【深度】美国陆军核心战术网WIN-T系统建设及应用解析 - 外军动态

【深度】美国陆军核心战术网WIN-T系统建设及应用解析

2022-06-09 17:26:28

来源：学术plus

摘要：梳理分析了美国陆军核心战术网相关内容，首先，给出了WIN-T系统概述，重点研究了该系统的技术体制，接着，对该系统的编配部署、典型规模和应用模式进行了深入分析，最后，针对WIN-T系统的优点给出了启示。通过对WIN-T系统及在该系统中应用的相关电台、网络协议和通信服务等分析研究，能够为新型战场通信网和新体制电台设计提供成果借鉴和参考依据，进而推进新型战术互联网跨越式发展。关键词：WIN-T系统；技术体制；网络结构；软无电台；战术互联网
本篇节选自论文《美军WIN-T系统建设及其应用研究》，发表于《中国电子科学研究院学报》第17卷第3期。

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论文全文摘编如下
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引言
战术级作战人员信息网络（Warfighter Information Network-Tactical，WIN-T），是美国陆军的核心战术网，它是一种自组织、自愈合、自定位的综合通信网，具有高速率、大容量、动中通的能力。
WIN-T系统采用“干线网+接入网”的网络结构，干线网采用Mesh体制，干线节点主要包含战术通信节点（Tactical Communications Node，TCN）和战场入网节点（Point of Presence，POP）等装备；接入网采用Adhoc体制，接入节点主要包含士兵网络扩展节点（Soldier Network Extension，SNE）等装备。其中干线节点中的TCN节点和POP节点中主要包含高频段网络波形（High-band Network Waveform，HNW）电台和宽带组网波形（Wideband Network Waveform，WNW）电台；接入节点中的POP节点主要包含宽带组网波形电台和士兵网络波形（Soldier Network Waveform，SRW）电台。
WIN-T系统作为美国陆军最新的战场通信核心网，其采用的建设思路和技术路线对战场通信网的发展趋势具有较强的引领作用。本文重点研究剖析了美军WIN-T系统的技术体制、编配部署及应用模式等，能够为新型战术互联网研究提供借鉴和参考，对战术互联网未来建设发展具有现实意义。
1 WIN-T系统概述
美军WIN-T系统是美国陆军研发的新一代自组织、自愈合的综合战术通信网，采用商用技术传输有线/无线话音、数据、视频信息，是陆战网的关键部分，可为战场上的分散部队提供大容量和高移动性通信。美陆军对WIN-T采用了增量开发策略，先后制订了4个增量方案，其发展演进如图1所示[1]。

WIN-T系统包括四个增量任务：“增量1”提供驻停通能力；“增量2”提供初始动中通能力；“增量3”提供全网动中通能力；“增量4”提供转型卫星通信能力。WIN-T系统四个增量阶段的主要功能如下[2]。
（1）增量1：快速机动通信能力。已完成部署，正在升级。WIN-T增量1可在快速暂停状态下为营级部队提供超视距卫星通信能力，2004年开始装备，到目前为止已经装备了200多支现役、预备役和国民警卫队部队。目前，WIN-T增量1正在进行升级，升级到增量1b，增加了许多增量2（可部署到连级）的重要能力，同时还增强了互操作能力。
（2）增量2：初始动中通能力，正在加紧测试和部署。WIN-T增量2可实现初始动中通能力，可支持快停通与动中通，并首次将超视距卫星通信能力延伸到了连级部队。增量2的目标是装备机动部队，这些部队需要的是针对支援进攻作战而进行的优化动中通能力。美军从2012年10月开始将WIN-T增量2装备到陆军旅战斗队，2013年阿富汗的第10山地师使用增量2后，其能力立刻得到承认。美国防部国防采办委员会对WIN-T增量2进行评估后，认为其技术已经成熟，2015年6月，美陆军对外宣布增量2进入全速生产阶段。WIN-T增量2部署至连级，可搭载在防地雷反伏击车辆、高机动性多用途轮式车辆、“斯特瑞克”战车等车辆上。目前该系统已部署在美陆军4个师部和12个旅战斗队。随着国防部授权增量2进入全速生产阶段，陆军将可以启动相关采购并在2028年前向尚未装备WIN-T增量2的剩余部队进行列装。
（3）增量3：完全动中通能力，空中层通信项目延期后WIN-T增量3通过开发HNW大幅提高视距传输吞吐量。增量3在2010年进入关键设计审查阶段，并于2011年进行了有限用户测试。由于美国国防预算的削减，增量3项目在2014年中期进行了重组，空中层要延迟到后续增加预算后实现。
（4）增量4：WIN-T增量4最初的计划高度依赖转型通信卫星项目，目前该项目已取消，从而导致WIN-T增量4取消。
2 技术体制分析
2.1 系统特点
WIN-T系统是第一个在战场任何地方为士兵提供动中通话音和数据通信服务、态势感知服务的网络[3]。系统采用独特的动中通卫星通信，使士兵能够无缝地从连级指挥官到师部和更高梯队来回传送信息。WIN-T系统主要特点如下[1]。
2.1.1 多样化网络接入媒介
综合采用有线、802.16/802.11无线局域网、卫星通信等多种网络接入媒介，有线主要是光纤，卫星通信主要依靠宽带全球卫星通信。
2.1.2 多样化网络接入节点
网络接入节点多种多样，既包含大型固定站接入点如远程端口，也包含多种移动小型节点如士兵网络扩展节点、单方舱交换机节点、战场入网点、战术通信节点等，还包含一些单兵背负式或便携式接入点如各类智能手机。
2.1.3 多样化的编码、调制和加密样式
综合采用了多种调制、编码、加密样式，确保网络配置的灵活性以及运行的安全性。
2.1.4 多样化软件无线电波形
WIN-T非常重视基于软件无线电的波形设计理念，可支持单信道地面和机载无线电系统、增强型定位报告系统等多种传统波形，以及HNW、NCW、SRW等新波形，并通过波形移植来实现装备性能的动态重构、升级等；WIN-T利用现有的成熟的商用技术，具有大容量、高带宽特点，能够提供大容量高速传输能力，并通过引入NCW和HNW等新波形、能够使网络传输能力大大增强。
2.1.5 网络的自组织、自愈合和鲁棒性
由于WIN-T网络结构不需要设置任何中心控制节点，所有节点的地位平等，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，因此WIN-T网络结构具有很强的抗毁性；另外WIN-T网络具有动态拓扑特征，其网络节点可以随处移动，也可以随时开启或关闭，从而使网络拓扑结构能够随时发生变化。
2.1.6 快速部署能力
WIN-T的布设或展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点开启后就可以快速、自动组成一个独立的网络。当节点与其覆盖范围之外的节点进行通信时，需要中继节点进行多跳转发。与固定网络不同，WIN-T网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的，而不需要使用专用的路由交换设备，也不需要专业人员操作，从而具备快速部署能力，适应快节奏作战需要。
2.1.7 真正意义上的立体化“动中通”
长期以来，美军装备部队的多种战术电台能在移动中使用，但连接指挥所的高速网络却从未实现移动中使用。WIN-T综合利用了支持移动通信的网络化视距无线电波形、保持移动网络要素连接的网络自动化技术和动中通卫星天线系统。这些新技术促成战术分队能引入动态任务指挥，使士兵们可以不间断地在战术车辆内部进行通信操作而无须停车架设装备。同时WIN-T还将卫星通信扩展到连一级，并提供了极强的连通性。这就从根本上解决了以往最大的移动通信难题，使美军地面部队在战术机动过程中不间断的通信及网络连接能力发生根本的转变，实现真正意义上的“动中通”。
提升了部队的机动性和指挥控制的灵活性。通过太空、空中、地面三层无缝连接，实现了立体化动中通能力。这些均大幅提升了部队的机动性和指挥控制灵活性。
2.1.8 抗电子干扰、网络攻击能力强大
综合采用跳频、扩频、无特征隐蔽技术等电子防御手段以及统一网络原理与运作能力，采用各类加密与认证手段的赛博防御手段来实现抗电子干扰和网络攻击能力。
2.1.9 与传统战术网络的兼容性
最大程度地避免因转型导致的能力断层，尽管WIN-T的最终目标是替换大部分传统美军移动用户设备系统（Mobile Subscriber Equipment，MSE），但这种替换采用一种“最经济”的方式进行，即与传统战术通信网络长期共存，若能通过装备软件更新来实现能力升级则不用硬件升级，若通过硬件升级来实现能力升级则不采用新研设备，不得已情况下才开发新设备。
2.1.10 重视网络集成测试与评估
提升网络的成熟度和对传感器网、火力网的支持力度。不但通过网络集成评估实现通信网络的集成测试评估，还通过能力集系列实现WIN-T与其他传感器网络、火力网络的集成。
2.2 技术体制
WIN-T系统技术体制主要包含[4-13]：电台技术体制、卫星技术体制、网络协议技术体制、网络管理技术体制和通信服务技术体制等。
2.2.1 电台技术体制
WIN-T系统电台采用软件无线电技术体制，电台波形支持基于IP的网间互连和网内互连。软件无线电采用数字信号处理技术，在模块化、标准化、可编程的通用硬件平台上，利用软件来实现无线通信装备的各种功能，具有高度开放性、灵活性、组件化、可移植特点的新一代无线电通信技术。软件无线电技术是WIN-T传输层采用的重要技术体制。以WNW波形为例，在IP层之下的移动互联网层实现移动组网功能，采用动态的链路状态路由协议ROSPF支持用户节点的移动性；在移动数据链路层实现统一时隙分配（Unifying Slot Assignment Proto[1]col，USAP），支持多跳广播并控制子网拓扑；采用跨层设计的方法实现高效的移动自组网。
2.2.2 卫星技术体制
WIN-T的车载卫星终端（Satellite Transportable Terminal Plus，STTP）调制样式包含三种：
♦ 二进制相移键控（Binary Phase Shift Keying，BPSK），编码率1/2；
♦ 偏移四相相移键控（Offset Quadrature Phase Shift Keying，OQPSK），编码率1/2和3/4；
♦ 8移相键控（8 Phase Shift Keying，8PSK），编码率2/3和3/4。
新增使用波形为网络中心波形，符合美军标MIL-STD-188-EEE。NCW是美陆军开发的一种开放式标准波形，即非专用波形，搭载波形的终端可以在任何卫星通信体系结构中实现最佳网络性能[6]。该波形提供了一个全认证的自组织、自愈合的保密网络。NCW具备全网状网组网、星型组网和混合组网能力。任何大孔径终端都可以用作NCW网络的网络控制器，并能够进行自动化或预规划的网络控制交接。
2.2.3 网络协议技术体制
WIN-T是美军采用商用标准和商业现货原则，基于IP网协议，构建的新一代战术通信网络。在IP层以下采用无线局域网技术和WiMax技术实现无线通信，通信设施支持HNW和NCW。在IP层以上与商用网标准一致。在网络中增加了军用的信息保证与网络安全保证设施，提高了服务质量保证能力。为满足未来部队需求，WIN-T选择IPv6作为核心网络协议。为支持与现有技术装备的兼容性，WIN-T边界同时支持IPv4和IPv6。WIN-T网络协议采用四层体系结构，其协议栈如表1所示。最底层是数据链路层，具体包括媒体接入控制层（Media Access Control，MAC）和物理层，主要解决与数据链路及无线链路相关的传输问题；网络层采用IP协议进行统一，核心网采用IPv6协议，接入网同时支持IPv4和IPv6，主要解决网络寻址与数据转发问题，包括路由技术与数据转发技术，WIN-T支持的主要路由协议为：开放最短路径优先（Open Shortest Path First，OSPF）路由协议和优化链路状态路由（Optimized Link State Routing，OLSR）协议；传输层主要支持UDP和TCP协议；应用层支持各种特定应用，比如用于网络管理的简单网络管理协议（Simple Netwok Management Protocol，SNMP），用于文件交换的文件传输协议（File Transfer Protocol，FTP），用于发送邮件的简单邮件协议（Simple Message Transfer Protocol，SMTP）等[3]。

2.2.4 网络管理技术体制
WIN-T网络管理系统采用简单的网络管理协议。网络管理设备不但能够管理网内设备，而且具有管理网外设备和其他标准网络设备的能力。WIN-T信号营负责管理广域网、局域网及其组成部分。信号营支持各级梯队的作战部队。网络管理包含5个功能域：包括网络规划、网络工程、网络战场频谱管理的配制管理；网络系统管理；网络性能管理；网络计算机管理和网络安全保密通信管理。
网络管理员利用WIN-T网络管理系统自动计划、分配和控制所有的网络和主机IP地址，观察网络状态的变化，监控和管理地址变换服务的名称。系统必须给所有的数据网络路由器和每个主机用户分配一个IP地址，监控和管理地址变换服务会定期更新名称/IP地址表。
2.2.5 通信服务技术体制
WIN-T通信服务符合美陆军统一能力体系架构。通信服务包含协作、实时通信、服务等的套件，可用于在任意地方的士兵和陆军业务用户的任何设备上。该套件在安全的环境下，集所有实时的、接近实时的和非实时的各类应用于一体，如聊天、音频、视频、文档、搜索、协作和定位等。陆军统一能力支持作战的所有阶段，并且衔接了作战部队和生成兵力部队，增强了互操作性，验证随战随训，提高陆战网的安全性。统一通信将用户连接起来，实现实时通信、协作和共享态势感知。服务的整合将有助于更及时地交付新兴的统一通信技术和提高任务效率。美陆军统一通信的当前状态是国防部统一能力文档中描述的美国国防信息系统局企业级服务与本地解决方案的混合。美国防部统一能力也定义了在统一通信产品间的互操作、信息保障和接口的规范。统一能力的信息保障需要来自于美国防部指令。美陆军统一能力提供无缝集成语音、视频和数据应用服务的能力。
2.3 主要功能
WIN-T增量2主要实现了初始动中通能力，并将超视距卫星通信能力延伸到了连级部队。目前，WIN-T增量2正在全速部署，由于美军空中层通信项目延期，WIN-T增量3相关能力还未形成。WIN[1]T增量2主要功能如下[7]：
♦ 初始动中通/快停通能力，主要支持旅级战斗队到连级部队；
♦ 动中通网络延伸，最低可扩展到连级；
♦ 立体化网络结构，采用空间层和地面层两层网状网结构，增量3阶段开发空中层，且空中层开发计划延期；
♦ 多样化的节点接入能力，网络接入节点多种多样，既包括大型固定站接入点，如Teleport，也包括各种移动小型节点，如士兵网络扩展节点、战场入网节点、战术通信节点等，还包括单兵背负式或便携接入点，如各类智能终端等；
♦ 基于策略的一体化网络运作与管理能力，如基于策略的网络管理、网络规划、频谱管理；
♦ 多样化通信能力，综合采用有线、802.16/802.11无线局域、卫星通信、软件无线电等多种通信手段，有线主要是光纤，卫星主要依靠宽带全球卫星等；
♦ 无线电台支持HNW、WNW视距波形和NCW超视距波形，HNW数据速率≥54Mbps、WNW数据速率≥2Mbps、NCW每路载波数据速率最高可达6.14Mbps；
♦ 自组织、自愈网状组网能力，卫星网络、地面干线网络、地面接入网络均支持自组织、自愈网状组网，大大提高了网络整体鲁棒性；
♦ 立体化动中通能力，通过空间、地面两层无缝连接，实现立体化动中通能力，大幅提升部队的机动性和指挥控制的灵活性；
♦ 兼容能力，能力升级的情况下确保向下兼容传统战术网络，最大程度地避免因转型导致的能力断层。

2.4 结构组成
WIN-T系统分层体系结构可以分为空间层、空中层和地面层[3]，如图2所示。空间层主要通信手段是卫星，它综合利用宽带全球卫星、军事星、先进极高频卫星和商用卫星等多种卫星通信系统，将网络范围从军、师一直延伸到营、连一级，形成全域互通、动态运行、宽带传输、灵活升级、高可靠性的多媒体信息网络；空中层包括由各种无人机承载的自适应节点、临时性飞机或者高空飞艇，通过WIN-T通信载荷与HNW通信手段增加通信距离；地面层以战术互联网为基础，通过战术互联网连接，将横向连接战斗队，纵向连接上级指挥所，从而连接司令部、后勤、训练和医疗支援单位。

3 系统编配部署与应用模式
目前，WIN-T系统增量1和增量2均已被美军大规模使用。原计划于2014财年列装的增量3也未能按计划列装，并且为适应财政预算紧缩状况，美国陆军《2015财年陆军装备现代化计划》还决定推迟增量3系统的空中层发展计划；原计划于2016财年开始列装的增量4也因为TSAT项目的取消而取消。因此，本文重点介绍增量2的编配部署、师/旅/营级规模和应用模式。
3.1 编配部署
WIN-T系统增量2地面层采用“干线网+接入网”的网络架构。干线网主要由战术通信节点、战场入网点等装备组成，其中战术通信节点之间通过大容量视距或超视距无线电互联，且其数量、部署与连接关系可根据战场需求灵活配置；接入网主要由士兵网络扩展节点、便携电台等装备构成；此外接入网也包含安全的无线局域网、车载无线包等。其干线网和接入网均采用网状网的组网方式，网络结构非常灵活，可根据具体作战需求灵活配置与增减。
WIN-T增量2主要由战术通信节点、战术中继塔、战场入网点、士兵网络扩展节点、改进型卫星战术终端、车辆无线包、模块化通信节点和网络运维与安全中心等节点与装备组成。根据美军《作战人员战术信息网（WIN-T）指挥官手册V1.6》中WIN-T增量2装备的师级战斗梯队不同类型旅部署规模，典型旅级战斗梯队中主要通信节点的部署关系如表2所示[1]。

WIN-T增量2各型节点部署情况包括：战术通信节点部署于师旅营各级，为指挥所提供微波骨干网通信能力；战术中继塔部署于作战区域，提升增强微波骨干网的区域覆盖能力；战场入网节点部署于师旅营指挥所，提供卫星、微波骨干网通信能力，支持指挥所接入到固定网络；士兵网络扩展节点部署于连级，为连级提供对上的接入能力，以及分队内的通信组网能力；卫星战术终端部署于师/旅/营，为各级指挥所提供卫星通信能力的伴随保障；车载无线包与战术通信节点结合使用，提升用户和业务接入能力；模块化通信节点由两套带不间断电源的用户接入箱组成，为驻停状态的指挥所用户提供话音和数字数据接入端口，用户接入箱可提供48个以太网端口；网络运维与安全中心部署在师级或旅级，可为WIN-T网络提供整套网络的运行应用与信息保障，同时也可提供强大的网络规划、监控与管理功能[14-21]。
3.2 师/旅/营级规模
目前美陆军地面作战部队主要旅级战斗队主要包含：装甲旅战斗队、步兵旅战斗队和“斯特瑞克”旅级战斗队等不同类型。美军不同类型旅级战斗队的网络规模和节点数如表3所示。美军WIN-T系统在装甲旅、步兵旅和斯特瑞克旅战斗队中设备主要包括：旅级网络操作与安全中心、战术通信节点、战术中继塔，战场入网节点、车辆无线包、士兵网络扩展节点、模块化通信节点等，其设备配置数量如表3所示[5]。

由表3可以看出，WIN-T系统设备在装甲旅和步兵旅的网络节点数量规模相同，在斯特瑞克旅规模更大，其中战术通信节点、战场入网节点、士兵网络扩展节点和车辆无线模块数量都要更多一些。

3.3 应用模式
WIN-T增量2后的网络应用模式主要包括：机固接入、骨干网络、中层网络、分队网络等[22-27]，其部署后典型旅—营—连级组网应用模式如图3所示。

3.3.1 机固接入
WIN-T增量2的机固接入主要通过卫星实现。卫星战术终端编配部署于师、旅、营三级，具备NCW卫星通信能力，能够为部/分队提供机固接入，完成机动战术通信系统到全球信息栅格网络的衔接；
3.3.2 骨干网络
WIN-T增量2骨干网络包括NCW卫星和高频段网络电台两种通信手段。NCW卫星波形部署于卫星战术终端、战术通信节点、战场入网节点、士兵网络扩展节点等，卫星战术终端、战术通信节点、战场入网节点提供营级以上的NCW卫星通信能力，士兵网络扩展节点提供连级分队NCW卫星通信能力，NCW卫星网络实现了从师/旅级到营/连分队的全覆盖，一般每个机动旅有一个单独的NCW卫星网络，每个师有四个机动NCW网络和一个师级的网络；高频段网络电台部署于战术通信节点、战术中继塔等通信节点提供骨干网络的区域覆盖，部署于战场入网节点为各级指挥所提供骨干网接入能力，高频段网络电台组成的微波骨干网实现了营级以上的作战单位的覆盖；
3.3.3 中层网络
中层网络提供NCW卫星以外覆盖旅/营/连的另一种宽带通信手段，主要通过中层组网电台设备实现，WNW波形可以加载到中层组网电台中，主要包含AN/VRC-118（V）、AN/PRC[1]158等电台，部署于战术通信节点、战场入网节点和士兵网络扩展节点；
3.3.4 分队网络
分队网络提供分队内的通信组网应用。士兵网络扩展节点作为分队的核心节点，提供对上的NCW通信组网能力，对下构建分队内部网络；分队网可以采用传统的传输手段包括EPLRS和SINCGAS等，也可以采用SRW波形电台设备实现，主要包含AN/PRC-152、AN/PRC-154、AN/PRC[1]155等电台，部署于士兵网络扩展节点。

结语
WIN-T系统是美陆军核心战场通信网络，它作为美陆军未来部队发展的一种自组织、自愈合、自定位的综合通信网，能够支持从战区到连队的动中通能力，其网络结构、网络传输能力、系统快速部署能力等都非常适应未来作战需要，但其依然存在着如下缺点：战斗条件下的安装、操作、维护时间长；设备笨重、难于运输、抗毁能力差、不能满足远征作战对设备便携性要求；系统从设计开发到装备部署过程复杂且周期过长，导致快速发展的商用成熟技术难以融入通信网络的开发当中等。因此，通过研究WIN-T系统网络结构本身技术特点和编配部署与应用模式，对未来战术互联网发展启示：
3.1 网络功能与复杂度的权衡
WIN-T的发展从追求多功能，使网络复杂度不断增加，到开始简化网络，是美军重新认识到网络功能与结构复杂的权衡。WIN-T系统发展到增量2，网络功能不断提升，但伴随的是网络管理和操作复杂度急剧增加，网络节点数量增加了4倍。在WIN[1]T系统的网络配置中，62%的通信支持维护人员都不是专职的操作手。因此，在增加网络功能的同时，需要考虑减小网络操作的复杂度，以保证装备操控人员操控装备的便捷性。
3.2 先进技术与研制成本的权衡
WIN-T系统项目进展中，技术难度估计不足，需求多变致使部分项目发展进展受到严重影响，原规划将在增量3实现的空中层通信，涉及许多最先进的技术，如高空通信负载平台（驻空时间长的无人机、飞艇等）、先进的JC4ISR电台等，最终因经费限制，在2014年的经费预算中从WIN-T中出局，但空中层通信的需求仍保留有效，其包含的JC4ISR将在其他项目中进行开发。因此，在采用先进技术开发系统时应考虑系统的研制成本和装备形成能力的时效性。
3.3 作战试验鉴定发挥重要作用
美军作战试验鉴定贯穿装备采办全过程。它可真实检验装备的作战性能，并及时纠正，降低风险。WIN-T增量2要求实现上下级之间可靠、快速的数据传输，但增量2投入试验初期，其“关键性能参数”、“关键系统特性”都未达到要求，美陆军为WINT增量2等项目中的精选部分“在测系统”额外进行了纠正性能和可靠性的措施，解决系统的适应性、抗毁性、作战效能等问题。试验鉴定收集的反馈意见作为增量2全速生产决定的重要依据。因此，需要更加重视网络形成能力前年的测试与评估。

参考文献略，全文完
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