關于短波組網結構和技術的研究

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遠距離通信，通常使用數百瓦的功率便可提供數千公里的通信，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”。多年來短波通信廣泛用于政治、軍事、外交、氣象、商業等部門，用以傳送語音、文字、圖像、數據等信息，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結構和技術。

1 短波網絡系統結構

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的。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的影響而產生衰減，頻率越高衰減越大。在頻率較低的短波波段，發射功率不特別大時，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遠距離傳輸的。通常，一次反射傳輸的最大地面距離可達4000公里，多次反射可傳輸上萬公里，甚至作環球傳播。

1.2 短波網絡終端的硬件結構

(1)短波網終端的組成

新一代短波網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絡的抗毀能力，避免了功能特別的終端被摧毀后對網絡造成不可恢復的破壞。短波網絡終端由嵌入式PC+網絡控制器+電臺三部分構成。電臺為可實時置頻的多信道跳頻電臺，網絡控制器通過串口與嵌入式PC相連，通過音頻口或數據口與電臺相連。網絡控制器硬件為由微處理器和數字信號處理芯片構成的控制平臺，軟件為嵌入式操作系統

(2)網絡控制器的硬件框圖

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

圖：網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送、接受數據的調制解調器的接口。網絡控制器將通過與上位機的接口與上層用戶實現數據交換，并根據要發送的數據和本身存儲的網絡信息得出控制命令，并通知MAC層控制器根據網絡控制器提供的信息進行鏈路建立或鏈路監聽。在鏈路建立好后，網絡控制器將數據傳給數據的調制解調器，由它負責發送數據的收發。

1.3 短波網絡的網絡結構和控制結構

(1)無線移動Ad Hoc網絡

無線Ad Hoc網絡是一個基于分組交換的其有很弧自組織功能的無線網絡。所謂自組織功能是指一些相對簡單的規則在不同層次被反復應用從而形成大規模的自適應行為。在自組織網絡中主要強調兩點：一是不存在權威的或特殊的節點(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：二是強調高度的協作，網絡中所有的終端通過高度的協作形成具有很高自適應能力的網絡。這樣的網絡能夠根據當前的網絡拓撲、信道條件等實際情況，智能地做出調整，使每個終端負責合適的工作，自動實現全網絡的優化配置。

(2) 控制結構

一般說來，常用的網絡體系結構根據拓撲形狀可以分為四種基本結構：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，普通節點的設備比較簡單，中心控制節點負責選擇路由及控制流量，但它要求中心節點有很強的處理能力，特別是中心控制節點易被發現而易遭摧毀。完全分布式控制結構網絡的基本特點是網絡的所有節點在網絡控制和流量管理上是平等的。各節點要監測系統的連通性，進行擁塞、流量以及路由信息的控制。因此網絡的抗毀能力強，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，控制業務急劇增多，路由在不斷重組中出現不連續的弱點。分層分布式控制采納了全分布式和分層中心式的優點，它的基本特點是網絡由若干控制節點(即群首)和許多普通節點組成，網絡的管理是由控制節點來完成，擁有前面所述的優勢。

2 短波組網的網絡功能

(1)路由選擇

路由選擇功能根據通信業務，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。鏈路層應根據鏈路質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)信息存儲與轉發

信息存儲與轉。發是為用戶或傳輸層所提供信息傳輸服務的接口。網絡層的存儲與轉發處理調用路由選擇功能以決定數據傳輸的路由。然后通過自動信息交換處理來向HF鏈路發送信息。

(4)自動信息交換(AME)

自動信息交換指自動從信息存儲與轉發處理中取得網絡信息發送給一個指定的可以直接到達的節點(中繼節點或目的節點)。當通過鏈路請求處理發現通往該節點的鏈路可用時，自動發送。當鏈路請求處理發現通往該節點的鏈路不可用時，可以拒絕該網絡信息發送，返還給信息存儲與轉發處理輪流重發該信息，或者存儲該信息直到通往該節點的鏈路可用。(這種模式也稱為“發現模式”。)

(5)連通性交換

在HF通信網絡中，每個節點無法直接獲得許多節點的路由和信息，可以通過得到存儲在直接可以通信的節點中的連通性信息獲得其他節點的路由或信息。這種信息可以被共享并周期性升級。當節點報告它們與其他節點的連通性信息(如鏈路質量矩陣等)稱為連通性交換。另外節點還可以通過連通性交換請求答復哪一個節點與指定的節點有可用的路由，這稱為查詢路由。另外連通性交換還提供基礎數據給網絡選頻算法為網絡頻率協商所用。

3 短波組網的路由技術

短波網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，屬于表驅動的主動路由技術。

該算法是在各節點存儲一個路由表，路由表的修正是依據各相鄰節點交換的連通性信息以及鏈路質量。節點根據收集到的網絡連通性信息就可以計算出到達各目的節點的最小跳數路由。網絡的連通性信息通過所有節點周期性地半廣播(只在1跳的范圍內)自己的PROP (Packet Radio Organization Packet)來獲得。發送PROP分組時，分組頭的目的地址只有一個，即廣播地址FFH。各節點的路由生存周期表明了節點路由的有效時間，生存周期結束時，要廣播新的PROP分組，更新路由表。

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

4 結語

總之，為了更可靠、更方便的使用短波鏈路實現短波組網通信，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結構和技術，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努力。

[1]張爾揚等.短波通信技術.北京:國防工業出版社，2008.2

[2]李建東.信息網絡理論基礎.西安:西安電子科技大學出版社，2009.6