協作通信技術在短波應急通信網中的應用分析

李強

摘 要：短波通信在現代網絡信息通信領域有著眾多優勢，其具有較強的抗摧毀力，操作設備簡單，且通信距離長，經濟性較高。短波通信技術廣泛的運用于應急通信中，但由于其自身存在一定限制，容易受到外界因素影響使得短波通信環境不穩定。而協作通信能夠利用多天線技術與協作分集技術，使通信網絡的效益最大化。本文的研究主要基于應急通信網中協作通信技術的現狀，由短波通信與協作通信的基本特點出發，分析協作通信技術在短波應急通信網中的應用。

關鍵詞：短波；應急通信網；協作通信技術；運用

中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）19-0031-02

在重大事件發生時，短波通信能以其具有較強的抗摧毀力，較廣的通信范圍等優勢，完成對信息的傳播，提高政府、軍隊的應急處置能力，最大限度的保障人民群眾的生命財產安全。因此，綜合分析協作通信的優缺點，有選擇的利用，將協作通信的優勢運用到應急通信網的發展與建設之中，優化提升應急通信網絡的性能是本文研究的目的之一。

1 協作通信技術與短波應急網簡介

在我國，應急通信正處在飛速發展時期，其對重大自然災害或戰爭事件發生后的信息傳遞起著極為重要的作用，例如，在2013年“雅安地震”中，各級政府能夠迅速啟動應急響應預案，正是得益于強大的應急通信網絡。短波通信作為應急通信網的組成部分，既應與應急通信網融會互通，也應有其獨立性，畢竟短波通信不止適用于應急通信網。同時，隨著國家的發展，重大災害，突發事件時有發生，應急通信網絡的發展已經成為檢驗國家安全的重要指標。

1.1 協作通信概述

協作通信又稱協作分集或協作式MIMO，技術原理是以三節點（源節點，目的節點和中繼節點）為基礎，源節點發送信號，中繼節點在轉發從源節點收到的信息的同時自身也會發出信號，協作中共享彼此天線，實現了協作分集，從而獲得空間分集增益。協作通信在無線通信中有著廣泛的應用，近年來，無線網絡用戶激增，但寬帶資源有限，這樣的情況對信息傳輸效率以及通信質量有了更高的要求，協作通信應運而生，且被廣泛利用。例如，在蜂窩網絡系統中，協作通信可以通過用戶間的協作提高信號盲點用戶或信號邊緣區域用戶的通信質量。另外協作通信的三節點原理，也使得信號在傳輸過程中衰耗得到了一定控制，在不影響信息傳輸的情況下，可以降低發射功率，降低能耗。總的來說，協作通信作為不同于其他無線通信手段的新型通信技術，利用其自身優點，可以彌補傳統無線通信手段的缺點，起到相輔相成的作用。傳統的點到點通信技術已接近香濃點，無線通信中需要更多更新的技術，優化傳播效率，降低能耗，因此許多移動通信領域的專家已紛紛投入協作通信的研究之中，對協作通信中的協議，協作系統的資源分配以及協作伙伴的選擇進行了深入探討，在編碼程序上也進行了新的嘗試。

1.2 應急通信網及短波通信

應急通信技術不同于普通的通信技術，其主要目的是在重大自然災害，突發公共事件及緊急軍事態勢等發生而無法使用其他傳統通信手段時啟動的，用于緊急聯絡的通信手段。我國的應急通信網絡發展的正真開端應該是在改革開放以后，隨著國家的對外開放，對于國家安全的要求進一步提高，同時隨著科技的發展，公共應急設施已有之前的基礎通信設施，向衛星通信，微波通信等發展。根據應急通信的基本目的，可以判斷出應急通信具有隨機性，短暫性和臨時性等特點，因此對于通信設備的靈活性與便捷性也有一定的要求。隨著國家的發展，應急通信也得到了較大的發展，各級政府都基本建立了重大災害及突發事件應急響應平臺，同時聯通各防災減災機構，在救災減災過程中實現協調一體，優化資源配置。有效短波通信的構建，不僅能在重大事件發生時提供信息傳輸保障，還能促進各部門之間的協調，從而達到促進國家安全建設和加強國防安全的目的。目前，我國的應急通信包括了短波，衛星，微波等，其中短波通信以其自身抗摧毀能力強，傳播范圍廣，架設設備簡單等在應急通信中起著重要作用。短波通信是指頻率為3MHz-30MHz的電磁波。短波通信可以使用天波傳遞，也可以使用地波傳遞，天波傳遞時無需建立基站便可以完成遠距離纖細傳遞。

1.2.1 短波應急通信網的應用現狀

短波通信傳播范圍廣，且可以通過電離層反射實現單跳百公里以上的通信，在重大自然災害發生時，可以克服障礙達到較遠距離，進行信息傳播，是較為經濟便捷的一種選擇。二十一世紀以來，短波應急通信在防災減災，公共應急，交通調配等各部門都有廣泛應用，建立了短波通信網，在突發事件應急處置上發揮著重要作用。對于社會生活中一些緊急事件的處理可以看到我國應急通信網的發展，短波通信作為應急通信網的重要組成部分，得到了較大的發展，建設了技術臺站，配備了相關電臺，然而，在短波通信在應急通信網的應用中，仍存在一些顯而易見的問題。

1.2.2 技術現狀

第一，短波網絡的控制可分為集中控制、分布控制及二者結合的混合控制。集中控制是指以某個節點或某些節點為控制中心，其他節點為從屬作用，能夠提高網絡的管理效益，但缺點是抗摧毀能力弱；分布控制則是以多個節點獨立控制網絡，不存在明顯的中心，網絡的抗摧毀能力較強，但缺點在于管理較為分散；另一種則是介于二者之間的混合控制。

第二，短波網絡中拓撲結構設計十分重要，合理的拓撲結果設計能夠保證網絡的可靠性、抗摧毀性及延時等，根據短波通信網的不同要求，拓撲結構可以呈現總線形、星形、環形、樹形和網形等形狀，主要考慮的因素有網絡節點數及靈活節點等，因此，短波通信網的拓撲結構主要由幾種結構混合組成。

第三，短波通信的組網方式不單一，隨著技術的發展，處于不斷融合之中，主要由以下幾種形式：（1）固定頻率組網，即在固定頻率上組網進行簡單通信，在選定或約定的頻率下進行信息傳播，此網絡相對穩定，但適應性較差，是傳統意義上的廣播通信網；（2）自適應頻率組網，即通過頻率自適應技術對可用頻率進行探查，確保通信傳輸可用，由于頻率自適應技術本身具有成熟的通信鏈路標準協議、組網和系統設備，對預先設置的頻率進行質量分析，選出最佳頻率，因此，該類組網方式受到廣泛應用；（3）短波跳頻通信，即通信信號在一定范圍內快速切換，是一種反偵察反監聽的手段，由于跳頻頻率快速切換，也避免了短波通信衰減較大的缺點，是一種靈活性較強且較為穩定的短波通信組網方式；（4）短波IP通信，基于區域中心站和移動中心站建立，是一種特定協議下的組網方式，通過建立短波中心站及網管平臺，實現網絡管理、路由控制等。由于短波通信信道較窄，傳播速度較低等，需要針對其特點建立短波IP路由器模型及短波IP協議，通過衛星、光線等方式提高網絡覆蓋和數據傳輸性能。endprint

1.2.3 技術缺陷

第一，短波通信的頻段本身較窄，在日常的使用中容易受到其他信號的干擾，在相同的信號頻段中可能存在各種不同的信號，由于其他信號的干擾，使得原本固定使用這一頻段的用戶不能及時準確的接收到信息，無法達到信息傳遞的目的，這樣的短波應急通信就失去了意義，甚至可能造成不可挽回的損失。

第二，短波通信在通信中存在不可避免的衰減，由于空氣噪聲，時間延遲等不同的原因，短波通信的信號會受到影響，從而導致信號的畸變，衰減等。由于電離層會受到晝夜溫差，季節變化等的影響，造成傳遞短波信號的天波受到影響，導致其頻率不穩定，加之一些單位使用的設備不具備自動選頻功能，極大的影響了短波通信的安全性和可靠性。

2 協作通信技術在短波應急通信網中的應用

如上所述，本文主要針對短波應急通信網與協作通信的現狀，對于協作通信在短波應急通信網中運用展開探討與分析。將協作通信運用于短波應急通信中，首先我們需要明確兩者的技術模型建立，基于前者的研究，以下將對幾種主流形式的技術模型進行比較，進而得出可行性及適用性等結論。

2.1 無協作系單出入單輸出（SISO）模型和單輸入多輸出（SIMO）模型

SISO是一種已知的傳統點對點短波信道，信源在傳播過程可能受到噪聲干擾，需要經過調制，因此，假定接收終端信道狀態已知，那么通過相干調制即可得到解調信號，該模型的特點為編譯碼相對簡單，然而容量較小，能通性較低，面對目前發展趨勢，實用性相對較低。

SIMO模型是一種基于SISO信道不足這一缺點延伸出的另一種無協作的技術模型。簡單來說，是在發射端安裝一根天線，在接收端（車載臺站）上安裝多根天線，利用分集技術，假設接收端提前預知CSI，通過相干解調最大比合并技術，即可獲得解調信號。該模型能夠彌補SISO模型信道不足的缺點，但由于其只適用于大功率且相對固定的基站，對于功率較小的移動臺站，由于設備限制而無法滿足其通信要求。由此，在移動臺站間運用協作通信的技術模型成為迫切需求。

2.2 協作系多輸入單輸出（MISO）和多輸入多輸出（MIMO）模型

針對短波通信，在移動便攜式臺站間運用協作通信技術，通過共享天線，獲得分集效益，從而提高系統的容量與可靠性。在協作系模型中，協作便攜形式的傳遞臺站與車載臺站間使用一根天線。通過對假設數據進行公式的推導，可以得出共享一根天線的不同移動臺站接收到的信號基本一致，其誤差在可接受范圍內。這個結果適用于MISO和MIMO兩種協作系模型，對此可以得出結論，協作系模型傳遞便捷，信息衰減率低，可以有效保證信息傳遞的安全性和穩定性。

值得一提的是MIMO接入點與MIMO客戶端之間可以同時接收和發送多個空間流，信道的大小隨著天線數量的增加而呈現正相關增加，使得MIMO能在不增加發送功率的情況下，成倍的提升信息傳播速率。

2.3 協作通信的信道容量與網絡壽命分析

信道容量的分析。通過對信噪比，發射功率等數據的公式推導，可以得出以下結論：SIMO模型較SISO模型，信道有一定增加，原因在于其可以接收多個不同的信號衰落樣本。由此可分析得出接收天線對數的增加直接導致了信道容量的增加。同時，相較于無協作系的SIMO和SISO模型，協作系的MISO和MIMO模型系統容量有了大幅提升，后者遠高于前者，進一步證明了通過協作通信，天線數量的增加直接對應了信道容量的增加，信道容量作為直接衡量通信網絡質量的指標之一，其質量是通信網絡發展中不可忽視的重點之一。

2.4 技術運用中的注意事項

前文中已經提到部分短波應急通信網的應用現狀，將協作通信運用到短波應急通信中一來是為了豐富短波通信的傳播途徑，二來，也能在一定程度上改善短波通信目前的不足。

第一，對于短波通信頻段較窄，容易受到干擾的現狀，利用MISO和MIMO模型適當調整信道容量，對于短波通信的穩定性和安全性將會產生大幅提升。

第二，針對短波通信在無線通信中地位及功能的弱化，在將協作通信運用于應急短波通信，利用協作通信的分集效益，降低發射端功率，做到節省成本，提高短波通信的經濟價值，短波通信的地位自然而然得到提升，短波通信也會更受重視。

更好的利用短波通信，發展短波應急通信網，使其在應急通信網中起到更重要的作用是本文研究的目的也是主旨所在。將協作通信運用于短波應急通信網中，主要是利用協作通信的分集效益，彌補短波通信自身存在的不足，完善短波應急通信網。

3 結語

協作通信用于應急通信網已成為必然趨勢，其具有信道廣，衰減少，成本低等優點，能夠彌補短波通信中信道窄、能量消耗大、易衰減等缺陷。協作通信應用于短波應急通信網中也使短波應急通信的設備更加簡單、信息傳輸更加靈活、機動性更高，由此，短波通信在抗災救災、軍事通信能夠起到更重要的作用，并在今后較長時間內得到發展。

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