一種自適應短波通信網模型

摘要：針對國內短波通信組網研究較少的問題，提出一種基于短波頻率自適應信道下的“樹-網-星”通信網模型。該模型通過引入傳統網絡中樹狀、網狀和星狀網的優點，結合短波自適應選頻技術，選擇優質短波頻率，理論上可實現穩定的短波自動組網功能。

關鍵詞：短波通信、自適應、拓撲、短波組網

一、引言

短波通信（Short-wave Communication， SWC）是波長為100m-10m，通信頻率范圍為3-30MHz的一種無線電通信技術。該技術利用地面發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，從而實現遠距離無線通信，已經被越來越廣泛地應用于軍事、海洋、航空通信等領域。短波通信作為無線電通信組織中的重要手段，具有通信環境不容易被摧毀、建設周期短、傳輸距離較遠、不受中繼制約、通信組網容易、抗毀性能強等優點，因此開展短波通信組網研究尤為必要[1]。

二、國內外發展現狀

近二十年來，美國一直致力于短波數字化、綜合化、標準化和網絡化的研究，先后制定發布了MIL-STD-188-141A、MIL-STD-188-141B、MIL-STD-188-141C系列標準[2]，短波傳輸技術從傳統的窄帶擴展到了準寬帶體制，提升了短波高速可靠的傳輸能力。在組網方面，美國分別研制出了全球短波通信網（HFGCS）和海警短波通信網（COTHEN），澳大利亞也研制出了現代短波通信系統（MHFCS）[3]。為了與美澳短波通信技術發展保持同步，北約國家也在大力進行短波網絡化的研究，以HF Messenger網絡為例，定義了短波子網的構造、文件傳輸與電子郵件的接口等，保證了與標準互聯網應用的相銜接[4-5]。

而我國在短波通信組網技術領域的研究起步相對交晚，經過近十年來的發展，通過技術引進加創新研發，第三代短波通信技術已成功應用于新一代的短波通信設備并陸續使用，通信信道質量得到了顯著的提高。但在短波通信組網技術、短波通信系統的應用上，我國與美國等發達國家還存在一定差距。因此加快短波通信組網問題研究尤為重要[6]。

三、幾種網絡拓撲結構

為進一步探索短波通信組網問題研究，本文引入網絡拓撲結構（Network Topology， NT）的概念，所謂的NT，是指計算機等網絡設備之間的分布情況以及連接狀態。一般分為環型、總線型、樹狀、星型和混合型，相關結構圖如圖所示，網絡中的各節點級別區分以不同顏色加以區分。

1.環狀。網絡中各節點設備按照環型，首尾相連接，各節點在網絡中所處位置級別相同，任意兩個節點的信息交互，必須按照環形結構中的兩節點間所有節點逐個接力完成。

2.總線型。網絡中設置一條總線，總線上所有節點共用這條總線，總線上的信息流可被所有節點接收。

3.樹狀。樹狀網具有明顯的層級劃分，可認為是多級星結構的組成，它采用集中控制方式，傳輸介質可有多條分支，但沒有形成閉合回路，上下級節點存在“父子關系”，也就是子節點的信息流必定依靠父節點傳輸，這就造成了網絡中一旦父節點受到破壞，其下屬所有子節點的網絡便會受到影響，因此此種網絡魯棒性不高。

4.星型。該類型網絡中有一個指控節點作為傳輸中心，其他節點間的交互都必須通過該節點實現。

5.混合型。該類型網是利用兩單一的拓撲結構混合起來，取兩者優點構成網絡拓撲。一般有兩種混合方式，其一是星形網和環型網組成“星-環”拓撲，其二是星形網和總線型網混合組成“星-總”拓撲。

6.網狀。該類型網絡中各節點間有許多鏈路相連，數據流的傳輸可以選擇最合適的路由，從而實現信息傳遞的最優化。但該類型網絡穩定性和魯邦性較好，但建設成本較大。

四、短波通信組網信道區分

當前，在海事、漁業領域應用中，短波通信網已經得到了較快速的發展。本節主要介紹當前短波通信組網信道的類別劃分。從判斷一個短波通信網工作效能高低來看，信道選擇發揮著重要作用。當前，短波通信組網信道類別可分為：固定頻率信道、頻率自適應信道、短波調頻信道和短波直接序列擴頻信道[7，8]。

1.固定頻率信道。是指通信的雙方在一個指定頻率信道中工作，該類方式較為傳統，不具備抗干擾性。

2.頻率自適應信道。是指通信的雙方通過具備自適應功能的電臺，在通過經驗所獲取的通信質效較好的頻率集中，選擇一個頻率組，并設置到電臺中，通過鏈路質量分析自動選擇一個較好的頻率通信，這種通信方式可確保信道的質量，在實際應用中較為廣泛。

3.短波跳頻信道。是指通信的雙方所用頻率在一定帶寬內快速隨機地跳變，致使地方無法找出規律，從而達到難以偵查和干擾的目的，目前此類技術在軍事中應用較為廣泛。

4.短波直接序列擴頻信道。是指發送方將原來集中在信息帶寬內的能量分散在帶寬的多的擴頻碼序列帶寬內，是能量密度大幅下降，接收端用解擴的方法再將能量集中起來，從而實現通信，該技術具備較強的抗干擾性和抗截獲性，但是技術要求較高，目前還處于試驗研究階段。

五、組網模型

本節引入NT的概念，將之與短波通信組網中信道選擇進行有效結合，在岸-海通信場景應用中，提出一種基于頻率自適應信道下的“樹-網-星”短波通信網模型。

1.場景設計。假設，有一個岸基總指揮機構A，其下屬有三個岸基前進指揮所，分別用a、b、c表示，前進指揮所a下轄船只有α、β、δ，前進指揮所b下轄船只η、θ、λ，前進指揮所c下轄船只有ξ、σ、φ。指揮關系為A直接指揮前進指揮所a、b、c，前進指揮所a、b、c分別指揮下轄船只，且a、b、c間具有協同指揮通信關系。

2.組網模型。假設，總指揮所A為父節點，前進指揮所a、b、c分別為子節點，A與a、b、c間構成樹狀網，實現直接通信;a、b、c間構成網狀網，實現協同通信。a與船只α、β、δ通過短波自適應信道構成星狀網，同理b與船只η、θ、λ和c與船只ξ、σ、φ構造同樣的網絡。網絡模型見下圖，其中實線表示直接指揮關系，虛線表示協同指揮關系。

3.模型分析。通過引入傳統網絡中拓撲結構的思想，構建岸海自適應“樹-環-星”短波通信網模型，該模型在岸基指揮機構中發揮了樹狀網集中控制方式，傳輸介質可有多條分支的優點，降低了組網的成本;子節點間通過引入網狀網，各節點間有許多鏈路相連（可部署多部電臺），數據流的傳輸可以選擇最合適的路由，從而實現信息傳遞的最優化，并具備一定的魯棒特性;岸海間選擇星狀網組網方式，可實現一個指控節點指控網內所有成員的特性。通過短波自適應信道，實時動態選頻，增強短波通信的穩定性、抗干擾性和保密性，其自動建鏈功能可有效較低人工成本。

六、結束語

綜上所述，本文通過分析網絡拓撲結構的優劣勢，引入網絡拓撲的思想，對岸海不同維度的短波通信應用進行網絡模型構建，并結合短波自適應技術，提出了一種基于頻率自適應信道下的“樹-網-星”短波通信網模型。通過分析，該模型具備組網靈活、通信穩定的，且具備一定抗干擾能力，具備一定的理論研究價值。此外，本文僅是對組網和信道選擇進行了分析，短波選頻技術將是下一步研究學習的工作。

作者單位：李天雪" "黃兆陽" "方祺" "李文斌" " 中國海警局東海分局

參" 考" 文" 獻

[1]黃威剛，鄭紅俊，張兵.編隊岸艦短波通信組網研究[J].信息通信，2022（2）.

[2] Baker M，Beamish W，Turner M.The use of MIL-STD-188-141A in HF data networks[C]//Military Communications Conference IEEE，2002.

[3]周相成，吉斌，胡飛.海洋短波組網通信自動選頻[J].廣東海洋大學學報，2020，40（2）：5.

[4]朱紅琛，羅秋霞.短波組網及其相關技術[J].通信技術，2000（03）：6-8.

[5] Zhou Jingjing， Chen Fang. The Design Analysis of Emergency Communication System of Short-wave Communication Technology[C]//.Proceedings of 2019 4th International Workshop on Materials Engineering and Computer Sciences（IWMECS 2019）.Francis Academic Press， 2019：546-551.

[6] Zhou K，Niu Y，Liu W，et al.Observation and Analysis of Solar Flares that Cause Large-area Short-wave Communication Interruption.2021.

[7]張海勇，于波.短波通信組網研究[J].火力與控制，2004，29（5）：3.

[8]鄧燕君.短波通信頻率選擇技術研究與實現[D].西安電子科技大學.