張化宇

（湖北金洋有限責(zé)任公司 湖北 441000）

0 引言

短波通信又常稱為高頻通信，短波信號(hào)通過電離層反射實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，通常使用數(shù)百瓦的功率便可提供數(shù)千公里的通信，而且其建設(shè)和維護(hù)的費(fèi)用低，建設(shè)周期短，設(shè)備簡(jiǎn)單而又使用方便。此外，相對(duì)于其它遠(yuǎn)距離通信方式，短波通信具有不易被“摧毀”的“中繼系統(tǒng)”。多年來短波通信廣泛用于政治、軍事、外交、氣象、商業(yè)等部門，用以傳送語音、文字、圖像、數(shù)據(jù)等信息，尤其在軍事部門，它始終是軍事指揮的重要手段之一。下面筆者研究了短波組網(wǎng)結(jié)構(gòu)和技術(shù)。

1 短波網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 短波通信的特點(diǎn)

無線電波主要是通過開放性的自然空間和地球傳輸?shù)?。短波的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，為l0m到100m，相應(yīng)的頻率較低，為1.5MHz到30MHz。這個(gè)頻段的無線電波的傳播主要有兩種形式，即地波和天波。地波傳播的特點(diǎn)是電波在行進(jìn)過程中受地表面導(dǎo)電率和相對(duì)介電常數(shù)的影響而產(chǎn)生衰減，頻率越高衰減越大。在頻率較低的短波波段，發(fā)射功率不特別大時(shí)，傳輸距離一般為幾十公里。天波是靠電離層的一次或多次反射而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)?。通常，一次反射傳輸?shù)淖畲蟮孛婢嚯x可達(dá)4000公里，多次反射可傳輸上萬公里，甚至作環(huán)球傳播。

1.2 短波網(wǎng)絡(luò)終端的硬件結(jié)構(gòu)

(1)短波網(wǎng)終端的組成

新一代短波網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)終端在功能上是完全一樣的，這樣設(shè)計(jì)的目的是提高網(wǎng)絡(luò)的抗毀能力，避免了功能特別的終端被摧毀后對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成不可恢復(fù)的破壞。短波網(wǎng)絡(luò)終端由嵌入式PC+網(wǎng)絡(luò)控制器+電臺(tái)三部分構(gòu)成。電臺(tái)為可實(shí)時(shí)置頻的多信道跳頻電臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)控制器通過串口與嵌入式PC相連，通過音頻口或數(shù)據(jù)口與電臺(tái)相連。網(wǎng)絡(luò)控制器硬件為由微處理器和數(shù)字信號(hào)處理芯片構(gòu)成的控制平臺(tái)，軟件為嵌入式操作系統(tǒng)

(2)網(wǎng)絡(luò)控制器的硬件框圖

如下圖所示，短波網(wǎng)絡(luò)控制器的核心是ARM控制器，大量的網(wǎng)絡(luò)信息被存儲(chǔ)在控制器的大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。ARM芯片根據(jù)各種算法對(duì)這些信息進(jìn)行處理和判斷，從而實(shí)現(xiàn)短波網(wǎng)絡(luò)的智能控制。

圖：網(wǎng)絡(luò)控制器的硬件框圖

ARM核心控制器對(duì)外主要有三個(gè)接口：一個(gè)是和上層控制單元的接口，一個(gè)是和負(fù)責(zé)自動(dòng)鏈路建立的MAC層控制器的接口，還有一個(gè)是和專門負(fù)責(zé)發(fā)送、接受數(shù)據(jù)的調(diào)制解調(diào)器的接口。網(wǎng)絡(luò)控制器將通過與上位機(jī)的接口與上層用戶實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，并根據(jù)要發(fā)送的數(shù)據(jù)和本身存儲(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)信息得出控制命令，并通知MAC層控制器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)控制器提供的信息進(jìn)行鏈路建立或鏈路監(jiān)聽。在鏈路建立好后，網(wǎng)絡(luò)控制器將數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)的調(diào)制解調(diào)器，由它負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)的收發(fā)。

1.3 短波網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)

(1)無線移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)

無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)基于分組交換的其有很弧自組織功能的無線網(wǎng)絡(luò)。所謂自組織功能是指一些相對(duì)簡(jiǎn)單的規(guī)則在不同層次被反復(fù)應(yīng)用從而形成大規(guī)模的自適應(yīng)行為。在自組織網(wǎng)絡(luò)中主要強(qiáng)調(diào)兩點(diǎn)：一是不存在權(quán)威的或特殊的節(jié)點(diǎn)(如基站、AP接入點(diǎn)等)，要求每個(gè)終端的功能完全一樣能夠互相桿換：二是強(qiáng)調(diào)高度的協(xié)作，網(wǎng)絡(luò)中所有的終端通過高度的協(xié)作形成具有很高自適應(yīng)能力的網(wǎng)絡(luò)。這樣的網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、信道條件等實(shí)際情況，智能地做出調(diào)整，使每個(gè)終端負(fù)責(zé)合適的工作，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化配置。

(2) 控制結(jié)構(gòu)

一般說來，常用的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)根據(jù)拓?fù)湫螤羁梢苑譃樗姆N基本結(jié)構(gòu)：中心式控制、分層中心式控制、完全分布式控制、分層分布式控制。前兩種屬于集中式控制，普通節(jié)點(diǎn)的設(shè)備比較簡(jiǎn)單，中心控制節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)選擇路由及控制流量，但它要求中心節(jié)點(diǎn)有很強(qiáng)的處理能力，特別是中心控制節(jié)點(diǎn)易被發(fā)現(xiàn)而易遭摧毀。完全分布式控制結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的基本特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)控制和流量管理上是平等的。各節(jié)點(diǎn)要監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的連通性，進(jìn)行擁塞、流量以及路由信息的控制。因此網(wǎng)絡(luò)的抗毀能力強(qiáng)，且設(shè)備的成本也比較低。但在用戶很多，特別是在移動(dòng)的情況下，存在處理能力弱，控制業(yè)務(wù)急劇增多，路由在不斷重組中出現(xiàn)不連續(xù)的弱點(diǎn)。分層分布式控制采納了全分布式和分層中心式的優(yōu)點(diǎn)，它的基本特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)由若干控制節(jié)點(diǎn)(即群首)和許多普通節(jié)點(diǎn)組成，網(wǎng)絡(luò)的管理是由控制節(jié)點(diǎn)來完成，擁有前面所述的優(yōu)勢(shì)。

2 短波組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)功能

(1)路由選擇

路由選擇功能根據(jù)通信業(yè)務(wù)，通過查詢路由表以確定傳輸所用的直接或間接的路徑。路由選擇功能支持各種直接或間接的呼叫和多種中繼類型。

(2)鏈路選擇

網(wǎng)絡(luò)層向鏈路層請(qǐng)求建立、終止鏈接，并帶有相應(yīng)的鏈路層地址。鏈路層應(yīng)根據(jù)鏈路質(zhì)量選擇本次使用的鏈路，并回應(yīng)鏈路建立成功與否以及被鏈接站的身份。

(3)信息存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)

信息存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)。發(fā)是為用戶或傳輸層所提供信息傳輸服務(wù)的接口。網(wǎng)絡(luò)層的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)處理調(diào)用路由選擇功能以決定數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚?。然后通過自動(dòng)信息交換處理來向HF鏈路發(fā)送信息。

(4)自動(dòng)信息交換(AME)

自動(dòng)信息交換指自動(dòng)從信息存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)處理中取得網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)送給一個(gè)指定的可以直接到達(dá)的節(jié)點(diǎn)(中繼節(jié)點(diǎn)或目的節(jié)點(diǎn))。當(dāng)通過鏈路請(qǐng)求處理發(fā)現(xiàn)通往該節(jié)點(diǎn)的鏈路可用時(shí)，自動(dòng)發(fā)送。當(dāng)鏈路請(qǐng)求處理發(fā)現(xiàn)通往該節(jié)點(diǎn)的鏈路不可用時(shí)，可以拒絕該網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)送，返還給信息存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)處理輪流重發(fā)該信息，或者存儲(chǔ)該信息直到通往該節(jié)點(diǎn)的鏈路可用。(這種模式也稱為“發(fā)現(xiàn)模式”。)

(5)連通性交換

在HF通信網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)無法直接獲得許多節(jié)點(diǎn)的路由和信息，可以通過得到存儲(chǔ)在直接可以通信的節(jié)點(diǎn)中的連通性信息獲得其他節(jié)點(diǎn)的路由或信息。這種信息可以被共享并周期性升級(jí)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)報(bào)告它們與其他節(jié)點(diǎn)的連通性信息(如鏈路質(zhì)量矩陣等)稱為連通性交換。另外節(jié)點(diǎn)還可以通過連通性交換請(qǐng)求答復(fù)哪一個(gè)節(jié)點(diǎn)與指定的節(jié)點(diǎn)有可用的路由，這稱為查詢路由。另外連通性交換還提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)給網(wǎng)絡(luò)選頻算法為網(wǎng)絡(luò)頻率協(xié)商所用。

3 短波組網(wǎng)的路由技術(shù)

短波網(wǎng)路已算法選擇改進(jìn)型分布式路由算法，該算法是從DBF (DistributedBellman-Ford)算法改進(jìn)而來，屬于表驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)路由技術(shù)。

該算法是在各節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)一個(gè)路由表，路由表的修正是依據(jù)各相鄰節(jié)點(diǎn)交換的連通性信息以及鏈路質(zhì)量。節(jié)點(diǎn)根據(jù)收集到的網(wǎng)絡(luò)連通性信息就可以計(jì)算出到達(dá)各目的節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)路由。網(wǎng)絡(luò)的連通性信息通過所有節(jié)點(diǎn)周期性地半廣播(只在1跳的范圍內(nèi))自己的PROP (Packet Radio Organization Packet)來獲得。發(fā)送PROP分組時(shí)，分組頭的目的地址只有一個(gè)，即廣播地址FFH。各節(jié)點(diǎn)的路由生存周期表明了節(jié)點(diǎn)路由的有效時(shí)間，生存周期結(jié)束時(shí)，要廣播新的PROP分組，更新路由表。

網(wǎng)絡(luò)開通時(shí)，各節(jié)點(diǎn)通過接收PROP來確定自己的相鄰節(jié)點(diǎn)表，并根據(jù)獲得的路由信息生成侮個(gè)節(jié)點(diǎn)的稀疏路由樹。網(wǎng)絡(luò)開始傳輸數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)分組也可以用來確定相鄰節(jié)點(diǎn)的存在性。每個(gè)PROP中包含有該節(jié)點(diǎn)的路由信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)收到相鄰節(jié)點(diǎn)的PROP時(shí)，使用該P(yáng)ROP中的路由信息維護(hù)自己的路由，并將更新后的路由信。息通過PROP廣播給相鄰節(jié)點(diǎn)。通過PROP的不斷廣播，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能計(jì)算出到各個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的最短路由(最小跳數(shù))。該算法的主要優(yōu)點(diǎn)是能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)或故障時(shí)仍能得到至目的節(jié)點(diǎn)的最短路由，可靠性高，分組的平均網(wǎng)絡(luò)時(shí)延也較小。它的主要缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓芸鞎r(shí)，用于交換連通性的信息增多，影響網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低網(wǎng)絡(luò)資源利用率。該算法適用于拓?fù)渥兓^慢、時(shí)延小、可靠性要求高，但節(jié)點(diǎn)少、業(yè)務(wù)量不很大的網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)語

總之，為了更可靠、更方便的使用短波鏈路實(shí)現(xiàn)短波組網(wǎng)通信，還須研究人員作不懈的努力。這是一個(gè)龐大而復(fù)雜的技術(shù)研究領(lǐng)域，在本文中筆者探討了短波組網(wǎng)結(jié)構(gòu)和技術(shù)，但由于本人的水平和篇幅有限，在這個(gè)領(lǐng)域研究得還不夠深入，使得本文還有許多不足和紕漏，在今后的工作中筆者將繼續(xù)努力。

[1]張爾揚(yáng)等.短波通信技術(shù).北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2008.2

[2]李建東.信息網(wǎng)絡(luò)理論基礎(chǔ).西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2009.6