關于短波組網(wǎng)結(jié)構(gòu)和技術的研究

張化宇

（湖北金洋有限責任公司 湖北 441000）

0 引言

短波通信又常稱為高頻通信，短波信號通過電離層反射實現(xiàn)遠距離通信，通常使用數(shù)百瓦的功率便可提供數(shù)千公里的通信，而且其建設和維護的費用低，建設周期短，設備簡單而又使用方便。此外，相對于其它遠距離通信方式，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。

1 短波網(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 短波通信的特點

無線電波主要是通過開放性的自然空間和地球傳輸?shù)?。短波的波長較長，為l0m到100m，相應的頻率較低，為1.5MHz到30MHz。這個頻段的無線電波的傳播主要有兩種形式，即地波和天波。地波傳播的特點是電波在行進過程中受地表面導電率和相對介電常數(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，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現(xiàn)遠距離傳輸?shù)摹Ｍǔ?，一次反射傳輸?shù)淖畲蟮孛婢嚯x可達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)絡的每個終端在功能上是完全一樣的，這樣設計的目的是提高網(wǎng)絡的抗毀能力，避免了功能特別的終端被摧毀后對網(wǎng)絡造成不可恢復的破壞。短波網(wǎng)絡終端由嵌入式PC+網(wǎng)絡控制器+電臺三部分構(gòu)成。電臺為可實時置頻的多信道跳頻電臺，網(wǎng)絡控制器通過串口與嵌入式PC相連，通過音頻口或數(shù)據(jù)口與電臺相連。網(wǎng)絡控制器硬件為由微處理器和數(shù)字信號處理芯片構(gòu)成的控制平臺，軟件為嵌入式操作系統(tǒng)

(2)網(wǎng)絡控制器的硬件框圖

如下圖所示，短波網(wǎng)絡控制器的核心是ARM控制器，大量的網(wǎng)絡信息被存儲在控制器的大容量數(shù)據(jù)存儲器中。ARM芯片根據(jù)各種算法對這些信息進行處理和判斷，從而實現(xiàn)短波網(wǎng)絡的智能控制。

圖：網(wǎng)絡控制器的硬件框圖

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

1.3 短波網(wǎng)絡的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)

(1)無線移動Ad Hoc網(wǎng)絡

無線Ad Hoc網(wǎng)絡是一個基于分組交換的其有很弧自組織功能的無線網(wǎng)絡。所謂自組織功能是指一些相對簡單的規(guī)則在不同層次被反復應用從而形成大規(guī)模的自適應行為。在自組織網(wǎng)絡中主要強調(diào)兩點：一是不存在權威的或特殊的節(jié)點(如基站、AP接入點等)，要求每個終端的功能完全一樣能夠互相桿換：二是強調(diào)高度的協(xié)作，網(wǎng)絡中所有的終端通過高度的協(xié)作形成具有很高自適應能力的網(wǎng)絡。這樣的網(wǎng)絡能夠根據(jù)當前的網(wǎng)絡拓撲、信道條件等實際情況，智能地做出調(diào)整，使每個終端負責合適的工作，自動實現(xiàn)全網(wǎng)絡的優(yōu)化配置。

(2) 控制結(jié)構(gòu)

一般說來，常用的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)根據(jù)拓撲形狀可以分為四種基本結(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)點的設備比較簡單，中心控制節(jié)點負責選擇路由及控制流量，但它要求中心節(jié)點有很強的處理能力，特別是中心控制節(jié)點易被發(fā)現(xiàn)而易遭摧毀。完全分布式控制結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡的基本特點是網(wǎng)絡的所有節(jié)點在網(wǎng)絡控制和流量管理上是平等的。各節(jié)點要監(jiān)測系統(tǒng)的連通性，進行擁塞、流量以及路由信息的控制。因此網(wǎng)絡的抗毀能力強，且設備的成本也比較低。但在用戶很多，特別是在移動的情況下，存在處理能力弱，控制業(yè)務急劇增多，路由在不斷重組中出現(xiàn)不連續(xù)的弱點。分層分布式控制采納了全分布式和分層中心式的優(yōu)點，它的基本特點是網(wǎng)絡由若干控制節(jié)點(即群首)和許多普通節(jié)點組成，網(wǎng)絡的管理是由控制節(jié)點來完成，擁有前面所述的優(yōu)勢。

2 短波組網(wǎng)的網(wǎng)絡功能

(1)路由選擇

路由選擇功能根據(jù)通信業(yè)務，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)絡層向鏈路層請求建立、終止鏈接，并帶有相應的鏈路層地址。鏈路層應根據(jù)鏈路質(zhì)量選擇本次使用的鏈路，并回應鏈路建立成功與否以及被鏈接站的身份。

(3)信息存儲與轉(zhuǎn)發(fā)

信息存儲與轉(zhuǎn)。發(fā)是為用戶或傳輸層所提供信息傳輸服務的接口。網(wǎng)絡層的存儲與轉(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?。然后通過自動信息交換處理來向HF鏈路發(fā)送信息。

(4)自動信息交換(AME)

自動信息交換指自動從信息存儲與轉(zhuǎn)發(fā)處理中取得網(wǎng)絡信息發(fā)送給一個指定的可以直接到達的節(jié)點(中繼節(jié)點或目的節(jié)點)。當通過鏈路請求處理發(fā)現(xiàn)通往該節(jié)點的鏈路可用時，自動發(fā)送。當鏈路請求處理發(fā)現(xiàn)通往該節(jié)點的鏈路不可用時，可以拒絕該網(wǎng)絡信息發(fā)送，返還給信息存儲與轉(zhuǎn)發(fā)處理輪流重發(fā)該信息，或者存儲該信息直到通往該節(jié)點的鏈路可用。(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)絡中，每個節(jié)點無法直接獲得許多節(jié)點的路由和信息，可以通過得到存儲在直接可以通信的節(jié)點中的連通性信息獲得其他節(jié)點的路由或信息。這種信息可以被共享并周期性升級。當節(jié)點報告它們與其他節(jié)點的連通性信息(如鏈路質(zhì)量矩陣等)稱為連通性交換。另外節(jié)點還可以通過連通性交換請求答復哪一個節(jié)點與指定的節(jié)點有可用的路由，這稱為查詢路由。另外連通性交換還提供基礎數(shù)據(jù)給網(wǎng)絡選頻算法為網(wǎng)絡頻率協(xié)商所用。

3 短波組網(wǎng)的路由技術

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

該算法是在各節(jié)點存儲一個路由表，路由表的修正是依據(jù)各相鄰節(jié)點交換的連通性信息以及鏈路質(zhì)量。節(jié)點根據(jù)收集到的網(wǎng)絡連通性信息就可以計算出到達各目的節(jié)點的最小跳數(shù)路由。網(wǎng)絡的連通性信息通過所有節(jié)點周期性地半廣播(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，分組頭的目的地址只有一個，即廣播地址FFH。各節(jié)點的路由生存周期表明了節(jié)點路由的有效時間，生存周期結(jié)束時，要廣播新的PROP分組，更新路由表。

網(wǎng)絡開通時，各節(jié)點通過接收PROP來確定自己的相鄰節(jié)點表，并根據(jù)獲得的路由信息生成侮個節(jié)點的稀疏路由樹。網(wǎng)絡開始傳輸數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)分組也可以用來確定相鄰節(jié)點的存在性。每個PROP中包含有該節(jié)點的路由信息，每個節(jié)點收到相鄰節(jié)點的PROP時，使用該PROP中的路由信息維護自己的路由，并將更新后的路由信。息通過PROP廣播給相鄰節(jié)點。通過PROP的不斷廣播，每個節(jié)點都能計算出到各個目的節(jié)點的最短路由(最小跳數(shù))。該算法的主要優(yōu)點是能適應網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，在節(jié)點移動或故障時仍能得到至目的節(jié)點的最短路由，可靠性高，分組的平均網(wǎng)絡時延也較小。它的主要缺點是實現(xiàn)比較復雜，且當網(wǎng)絡拓撲變化很快時，用于交換連通性的信息增多，影響網(wǎng)絡吞吐量，降低網(wǎng)絡資源利用率。該算法適用于拓撲變化較慢、時延小、可靠性要求高，但節(jié)點少、業(yè)務量不很大的網(wǎng)絡。

4 結(jié)語

總之，為了更可靠、更方便的使用短波鏈路實現(xiàn)短波組網(wǎng)通信，還須研究人員作不懈的努力。這是一個龐大而復雜的技術研究領域，在本文中筆者探討了短波組網(wǎng)結(jié)構(gòu)和技術，但由于本人的水平和篇幅有限，在這個領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]張爾揚等.短波通信技術.北京:國防工業(yè)出版社，2008.2

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