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)研究較少的問題，提出一種基于短波頻率自適應(yīng)信道下的“樹-網(wǎng)-星”通信網(wǎng)模型。該模型通過引入傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中樹狀、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的一種無線電通信技術(shù)。該技術(shù)利用地面發(fā)射的無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)距離無線通信，已經(jīng)被越來越廣泛地應(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，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)過近十年來的發(fā)展，通過技術(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.樹狀。樹狀網(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該節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。

5.混合型。該類型網(wǎng)是利用兩單一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)混合起來，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)信道的類別劃分。從判斷一個(gè)短波通信網(wǎng)工作效能高低來看，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具備自適應(yīng)功能的電臺(tái)，在通過經(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，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-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-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

綜上所述，本文通過分析網(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-網(wǎng)-星”短波通信網(wǎng)模型。通過分析，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" "方祺" "李文斌" " 中國(guó)海警局東海分局

參" 考" 文" 獻(xiàn)

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