短波通信组网与数字短波组网关键技术探析

王 凯，李 珊

(南京熊猫汉达科技有限公司，江苏 南京 210014)

0 引言

短波通信是一种利用1.5～30 MHz频率的电磁波进行信号传输的无线电通信方式，支持无中继远距离通信，在覆盖范围、抗摧毁性、网络重构速率上具备性能优势，但也存在波段窄、信道不稳定等缺陷，需依靠组网技术、与公共数据网的链接以及数字短波组网系统的建设，进一步拓宽短波通信的发展空间。

1 关键技术与组网规划

1.1 短波通信组网技术

1.1.1 短波快速建链技术

短波通信组网的完善建立在新建链接速率提升、帧头减少与系统吞吐量增加的基础上，以往第二、三代短波自适应通信系统主要基于短波电台间点对点的固定频率选择实现通信，考虑到采用异步扫描与异步呼叫方式，因此受信道条件的影响其呼叫时间可长达200～500 s。新型短波快速建链技术将短波基站电台设备与同步探测技术、广域空间分集接收技术进行充分利用，基于数据发送与接收并行的方式，形成一种短波快速选频建链方法，能够使短波电台优先接入短波基站中，使建链时间缩短至60 s内，有效满足用户的快速选频建链及网络接入控制需求。

1.1.2 认知无线电思想

认知无线电(Cognitive Radio，CR)是一种自适应调节内部通信机理、实时改变特定无线操作参数以适应外部无线环境的无线传输方式，可自主查找、使用空闲频谱。基于CR思想进行短波通信组网，可通过实时修改频率设置情况，实现对未知空闲频谱的寻找与使用，弥补频谱资源有限的不足，提升频谱资源利用率。

1.1.3 宽带同步组网

将宽带技术与无线自组织网络相结合，能够以较小的时隙促进传输速率的大幅提升，满足宽带传输需求。在时隙分配上，需执行预测—仿真—调整的操作流程，确保时隙配置标准符合宽带业务要求。

1.1.4 全双工模式

全双工模式是一种采用不同传输线可使通信双方在相同时刻执行数据的发送与接收操作的通信传输模式，能够有效提升系统及网络的应用效率。具体来说，当发送端在执行DATA的传送操作时，倘若在数据传输过程中发生断传问题或产生错误，仍可选择下一个时隙进行数据重发；当接收端收到DATA后需通过回传进行确认，待接收到全部信息后进行回复，并将链接断开。

1.2 短波数字通信技术

1.2.1 自适应均衡技术

1）实施顶层设计，混合所有制改革思路清晰。建立改革工作组织机构，研究制定政策文件，形成了中国石油混合所有制改革的纲领性顶层设计方案。按照“引入社会增量资金、盘活存量资产、通过合资合作实现合作共赢”的思路，本着“宜混则混、宜控则控、宜参则参”的原则，部署了分类、分层推进混合所有制改革，子公司股权多元化，加大合资合作力度，加快多种经营企业混合所有制改革和推进资产结构优化调整5个方面的改革工作。

在短波信道上进行数据传输时，常因码间干扰引发信号失真的问题，倘若仅通过简单的调制、解调操作往往无法使传送的数据被完整还原，因此还需借助信道均衡措施解决信号失真问题。信道均衡技术的原理是指针对信道引起的信号畸变进行补偿，基于特定算法估算出所传信号的信道特征，以此实现对失真信号的补偿，供数据接收方获取到复原后的真实数据。自适应均衡器作为其主要设备，可结合信号变化起到自动调节作用，当信号调制带宽大于短波信道相对带宽时将产生码间干扰、使调制信号带宽扩展，在此情况下便需运用自适应均衡器进行自我调节。自适应均衡器主要采用训练模式进行工作，当发射机将某长度固定的已知序列发出时，设置在接收端的自适应均衡器将通过自动调节将误码率降至最低值，其中的训练序列是由二进制编码组成的一组随机信号或预设比特流，通过训练使其在跟踪模式下被跟随，完成数据向用户端的传输，而处于接收端的自适应均衡器将基于递归算法完成信道特征的估算，加之利用修正滤波器系数进行失真信号信道特征的补偿，生成最优滤波器系数，有效改善滤波特性、优化均衡器的收敛性[1]。

1.2.2 信道编码技术

噪声、衰落是造成信号失真的主要因素，由于短波信道属于多径衰落信道，在多径传播过程中，倘若产生较大的衰落损耗，将进一步增大通信系统的错误率，因此需引入信道编码技术进行纠错与修正。信道编码技术主要包含以下类型：其一是交织方式，使码字中任一比特呈独立衰落状态，即可将其中的冗余信息恢复为原有数据，但需确保系统内有编码；其二是卷积码，基于每组编码间的相关性，可实现由输入序列向输出序列的转变；其三是分组码，先完成数据源的分组，再经由算法分析求得每组数据源中长度更大的码字，并将其进行传输，用于调节信道冗余水平、增大错误纠正的概率；其四是级联码，可将二进制码、非二进制码分别作为内码和外码构建单极级联码形式，配合软判决译码与代数译码算法完成译码；其五是Turbo码，可在加性高斯噪声信道下保持优越性能，其纠错性能接近香农极限。

2 短波通信组网与数字短波组网技术的应用及发展方向

2.1 技术迭代与融合组网

2.1.1 技术迭代

技术迭代速度的日渐加快对短波通信组网技术及网络专项性能提出了更高要求。原有跳频通信组网模式采用固定频率通信，极易受干扰因素影响，由此催生了短波频率自适应通信技术与组网方式，经由三代技术迭代后使其选频难、信道条件差等问题得到一定改善，其中第三代短波自适应通信系统综合运用信道分离、快速同步探测、调制解调等技术手段，使其业务传输速率及网络性能呈现出显著的优化效果。在现有短波全频段射频直接采样技术的基础上，还需综合运用计算机系统、频谱监测等技术手段，实行智能选频建链、广域分集接收等技术的开发，以此加快短波通信网络入网与选频建链速度，强化业务传输过程中的安全保密性与稳定性，更好地提高通信质量[2]。

2.1.2 融合组网

2.1.3 智能网络通信

在智能通信网络发展、芯片制造关键技术研发创新的形势下，使得CPU，FPGA等芯片的处理性能得到显著提升。采用基于射频直采的AD/DA芯片，可经由数字短波通信信道在天线处进行直采，配合FPGA+DSP技术满足短波全频段宽带多信道接收的需求，并且有效减小设备体积与质量、降低传输过程中的损耗，基于小型化设备实现业务集成目标，有效地提升短波通信设备的综合处理能力。

2.2 新型船舶短波通信系统设计

2.2.1 系统原理

为降低船舶通信功耗、提升通信速率，需针对船舶短波通信系统进行创新，利用短波自适应控制器、通信控制器、计算机与短波天线等组成短波通信系统。其中自适应控制器主要利用收发信机进行短波天线的语音、报文等信息的传递；通信控制器由物理层、链路层组成，利用物理层完成数据收发，利用链路层执行具体协议内容、完成数据传输；计算机用于识别应用层功能，基于应用软件生成命令、释放相应功能；短波天线则直接与设备进行连接，完成对信号的收发。

2.2.2 链路设计与功率控制

首先在短波通信协议框架的建构上，主要由短波通信网络层、通信链路保持与管理系统、通信协议层、短波电台及调制解调电路组成，其中通信协议层包含链路建立、业务管理、数据传输与电路链路管理等协议。其次在系统功能模块设计上，由频率预测、频率更换、信息处理与显示3个模块组成，其中频率预测功能可通过预报软件或历史通信记录两种方式，经由分析、拟合后生成通信频率的预测结果；频率更换功能可通过直接选定或自频传输两种模式，实现频率、信道的更换；信息处理与显示功能需通过采集通信记录的日志文件，将其经由统计学分析处理后生成系统运行信息，并予以显示。最后在功率控制上，结合短波天线阻抗与辐射电阻得出系统功率，结合功率数值进行调节，以此降低信息传输功耗、提高实际应用价值。

2.3 基于短波广域分集组网的物联网系统

以往在海洋物联网建设方案上，由于短波通信存在的干扰因素较多、通信质量稳定性差，因此无法作为主要的远程通信手段进行应用。为解决此问题，可引入短波广域分集组网方式，沿水面上基站至上行方向布设多个收信台站，将接收到的信号汇总后统一发送至处理中心，基于广域分布的多条短波链路彼此独立的特征形成“点对多点”的平稳信道，配合资源叠加进一步增强短波通信的可靠性保障。例如在某区域范围内共布设6个短波接收台站，利用IP承载网络建立短波通信网络与处理中心间的连接，受信道不稳定的影响，由终端发出的信号仅能被其中的3个台站捕获，且各路接收信号的信噪比均保持较低数值。通过将3路信号统一发送至处理中心进行合并处理，即可形成“单路发射、多路接收”的分集效果，并将进一步提升固定终端的信号接收效果，使发射信号信噪比要求降至11.4～15.4 dB范围内，以此有效提升短波远程通信性能[3]。将短波广域分集方式接入短波通信网络中，可构建一体化海洋大数据云平台，联合智能网络等先进技术促使短波网络可通率超过98%，维护海洋物联网系统的安全可靠运行。

3 结语

我国在短波通信组网领域的研究起步较晚，数字短波组网在远距离通信方面提供了技术支持，将其与公共数据网间建立有效链接，能够进一步提升短波通信过程中的加密效果。在未来通信领域中，还需加强对短波通信技术与组网方式的开发创新，在增强网络通信质量的基础上更好地提升安全保密性能。