《对抗环境中定向网络节点的弹性拓扑控制》最新279页

弹性通信对于建立和保持信息优势至关重要。海军实现信息优势的战略包括收集和交换信息，以支持战斗空间感知（BA）、指挥与控制（C2）、综合火力（IF）以及部队的机动和位置（美国海军信息优势军团，2013 年）。为了支持作战和战术层面的任务，海军的既定目标是为任何地理位置和任何作战环境提供弹性通信。然而，实现这一目标的挑战与日俱增，因为未来的交战将涉及大量乘员平台和自主平台，这些平台需要交换信息和知识，以便在高度竞争的环境中执行作战和战术计划。在海战中，有争议的环境是一种作战环境，其特点是环境条件恶劣、平台机动性高，以及对手试图通过使用电磁对抗（ECM）（干扰）技术故意破坏、拒绝、削弱和/或拦截己方部队的通信。美国的对手包括国家和非国家行为者，他们了解美国对无线通信的依赖，认为无线通信很脆弱，并试图在战略时刻破坏、削弱和拒绝无线通信。

面对这些威胁，与弹性、复杂适应系统（CAS）和网络科学密切相关的理论为科学家和战术网络工程师提供了如何开展研究以提高无线网络弹性的信息。提高弹性的一个已知因素是部署多样化的网络技术，其中包括卫星通信（SATCOM）、高频（HF）链路、超视距三极散射和视距（LOS）移动无线网络（MWN）。MWN 包括移动特设网络 (MANET)、无线网格网络 (WMN)、移动网络 (NOTM) 和其他移动 LOS 无线网络。虽然这些类型的网络都容易受到动能和非动能攻击，但部署多样化的网络链接会迫使对手更加努力地破坏所有信息路径，并增加至少一条路径存活的可能性。虽然多样性可以提高弹性，但这还不够，工程师们需要继续努力最大限度地提高每种类型网络的弹性，以考虑到它们所面临的特定威胁。

在研究无线网络的弹性时，最好能开发出适用于所有类型网络的弹性结构和命题（Biringer 等人，2013 年）。然而，可通用的解决方案并不总是可行的，因为每种网络都有其独特的能力，并且设计用于在不同的环境中运行。例如，虽然卫星网络具有移动性，但网络中所有节点之间的距离都比地面网络大，而且卫星改变轨迹的能力有限，这意味着所有卫星节点的位置都可以预先知道。与卫星网络相比，地面 MWN 的节点之间距离更短、更接近干扰器、平台移动性更高，因此相对角度变化更快，无法提前预测。为卫星网络设计的恢复机制对地面 MWNS 无效，反之亦然。因此，尽管部署多样化的网络技术很有价值，但每个系统都必须配备针对其自身环境中的特定威胁和挑战而设计的弹性机制。

本研究的重点是探讨如何通过整合定向天线和其他弹性原则、策略和框架，提高 MWN 在有争议环境中的弹性。定向天线因能将能量集中于特定方向而闻名，它能创建更强的链接、扩大范围、提高数据传输速率，最重要的是能抑制干扰器。然而，在动态竞争环境中运行的大规模移动网络中实施定向天线会增加管理的复杂性。受昆虫自然适应策略的启发，本研究提出，修改移动无线网络节点的架构，将多个无线电和定向天线结合起来，可以降低复杂性，提高弹性。例如，众所周知，昆虫在适应炎热、寒冷、干旱和/或潮湿气候等极端环境时，会采用结构、生理和行为变化的组合（Sheikh 等人，2017 年）。无论是在昆虫还是在 MWN 中，物理结构都是一个有趣的焦点，因为它影响着所需的内部改造以及系统可采取的行为范围。对于 MWN 来说，在物理结构中加入定向天线是抵御干扰器和在有争议的环境中生存的关键因素。然而，定向天线改变了节点网络感知和控制环境的方式，需要通过新的行为和交互模式进行调整。本论文强调，为每个节点增加一根定向天线会显著且不可避免地增加链路管理和协议交互的复杂性，而且这种复杂性会随着网络的增长而增加。在每个网络节点上增加更多的天线和无线电设备可以降低链路管理的复杂性，这意味着额外的物理结构改造。理论分析和虚拟实验结果表明，每个节点的多无线电设计支持形成稳健而稳定的拓扑结构，简化了网络协议交互，提高了 MWN 在干扰器面前的生存能力。对 “简化 ”和/或 “降低复杂性 ”的强调是一项新的突破，使研究结果更具普遍性。这种方法将网络弹性和复杂系统的理论要素联系起来，促进了未来研究中各种弹性框架、策略和机制的整合。

本文介绍了一种网络节点架构弹性理论，强调在对抗性环境中运行的移动无线网络（MWN）的 “简单性 ”或 “复杂性降低”。这项研究借鉴了弹性理论、复杂系统和网络科学，认为移动无线网络的弹性是由结构拓扑和系统动态之间的动态相互作用形成的。受昆虫自然适应策略的启发，本研究证明，建筑改造，特别是带有定向天线的多扇区设计，可有效平衡这些因素，从而使 MWN 更加稳定、更具弹性，并能在干扰攻击中幸存下来。简单性是 MWN 的关键，因为在 MWN 中，众多相互关联、相互依存的组件呈现出复杂的交互模式和间接效应。一个组件的变化往往会对其他组件产生不可预见的后果，从而使新组件和弹性机制的集成变得更加复杂。多扇区架构将链路作为专用的分区连接进行管理，允许在 MAC 层进行一对一连接，避免了在单一信道上共享和调度所带来的挑战和病理现象，从而提高了简单性和弹性。这些可在 MWN 中通用的架构修改支持创建和维护稳健的拓扑结构，简化了组件之间的交互，缓解了设计限制，并能纳入更多弹性策略。