一種自適應(yīng)短波通信網(wǎng)模型

摘要：針對(duì)國(guó)內(nèi)短波通信組網(wǎng)研究較少的問(wèn)題，提出一種基于短波頻率自適應(yīng)信道下的“樹(shù)-網(wǎng)-星”通信網(wǎng)模型。該模型通過(guò)引入傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中樹(shù)狀、網(wǎng)狀和星狀網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合短波自適應(yīng)選頻技術(shù)，選擇優(yōu)質(zhì)短波頻率，理論上可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的短波自動(dòng)組網(wǎng)功能。

關(guān)鍵詞：短波通信、自適應(yīng)、拓?fù)洹⒍滩ńM網(wǎng)

一、引言

短波通信（Short-wave Communication， SWC）是波長(zhǎng)為100m-10m，通信頻率范圍為3-30MHz的一種無(wú)線電通信技術(shù)。該技術(shù)利用地面發(fā)射的無(wú)線電磁波在電離層之間或電離層與地面之間一次或多次的反射，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線通信，已經(jīng)被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于軍事、海洋、航空通信等領(lǐng)域。短波通信作為無(wú)線電通信組織中的重要手段，具有通信環(huán)境不容易被摧毀、建設(shè)周期短、傳輸距離較遠(yuǎn)、不受中繼制約、通信組網(wǎng)容易、抗毀性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此開(kāi)展短波通信組網(wǎng)研究尤為必要[1]。

二、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

近二十年來(lái)，美國(guó)一直致力于短波數(shù)字化、綜合化、標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化的研究，先后制定發(fā)布了MIL-STD-188-141A、MIL-STD-188-141B、MIL-STD-188-141C系列標(biāo)準(zhǔn)[2]，短波傳輸技術(shù)從傳統(tǒng)的窄帶擴(kuò)展到了準(zhǔn)寬帶體制，提升了短波高速可靠的傳輸能力。在組網(wǎng)方面，美國(guó)分別研制出了全球短波通信網(wǎng)（HFGCS）和海警短波通信網(wǎng)（COTHEN），澳大利亞也研制出了現(xiàn)代短波通信系統(tǒng)（MHFCS）[3]。為了與美澳短波通信技術(shù)發(fā)展保持同步，北約國(guó)家也在大力進(jìn)行短波網(wǎng)絡(luò)化的研究，以HF Messenger網(wǎng)絡(luò)為例，定義了短波子網(wǎng)的構(gòu)造、文件傳輸與電子郵件的接口等，保證了與標(biāo)準(zhǔn)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的相銜接[4-5]。

而我國(guó)在短波通信組網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域的研究起步相對(duì)交晚，經(jīng)過(guò)近十年來(lái)的發(fā)展，通過(guò)技術(shù)引進(jìn)加創(chuàng)新研發(fā)，第三代短波通信技術(shù)已成功應(yīng)用于新一代的短波通信設(shè)備并陸續(xù)使用，通信信道質(zhì)量得到了顯著的提高。但在短波通信組網(wǎng)技術(shù)、短波通信系統(tǒng)的應(yīng)用上，我國(guó)與美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一定差距。因此加快短波通信組網(wǎng)問(wèn)題研究尤為重要[6]。

三、幾種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為進(jìn)一步探索短波通信組網(wǎng)問(wèn)題研究，本文引入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（Network Topology， NT）的概念，所謂的NT，是指計(jì)算機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的分布情況以及連接狀態(tài)。一般分為環(huán)型、總線型、樹(shù)狀、星型和混合型，相關(guān)結(jié)構(gòu)圖如圖所示，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)級(jí)別區(qū)分以不同顏色加以區(qū)分。

1.環(huán)狀。網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)設(shè)備按照環(huán)型，首尾相連接，各節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中所處位置級(jí)別相同，任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息交互，必須按照環(huán)形結(jié)構(gòu)中的兩節(jié)點(diǎn)間所有節(jié)點(diǎn)逐個(gè)接力完成。

2.總線型。網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置一條總線，總線上所有節(jié)點(diǎn)共用這條總線，總線上的信息流可被所有節(jié)點(diǎn)接收。

3.樹(shù)狀。樹(shù)狀網(wǎng)具有明顯的層級(jí)劃分，可認(rèn)為是多級(jí)星結(jié)構(gòu)的組成，它采用集中控制方式，傳輸介質(zhì)可有多條分支，但沒(méi)有形成閉合回路，上下級(jí)節(jié)點(diǎn)存在“父子關(guān)系”，也就是子節(jié)點(diǎn)的信息流必定依靠父節(jié)點(diǎn)傳輸，這就造成了網(wǎng)絡(luò)中一旦父節(jié)點(diǎn)受到破壞，其下屬所有子節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)便會(huì)受到影響，因此此種網(wǎng)絡(luò)魯棒性不高。

4.星型。該類(lèi)型網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)指控節(jié)點(diǎn)作為傳輸中心，其他節(jié)點(diǎn)間的交互都必須通過(guò)該節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。

5.混合型。該類(lèi)型網(wǎng)是利用兩單一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)混合起來(lái)，取兩者優(yōu)點(diǎn)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｒ话阌袃煞N混合方式，其一是星形網(wǎng)和環(huán)型網(wǎng)組成“星-環(huán)”拓?fù)洌涠切切尉W(wǎng)和總線型網(wǎng)混合組成“星-總”拓?fù)洹?/p>

6.網(wǎng)狀。該類(lèi)型網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)間有許多鏈路相連，數(shù)據(jù)流的傳輸可以選擇最合適的路由，從而實(shí)現(xiàn)信息傳遞的最優(yōu)化。但該類(lèi)型網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和魯邦性較好，但建設(shè)成本較大。

四、短波通信組網(wǎng)信道區(qū)分

當(dāng)前，在海事、漁業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用中，短波通信網(wǎng)已經(jīng)得到了較快速的發(fā)展。本節(jié)主要介紹當(dāng)前短波通信組網(wǎng)信道的類(lèi)別劃分。從判斷一個(gè)短波通信網(wǎng)工作效能高低來(lái)看，信道選擇發(fā)揮著重要作用。當(dāng)前，短波通信組網(wǎng)信道類(lèi)別可分為：固定頻率信道、頻率自適應(yīng)信道、短波調(diào)頻信道和短波直接序列擴(kuò)頻信道[7，8]。

1.固定頻率信道。是指通信的雙方在一個(gè)指定頻率信道中工作，該類(lèi)方式較為傳統(tǒng)，不具備抗干擾性。

2.頻率自適應(yīng)信道。是指通信的雙方通過(guò)具備自適應(yīng)功能的電臺(tái)，在通過(guò)經(jīng)驗(yàn)所獲取的通信質(zhì)效較好的頻率集中，選擇一個(gè)頻率組，并設(shè)置到電臺(tái)中，通過(guò)鏈路質(zhì)量分析自動(dòng)選擇一個(gè)較好的頻率通信，這種通信方式可確保信道的質(zhì)量，在實(shí)際應(yīng)用中較為廣泛。

3.短波跳頻信道。是指通信的雙方所用頻率在一定帶寬內(nèi)快速隨機(jī)地跳變，致使地方無(wú)法找出規(guī)律，從而達(dá)到難以偵查和干擾的目的，目前此類(lèi)技術(shù)在軍事中應(yīng)用較為廣泛。

4.短波直接序列擴(kuò)頻信道。是指發(fā)送方將原來(lái)集中在信息帶寬內(nèi)的能量分散在帶寬的多的擴(kuò)頻碼序列帶寬內(nèi)，是能量密度大幅下降，接收端用解擴(kuò)的方法再將能量集中起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)通信，該技術(shù)具備較強(qiáng)的抗干擾性和抗截獲性，但是技術(shù)要求較高，目前還處于試驗(yàn)研究階段。

五、組網(wǎng)模型

本節(jié)引入NT的概念，將之與短波通信組網(wǎng)中信道選擇進(jìn)行有效結(jié)合，在岸-海通信場(chǎng)景應(yīng)用中，提出一種基于頻率自適應(yīng)信道下的“樹(shù)-網(wǎng)-星”短波通信網(wǎng)模型。

1.場(chǎng)景設(shè)計(jì)。假設(shè)，有一個(gè)岸基總指揮機(jī)構(gòu)A，其下屬有三個(gè)岸基前進(jìn)指揮所，分別用a、b、c表示，前進(jìn)指揮所a下轄船只有α、β、δ，前進(jìn)指揮所b下轄船只η、θ、λ，前進(jìn)指揮所c下轄船只有ξ、σ、φ。指揮關(guān)系為A直接指揮前進(jìn)指揮所a、b、c，前進(jìn)指揮所a、b、c分別指揮下轄船只，且a、b、c間具有協(xié)同指揮通信關(guān)系。

2.組網(wǎng)模型。假設(shè)，總指揮所A為父節(jié)點(diǎn)，前進(jìn)指揮所a、b、c分別為子節(jié)點(diǎn)，A與a、b、c間構(gòu)成樹(shù)狀網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)直接通信;a、b、c間構(gòu)成網(wǎng)狀網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同通信。a與船只α、β、δ通過(guò)短波自適應(yīng)信道構(gòu)成星狀網(wǎng)，同理b與船只η、θ、λ和c與船只ξ、σ、φ構(gòu)造同樣的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)模型見(jiàn)下圖，其中實(shí)線表示直接指揮關(guān)系，虛線表示協(xié)同指揮關(guān)系。

3.模型分析。通過(guò)引入傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的思想，構(gòu)建岸海自適應(yīng)“樹(shù)-環(huán)-星”短波通信網(wǎng)模型，該模型在岸基指揮機(jī)構(gòu)中發(fā)揮了樹(shù)狀網(wǎng)集中控制方式，傳輸介質(zhì)可有多條分支的優(yōu)點(diǎn)，降低了組網(wǎng)的成本;子節(jié)點(diǎn)間通過(guò)引入網(wǎng)狀網(wǎng)，各節(jié)點(diǎn)間有許多鏈路相連（可部署多部電臺(tái)），數(shù)據(jù)流的傳輸可以選擇最合適的路由，從而實(shí)現(xiàn)信息傳遞的最優(yōu)化，并具備一定的魯棒特性;岸海間選擇星狀網(wǎng)組網(wǎng)方式，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)指控節(jié)點(diǎn)指控網(wǎng)內(nèi)所有成員的特性。通過(guò)短波自適應(yīng)信道，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)選頻，增強(qiáng)短波通信的穩(wěn)定性、抗干擾性和保密性，其自動(dòng)建鏈功能可有效較低人工成本。

六、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文通過(guò)分析網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)劣勢(shì)，引入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞乃枷耄瑢?duì)岸海不同維度的短波通信應(yīng)用進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建，并結(jié)合短波自適應(yīng)技術(shù)，提出了一種基于頻率自適應(yīng)信道下的“樹(shù)-網(wǎng)-星”短波通信網(wǎng)模型。通過(guò)分析，該模型具備組網(wǎng)靈活、通信穩(wěn)定的，且具備一定抗干擾能力，具備一定的理論研究?jī)r(jià)值。此外，本文僅是對(duì)組網(wǎng)和信道選擇進(jìn)行了分析，短波選頻技術(shù)將是下一步研究學(xué)習(xí)的工作。

作者單位：李天雪" "黃兆陽(yáng)" "方祺" "李文斌" " 中國(guó)海警局東海分局

參" 考" 文" 獻(xiàn)

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