电子与信息工程硕士论文-短波组网及其相关技术.pdf

电子科技大学 硕士学位论文 短波组网及其相关技术 姓名：朱红琛 申请学位级别：硕士 专业：电子与信息工程 指导教师：李少谦;罗秋霞 20030601 摘要 本文首先阐述了短波组网在短波通信中的地位，然后对国外在短 波组网方面的技术进行了综述。简单介绍了外军应用的几种典型h f 网络，包括美海军的h f i t f 网络和h f s s 岸舰网络，澳大利亚的 l o n g f i s h 网络；同时对民用的短波网络产品也进行了介绍，包括 c o l l i n s 公司的h fm e s s e n g e r 网络，g l o b a lw i r e l e s s 公司的全球电 子邮件系统g 1 0 b a l e m a i l 。 本文在参考了美军l v t i l - s t d - 1 8 8 - 1 4 1 b 、m i l s t d - t 8 7 - 7 2 1 c 标准 后，根据短波的特点提出了短波组网的初步构想，采用分层分布式的 网络拓扑结构：在网络中定义若干群首节点；对美军标14 1 b 中提到 的网络控制器的功能进行了描述；介绍了网络层的有关协议；对组网 技术中的网络路由和流量控稍等投术进行了介绍。 为了便于网络协议的开发调试，在本论丈中构建了一个短波熙络 的仿真模型，模型中包括了信道模块、网络节点模块。信道模块，通 过访问系统注册表，模拟当前网络使用的网络频率集中的所有信道； 节点模块模拟网络中的节点；通过w i n d o w s 的消息机制将信道模块和 多个节点模块实例联系起来。通过网络模型可以仿真多个节点在短波 开放的无线广播信道下协议数据的发送和接收处理，对网络协议功能 进行验证。 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , w ec l a r i f yt h ei m p o r t a n c eo fh fr a d i on e t w o r k i n gi n h fc o m m u n i c a t i o n ，a n ds o m et e c h n o l o g i e si nt h eh fr a d i on e t w o r k i n g a p p l i c a t i o na b r o a d s t u d y s o m ef o r i g na r m yi - i fe x a m p l en e t w o r k ，s u c h a sh f i t fa n dh f s sn e t w o r ko fu sn a v y ，l o n g f i s hn e t w o r ko f a u s t r a l i a ；a n da l s oi n t r o d u c eh fm e s s e n g e r o fc o l l i n sc o m p a n y , g l o b a l e m a i l s y s t e m o fg l o b a lw i r e l e s sc o m p a n y r e f e r e n c e dt h em 几s t d 1 8 8 - 1 4 1 ba n dm i l s t d 一1 8 7 - 7 2 1 c ，w e p r e s e n tt h ep r i m a r yi d e ao f i - i fr a d i on e t w o r k i n g i nn e t w o r kw ed e s i g n s o m ec h i e fn o d e s w ed e s c r i p t i o nt h ef u n c t i o n so fn e t w o r kc o n t r o l l e ro f 1 4 1 ba n dt h ep r o t o c o l so f n e t w o r k l a y e r t h em o d e lo fh fn e t w o r kw h i c hi n c l u d e sc h a n n e lm o d u l ea n d n e t w o r kn o d em o d u l e ，a n ds i m u l a t et h ei - i fn e t w o r ka c c o r d i n gt o t h e m o d e l t h em o d e lc a t ls i m u l a t et h et r a n s m i s s i o na n dr e c e i v eo fp r o t o c o l s d a t ao v e rt h ew i r e l e s sb r o a d c a s to fh fl i n k s ，a n dv e r i f yt h ef u n c t i o n so f s o m e p a r tp r o t o c o l s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：生! 兰堕； 日期：吖年，月予。目 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名；! ：垡 导师签名： e t 期：方。 电子科技大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1引言 短波通信使用的是国际无线电咨询委员会( c c i r ) 划分的九个无线电通信 频段中的第7 频段，2 3 0 m h z 高频频段。因此，短波通信又常称为高频通信( h f ) 。 短波信号通过电离层反射实现远距离通信，通常使用数百瓦的功率便可提供数千 公里的通信，而且其建设和维护的费用低，建设周期短，设备简单而又使用方便。 此外，相对于其它远距离通信方式，短波通信具有不易被“摧毁”的“中继系统”， 既电离层电话线路可以被切断，地面中继系统和卫星中继系统可能发生故障或 被摧毁，面电离层这个“中继系统”相对而言则很“顽强”，除非高空原子弹爆 炸才有可能使它t # 断，但高空原子弹爆炸也仅仅是在有限的电离层区域内短时间 影响电离密度。! 然自然条件( 如太阳发生耀斑) 也可以使这种“中继系统”中 断，但不是经常出现的，而且中断的时间也非常短。多年来短波通信广泛用于政 治、军事、外交、气象、商业等部门，用以传送语音、文字、图像、数据等信息， 尤其在军事部门，它始终是军事指挥的重要手段之一。 但是短波信道的特点决定了短波通信在使用中面临了很多现实的困扰。在 短波频段，有不f 的传播形式，类似中长波的地波传播、靠电离层反射的天渡传 播，对于地波传播不可避免的引入较大的地表衰减和较强的本地干扰，通常只 用于几十公里以网的短距离通信。天波传播距离较远，但受电离层的影响较大， 电离层的反射特性会随着时间的变化而变化。电离层的变化，多径干扰，传播 损失，噪声，衰话：，频偏等等许多因素最终都会影响信号的传输。在这样的时变 信道上，要保证f 输信息的可靠，就需要要采取针对性的措施。目前改善短波通 信可靠性的方式丽采用自适应信号处理技术提高传输信号的抗干扰能力和收端 的信号解调能力；一一种方式就是采用网络通信的方式提高短波通信的可靠往。 在考虑短波通信网时就必须考虑短波信道的特殊性，因而在有线网、其他 频段上的无线网的嬲络结构及技术不能简单照搬到短波网络。 1 2 短波组网的特点 第】页共4 2 页 电子科技大学工程硕士学位论文 由于短波信道的时变特性，而且短波网络中的站点大多为移动站点造成网 络情况还在不停变化，如节点的移动，甚至丢失等。因此短波网络有下列特征： 网络拓扑图样的：丑速变化，网络节点间链路的不确定性，与有线网络相比，短波 网络的带宽较窄可利用资源有限。在短波网络的组网设计中必须充分考虑到这 些特征。另外考虑到短波主要应用于战时、应急通信，因此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。 短波网络按照网络控制的不同可以分为：分布控制、集中控制以及二者结 合的混和控制网络；集中控制是以某个或某些节点作为网络中央节点，充当网络 控制中心，其他：节点属于从属地位。该型网络的优点是网络管理效率较高，缺点 是抗毁性差，一4 呈中心节点被摧毁，全网将瘫痪。分布控制网络多个节点独立对 网络控制，无明显的中心节点，各个节点地位相等，其优点是网络具有自组织自 恢复能力，抗毁性较强，缺点是网络管理较难，所需的技术复杂。混和控制网络 介于二者之问，即网络控制同时存在两种形式，根据使用的情况决定采用那种控 制形式。 1 3 毕业设计的任务及本文结构安排 本课题为作者j 行在单位科研计划中的在研项目。作者在工程硕士学习期间， 结合自身的工作实际，以及自己对短波组网方面的肤浅心得形成此论文，请各位 专家、老师批评指：e 。 本文大致分为四个章节： 第二章j 伞绍了本项目在方案论证阶段参考的一些国外采用的短波网络 方面的技术。 第三章详细阐述了短波网络的体系结构、组网策略。 第四章a 2 9 了网络数据结构、部分网络协议进行计算机仿真的方法和过 程。 最后用少数的文字对未来短波组网通信可能的发展趋势做了一些展望。 第2 页共4 2 页 电子科技大学工程硕士学位论文 第二章短波组网技术概况 2 1 需求背景 近几年来，随着我军装备现代化程度的提高，以及指挥自动化系统的应用， 军方对各军种和菩作战单位之间的通信特别是数据通信有了新的要求。短波作为 一种长期以来军j 錾上重要的战略、战术通信手段，必须要有进一步的发展才能满 足新形势下用户对通信的需求。我军现有的短波体系中大多采用传统的点对点方 式，仍然广泛使用人工报、电传报，组网方式落后，设备新旧混杂，基本上不适 应未来战争的需要。因此着手开发新一代具有抗干扰自适应能力的短波通信网络 便成为当务之急。 组网通信是短波通信的一个发展趋势。由于电离层是一种时变信道，色散很 大( 时延扩展达f t l $ 级) ，相对变化也较快( 多普勒扩展达几赫兹甚至几十赫兹) 。 同时由于短波频谱资源十分有限，而且各个频率的信道质量差别也很大，这使得 短波通信的应用受到很大的限制。通过采用自适应组网技术可以太大提高h f 通 信的自动化程度，使短波通信更具灵活性、可靠性充分地利用短波信道资源， 改变我军主体短波避信点对点方式，进一步发挥短波通信在未来国防通信中的作 用，使h f 短波五：线通信跃上新的台阶。 2 2 几种h f 网络简介 目前，美军在e t f 高频无线通信领域处于世界领先水平近十多年来美军致 力于自适应h f 高频无线通信系统技术研究。在美海军的c 3 1 系统中h f 高频 无线通信系统正朝着自适应、数字化、网络化、综合化和标准化方向发展。h f 数据通信已从原来的点对点或一点出对多点的传统通信方式，过度到无线分组传 输网络通信方式，在网络管理和链路规约上新制定的p f e d s t d 1 0 5 2 数据链路 协议和s t c 分组数据网自适应链路协议，实现了速率自适应较常用的无线分 组交换a x ，2 5 协议吞吐量提高1 2 倍，通信利用率可趋于1 0 0 。 总结海湾战争的教训，美军发展h f 高频无线通信系统特别强调互联互通及 标准化，注重自适应h f 高频无线通信系统组网等一系列关键技术的研究，美国 第3 页共4 2 页 电子科技大学工程硕士学位论文 国防通信的骨干网有国防交换网( d s n ) 、自动数字网( a u t o d i n ) 和国防数据网 ( d d n ) ，h f 网作为接入网使用，信息一旦进入国防骨干网就可以自由交换，包括 普通话音、保密i 乜话、各种数据( 如报文、传真、窄带图象) 有相应高频入网接e l 站，例如它可以宅多达6 路的低速信息汇集成串行数据出入网。 h f r r f 和h f s s 是美海军研究实验室于8 0 年代初开发的著名h f 通信网络。 为海军特遣舰队研制的i - i f 。i t f 是一个具有自组织并能够自适应改变链路以便适 应网络拓扑变化i 勺分布自适应i - i f 网络。h f s s 网络则是具有集中网络控制节点 的h f 广域网，用于岸舰之间的h f 远程通信网络。 北美试验的改进型h f 数字网络i h f d n 是具有上述两种网络结构的组合拓 扑体系，并且混合使用天波地波构成大范围的h f 分层次网络通信系统。 美国于8 0 年代末，9 0 年代初制定了一系列有关自适应h f 网络技术的标准， 如1 9 8 8 年制定的m i l s t d 1 8 8 1 4 1 a ( 1 9 9 8 年又修订为m 皿一s t d 一1 8 8 1 4 1 b ) ；1 9 9 4 年制定的m i l s t d 一1 8 7 - 7 2 1 c ( 1 9 9 8 年又修订为m i l - - s t d 一1 8 7 - - 7 2 1 d ) 等等。目前国外正在向h f 全自适应网络的实用化努力。 1 9 9 6 年美军开始对m u - s t d 1 8 7 7 2 1 c 和m i l - s t d 1 8 8 1 4 1 a 进行修订并 于1 9 9 8 年发布，修改的主要目的是提高h f 自动化技术以支持大范围的h f 网络 以及数字化战场阳：乓它c 4 i 网络的互操作性在标准中加入新的a l e 技术( 第 三代) ，加入由s i x m p 改进的短波网络管理协议h n m p 和短波邮件传输协议 h m t p 等一系列有关的内容。图2 1 为依据m i l s t d 1 8 7 - - 7 2 1 d 和m i l - - s t d 1 8 8 1 4 1 b 进j 亍短波组网的网络内部通信示意图。 第4 页共4 2 页 电子科技大学工程硕士学位论文 仁爿 对等通信 仨爿 短波本节点 应用程序 加密 ( 可选) 短波网络 子层协议 a l e ，a l m ， a r q 和 短波调解器 短波电台 图2 1h f 网络内部通信示意图 北约也在大力研究发展包括h f 网络在内的无线通信系统。包括应用在预警 机系统的h f 如蕾通信终端、超视距的短波互连网网关、海上网关和 s t a n a g 5 0 6 6 等短波研究项目，在s t a n a g 一5 0 6 6 中定义了短波子网络的构造， 保证与文件传输电子邮件等标准的应用相接口强调了互操作性。在北约的 h f 网络体系描述辛，h f 网络和使用h f 网络的用户是一种客户一服务器 ( c l i e n t s e r v e r ) 的关系：用户c l i e n t 向h f 子网s e r v e r 请求提供服务。h f 子网提供 两种模式的操作：数据模式和流模式。 以下是几种典型的h f 网络。 2 2 1 美国海军的h fi t f 网络和h f 舰岸网络( h f s s ) 8 0 年代初封j 美国海军研究实验室( n r l ) 提出h fi t f 网络和h f 舰岸网 络( h f s s ) ，其中h fi t f 用于海军特遣部队内部军舰、飞机和潜艇间通信的h f 通信试验系统。奎： 作于2 3 0 m h z ，地波传播模式，扩频通信。其目的是为海 军提供5 0 - 1 0 0 0 i m a 的超视距通信手段。其特点是利用节点间分散的链接算法组 织网络，使其能够适应短波网络拓扑的不断变化。h f i t f 网络采用灵活的分布 式自组织网络技术来提高抗毁和抗干扰性能。网络内部节点组成一组节点群，每 个节点至少属于一八节点群，每群有个充当本群控制器的群首节点，本群中所 第5 页共4 2 页 电子科技大学工程硕士学位论文 有节点在群首的通信范围之内。群首通过网关连接起来为群内其它节点提供与整 个网络的通信能力。h f i t f 通过执行分布式l c a 算法确定网络内的组首、网关、 普通节点和实际的连接，通信信道访问也由分布算法控制。 下图是h f - j t f 网络结构示意，所有组首、网关通过链路相连构成h f n 下 的骨干网络( 图中实线相连部分) 。每一组首下属的普通节点与各自的组首相连 ( 图中以虚线表示) 。 一 组首网关普通节点 图2 2h f - i t f 网络结构例子 l i t i t f 具：占自组织和自适应改变连接能力以适应网络拓扑变化。下图所示 是上图h f r r f 网络由于干扰和组首丢失后，自动重新组织构成网络的例子。经 自组织后，新构造的网络仍旧保证了各个节点之间的连接。 第6 页共4 2 页 电子科技大学工程硕士学位论文 图2 , 3 - i f i t f 网络自组织的例子 h f s s 网络是h f 无线岸舰远程通信网络，网络采用集中网控构造，由岸站 和大量水面舰船节点构成，依靠天波传播模式。通常，i t f s s 网络由岸站充当中 心节点，所有网络业务需通过中心节点。中心节点根据自己的选择序列决定激活 网络内部某一条双向链路。 第7 页共4 2 页 电子科技大学工程硕士学位论文 未在 嬲t 套酋 图2 4h f s s 无线网络构造 北美试验的改进型h f 数字网络i h f d n 则综合h f i t f 和h f s s 网络，混 合使用天波地波构成大范围的h f 无线通信系统。 2 2 2 澳大利翊! 的l o n g f i s h 网络 澳大利亚于九十年代中期开始实施短波通信系统现代化计划m h f c s ，该系 统是澳大利亚第一卜数字化短波通信网络系统计划在二十一世纪初完成，试图 为澳大利亚的战i x _ - - 5 9 - 事指挥互连网a d m i 提供远距离的移动通信手段。将澳大 利亚现存的各种短波通信网络升级纳入m h f c s 中。其中l o n g f i s h 是澳大利 亚防御科学与技术组织d s l o 为实施m h f c s 而研制的短波实验网络平台。 l o n g f i s h 网络的许多设计概念来自于g s m 系统。网络结构类似于g s m ，网 络是分层的，并且是多星状拓扑m u l t i p l es t a r s 。网络由四个在澳大利亚本土上的基 站和多个分布在昌屿，舰艇等处的移动站组成。基站之间用光缆或卫星宽带链路 相连。自动网络管理系统将用共同的频率管理信息提供给所有基站每个基站使 用单独的频率组用于预先分组的移动站的通信，以便减小频率探测和网络访问所 需的时间。在物理层上，采用t c m 一1 6m o d e m 和p a r q 协议。联网功能由口 协议和基于用户数据报u d p 的文件传输协议完成。在传送层上应用了一种新的 协议f i t f e e l 以适直在较差信道上传送信息。l o n g f i s h 网络利用t c p i p 协议 通过h f 执行多种任务。可以发送t t fe m a i l ，完成f t p 和遥控终端。通过网络 第8 页共4 2 页 电子科技大学工程硕士学位论文 传送电视分辨率的图像，将计算机中的执行代码传送给移动站等。 网络内部算法包括自动节点选择算法( 路由) n s a ，频率选择算法f s a 链路释放算法l s a 和带宽释放算法b s a 等。 图2 5 是l o n g f s h 网络示意图，其中b 是基站，m 是移动站。 图2 5l o n g f i s h 网络示意图 n s a 使网络适应电离层和业务的不断变化，在网络负载较轻时提供最好的 的链路给移动站，负载较重时提供最好的的链路给优先级高的业务以保证其链路 的维护和频率的分配。网络维护并定期更新链路数据库，该数据库为二维不规则 的矩阵，咀基站号和频率号为索引。内部元素包括频率值，频率使用指示，移动 站号和链路平均信噪比。数据库按信噪比排序。 f s a 在链路数据库升级时使用，以为基站和移动站提供最好的传播路径。 每一基站和移动站之间由一组频率，相互之间可以有或没有共同的频率，以便网 络可以作为一个网络或几个独立或共同的子网络存在。 l s a 允许链路将低优先级的业务释放掉以适应高优先级的业务。当网络中 没有空闲的收发信机和现存的链路时执行l s a ，候选链路的选择根据业务类型、 第9 页共4 2 页 电子科技大学工程硕士学位论文 业务优先级、信噪比、可用收发信机和频率决定。 b s a 能够应用简单的算法抑制分组的传送，以便使高优先级的分组能利用 节省下的时间片。 2 2 3c o l l i n s 公司的h fm e s s e n g e r 网络 c o l l i n s 公司开发了一种名为h fm e s s e n g e r 的数据通信产品，其提供一 种服务器，帮助用户使用短波调解器和电台传送各种数据，并控制h f 网络中各 种设备，将h f 链路连接到个人计算机网络中。 y o t j c o m p u t e r 厂l 、 图2 6h fm e s s e n g e r 的应用示意图 h fm e s s e t l g e is o l l w a r e 厂j l 、 h fr a d i o t m o d e m 厂八 图2 7 节点内部h f m e s s e n g e r 配置图 图2 6 是】m e s s e n g e r 的应用示意图，图2 7 是节点内部h f m e s s e n g e r 配镗图。 第】0 页共4 2 页 电子科技大学工程硕士学位论文 h fm e s s e n ( 讯r 主要是基于s t ：m g 5 0 6 6 设计的。 h fm e s s e n g e r 具有多种应用，可以为广播或多点通播提供无连接的服 务，为点对点通信提供a r q 的服务。还可以在一条h f 链路上提供特殊的委托 业务，将该链路配置为独占或共享的短波链路。h f m e s s e n g e r 可以根据用户 需求选配各种电台，调解器的驱动和s m t p 、zm o d e m 、p p p 协议等。通 过h f 网络与其它网络的互连互通互操作。短波网络不仅在军事通信大有用武之 地，在民用系统中完全也能够起到其应有的作用。 2 2 _ 4 美国g w ( g l o b ew i r e l e s s ) 公司的全球电子邮件系统g l o b e e m a i l 通过h f 网络与其它网络的互连互通互操作，短波网络不仅在军事通信大有 用武之地，在民用系统中完全也能够起到其应有的作用。 美国加利女；利亚的g l o b e w i r e s s 公司的海上数据网络( m a r i t i m ed a t a n e t w o r k ) ，通过短波通信为全球的海上舰船提供廉价的通信，广播服务。公司通 过在全球设立多个由继岸站，通过短波2 4 小时为全球的海上舰船提供气象，新 闻等多种广播服务，提供岸到舰和舰到岸双向的邮件，文件传输等数据通信服务。 目前该系统还不能提供话音服务。 网络结构如图2 8 所示。每个岸站划分成三个区域站：发射站、接收站和控 制站。发射站有6 2 0 部发射机，工作频率线性分布，带宽3 k h z ，发射功率一 般为3 5 k w ，一单一频率工作，每台发射机使用个信道。调制解调器产生的 话音带宽内的模拟信号通过模拟或标准数字电话线或微波线路传送到发射机。每 部发射机使用一部尹：线。 接收站每个信道配备一台t e n t e c h 数字接收所有接收机一般都连接到一 部宽带全向天线上。接收机的频率由控制站的计算机程序控制。这个程序检测由 船上发来信号的精度。如果信号有频率偏差，接收机通过调整来匹配发来的信号， 以便提供最有效的连接，即使船上设备没有精确校准也能接收。接收的话音信号 通过高品质的话音或数字电话线发送到控制站。 控制站可设在发射站、接收站或单独设置的地点。控制站配备几台提供报 文分配功能的计算机两台或更多计算机运行种称为r e m o t e 的程序，控制 第l i 页共4 2 页 电子科技大学工程硕士学位论文 g l - 4 0 0 型无线电调制解调器，来自接收机的话音信号由无线电调制解调器转化 为数据，使数据可以通过计算机和网络技术发送到岸基目的地。无线电调制解调 器也将要发到船上驹数据转换为话音信号，传送到发射站，由发射机发射。连接 到中国用户电报网络的一台计算机运行一种称为l a n d l i n e s e r v e r 的程序。这台计 算机将接收到的船上报文发送到岸上的目的地。它也接收来自岸上其他地点发往 这种计算机程序对应的本地区电报用户的电报。有一台计算机运行称为r o u t e r 的一系列程序。这台计算机连接到加利福尼亚州的g w 中央控制站( g w c e n t r a l ) ，一般通过i n t e r n e t 进行连接，还可以是f r a m er e l a y 、x 2 5 、租用电话 线，甚至采用电话拨号方式。控制站的所有计算机通过局域网连接在一起，以便 相互传送报文和指令。 船舶收听个网络岸站的一台发信机发出的示闲信号，网络岸站并将数据 呼叫放到符合国际电联推荐的无线电传规程的一个频率上发送。船台接收机昕到 这个射频信号，就将音频信号送g l 4 0 0 0 无线调解器，解调器将指定射频收到的 所有信号译码，硷测网络岸站的选择呼叫。无线调解器一旦听到岸的选择呼叫， 就响应建链请求。岸站调解器和船站调解器将建立链路。岸站调解器将音频信号 送发射机广播发送网络报头。调解器还将此信号送给r e m o t e 程序，通知它链路 正在建立过程中，并最终完成建链。 r e m o t e 程序将调解器经由岸站局域网发来的数据通过路由器和以上通信链 路送给正在选择呼叫船舶的g w 中心的a r t 程序，a r t 则访问g w 中心的数据 库。这将验明该船是否注册过，是否有报文等待发送给这条船。如果有报问要发， a r t 就返回信息给遥控程序r e m o t e ，指示调解器松音频信号给发射机，广播通 告报文有效。 第1 2 页共4 2 页 电子科技大学工程硬士学位论文 图2 8g w 环球无线电网络连接图 船舶则使用标准的i t u 有效命令，请求它所需要的服务。岸站将所接收到 的来自船上的需要保存起来以及还要转发的报文都存储到主报文数据库中。然后 该数据库触发一个分离报文处理程序，这个程序分析报文，确定用恰当的手段将 它送达岸端目的盘l ，进行一些为分析报文和记账所必需的计算；如果报文一直没 有经本地路上通信线路服务器传送就将它放到岸端分配队列中去。 由岸站客户指i ：发往船的保文可通过多种通信媒介传送到g w 中心，该报 文经计算机分析摘取出船舶的呼号，还要分离出发送者的标识，用于跟踪和记账。 呼号对照船舶数据库进行检查，报文头对照岸端分配数据库进行检查。报文则被 存入报文数据库。然后报文被放在业务表中，从网络中所有海岸站逐小时的广播 第1 3 页共4 2 页 电子科技大学工程硕士学位论文 出去。一般情况下所有的岸站都广播同样的业务表。 当船舶呼叫岸站时，发送船舶呼叫信号。话音信号转化为数据。r e m o t e 程 序通过局域网将数据传送到r o u t e r ，然后传送到g w c e n t r a l 的r o u t e r ，在传送到 位于g w c e n t r a l 称为a r t 的程序。a r t 查询船舶信息的全球数据库来确定船上 设备的特性及为该船舶通信付费的机构。如果船舶是己知的，a r t 将进一步查 询主数据库来确定：黾否有向该船发送的信息。利用来自a r t 的信息，如果船舶 是未知的，r e m o t e 程序将要求提供船舶注册信息。如果船舶已注册并有信息， r e m o t e 将通知船舴。船舶将请求接收信息、发送信息或发出其它指令。 如果船舶请求发送信息，a r t 将从中央数据库检索出信息，通过主干线传 送给r o u t e r ，然后传送到r e m o t e ，发往船上。 船上计算机控制无线电台扫描接收所有网站的示闲信号，进行评估并把最 好的几个台站标激；字起来。当船上收到岸台呼叫时，计算机就让收发信机与最强 的一个岸站建立琏路( 不是已经在使用的岸站) 并且传送报文。g l o b e e m a i l 系统 每天一次送一份系统报文给g w 中心，这份报文列出最近2 4 小时当中每个小时 该船虽好用的5 个频率。 第1 4 页拭4 2 页 电子科技大学工程硕士学位论文 第三章组网初步方案 3 1 网络拓扑结构 短波网络托扑结构按照网络控制的方式可分为分布控制式、集中控制式以 及二者结合的混和控制网络结构。集中控制式网络是以某个或某些节点作为网络 中央节点，充当网络控制中心，其他节点属于从属地位。该网络的优点是网络管 理效率较高，缺点是抗毁性差，一旦中心节点被摧毁，全网将瘫痪。分布控制式 网络多个节点独：芷对网络控制，无明显的中心节点，各个节点地位相等，其优点 是网络具有自组织自恢复能力，抗毁性较强，缺点是网络管理较难，所需的技术 复杂。混和控制式网络介于二者之间，即网络控制同时存在两种形式。 通过对不同条件下短波网络体系结构及组网策略的研究，结合国外第三代 短波组网技术的要求，短波组网采用分层分布式的网络结构。分层分布式网络结 构是一种集中和平丽分布式相结合的网络结构。在分层网络结构中，节点分成三 种类型：普通节点、群首以及中继节点。网络是由多层组成的，第一层由若干普 通节点组成，称为群，在群中有一个群首节点，作为该群的网络控制中心；第二 层由许多群的群首组成，称为超群，在超群中有一个超群首，第三层由这些超群 首组成，依此类推，可以构成任意多层的网络( 如图3 1 所示) 。在节点数很大 的网络中采用这种结构的优点是使每个节点需要交换和存储的信息量可以少得 多，每个群中的节点只需了解本群的路由信息。 分层结构在以下几方面改进了网络的性能：减少了网络中控制分组的长度 和数量：由节点簧：的路由路径短，不会超出相邻群的范围；群问路由相对较稳 定很少出现路d j 循环和失效故障。另外为提高网络的抗毁能力，每个节点都可 以属于多个群，每个群可以属于多个超群，每个超群可以属于多个超超群。由于 具有以上特点，因此分层结构适应于建立较大规模的超短波无线网。 将每个群的网络控制集中到群首，可咀很好的保障网络安全、实现网络管 理的功能，这也符合我军的建制和使用习惯，普通节点通过授权可以升级为新的 群首，使网络具有一定的抗毁性。在网络中所有节点都具有相同的软硬件配置。 第15 页共4 2 页 电子科技大学工程硕士学位论文 结合碑技术实现网络的分层，这样可以构建大规模的短波通信网络，结合 新一代的自动链路建立技术，方便地实现各个节点之间的分组数据、连续数据、 话音通信。通过为节点配置网关功能，实现与有线骨干网络的互连互通。充分利 用现有成熟有线通信技术，提高信息传输的可靠性和适用性。 图3 1分层网络结构示意图 网络中群首与曾通节点仅仅是一种网络功能权限上的不同。其实无论从软 件还是从硬件的配嚣上看，两种节点都是基本相同的，只是群首具有更多网络管 理的权限。网络中每个节点都具有组网的功能，可以自己进行路由选择、流量 控制、频率选择、自动建链等。当网络中某个群首出现异常，引起网络局部拓扑 的剧烈变化时，通过简单的授权设置一个普通节点就可以升级为群首，重新组 织受影响的各个节点。这一功能正本网络的特色并使整个网络的具备了自组织 自愈合的能力。 第1 6 页共4 2 页 电子科技大学工程硕士学位论文 网络节点的基本组成： 图3 2 网络节点的组成方框图 在网络控制器中定义有下列的数据结构：链路时间更新时刻表，路径质量 矩阵( p q m ) ，以及由p q m 生成的路由表( r d ，网络节点拓扑结构表。这些数据 随着信道连通性的变化而更新。 其中路径质量矩阵( p q m ) 是h f 网络的核心数据结构，它包含了整个h f 网 络的节点和信道拘情况。在矩阵中根据话音业务和数据业务分别对节点间各个信 道进行估分。估分的基础是由链路控制器上报的链路测量报告。 网络初始化时，各节点都加载有一个初始的p q m ，并由此生成路由表。p q m 的初始建立可以通过人工置初始值或由历史数据填充。在网络运行过程中p q m 可以通过信道探删扫描、通信业务的实时监测、估计、周期性的连通性交换等方 式进行更新。 3 2 网络层协议 短波作为一科时变且带宽有限的信道必须设计一系列高效的网络协议， 来实现各种网络功能。短波网络协议体系如图3 3 所示。 第1 7 页共4 2 页 电子科技大学工程硕士学位论文 图3 3 短波网协议体系 网络层以上的协议采用有关标准协议。 短波网络层协议包括连通性交换协议自动信息交换协议，中继管理协议 台站状态信息协议等。这些协议用网络层报头加以区别。 网络层报头消息类型 c 连通性交换 m 自动信息交换 r 中继管理 s 台站状态信息 3 2 1 连通性交换协议 图3 4 网络层报头定义 连通性交换协议使节点与它所能接触到的( 包括相邻节点或经中继可达) 的 节点交换连通性信息，并且让各节点之间均能通过周期性交换连通性信息，各自 进行协商算法进行全网的工作频率选择。连通性信息被全网节点共享并周期性升 级。各节点周期性进行连通性广播并进行频率协商以便对网络链路质量的变化进 行自适应。 节点自动周期性的广播连通性交换报告。报告中包括其全部可连通的节点， 第18 页共4 2 页 电子科技大学工程硕士学位论文 也可以包括选定的一些目的节点的路径质量报告，和它收到其他节点连通性交换 报告广播的情况。收到报告的节点应根据所收到的数据升级更新其路径质量矩 阵。 在网络节售之间也可以相互请求传送连通性交换报告，进行连通性交换握 手。 连通交换消息组成：报头，被报告的网络或节点的i d ，到那些节点的质量 报告，和已经收到连通交换消息的节点指示。 通过连通性交换协议使网络中每个节点都维护一份尽可能完整的网络路径 质量矩阵( p q m ) 。 3 2 2 自动信息交换协议 在短波网绍中，信息交换的核心是自动信息交换协议a m e 。 在整个h f 网络体系中网络层使用一个或更多的“串联”在一起的数据链路 完成端对端的信息传递。a m e 完成的功能类似于 n t e m c t 上使用的t c p 协议， 保证传送到网络层的消息块的顺序且是唯一的。a m e 协议在网络层实现这一机 制，进行消息的存储与转发。 在a m e 协议中消息分为出局消息和入局消息。出局消息定义为从用户处得 到的消息。入局悄息定义为需要发送给用户的消息。 3 2 3 中继管理协议( h i 蝴p ) 中继管理协议用于网络控制器询问预定的中继节点的连通性，以管理、预 定中继电路。中继 堂理协议可以用于建立模拟的串联电路或数据虚电路。 每个h r m p 信息涉及三个节点：中继节点，控制节点和由中继访问的远程 节点。h r m p 在控制和中继节点之间交换h r m p 消息。 3 2 4 台站状态信息协议( h s s p ) 台站状态信息协议用于通知网络成员某个节点的工作模式的变化。 3 - 3 网络功能 第l9 页共4 2 页 电子科技太学工程顶士学位论文 图3 5 示出：7 网络节点的基本功能层次。 图3 5 网络节点基本功能层次。 1 物理层 物理层的m o d e m 负责监测信道和协议业务数据的加解密传送。 m o d e m 采用串行体制短波调制解调器，支持m 几一s t d 一1 4 1 b 中的 3 g a l e 功能。 调制解调器的1 0 9 信号向上层提供载波检测信号。 2 链路层 链路层的个重要功能就是要负责维护链路质量矩阵( l q a ) 。 链路质量矩阵( l q a ) 包含各节点之间线路质量数据，这些数据的获得涉及 到对节点之间的线路上的信号质量进行测量。所产生的l q a 数据被用来对信道 进行评分，通过信、g - 质量数据推测数据通信时的质量状况，以选择“最好”的信 道来进行呼叫和通信。各节点之问还通过探测、轮询等手段维护和相互交换l q a 数据。 第2 0 页麸4 2 页 电子科技大学工程硕士学位论文 信道 c 1c 2c 3c 4 探测时刻t i lt s 2位饼 1 bf r o mt of r o mt of r o mt 0f r o m b e r 站 s i n a d a l a 更瓿1 、l at f l a1 、2 at c 2 at t 3 a1 怕a1 m at f 4 a 时刻 s c o t c1 4】o8 4 2 1x0 b e r 站 s i n a d a i b 更新t t i bt n bt t 2 bm bt 1 3 b t f 3 bt t 4 bt f 4 b 时刻 s c o r e：(9754133 b e r 站 s i n a d a j c 更新n l ct f l ct 1 2 c他1 b c1 招c1 ct f 4 c 时刻 s c o r ex3 02 21 71 468 图3 6l q a 结构组织 注：t s i 为本站在信道i 上扫描时刻： t t i j 为本站更新从本站到j 站的l q a 数据的时刻： t t i j 为本站更新从j 站到本站的l q a 数据的时刻； 每个具有l q a 功能的节点在收到古有明确发出站的地址的信息时，应计算 l q a 值并更新l q a 表中的对应项和r f i j 。t s i 、t f i j 。 3 网络层 涉及到网络层的标准有m i l s t d 1 8 8 - - 7 2 1 c 和m 皿一s t d 1 8 8 1 4 1 b 附录d 。 在网络层中执行的主要任务是：路由和链路选择，自动信息交换( a b l e ) ， 信息的存储与转：殳和连通性跟踪以及进行各种网络数据结构的维护与管理。 ( 1 ) 路由选择 路由选择功能根据通信业务通过查询路由表以确定传输所用的直接或间 接的路径。路由选择功能支持各种直接或间接的呼叫和多种中继类型。 帮2 i 页共4 2 页 电子科技大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 链路选择 网络层向链路层请求建立、终止链接，并带有相应的链路层地址。链路层 应根据链路质量选择本次使用的链路，并回应链路建立成功与否以及被链接站的 身份。 ( 3 ) 信息存储与转发 信息存储与转发是为用户或传输层所提供信息传输服务的接口。网络层的 存储与转发处理调用路由选择功能以决定数据传输的路由。然后通过自动信息交 换处理来向h f 链路发送信息。 ( 4 ) 自动信息交换( a m e ) 自动信息交换指自动从信息存储与转发处理中取得网络信息发送给一个指 定的可以直接到达的节点( 中继节点或目的节点) 。当通过链路请求处理发现通 往该节点的链路j 可用时，自动发送。当链路请求处理发现通往该节点的链路不可 用时，可以拒绝该网络信息发送，返还给信息存储与转发处理轮流重发该信息， 或者存储该信息直到通往该节点的链路可用。( 这种模式也称为“发现模式” d i s c o v e r ym o d e ) ( 5 ) 连通性交换 在h f 通信网络中，每个节点无法直接获得许多节点的路由和信息，可以通 过得到存储在直凄可以通信的节点中的连通性信息获得其他节点的路由或信息。 这种信息可以被共享并周期性升级。当节点报告它们与其他节点的连通性信息 ( 如链路质量矩车等) 称为连通性交换。另外节点还可以通过连通性交换请求答 复哪一个节点与指定的节点有可用的路由，这称为查询路由。另外连通性交换还 提供基础数据给网络选频算法为网络频率协商所用。 3 4 路由技术 短波网路庄算法选择改进型分布式路由算法该算法是从d b f ( d i s t r i b u t e d b e l l m a n - - f o r d ) 算法改进而来，属于表驱动的主动路由技术。 该算法是在各节点存储一个路由表，路由表的修正是依据各相邻节点交换 的连通性信息以及链路质量。节点根据收集到的网络连通性信息就可以计算出到 第2 2 页共4 2 页 电子科技大学工程硕士学位论文 达各目的节点的最小跳数路由。网络的连通性信息通过所有节点周期性地半广播 ( 只在1 跳的范围内) 自己的p r o p ( p a c k e tr a d i oo r g a n i z a t i o np a c k e t ) 来获得。 发送p r o p 分组时，分组头的目的地址只有一个，即广播地址f f h 。各节 点的路由生存周期表明了节点路由的有效时间，生存周期结束时要广播新的 p r o p 分组，更新路由表。 网络开通日寸，各节点通过接收p r o p 来确定自己的相邻节点表，并根据获 得的路由信息生成每个节点的稀疏路由树。网络开始传输数据后，数据分组也可 以用来确定相邻符点的存在性。每个p r o p 中包含有该节点的路由信息，每个节 点收多j $ f l 邻节点的p r o p 时，使用该p r o p 中的路由信息维护自己的路由，并将 更新后的路由信息通过p r o p 广播给相邻节点。通过p r o p 的不断广播，每个节 点都能计算出到各个目的节点的最短路由( 最小跳数) 。 浚算法的主要优点是能适应网络拓扑结构的动态变化，在节点移动或故障 时仍能得到至目的：声点的最短路由，可靠性高，分组的平均网络时延也较小。它 的主要缺点是实：见比较复杂且当网络拓扑变化很快时，用于交换连通性的信息 增多影响网络二芋吐量降低网络资源利用率。该算法适用于拓扑变化较慢、时 延小、可靠性要求7 与，但节点少、业务量不很大的网络。 3 5 短波网络t c p i p 网关 电子邮件( e m a i d 是目前广泛应用于i n t c m e t 的基于t c p 1 p 的业务，通过 其可以实现各类信件和文件的传