短波通信由于其传输信道的特性决定了它的码率不能太高,而且传输质量也不尽如人意。因此就决定了短波通信在人们的生活中没有受到广泛的关注,而且一般都在军事通信中才用到它。
一、美国所制定的短波通信网络的标准
在20世纪80年代,美国国防部就制定出了短波组网的标准:MIL-STD-188-141A,它属于第二代短波通信网。第二代短波网络系统主要是实现了高频自适应的链路建立,能提供可靠的、健壮的、具有优良兼容性链路自动建立技术,它使得本来在20世纪80年代并没有受到多大的关注的短波长距离和移动语音网络开始受到了关注。再加上可靠性比较好的数据链路协议,使得第二代短波网络可以扩展到传送数据。在这个时期,美国军方出台的相应美国军标还有MIL-STD-188-1l0B、MIL-lTD-187-721C等。在20世纪90年代中期,随着高频网络的增长,要求减少网络开销信息,使得有限的高频频谱能够支持较大的网络和更大量的数据信息,第三代短波通信网络开始发展,它是建立在美军标MIL-STD-188-141B的基础上,并且和第二代兼容。它在Modem技术、链路建立、网络管理和数据通过量等方面都有巨大的进展。第三代短波通信网络是一种全自动短波数据通信网,同时也是一种无线分组交换网,采用OSI的七层结构模型。网络的主要设备是高频网络控制器(HFNC,High Frequency Network Controller),其主要功能如表1所示;网内所有设备都接受网络管理设备(嵌入式计算机)的管理和控制,这些设备也列在下表1中。可实现快速链路建立,能处理上百个电台和更大的信息量,支持IP及其应用等。它的开发目标是有效地支持上百个台站构成的对等式网络中的突发数据信息。美国军方出台的相应军标还有MIL-STD-188-110B、MIL-STD-187-721 D等。
表1:HFNC的主要功能与所控制的网络设备
二、短波通信网的特点
在短波频段中有不同的传播形式,如类似中长波的地波传播、靠电离层反射的天波传播。对于地波传播,不可避免地引入较大的地表衰减和较强的本地干扰,通常用于几十千米以内的通信。天波传播距离较远,但受电离层的影响较大,造成无线信道变化剧烈。电离层的变化、多径、干扰、传播损失、噪声、频偏等等许多因素都会引起短波信道的变化。因此在考虑短波时就必须考虑短波信道,不能简单地将其他频段上的网络结构及技术直接用于短波频段。
由于短波网络中有大量的可移动站点,造成网络情况不停地变化,如节点的移动、甚至丢失等,再加上信道因素,因此高频(HF)网络呈现出下表2所列的一些显著特征。因此在HF网络的组网设计中必须考虑这些特征。另外由于短波的主要应用是应急,所以还必须注意网络的可靠性和抗毁性,在较强的干扰和攻击的条件下保证网络的可用性。
表2:HF所呈现的显著特征
三、短波通信网络的拓扑结构
所谓网络拓扑设计是指依据所给定的信息流特性--通信业务量和终端节点的位置,确定中间节点的位置和网络节点之间连接的方式。因为通信线路的费用占整个网络费用的相当一大部分,因此最佳的网络拓扑设计是网络经济性的可靠保证,同时网络拓扑设计也将影响到网络的可靠性、链路的容量及分配,流量控制及网络延时等主要指标。
1、网络的基本拓扑结构
一般来说,网络的拓扑结构有以下五种形式:星形、环形、树形、网形和总线形,如图3-1所示,这5种网络拓扑结构形式的特点被汇总在下表3-1中。
图3-1:网络拓扑结构类型
表3-1:各型网络拓扑结构的特点
2、短波网按网络的控制方式
结合短波通信网络的基本拓扑形式,短波网按网络控制又可分为集中控制、分布控制以及二者结合的混合控制网络。其概念与特点(优缺点)详见下表3-2的介绍。
表3-2:短波网的三种控制方式介绍
四、短波网的组网拓扑结构
根据短波通信网络的上述5种基本拓扑形式,其中的网形又可分为全互联、超立方、区组、不规则形等多种形式。下面介绍比较常用的树形网络拓扑结构和区组形网络拓扑结构。
1、树形网络拓扑结构
树形网络结构符合军队建制,如图4-1所示。可以通过增加链路的数量来提高其抗毁性,是短波通信在军事上应用的一种常用拓扑结构。在此采用一种类似234树的结构来完成短波组网,这种网络被称为短波树形网络拓扑结构。起始节点和根节点(总部)可以根据需要有无限个子节点(此处与234树不同,234树的根节点也是最多四个子节点),其余的节点最多可以拥有四个子节点,三个为常规节点(常规编制),一个为临时节点(根据需要加上,并不经常存在),每个节点与其子节点有连接,所有子节点之间采用全连通形拓扑结构,并根据需要与同级其他子节点进行有限连接,从而提高整个通信网络的抗毁性能。军事上一般不允许一个作战单元同时听命于两个指挥部,故每个节点只拥有一个父节点。
图4-1:短波通信网树型结构示意图
2、区组形网络拓扑结构
另外一种拓扑结构是区组形,属于网形拓扑结构。此处仅考虑一种较简单的区组设计形式,即任意两个区组都有且仅有一个公共元素,每个元素出现两次。区组设计的节点数符合公式:
节点总数(M)= 每组节点数(N)× 组数(N+1)÷2
以N = 6为例,节点总数(M)为21,共有7个分组,元素分组情况如表4-2所列,其拓扑结构如图4-2所示,其中仅有一组画出了全互联结构,其他分组结构类似。
表4-2:21个节点区组设计元素分布
图4-2:区组形拓扑结构图
区组形的特点是任意两组都有一个公共点,任意两个节点至多经过一个节点中继就可建立连接,这种路径至少存在四条。区组形是一种分布式无中心的网络拓扑结构,一个或几个节点被破坏,不会对网络的总体性能产生太大的影响,任意两个节点间的通信不会因此中断。
五、短波组网系统示例
表5列举了10种国外(美国、加拿大、德国、澳大利亚等)主要的高频选频与自适应系统及性能,以供借鉴。
表5:部分国外主要的高频选频与自适应系统及性能
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