王 凱，李 珊

(南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，江蘇 南京 210014)

0 引言

短波通信是一種利用1.5～30 MHz頻率的電磁波進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)臒o線電通信方式，支持無中繼遠(yuǎn)距離通信，在覆蓋范圍、抗摧毀性、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)速率上具備性能優(yōu)勢(shì)，但也存在波段窄、信道不穩(wěn)定等缺陷，需依靠組網(wǎng)技術(shù)、與公共數(shù)據(jù)網(wǎng)的鏈接以及數(shù)字短波組網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)，進(jìn)一步拓寬短波通信的發(fā)展空間。

1 關(guān)鍵技術(shù)與組網(wǎng)規(guī)劃

1.1 短波通信組網(wǎng)技術(shù)

1.1.1 短波快速建鏈技術(shù)

短波通信組網(wǎng)的完善建立在新建鏈接速率提升、幀頭減少與系統(tǒng)吞吐量增加的基礎(chǔ)上，以往第二、三代短波自適應(yīng)通信系統(tǒng)主要基于短波電臺(tái)間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的固定頻率選擇實(shí)現(xiàn)通信，考慮到采用異步掃描與異步呼叫方式，因此受信道條件的影響其呼叫時(shí)間可長達(dá)200～500 s。新型短波快速建鏈技術(shù)將短波基站電臺(tái)設(shè)備與同步探測(cè)技術(shù)、廣域空間分集接收技術(shù)進(jìn)行充分利用，基于數(shù)據(jù)發(fā)送與接收并行的方式，形成一種短波快速選頻建鏈方法，能夠使短波電臺(tái)優(yōu)先接入短波基站中，使建鏈時(shí)間縮短至60 s內(nèi)，有效滿足用戶的快速選頻建鏈及網(wǎng)絡(luò)接入控制需求。

1.1.2 認(rèn)知無線電思想

認(rèn)知無線電(Cognitive Radio，CR)是一種自適應(yīng)調(diào)節(jié)內(nèi)部通信機(jī)理、實(shí)時(shí)改變特定無線操作參數(shù)以適應(yīng)外部無線環(huán)境的無線傳輸方式，可自主查找、使用空閑頻譜?；贑R思想進(jìn)行短波通信組網(wǎng)，可通過實(shí)時(shí)修改頻率設(shè)置情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)未知空閑頻譜的尋找與使用，彌補(bǔ)頻譜資源有限的不足，提升頻譜資源利用率。

1.1.3 寬帶同步組網(wǎng)

將寬帶技術(shù)與無線自組織網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，能夠以較小的時(shí)隙促進(jìn)傳輸速率的大幅提升，滿足寬帶傳輸需求。在時(shí)隙分配上，需執(zhí)行預(yù)測(cè)—仿真—調(diào)整的操作流程，確保時(shí)隙配置標(biāo)準(zhǔn)符合寬帶業(yè)務(wù)要求。

1.1.4 全雙工模式

全雙工模式是一種采用不同傳輸線可使通信雙方在相同時(shí)刻執(zhí)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收操作的通信傳輸模式，能夠有效提升系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用效率。具體來說，當(dāng)發(fā)送端在執(zhí)行DATA的傳送操作時(shí)，倘若在數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)生斷傳問題或產(chǎn)生錯(cuò)誤，仍可選擇下一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)重發(fā)；當(dāng)接收端收到DATA后需通過回傳進(jìn)行確認(rèn)，待接收到全部信息后進(jìn)行回復(fù)，并將鏈接斷開。

1.2 短波數(shù)字通信技術(shù)

1.2.1 自適應(yīng)均衡技術(shù)

1）實(shí)施頂層設(shè)計(jì)，混合所有制改革思路清晰。建立改革工作組織機(jī)構(gòu)，研究制定政策文件，形成了中國石油混合所有制改革的綱領(lǐng)性頂層設(shè)計(jì)方案。按照“引入社會(huì)增量資金、盤活存量資產(chǎn)、通過合資合作實(shí)現(xiàn)合作共贏”的思路，本著“宜混則混、宜控則控、宜參則參”的原則，部署了分類、分層推進(jìn)混合所有制改革，子公司股權(quán)多元化，加大合資合作力度，加快多種經(jīng)營企業(yè)混合所有制改革和推進(jìn)資產(chǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整5個(gè)方面的改革工作。

在短波信道上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，常因碼間干擾引發(fā)信號(hào)失真的問題，倘若僅通過簡單的調(diào)制、解調(diào)操作往往無法使傳送的數(shù)據(jù)被完整還原，因此還需借助信道均衡措施解決信號(hào)失真問題。信道均衡技術(shù)的原理是指針對(duì)信道引起的信號(hào)畸變進(jìn)行補(bǔ)償，基于特定算法估算出所傳信號(hào)的信道特征，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)失真信號(hào)的補(bǔ)償，供數(shù)據(jù)接收方獲取到復(fù)原后的真實(shí)數(shù)據(jù)。自適應(yīng)均衡器作為其主要設(shè)備，可結(jié)合信號(hào)變化起到自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，當(dāng)信號(hào)調(diào)制帶寬大于短波信道相對(duì)帶寬時(shí)將產(chǎn)生碼間干擾、使調(diào)制信號(hào)帶寬擴(kuò)展，在此情況下便需運(yùn)用自適應(yīng)均衡器進(jìn)行自我調(diào)節(jié)。自適應(yīng)均衡器主要采用訓(xùn)練模式進(jìn)行工作，當(dāng)發(fā)射機(jī)將某長度固定的已知序列發(fā)出時(shí)，設(shè)置在接收端的自適應(yīng)均衡器將通過自動(dòng)調(diào)節(jié)將誤碼率降至最低值，其中的訓(xùn)練序列是由二進(jìn)制編碼組成的一組隨機(jī)信號(hào)或預(yù)設(shè)比特流，通過訓(xùn)練使其在跟蹤模式下被跟隨，完成數(shù)據(jù)向用戶端的傳輸，而處于接收端的自適應(yīng)均衡器將基于遞歸算法完成信道特征的估算，加之利用修正濾波器系數(shù)進(jìn)行失真信號(hào)信道特征的補(bǔ)償，生成最優(yōu)濾波器系數(shù)，有效改善濾波特性、優(yōu)化均衡器的收斂性[1]。

1.2.2 信道編碼技術(shù)

噪聲、衰落是造成信號(hào)失真的主要因素，由于短波信道屬于多徑衰落信道，在多徑傳播過程中，倘若產(chǎn)生較大的衰落損耗，將進(jìn)一步增大通信系統(tǒng)的錯(cuò)誤率，因此需引入信道編碼技術(shù)進(jìn)行糾錯(cuò)與修正。信道編碼技術(shù)主要包含以下類型：其一是交織方式，使碼字中任一比特呈獨(dú)立衰落狀態(tài)，即可將其中的冗余信息恢復(fù)為原有數(shù)據(jù)，但需確保系統(tǒng)內(nèi)有編碼；其二是卷積碼，基于每組編碼間的相關(guān)性，可實(shí)現(xiàn)由輸入序列向輸出序列的轉(zhuǎn)變；其三是分組碼，先完成數(shù)據(jù)源的分組，再經(jīng)由算法分析求得每組數(shù)據(jù)源中長度更大的碼字，并將其進(jìn)行傳輸，用于調(diào)節(jié)信道冗余水平、增大錯(cuò)誤糾正的概率；其四是級(jí)聯(lián)碼，可將二進(jìn)制碼、非二進(jìn)制碼分別作為內(nèi)碼和外碼構(gòu)建單極級(jí)聯(lián)碼形式，配合軟判決譯碼與代數(shù)譯碼算法完成譯碼；其五是Turbo碼，可在加性高斯噪聲信道下保持優(yōu)越性能，其糾錯(cuò)性能接近香農(nóng)極限。

2 短波通信組網(wǎng)與數(shù)字短波組網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展方向

2.1 技術(shù)迭代與融合組網(wǎng)

2.1.1 技術(shù)迭代

技術(shù)迭代速度的日漸加快對(duì)短波通信組網(wǎng)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)專項(xiàng)性能提出了更高要求。原有跳頻通信組網(wǎng)模式采用固定頻率通信，極易受干擾因素影響，由此催生了短波頻率自適應(yīng)通信技術(shù)與組網(wǎng)方式，經(jīng)由三代技術(shù)迭代后使其選頻難、信道條件差等問題得到一定改善，其中第三代短波自適應(yīng)通信系統(tǒng)綜合運(yùn)用信道分離、快速同步探測(cè)、調(diào)制解調(diào)等技術(shù)手段，使其業(yè)務(wù)傳輸速率及網(wǎng)絡(luò)性能呈現(xiàn)出顯著的優(yōu)化效果。在現(xiàn)有短波全頻段射頻直接采樣技術(shù)的基礎(chǔ)上，還需綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、頻譜監(jiān)測(cè)等技術(shù)手段，實(shí)行智能選頻建鏈、廣域分集接收等技術(shù)的開發(fā)，以此加快短波通信網(wǎng)絡(luò)入網(wǎng)與選頻建鏈速度，強(qiáng)化業(yè)務(wù)傳輸過程中的安全保密性與穩(wěn)定性，更好地提高通信質(zhì)量[2]。

2.1.2 融合組網(wǎng)

2.1.3 智能網(wǎng)絡(luò)通信

在智能通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展、芯片制造關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新的形勢(shì)下，使得CPU，F(xiàn)PGA等芯片的處理性能得到顯著提升。采用基于射頻直采的AD/DA芯片，可經(jīng)由數(shù)字短波通信信道在天線處進(jìn)行直采，配合FPGA+DSP技術(shù)滿足短波全頻段寬帶多信道接收的需求，并且有效減小設(shè)備體積與質(zhì)量、降低傳輸過程中的損耗，基于小型化設(shè)備實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)集成目標(biāo)，有效地提升短波通信設(shè)備的綜合處理能力。

2.2 新型船舶短波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)原理

為降低船舶通信功耗、提升通信速率，需針對(duì)船舶短波通信系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新，利用短波自適應(yīng)控制器、通信控制器、計(jì)算機(jī)與短波天線等組成短波通信系統(tǒng)。其中自適應(yīng)控制器主要利用收發(fā)信機(jī)進(jìn)行短波天線的語音、報(bào)文等信息的傳遞；通信控制器由物理層、鏈路層組成，利用物理層完成數(shù)據(jù)收發(fā)，利用鏈路層執(zhí)行具體協(xié)議內(nèi)容、完成數(shù)據(jù)傳輸；計(jì)算機(jī)用于識(shí)別應(yīng)用層功能，基于應(yīng)用軟件生成命令、釋放相應(yīng)功能；短波天線則直接與設(shè)備進(jìn)行連接，完成對(duì)信號(hào)的收發(fā)。

2.2.2 鏈路設(shè)計(jì)與功率控制

首先在短波通信協(xié)議框架的建構(gòu)上，主要由短波通信網(wǎng)絡(luò)層、通信鏈路保持與管理系統(tǒng)、通信協(xié)議層、短波電臺(tái)及調(diào)制解調(diào)電路組成，其中通信協(xié)議層包含鏈路建立、業(yè)務(wù)管理、數(shù)據(jù)傳輸與電路鏈路管理等協(xié)議。其次在系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)上，由頻率預(yù)測(cè)、頻率更換、信息處理與顯示3個(gè)模塊組成，其中頻率預(yù)測(cè)功能可通過預(yù)報(bào)軟件或歷史通信記錄兩種方式，經(jīng)由分析、擬合后生成通信頻率的預(yù)測(cè)結(jié)果；頻率更換功能可通過直接選定或自頻傳輸兩種模式，實(shí)現(xiàn)頻率、信道的更換；信息處理與顯示功能需通過采集通信記錄的日志文件，將其經(jīng)由統(tǒng)計(jì)學(xué)分析處理后生成系統(tǒng)運(yùn)行信息，并予以顯示。最后在功率控制上，結(jié)合短波天線阻抗與輻射電阻得出系統(tǒng)功率，結(jié)合功率數(shù)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，以此降低信息傳輸功耗、提高實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2.3 基于短波廣域分集組網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

以往在海洋物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方案上，由于短波通信存在的干擾因素較多、通信質(zhì)量穩(wěn)定性差，因此無法作為主要的遠(yuǎn)程通信手段進(jìn)行應(yīng)用。為解決此問題，可引入短波廣域分集組網(wǎng)方式，沿水面上基站至上行方向布設(shè)多個(gè)收信臺(tái)站，將接收到的信號(hào)匯總后統(tǒng)一發(fā)送至處理中心，基于廣域分布的多條短波鏈路彼此獨(dú)立的特征形成“點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)”的平穩(wěn)信道，配合資源疊加進(jìn)一步增強(qiáng)短波通信的可靠性保障。例如在某區(qū)域范圍內(nèi)共布設(shè)6個(gè)短波接收臺(tái)站，利用IP承載網(wǎng)絡(luò)建立短波通信網(wǎng)絡(luò)與處理中心間的連接，受信道不穩(wěn)定的影響，由終端發(fā)出的信號(hào)僅能被其中的3個(gè)臺(tái)站捕獲，且各路接收信號(hào)的信噪比均保持較低數(shù)值。通過將3路信號(hào)統(tǒng)一發(fā)送至處理中心進(jìn)行合并處理，即可形成“單路發(fā)射、多路接收”的分集效果，并將進(jìn)一步提升固定終端的信號(hào)接收效果，使發(fā)射信號(hào)信噪比要求降至11.4～15.4 dB范圍內(nèi)，以此有效提升短波遠(yuǎn)程通信性能[3]。將短波廣域分集方式接入短波通信網(wǎng)絡(luò)中，可構(gòu)建一體化海洋大數(shù)據(jù)云平臺(tái)，聯(lián)合智能網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)技術(shù)促使短波網(wǎng)絡(luò)可通率超過98%，維護(hù)海洋物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

3 結(jié)語

我國在短波通信組網(wǎng)領(lǐng)域的研究起步較晚，數(shù)字短波組網(wǎng)在遠(yuǎn)距離通信方面提供了技術(shù)支持，將其與公共數(shù)據(jù)網(wǎng)間建立有效鏈接，能夠進(jìn)一步提升短波通信過程中的加密效果。在未來通信領(lǐng)域中，還需加強(qiáng)對(duì)短波通信技術(shù)與組網(wǎng)方式的開發(fā)創(chuàng)新，在增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的基礎(chǔ)上更好地提升安全保密性能。