《可靠且可扩展的军事物联网架构》

近来，物联网（IoT）技术为农业、工业和医学等许多学科提供了后勤服务。因此，它已成为最重要的科研领域之一。将物联网应用于军事领域有许多挑战，如容错和 QoS。本文将物联网技术应用于军事领域，创建军事物联网（IoMT）系统。本文提出了上述 IoMT 系统的架构。该架构由四个主要层组成： 通信层、信息层、应用层和决策支持层。这些层为 IoMT 物联网提供了容错覆盖通信系统。此外，它还采用了过滤、压缩、抽象和数据优先级队列系统等数据缩减方法，以保证传输数据的 QoS。此外，它还采用了决策支持技术和物联网应用统一思想。最后，为了评估 IoMT 系统，使用网络仿真软件包 NS3 构建了一个密集的仿真环境。仿真结果证明，所提出的 IoMT 系统在性能指标、丢包率、端到端延迟、吞吐量、能耗比和数据减少率等方面均优于传统的军事系统。

提议的IoMT系统架构

IoMT 系统由一组在战场上应组织良好的军事设备组成。无人机、作战基地、舰艇、坦克、士兵和飞机等这些物品应在一个有凝聚力的网络中进行通信。在 IoMT 网络中，态势感知、响应时间和风险评估都会得到提高。此外，IoMT 环境应涉及对普适计算、普适管理、普适传感和普适通信的全面认识。此外，IoMT 可能会导致传感器等网络事物产生超大规模的数据。此外，这类网络所需的计算量非常大，而这些计算的结果应能实时准确地实现。因此，IoMT 系统架构应考虑上述注意事项。

因此，建议的体系结构由四层组成： 通信层、信息层、应用层和决策支持层（见图 1）。通信层关注的是事物如何在一个大网络中相互通信。信息层涉及军事数据的收集、管理和分析。应用层包括控制不同通信军事系统的应用程序。最后，决策支持层负责决策支持系统，帮助战争管理者做出准确、实时的决策。下文将对每一层进行深入讨论。

3.1 通信层

IoMT 系统可视为物联网的一个特殊例子。因此，IoMT 环境与物联网环境有些相似，只是在事物类型、通信方式等方面略有不同。根据这一理念，IoMT 环境可定义为一组使用互联网相互通信的不同网络。这些网络应包括军事任务中的主动和被动事物。IoMT 系统中应构建的主要网络包括无线传感器（WSN）、射频识别（RFID）、移动特设（MANET）、卫星和高空平台（HAP）网络。由于 WSN 在许多军事问题中的重要性，它被纳入了 IoMT 系统。WSN 通过快速收集和提供危险数据来协助战争行动。然后，将这些数据发送给最合适的人员，以便实时做出正确决策。因此，除了协调自身的军事活动外，WSN 的主要目标是监测和跟踪敌方士兵和其他敌方事物的动向。传感器可以远距离分布，覆盖大片区域。这些传感器通过控制其行为的基站进行通信。由于 RFID 网络在军事领域的重要性，它在 IoMT 环境中得到了体现。军队中最重要的问题之一就是大部分物品都要贴上标签。在战场上使用 RFID 可以为士兵、货物、小型武器、飞机、射弹、导弹等提供一个具有监控功能的跟踪系统。例如，定期扫描每个人的医疗情况和效率是战争中一个非常重要的问题。城域网在 IoMT 系统中的表现也是一个重要问题，因为它可以用来促进士兵、武器、车辆等的通信。城域网在军事上有许多特别的应用，如安装在飞机和地面站之间的网络或船舶之间的网络。每种特设网络的要求都取决于军事任务的类型。此外，在军事应用中使用的特设设备都配备了路由场景，可以利用最佳路由路径自动转发数据。物联网依赖互联网技术来促进通信，这是一个普遍的逻辑。遗憾的是，某些作战地点可能没有互联网技术。因此，寻找替代通信技术非常重要。这就是在覆盖目标中使用 HAP 网络的原因。军用物资分布面积大，因此必须以可靠的方式进行覆盖，以保证通信效率。HAP 网络可作为互联网之外的第二种通信策略选择。HAP 网络的高度有限，因此容易成为敌方的攻击目标，其故障概率可能很高。如果 HAP 网络出现故障，通信系统将面临很大问题，可能会影响军事任务的执行。因此，应构建一个卫星网络来覆盖故障的 HAP 网络，并覆盖 HAP 网络或互联网可能无法覆盖的军事事物（见图 2）。不同网络之间的通信难题只需使用报头恢复技术即可解决。在这种技术中，每个网络之间都应添加一个翻译器，用目的节点的报头封装每个数据包。新的报头使数据包可以被理解；这可以通过系统路由器来实现（见图 3）。

图2: 通信网络(该图部分摘自[23])

图3: 报头转换过程

3.2 信息层

这一层非常重要，因为它代表着 IoMT 系统架构的核心。射频识别（RFID）、传感器等军用设备收集的信息应以安全、珍贵、实时的方式进行传输、存储和分析。这一层的首要功能是在信息处理后对收集到的信息进行组织和存储。IoMT 系统数据的处理被认为是一个具有挑战性的问题，因为在短时间内可以收集到 TB 级的数据。因此，应在不影响质量的前提下尽量减少这些数据。此外，IoMT 的特殊要求（如实时决策）也不容忽视。在 IoMT 系统架构中，数据处理包括四个步骤： 优先化、过滤、压缩和抽象。下面将对优先级排序过程进行说明。数据过滤、数据压缩和数据抽象技术在第 4.1 小节中说明。

确定优先级的步骤包括处理不同优先级的数据。对于战争管理者（即军队将领）来说，收集到的每项数据都有一定的重要程度。因此，应将数据分为若干优先级，以便在 IoMT 系统饥饿的情况下优先处理和发送高优先级的数据。队列系统就是用来实现这一优先级划分步骤的。由于 IoMT 系统数据分类数量庞大，因此采用了六队列系统。因此，IoMT 系统数据将被分为六个不同的类别。第一类代表最重要的 IoMT 系统数据；第二类代表不太重要的数据，依此类推。分类过程将动态完成，因此每个类别中的数据可能会根据战争任务的性质发生变化。为切实实现这一步，下一代路由器应具备对 IoMT 系统数据进行分类的能力。图 4 说明了优先级排序过程。

图4: 数据分类过程的简单视图

3.3 应用层

IoMT 系统架构中的应用层包括管理、监视等战争任务中使用的异构应用。该层应使用一个通用应用程序管理这些应用程序的功能，同时不影响其效率。这些应用程序的统一过程应基于通信数据（信息交换）来实现。在数据通信中，一个应用系统的输出数据可能是另一个应用系统的输入数据。因此，确定战争应用程序的输入数据和输出数据被认为是这一层最重要的目标之一。例如，飞机或发射器的火箭发射应用的输入需要卫星监控应用的输出数据，而卫星监控应用可能需要 WSN 应用的数据。信息层和应用层之间的通信非常重要，因为作为输入和输出的数据应首先在信息层处理。因此，在设计用于管理军事应用程序的通用应用程序时，应首先确定每个应用程序的输入和输出数据。然后，应确定数据处理的时间（硬、实或软）。例如，在战斗停止期间，某个目标的坐标突然发生变化，三个应用程序应实时交互，以完成任务并击中新位置上的目标。这些相互作用的应用程序构成了 WSN、战争管理以及执行任务的飞机机舱。还应确定应用特殊应用程序的优先顺序。例如，在敌方多次攻击特定目标的情况下，防御应用程序将优先启动。

根据上述讨论，一般管理应用程序应有一个专门的数据库。该数据库存储有关单个军事应用程序的动态变化数据。这些数据与以下主题有关： 输入和输出、单个应用程序之间的数据流方向、硬时间军事情况、实时军事情况、软时间军事情况以及每个应用程序的优先级。这些优先级应根据战争形势来确定。根据综合管理 IoMT 应用程序的性质，IoMT 系统数据库的设计可以是分布式的，也可以是集中式的。在分布式数据库中，应注意数据库服务器之间交互的复杂性，特别是在需要硬时间或实时交互的事件中（见图 6）。 、

3.4 决策支持层

战争中最重要的问题之一是决策过程。在技术战争中，决策应具备准确性、实时性、清晰性、安全性和快速分发等诸多规格。所有这些指标都应与信息层收集的数据相关。虽然信息与军事决策之间关系密切，但所提出的 IoMT 系统架构在信息层和决策支持层之间还有一个中间层，即应用层。短时间内收集到的大量 TB 信息需要进行分析、过滤、优先排序和压缩。这些过程已经在信息层中完成。但是，信息层没有能力确定信息在应用层之间的移动方向（即信息的正常顺序）。这种信息顺序意味着，每个数据段都应指向一个合适的应用程序，以便实现互补和平衡。这些信息将用于决策过程。例如，假设战争管理者有一个目标，要求以特定的安排和特定的顺序处理信息，直到军事侦察之旅取得一定的结果。该目标的完成将通过步兵和防空来实现。因此，应用层和决策支持层之间的联系将对高精度规格的决策产生良好的影响，这将在关键的战争事件中发挥作用。

简单地说，本文概述的决策支持流程包括五个步骤： 事件权重、解决方案识别、选择一种解决方案、行动和输出评估（见图 7）。战争管理者可根据自身经验水平提取事件权重。一旦对事件有了充分了解，就该确定解决方案了。在准备决策时，有许多不同的备选方案。因此，确定可用行动的范围非常重要。接下来，应选择备选方案，并确定每个备选方案的风险。然后，就该采取行动了。应确定实施计划，并提供实施所选解决方案所需的资源。应预先确定执行时间，然后开始执行。最后，应对选定解决方案的执行结果进行评估。请注意，有许多决策支持系统在经过实际测试（如 [24,25]）后，可在 IoMT 中实施。

决策支持层可能面临三大挑战。第一个挑战是数据过多或不足。这意味着决策支持层的输出会延迟或不准确，这可能会造成灾难，因为在大多数战争时期都需要实时决策。第二个挑战是问题识别错误。在大多数战争任务中，围绕一项决策会有许多问题。然而，有时却无法确认这些问题的真实性。第三个挑战是对结果过于自信。即使决策过程得到了准确执行，实际产出也可能与预期产出不完全一致。应用层将通过确定决策构建所需的准确信息、对问题的准确定义以及输出调整来应对这些挑战。因此，决策支持层将使用应用层的输出。因此，在拟议的 IoMT 架构中，这些层之间的分离是一个需要考虑的重要问题。

仿真

首先，应构建一个军事模拟环境，以测试所提议的 IoMT 架构的性能。网络模拟器 3（NS3）是最广泛使用的网络模拟软件包之一，将用于实现这一目标。军事模拟环境由五种不同类型的网络组成，其中包括分布在大片区域的大量节点。这五种网络分别是 WSN、RFID、MANET、HAP 和卫星网络。这些网络是根据战场需求确定的。文献[26]中的仿真用于评估所提出的 IoMT 架构。在 WSN 仿真中，成千上万的传感器分布并部署在战争环境中。一个或多个基站将这些传感器相互连接起来，并从中收集信息。在突发事件中，传感器能够向基站发送陷阱信息。然后，如果情况紧急，需要迅速做出决定，基站将直接把信息发送给执行者，如战士、管理人员等。不过，在正常情况下，基站会将收集到的信息（详细信息或摘要）重新发送给负责决策的管理人员。基站应该是智能的，并通过编程来实现这一目标。为了在 IoMT 中准确呈现 WSN，传感器应具有不同的传输范围。对于 RFID，美国军方在第二次海湾战争中使用了最佳方案[27]。每个士兵身上都应贴有一个 RFID 标签，以便在战场上进行追踪。此外，商业货运和航空托盘等战争工具也应贴上 RFID 标签，以便了解坦克和计划等关键工具的最新状态。此外，为了挽救士兵的生命，建议的模拟系统考虑了专门用于战争的移动医院，并应配备 RFID 技术。此外，还利用 RFID 技术观察军队的小型库存物品，以实现更严格的库存控制。对于城域网仿真，它包含战场对象（如车辆、士兵和信息提供者）之间的临时通信。在某些军事情况下，很难通过数据采集中心传递或发送信息。因此，城域网仿真的一个考虑因素就是在数据传输中使用这种网络。文献[28]中所述的架构用于 HAP 和卫星网络的通信。互联网仿真使用了 [29] 中介绍的路由算法和 [30] 中介绍的物联网混合组播架构。多媒体传输使用[31]，但传统军事系统的模拟则使用[32,33]中所述的准则。

在信息层模拟中，将随机、动态地创建 IoMT 数据。然后，这些数据将被分类并进入队列，每个队列将作为一个数据类别。动态数据的创建取决于存储在特殊数据库中的战争任务。本模拟场景中使用了 [34] 中所述的压缩技术和数据过滤技术来减少数据，这是信息层的主要目标之一。应用层模拟也取决于战争任务，其中包括许多模拟网络场景。每个网络应用程序的输入和输出数据都在模拟文件中预先确定。网络应用程序与综合管理应用程序之间的通信是通过信息传输实现的。文献[35]中的仿真用于决策支持层。战争任务的部分建模和仿真来自文献[36]，仿真中使用的武器的一般规格来自文献[37]。图 8 显示了拟议的 IoMT 系统模拟环境的全貌。