美國空軍短波全球通信系統技術分析

鞠茂光，劉尚麟

（①西安電子科技大學綜合業務網國家重點實驗室，陜西 西安 710071；②中國人民解放軍91469部隊，北京 100841；③中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041)

0 引言

短波通信具有設備較簡單、通信距離遠、組織靈活、機動性強等優點，尤其是其“中繼系統”—電離層不易被摧毀，使它具有很強的抗毀能力，所以短波通信始終是戰術通信、應急通信和戰略指揮通信的重要手段[1]。

衛星通信和光纖通信的發展及其在軍事領域的應用，暴露出傳統的短波通信頻段窄、質量差、抗干擾能力不強等弱點。空間技術的發展使衛星被摘、被毀已成為現實，光纖的敷設速度無法滿足機動作戰的要求，精確制導武器對衛星地面站和光纖通信樞紐構成嚴重威脅等。因此，通過大量使用已發展成熟的IP網絡技術,構建短波廣域網，作為衛星通信和光纖通信的備份或補充是十分必要的。

本文首先介紹美國空軍短波全球通信系統HFGCS的基本情況，然后對其技術特點進行深入分析，最后給出HFGCS對中國短波通信網絡發展的啟示。

1 美國空軍短波全球通信系統

1.1 基本情況

美國空軍短波全球通信系統[2]HFGCS是高度自動化的短波通信系統，主要的使命是為作戰飛機飛行中的指揮控制、國家指揮機構緊急作戰命令發布、全球人道主義以及北約軍事行動等提供短波通信手段。它采用有線地面支撐網絡將全球15個短波臺站連接起來，形成一個IP網絡化，使用經濟方便的通信系統，系統能夠支持地對空語音、數據通信。HFGCS采用4 kW大功率地面短波臺站，每個臺站語音通信覆蓋范圍約為3200 km，數據通信覆蓋范圍約為4000 km。整個系統覆蓋了歐洲、亞洲、北美洲、南美洲、澳洲、大西洋、印度洋和太平洋大部分地區。

HFGCS系統現階段采用中心控制方式運作，15個地面短波臺站中，有兩個屬于互相備份的中心網絡控制臺站，分別部署在美國本土的安德魯斯（Andrews）空軍基地和格蘭特福克斯（Grand Forks）空軍基地。在中心控制工作模式，其他短波臺站都接受中心網絡控制臺站的集中控制，部署在中心網絡控制臺站的地面網關實現與他網絡（如電話網、SIPRNET、NIPRNET）的互聯互通。未來，HFGCS會采取分布式工作模式，通信將不再全部通過中心網絡控制臺站。

HFGCS項目目前正處于設備研制和項目建設中。從2006年到2010年，完成了第一階段項目建設工作，目前處于第二階段項目開始階段。第一階段主要完成了短波臺站 IP網絡化，遠程配置控制IP化傳輸，語音明話通信和數據通信全 IP化，解決可靠通信問題。第二階段項目目標主要是解決端到端保密通信問題、空中平臺移動IP技術等問題。

1.2 技術特點分析

HFGCS技術特點歸納如下:

1）應用IP路由以及最佳短波臺站自動定位技術。HFGCS采用IP網絡技術，將全球所有短波臺站連接起來，采用短波臺站之間可以通過短波信道質量跟蹤IP協議，實現短波信道信息的交互比較，從而實現最佳頻率和地面臺站選擇。地面支撐網提供通信過程中到最佳臺站的路由、臺站間切換、語音的自動探測、與有線電話間的自動轉接等全部由地面支撐網絡自動完成。

2）短波臺站控制信令和通信數據 IP承載。HFGCS采用中心控制方式運作，控制中心位于美軍本土空軍基地，中心網絡控制臺站可以通過IP網絡對其他臺站實施遠程控制，按照需要進行動態配置以及調度，將不同短波臺站的收信臺、發信臺組合起來，形成最佳組合。通信中的音頻信息和短波臺站控制數據采用 AoIP（音頻IP承載）傳輸。AoIP技術是通過RTP協議傳輸音頻以及控制數據的技術標準。短波臺站收發信臺遠程調度具體采用分離式控制技術，中心網絡控制臺站通過IP網絡，控制數據傳輸采用串口控制IP承載技術（SCoIP），對其他短波臺站進行遠程控制。

3）使用短波無線IP協議。HFGCS是一個全IP化的網絡，除了地面支撐網采用IP網絡技術、短波臺站間連接采用IP技術，在空中接口也采用了 IP技術（IP over HF），實現空中移動平臺的地址動態分配和移動IP路由管理。HFGCS的每個地面臺站劃分為若干個地空短波IP子網，短波臺站和機載短波電臺設備成為具有獨立 IP地址及路由功能的短波IP網絡節點，地空通信中使用適合短波信道 IP網絡層協議、MAC層協議、鏈路層協議。 IP over HF具體協議為STANAG 5066，STANAG 5066運行在短波調制解調器中，主要實現短波信道IP協議優化以及標準IP協議到短波IP協議的轉換以及適配。

4）下一階段會使用短波端到端保密互通技術。美國空軍 HFGCS計劃采用美軍保密通信互通協議SCIP，實現地面固定電話終端和飛機機載短波電臺之間端到端保密話音通信。保密通信互通協議（SCIP，Secure Communication Interoperability Protocol），是工作在應用層的端到端保密互通標準，通信前，不同種類的設備會首先進行密鑰、加密算法等保密參數協商。具體來說，SCIP密鑰協商采用非對稱加密技術，話音加密算法為若干流密碼和分組密碼算法組成的集合、工作時通過協商選取一種話音加密算法進行工作，話音編碼統一采用窄帶 MELPe碼（600 bit/s、1200 bit/s、2400 bit/s），這些技術結合起來為不同種類網絡設備端到端保密通信提供了基礎支撐。

2 對中國短波通信網技術發展的啟示

成熟的IP技術在HFGCS地面支撐網絡、短波臺站內部單元鏈接、空口通信等各個層面的應用，標準化了技術體制，提高了短波通信網絡效能。中國短波通信應該關注這些最新進展，根據實際情況和用戶需求，利用美軍這些經驗成果，規范技術體制、促進中國短波通信網絡技術發展。建議重點加強下面四方面的技術應用研究。

2.1 短波臺站收發信臺資源統一調度技術

借鑒美軍HFGCS經驗，實現短波通信網絡控制IP化。即短波網絡控制器[3]和短波收發信臺之間傳統的多路收發音頻線路改進為音頻IP承載（AoIP）鏈路，實現短波臺站收發信臺串口控制的IP化傳輸、調制解調信號IP承載及遠程數據傳輸，從而將短波臺站內部接口IP標準化。實現能夠依據電離層傳導性和電子密度等短波信道預測模型、結合短波信道探測，將不同地理位置上分布的短波臺站收信臺、發信臺，動態配置形成異地分離式短波收信臺、發信臺組合，提高通信效果。

2.2 短波通信無線IP技術

借鑒HFGCS短波IP協議STANAG 5066標準[4]，發展中國的短波無線IP協議。由于短波通信地面支撐網數據通信采用IP協議，因此有必要在短波無線通信中使用短波IP協議，將無線空口通信技術統一起來，組成短波IP子網，采取標準的IP地址管理和路由尋址體制，從而提高信息共享能力和短波機動平臺的隨遇接入能力。

短波無線 IP協議需要針對短波信道帶寬窄、長時延、時變性等特性，對IP協議進行優化。短波無線IP化后，短波通信固定部分和機動部分通信過程如圖1所示。

圖1 短波無線IP化通信示意

短波無線IP協議提供標準IP應用層到短波數據鏈路層的適配。短波無線IP化后，地面接入網可以和短波機動設備以最小的開銷進行IP地址解析、地址管理等功能，實現短波通信設備統一IP尋址。

2.3 基于短波通信網的信息分發技術

短波通信網可以分為地面有線通信和無線通信兩部分，有線部分帶寬較寬，通信可靠；無線部分帶寬較窄，信道資源有限，而且通信信道質量具有時變性，容易受到電離層變化、自然條件變化等因素的影響。引入信息分發系統，可以從兩個層面提高短波通信效率。

1）增加存儲轉發能力，數據信息邊緣推送能力。在地面支撐網中部署信息分發系統，與短波臺站配合，為數據通信提供差異化服務，增加短波臺站數據存儲轉發功能。在短波通信中，數據通信這種非實時業務和語音通信實時業務具有很大差別，數據通信可以以更低的速率、更好的可靠性實現更遠距離的通信。短波數據通信可以充分利用數據可復制特性，增加存儲轉發功能，當短波鏈路暫時中斷或者切換時，短波臺站會將數據會存儲下來，等鏈路連通或者切換完畢后繼續轉發，提高數據通信效率。

2）對有線側將要進入無線側的信息按照業務種類分為不同優先級，級別高的優先使用短波無線信道，解決不同優先級業務對無線信道資源的搶占問題、優先級控制問題，讓重要程度更高、實時性要求更高的應用業務優先傳送。

2.4 短波端到端保密通信技術

短波通信網主要提供話音通信和數據業務。目前，地面網絡部分和短波無線通信部分采用不同的保密體制，按照不同的網絡設備采用相應的保密通信技術。地面部分，采用IPSEC保密技術；無線通信部分采用無線鏈路保密技術。兩種設備之間的保密互通，由地面短波臺站解密轉變為明文，再次加密后傳輸。這種方式，解密、再次加密計算開銷大、時延長同時存在安全隱患。

從長期發展來看，有必要借鑒美軍全球短波通信系統端到端保密通信互通技術經驗，設計中國短波通信端到端保密互通協議，解決地面固定終端和短波電臺不同種類設備之間端到端保密通信問題。

短波通信不同種類設備端到端保密互通技術，主要包括密鑰管理、加密、語音編碼等幾部分組成。其中:

1）密鑰管理采用公鑰密碼體制，可以進行密鑰協商。

2）加密方面采用加密算法協議簇方式，不同種類通信設備擁有一個算法集合，支持多種加密算法，在通信前，根據能力進行算法協商。

3）語音編碼統一采用窄帶編碼格式，如短波語音編碼(600 bit/s、1200 bit/s、2400 bit/s)。

3 結語

短波通信系統是中國重要的信息基礎設施，是衛星通信的備用手段，中國應該借鑒美國空軍HFGCS經驗，加強短波臺站控制 IP承載，短波無線通信IP協議、端到端保密通信等技術研究，重視頂層設計規劃、選擇全IP技術體制，保持短波通信網技術發展的可持續性。

[1]朱紅琛. STANAG 5066標準在短波網絡通信中的應用研究[J].通信技術,2009,42(10):87-89.

[2]VANHORN D.High Frequency (HF) Global Communications System (HFGCS)[EB/OL].(2010-02-04)[2013-04-28].http://www.hfindustry.com/meetings_presentation s/presentation_materials/2010_feb_hfia/presenta tions/HFGCS_HFIA_Feb_2010.pdf.

[3]張永紅,楊春蘭.短波擴頻通信的Rake接收技術[J].信息安全與通信保密,2007(06):16-18.

[4]景淵,曹鵬,黃國策.北約短波數據通信標準最新進展[J].艦船電子工程,2009,29(06):26-29.

[5]陳曉毅.第三代短波通信網[J].通信技術,2002(04):15-17.