки и экипировки военнослужащих, способных вести боевые действия в единой информационной (сетецентрической) среде, до создания подразделений, формируемых по модульному принципу для решения соответствующих задач. Реализация таких планов позволит преобразовать СВ традиционной структуры в силы нового типа, гарантирующие превосходство над любым противником.

Особое внимание в рамках создания сети LandWarNet командование сухопутных войск уделяет развитию систем связи и АСУ для тактических подразделений, ведущих боевые действия в непосредственном соприкосновении с противником.
Базовыми требованиями к системам связи тактических подразделений являются следующие: обеспечение непрерывности боевого управления для любых условий рельефа местности, надежность связи при высокой мобильности абонентов, гарантированной защищенности каналов от НСД и воздействия средств РЭБ противника, а также гарантированное качество обслуживания пользователей.

Рис. 1. Радиостанции командной связи SINCGARS (A), EPLRS (Б) и тактический спутниковый терминал «Spitfire» (В)

Рис. 2. Планарная (А) и иерархическая (Б) мобильная адаптивная сеть

На сегодняшний день в СВ США для организации связи в звене армейский корпус и ниже используются три основных компонента:
- коммутируемая система связи общего пользования армейского корпуса сухопутных войск MSE (Mobile Subscriber Equipment - MSE);
- сети радиостанций командной связи СРКС, использующиеся в звене управления ниже бригады, к которым относятся: сети УКВ-радиосвязи SINCGARS (рис. 1а), многофункциональная система распределения данных и определения местоположения EPLRS (рис. 16), сеть связи на базе цифровых радиостанций NTDR, а также станции спутниковой УКВ-связи PSC-5 «Spitfire» (рис. 1в);
- многофункциональная система распределения данных ADDS (Advanced Data Distribution System).
Основным средством связи для формирований тактического уровня (батальон и ниже) являются сетевые радиостанции командной связи и терминалы тактической спутниковой связи, однако в настоящее время командование СВ США проводит работы по интеграции нижних звеньев управления в создаваемую глобальную информационную инфраструктуру.
Решению данных задач способствуют прежде всего технологии беспроводного доступа к распределенным информационным ресурсам, поскольку преимущества использования средств радиосвязи во время работы в сети очевидны: мобильность, простота и оперативность доступа к данным и т. п. Так, беспроводные персональные, локальные и региональные сети уже стали реальностью, и после появления соответствующих стандартов производители начали выпуск решений для коммерческих и военных потребителей. Однако особое значение в боевых условиях, характеризующихся изменением обстановки и динамичностью ситуации, приобретает возможность формирования беспроводной сети, все функции администрирования которой выполняют сами узлы без участия каких-либо элементов сетевой инфраструктуры или оператора. Сети данного типа получили название мобильные адаптивные сети (ad hoc network, в пер. с англ. «специализированный»), что отражает их нестандартную, отличающуюся от классической архитектуру (рис. 2).
В целом под мобильной адаптивной сетью понимается формируемая совокупностью мобильных узлов динамически меняющаяся сетевая конфигурация, обладающая следующими свойствами: отсутствие внешних механизмов настройки, то есть сеть является самоконфигурируемой; сетевой узел выполняет функции как маршрутизатора, так и оконечного устройства; относительно малое время жизни сети в одной и той же конфигурации.
Мобильная адаптивная сеть обладает рядом преимуществ по сравнению с сетями с фиксированной инфраструктурой: высокой живучестью, гибкостью топологии, автоматической адаптацией к изменениям сетевой конфигурации.
Новые коммуникационные возможности оказали стимулирующее воздействие на интерес к мобильным адаптивным сетям. В настоящее время разработками в этой области занимаются не только научно-исследовательские учреждения МО США, но и ряд частных компаний, высших учебных заведений, организаций стандартизации и т. д.
Наиболее интересные проекты создания мобильных адаптивных сетей курирует департамент передовых технологий (Advanced Technology Office - АТО) управления перспективных исследований МО США (Defense Advanced Research Projects Agency - DARPA). В настоящее время особый интерес представляет проект,
предусматривающий разработку концепции и технической реализации мобильной адаптивной сети с распределенным управлением (Control-Based Mobile Ad Hoc Networking - CBMANET), которая будет обладать значительно большими возможностями по сравнению с существующими беспроводными сетями. Цель данной работы заключается в создании комплексного аппаратно-программного решения со специальным стеком протоколов и набором унифицированных служб, которое бы позволяло развертывать беспроводную сеть с возможностью динамического конфигурирования ее характеристик.
Для решения указанной задачи DARPA объявило конкурс, на первом этапе которого участникам необходимо было представить алгоритмы выбора параметров соединения, предполагаемые для применения типы сигналов, а также соответствующие программные компоненты. Наилучшие решения, подтвержденные в ходе тестирования, вместе с предложенным оборудованием будут использоваться для развертывания экспериментальной сети.
Основное внимание при рассмотрении предлагаемых алгоритмов и программного обеспечения будет уделяться эффективности управления сетевыми ресурсами, организации взаимодействия между элементами стека протоколов и, как следствие, гибкости конфигурирования сети, а также применяемым методам коллективного доступа, маршрутизации и администрирования. Согласно данным требованиям узлы сети планируется оснащать ненаправленными антеннами и приемопередатчиками с мощностью излучения не более 5 Вт.
Данное оборудование, разработанное участвующими в конкурсе фирмами Ittlam, HelloSoft и Lyrtech, в общем случае состоит из модуля обработки поступающих через стандартные интерфейсы данных, преобразователя сигналов и приемопередающего устройства с антенной. Выполненные на базе сигнальных процессоров и устройств системной логики фирмы «Альтера» модули обработки осуществляют форматирование поступающих данных и формируют служебные сообщения для установления соединения с другими устройствами сети, преобразователь производит прямую и обратную конвертацию двоичных данных в аналоговый сигнал, который принимается либо передается по радиоканалу.
Еще одним направлением работ DARPA является проектирование мобильных адаптивных сетей нового поколения по программе WNaN (Wireless Network after Next).
Основная цель данной программы заключается в разработке и демонстрации беспроводной сети с обеспечивающими быструю настройку сетевой конфигурации функциями и минимальной стоимостью сетевого оборудования. Предполагается, что с уменьшением себестоимости оборудования станет возможным формирование крупных сетей, которые состоят из множества размещенных с высокой плотностью узлов и имеют приемопередатчики относительно небольшого радиуса действия. Это позволит значительно увеличить надежность и целостность сети, поскольку при высокой плотности увеличивается количество резервных маршрутов для передачи данных из одной точки сети в другую, а также обеспечить доступ к сети максимального числа участников боевых действий.
Демонстрационные решения будут представлять собой оснащенные серийными четырехканальными радиостанциями беспроводные узлы, в которых должна быть реализована поддержка технологий многоканальной обработки (Multiple Inpit Multiple Output - MIMO) и значительно расширена функциональность сетевого уровня. Этот шаг позволит обеспечить интеграцию на основе данной платформы разрабатываемых в рамках программы CBMANET методов адаптивной маршрутизации и сетевого управления, алгоритмов динамического использования спектра, технологии пространственного разделения каналов, а также ряд других процедур коммутации и маршрутизации.
Особая роль отводится приемопередающему оборудованию узлов, которое призвано обеспечивать возможность формировать многолучевую диаграмму направленности с подавлением боковых лепестков, осуществлять динамическое использование выделенной полосы частот, производить одновременную обработку множества активных соединений. При этом стоимость комплекта из 100 тыс. узлов не должна превышать 500 долларов за единицу.
 

Таким образом, в основе разрабатываемого оборудования для сетей WNaN будут применяться многоканальные программируемые радиостанции с возможностями адаптивного формирования многолучевой диаграммы направленности и гибкого распределения частот, а также специальное программное обеспечение, которое призвано выполнять функции сетевого управления и позволит сформировать мобильные адаптивные сети небольшого масштаба. В связи с тем, что узлы WNaN будут совместимы с существующими сетями с коммутацией пакетов, их архитектура будет отличаться лишь расширенными возможностями сетевого уровня, обеспечивающего поддержку маршрутных алгоритмов для адаптивной маршрутизации.
В СВ США уже имеются системы связи, позволяющие формировать простые конфигурации адаптивных сетей. В частности, такой возможностью обладают радиостанции NTDR, работающие в диапазоне 225-400 МГц с шагом сетки частот 0,625 МГц. При этом перспективные сети радиосвязи на основе семейства многодиапазонных программируемых цифровых радиостанций JTRS будут поддерживать полнофункциональный режим «ad hoc».
Следует отметить, что нестандартная архитектура мобильных адаптивных сетей, а именно наличие высокомобильных узлов с ограниченными ресурсами (энергетическими, аппаратными и т. п.), выполняющих функции маршрутизации и эффективного распределения имеющейся полосы пропускания, выдвигает определенные требования к маршрутным протоколам (МП), которые предполагается использовать в таких динамичных сетях. МП для мобильных адаптивных сетей должен быстро адаптироваться к достаточно частым и непредсказуемым изменениям в сетевой топологии, а также обеспечивать рациональное использование вычислительных и сетевых ресурсов. В настоящее время не существует стандартного общепринятого маршрутного протокола для мобильных адаптивных сетей, однако работы в данном направлении ведутся уже давно.
В любом МП (в том числе и для традиционных сетей) используются определенные механизмы, направленные на достижение наибольшей эффективности маршрутизации, такие как: уменьшение генерируемых протоколом служебных данных, поиск наикратчайших и относительно стабильных маршрутов, минимизация временных задержек при передаче пакетов и т. п.
Чаще всего современные протоколы ориентированы на поиск кратчайшего маршрутного расстояния, который может быть реализован на базе алгоритмов вектора расстояния (distance vector) или анализа состояния канала (link-state routing). Алгоритм вектора расстояния подразумевает составление на каждом узле вектора двухзначных идентификаторов, характеризующих маршрут до требуемого узла.
Это однозначно определяет маршрут от данного узла до всех остальных узлов сети. Для алгоритма вектора расстояния характерно то, что каждый узел сети осуществляет контроль информации о соединениях только с соседними узлами, то есть вместо широковещательной рассылки маршрутных сообщений узел пересылает своим соседям оценку кратчайшего маршрута до каждого сетевого узла. Принимающие узлы на основе этих оценок производят пересчет данных таблиц маршрутизации с помощью алгоритма кратчайшего маршрута. Алгоритм вектора расстояния имеет большую эффективность расчетов маршрутов, его проще реализовать, и он требует гораздо меньшей аппаратной памяти. Слабой стороной такого алгоритма является то, что выбор каждым узлом дальнейшего направления передачи основан на полностью распределенной схеме вычисления маршрутов. Вследствие этого основными недостатками алгоритма вектора расстояния является относительно большая длительность построения маршрута и вероятность появления маршрутных петель.
Данные проблемы практически не возникают при использовании алгоритма анализа состояния канала, поскольку каждый узел в этом случае осуществляет периодическую рассылку информации о состоянии соединений со своими соседями, что позволяет своевременно обновлять данные о сетевой топологии. При использовании алгоритма анализа состояния канала каждый узел располагает информацией о текущей топологии сети на основе имеющейся у него таблицы весов всех сетевых соединений. Информация о некоторых весах соединений может не соответствовать действительности вследствие больших задержек распространения маршрутной информации, чрезмерной кластеризации сети и т. п., что приводит к формированию маршрутных петель. Тем не менее петли возникают на короткое время, поскольку время их жизни равно времени, которое потребуется сообщению для того, чтобы обойти все узлы сети по другим маршрутам. Однако алгоритм анализа состояния канала перегружает сеть служебными сообщениями в случае высокой мобильности узлов.
Наконец, алгоритм маршрутизации от источника подразумевает наличие в каждом пакете служебной информации, в которой прописан полный маршрут до узла назначения. Выбор маршрута осуществляется непосредственно отправителем. Преимущество данного алгоритма заключается в том, что с его помощью очень легко избежать маршрутных петель, а слабой его стороной, как и в случае алгоритма анализа состояния канала, является необходимость добавления в каждый пакет дополнительной служебной информации.
В настоящее время при реализации маршрутных протоколов для мобильных адаптивных сетей используются такие подходы, как привязка к сетевой топологии и местоположению узлов. Механизмы маршрутизации с привязкой к сетевой топологии осуществляют формирование логической структуры информационного обмена на
основе взаимного расположения сетевых узлов и их роли в этой структуре. Такая структура может быть планарной, где все узлы являются равноправными членами сети, или иерархической, когда в сети выделяются главные и подчиненные узлы.
Протоколы маршрутизации с привязкой к сетевой топологии разделяют на упреждающие, реагирующие и гибридные. Первая группа протоколов базируется на использовании принципов алгоритма анализа состояния канала. Наоборот, протоколы реагирующего типа основаны на качественно новой парадигме «маршрутизации по требованию», отличие которой от традиционной маршрутизации заключается в том, что узлы не проявляют никакой маршрутной активности до тех пор, пока не возникнет необходимость отправить или ретранслировать пакет данных. Такая схема обеспечивает масштабируемость маршрутного протокола в крупных сетях. В гибридных протоколах применяется логическое разбиение сети по определенному признаку на ячейки, или кластеры, маршрутизация внутри которых отделена от «внешней» маршрутизации между кластерами (например, при помощи использования упреждающей и реагирующей схем).
Сравнительно недавно были предложены алгоритмы маршрутизации, основанные на привязке каждого узла к его географическим координатам. Это стало возможным с появлением навигационного оборудования, которое обеспечивает высокую точность определения местоположения (до нескольких метров), а также единую систему синхронизации для всей сети. Таким образом, идея заключается в осуществлении направленной маршрутизации в синхронизированных распределенных мобильных адаптивных сетях, все узлы которой способны определить собственные координаты. Как и в схеме маршрутизации с привязкой к топологии, для данного маршрутного механизма возможно использование зональной маршрутизации, а также маршрутизации с использованием ретрансляции.
Таким образам, в настоящее время для обеспечения включения ВС США в единое информационное пространство проводятся полномасштабные работы по внедрению сетевых информационных технологий в практику боевого применения войск. Для увеличения эффективности взаимодействия подразделений в нижних звеньях управления предполагается использовать мобильные адаптивные сети, которые позволят достичь максимального уровня ситуационной осведомленности и контроля критических процессов. Командование и научно-исследовательские учреждения МО США уделяют огромное внимание данному направлению, в связи с тем что разработка концепции применения мобильных адаптивных сетей в военных целях и техническая реализация соответствующего оборудования являются перспективными путями развития ВС США в целом.

"Зарубежное военное обозрение" 2008 №1 с.35-39
Индекс 70340

• Использование волоконно-оптических кабелей в интересах Сухопутных войск США
• Мобильный автоматизированный комплекс радиоразведки Сухопутных войск США
• Обеспечение Сухопутных войск США оперативной информации о местности
• Американский перспективный наземный комплекс ведения радиоэлектронной войны "Вулфпак"
• Радиоэлектронные средства охраны ВС США и перспективы их развития
• Система обработки и доведения геопространственных данных до потребителей Сухопутных войск США
• Развитие систем компьютерного моделирования в вооружённых силах США
• Работа в США по созданию антенных систем для носимых и портативных радиостанций
• Новый американский аэростатный разведывательный комплекс RAID
• Средства спутниковой связи Сухопутных войск США часть 2
• Американская программа "Телепорт"
• Тенденции развития систем передачи данных при использовании БЛА
• Геоинформационноеобеспечение ВС США
• Средства спутниковой связи Сухопутных войск США

• О реализации в США концепции ведения военных действий в едином информационном пространстве (2004)
• Сетецентрический фронт. Боевые действия в едином информационном пространстве
• Борьба за информацию на основе информации
• Реализация концепции "Сетецентрическая война" в ВМС США (2009)
• Разведке США разрешено платить зарплату нештатным специалистам
• К войнам без жертв. БЛА и боевые роботы – важнейшее направление развития ВВТ.
• Реализация концепции "Сетецентрическая война" в ВВС США
• Современные тенденции в совершенствовании системы управления вооружёнными силами ведущих зарубежных стран в информационную эпоху (2009)
• Современные тенденции в совершенствовании системы управления ВС ведущих зарубежных стран в информационную эпоху. ч2 (2009)
• НА ОСНОВЕ ОТКРЫТЫХ ИСТОЧНИКОВ. ИНФОРМАЦИОННЫЙ ВЕК МЕНЯЕТ ПРИОРИТЕТЫ АМЕРИКАНСКОЙ РАЗВЕДКИ.