应急通信系统构建基础

       短波通信，又称高频通信，是利用短波通过电离层反射来进行远距离通信或通过地波进行近距离传输的一种通信手段。

       从20世纪初一直到60年代中期，短波通信一直是远距离通信，特别是洲际通信的主要手段。到60年代卫星通信出现后，长距离大容量的无线通信便被卫星通信所取代，短波通信的发展进入低潮，甚至有人认为短波通信已经完成了其历史使命。随着微型计算机、移动通信和微电子技术的迅速发展，短波通信有了新的突破性进展，20世纪80年代以来，人们在短波通信设备中采用了数字信号处理技术、自适应技术、跳频技术以及高速数据传输技术等新技术，不断提高短波通信的质量和数据传输速率，增加了新的业务功能，使短波通信东山再起。新技术很好地弥补了短波通信的缺点，还使短波通信的设备更加小型化、更加灵活方便。短波通信设备较简单，机动灵活、成本低廉，且与卫星通信及有线通信相比，短波通信介质的电离层不易遭受人为的破坏，因此十分适合作为抢险救灾等的融合应急通信手段。在我国，短波通信网是战略通信网之一，是战时作战指挥通信中的“杀手铜”，是和平时期防暴乱、融合应急通信手段。

       短波通信主要靠天波传播，可经电离层一次或数次反射，最远可传至上万公里，如按气候、电离层的电子密度和高度的变化以及通信距离等因素选择合适频率，就可用较小发射功率直接进行远距离通信。

       尽管当前新型无线电通信系统不断涌现，短波通信这一历史最为久远的无线电通信方式仍然受到全世界的普遍重视，不仅没有被淘汰，而且还在快速发展。与卫星通信、地面微波、同轴电缆、光缆等通信手段相比，短波通信有着许多显著的优点：

      1）短波通信不需要建立中继站即可实现远距离通信，因而建设和维护费用低，建设周期短，且短波通信不用支付话费，运行成本低。

      2）通信设备简单，体积小，容易隐蔽，可以根据使用要求固定设置，进行定点固定通信；也可以背负或装入车辆、舰船、飞行器中进行移动通信；便于改变工作频率以躲避敌人干扰和窃听，破坏后容易恢复。

       3）电路调度容易，临时组网方便、迅速，具有很大的使用灵活性。

       4）对自然灾害或战争的抗毁能力强。1980年2月，美国国防部核武器局在一份报告中提岀：“一个国家，在遭受原子袭击后，恢复通信联络最有希望的解决办法是采用价格不高，能够自动寻找信道的高频通信系统”。短波是惟一不受网络枢纽和有源中继体制约的远程通信手段，一旦发生战争或灾害，各种通信网络都可能受到破坏，卫星也可能受到攻击。无论哪种通信方式，其抗毁能力和自主通信能力与短波无可相比。

       这些是短波通信被长期保留、至今仍然被广泛使用的主要原因。短波通信也存在着一些明显的缺点：

       1）可供使用的频段窄，通信容量小。按照国际规定，每个短波电台占用3.7kHz的频率宽度，而整个短波频段可利用的频率范围只有28.5MHz。为了避免相互间的干扰，全球只能容纳770。多个可通信道，通信空间十分拥挤，并且3kHz通信频带宽度在很大程度上限制了通信的容量和数据传输的速率。

       2）短波的天波信道是变参信道，信号传输稳定性差。短波无线电通信主要是依赖电离层进行远距离信号传输的，电离层作为信号反射媒质的弱点是参量的可变性很大，它的特点是路径损耗、延时散步、噪声和干扰都随昼夜、频率、地点不断变化。一方面电离层的变化使信号产生衰落，衰落的幅度和频次不断变化。另一方面天波信道存在着严重的多径效应，造成频率选择性衰落和多径延时。选择性衰落使信号失真，多径延时使接收信号在时间上扩散，成为短波链路数据传输的主要限制。

      3）大气和工业无线电噪声干扰严重。随着工业电器化的发展，短波频段工业电器辐射的无线电噪声干扰平均强度很高，加上大气无线电噪声和无线电台间的干扰，在过去，几瓦、十几瓦的发射功率就能实现的远距离短波无线电通信，而在今天，1。倍、几十倍于这样的功率也不一定能够保证可靠的通信。大气和工业无线电噪声主要集中在无线电频谱的低端，随着频率的升高，强度逐渐降低。虽然，在短波频段这类噪声干扰比中长波段低，但强度仍很高，影响着短波通信的可靠性，尤其是脉冲型突发噪声，经常会使数据传输出现突发错误，严重影响通信质量。

       20世纪80年代以来，短波通信在电波传播研究、频率自适应通信、中高速数据通信、组网通信、自适应跳频及近垂直入射天波通信等方面都取得了重大突破，短波通信方式存在的许多问题和缺点得到克服和改进；随着计算机、移动通信和微电子技术的迅猛发展，人们利用微处理器、数字信号处理，不断提高短波通信的质量和数据传输速率，使现代短波通信从第2代通信装备向第3代通信装备发展，体现在如下几个方面：

      1）短波通信系统由数字化向软件化、智能化方向发展；

      2）短波通信网络由单一的、树状网络向扁平化、抗毁性、综合化网络方向发展；

      3）短波业务类型由常规的话、报业务发展为支持邮件、文电、传真、语音等综合业务；

      4）短波电台由窄带、低速电台向宽带、高速、抗干扰电台发展；

      5）短波通信自适应由单一的频率自适应技术向全方位的自适应技术方向发展；

      6）短波天线向自适应、智能化方向发展。

  1.美国海军的HF-ITF网络和高频舰/岸网络

       美国海军特混舰队内部高频网络（HF・ITF）是美国海军、海军陆战队内联网的重要组成部分，它由美国海军研究实验室于20世纪80年代初期提出。HF-ITF是一个具有良好抗毁、抗干扰能力的短波通信系统网络，它适用于在不同平台（舰船、飞机和潜艇）之间进行超视距通信，能处理语音和数据业务。

       HF-ITF釆用的网络结构是一种连接在一起的群体制混合控制结构。为获得良好的抗毁性能，HF-ITF结构以分布式算法为基础，其特点是利用节点间分散的链接算法组织网络，使其能够适应短波通信系统网络拓扑的不断变化。网络内部节点组成一组节点群，每个节点至少属于一个节点群，每群有一个充当本群控制器的群首节点，本群中所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他节点提供与整个网络的通信能力。即群内釆用集中式本地控制，群与群之间采用分布式控制。美国海军特混舰队就是通过上述方式把机动的特混舰队分舰队互联在一起，使一组负有特定作战任务的海上平台构成的军事分队自行组成一个可靠的网络结构。

       HFSS(HighFreguencyship-shore,高频舰岸)短波通信系统网络是高频无线舰/岸远程短波通信系统网络，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，HFSS短波通信系统网络由岸站充当中心节点，所有网络业务必须通过中心节点。中心节点根据自己的选择序列决定激活网络内部的某一条双向链路。北美试验的改进型高频短波数字通信系统网络则综合HF-ITF和HFSS短波通信系统网络，混合使用天波和地波构成大范围的高频短波通信系统。

2.澳大利亚的LONGFISH网络

       澳大利亚于20世纪90年代中期开始实施短波通信系统现代化，计划建设澳大利亚第一个数字化短波通信系统现代化高频通信系统(Modemed High Frequency Communications System,MHFCS),以便将澳大利亚现存的各种短波通信系统升级纳入MHFCS。

        为实施MHFCS,澳大利亚防御科学与技术组织专门研制了LONGFISH短波试验通信系统，其许多设计理念来源于GSM移动通信系统，网络结构也与GSM网络类似。LONGFISH短波试验通信系统采用分层的网络结构，且多采用星形网络拓扑。网络由4个在澳大利亚本土上的基站和多个分布在岛屿、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TCM-16Modem和PARQ协议。联网功能由IP和基于用户数据报UDP的文件传输协议完成。在传输层上运用了一种新的协议FITFEEL以适应在较差信道上传送信息。LONGFISH网络利用TCP/IP通过高频执行多种任务，可以发送高频E-Mail完成FTP和遥控终端，通过网络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。

3.美国RockwcU-CoUins公司的HFMESSENGER网络

       美国Rockwell-Collins公司开发了一种名为HFMESSENGER的数据通信产品，这种网络提供一种服务器，帮助用户使用短波调解器和电台传送各种数据，并控制高频网络中各种设备，将高频链路连接到个人计算机网络中。HFMESSENGER与短波电台和调制解调器接口，如同一台短波服务器或路由器，为短波通信网与LAN/WAN或互联网之间提供网关进行自动而且透明的数据互联。

        HF MESSENGER具有多种应用，可以为广播或多点通信提供无连接的服务，为点对点通信提供ARQ的服务，还可以在一条高频链路上提供特殊的委托任务，将该链路配置为独占或共享的短波链路，HF MESSENGER可以根据用户需求选配各种电台、调解器的驱动和SMTP、Z-Modem.PPP协议等。HF MESSENGER可完成移动一移动、移动一地面、地面一移动和地面一地面短波信息设备之间的多种通信业务。

4.美国Globewiress公司的海上数据网络

       美国加利福尼亚的Globewiress公司的海上数据网络(MaritimeDataNetwork)通过短波通信为全球的海上舰船提供廉价的通信和广播服务。公司通过在全球设立多个中继站，通过短波24h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的双向邮件、文件传输等数据通信服务。

5.美国Sanders公司的CHESS短波通信系统

        美国Sanders公司的CHESS（Correlated Hopping Enhanced Spread Spectrum）短波通信系统是一种高速短波跳频通信系统。CHESS跳频电台以DSP为基础，采用了差分跳频（Differential Frequency Hopping,DFH）技术，其跳速高达5000跳/s,最小频率间隔是5kHz,数据传输速率可以达到19.2kbit/s。CHESS短波通信系统通过现代数字处理技术，较好解决了短波通信系统带宽有限（导致数据速率低的原因）、信号间相互干扰、存在多径衰落等的问题。同时，它的瞬时信号带宽很窄，对其他信号的影响很小。

1.HF-90超小型跳頻短波电台

HF-90是澳大利亚科麦克公司制造的体积小、重量轻、功能强的超小型携带式短波电台，HF-90超小型短波电台，从功能上分为两类型号：HF-90E常规电台和HF-90H跳频电台。根据携带方式分为手提、背负、车载、固定、航空等，多种可选配的天线，可作不同距离的用途。釆用模块结构，维修快捷便利，可适应各种恶劣环境，是世界数十个国家军队、警察、政府组织装备。HF-90E是一种超小型便携式短波电台，如图3-18所示，其体积最小、重量最轻、携带方便、架设快速，可以组成多种个人携带台，也可用于车载台。

图3-18   HF-90Echau常规电台

2.村顿2110型便携电台

      澳大利亚柯顿（Codan）公司生产的2110型便携电台（见图3-19）极其轻便，是专门为运动中及恶劣的通信环境中工作而设计的。 

图3-19   柯顿2110型便携电台

       柯顿2110型便携电台的低消耗功能可使电台长时间工作，且其创新的电池管理系统可以使用户清楚地了解电池的使用状态。柯顿2110型便携电台采用了友好的人机界面，全自动的天线调谐器，自我检测功能确保了用户可以简单操作及维护。柯顿2110型便携电台可以和柯顿NGT系列电台兼容以及其他商业、军队的电台。柯顿2110型便携电台还拥有先进的自适应功能、语音加密功能、GPS定位功能以及优异的轻松谈（数字消噪）功能。

       融合应急通信车实际上就是一个可移动的通信系统，通过开赴到应急现场的车载平台，搭建通信网络，实时处理现场传输过来的语音、视频、图片等信息，实现现场各种不同制式、不同频段的通信网络的互联互通，以及与远程指挥中心之间的通信，构成统一的应急指挥平台，进行全方位高效有序的指挥和调度。图3-20为融合应急通信车一种应用示意。

        由于融合应急通信车具有布置开通速度快、机动性高、运用灵活、调度方便、与现有通信网络接入便捷、自带电源设备等特点，因此，在大多数自然灾害、突发事件和重大事件的发生的情况下，融合应急通信车是实现现场融合应急通信的首选方式之一。在2008年的冰雪灾害、汶川地震、奥运保障等一系列重大事件的现场，都能看到各式各样的应急通信车。

图3.20   应急通信车应用示意

       应急通信车一般由现有车辆根据需要改装而成，包括车辆部分、车载部分和监控部分共3部分。车辆部分通常是指用于改装成为融合应急通信车的车辆，是融合应急通信车的基础，其功能主要是承载和运输。车载部分通常是指改装后车辆上增加的设备，一般包括电源设备、通信设备、传输设备（天线设备）、天线桅杆（塔）、空调设备、接地系统（防雷）、多媒体设备、灯光设备等，是构成融合应急通信平台、实现融合应急通信功能的核心设备和辅助设备的总和。监控部分通常是指改装后的各项监测和控制系统，一般由车内监控系统、通信监控系统和车外环境监控系统3个部分组成。

       融合应急通信车具有应急平台综合应用、卫星通信功能、视频会议、现场无线组网覆盖、图像接入、语音通信与综合接入调度指挥、光纤接入、公用无线网络接入、导航定位、野外供电、现场照明广播等功能。

       从功能上看，融合应急通信车的主体是通信系统，另外还有安全支撑系统、导航定位系统等辅助系统。通信系统可以包括卫星通信子系统、无线公网通信子系统、现场覆盖无线网状网子系统、光纤通信子系统、语音通信与综合接入调度指挥子系统、计算机网络系统、视频会议系统、图像接入系统等。卫星通信子系统按照天线的移动性可划分为动中通卫星通信系统和静中通卫星通信系统；现场覆盖无线网状网子系统通过自组织等技术在现场快速建立网络；光纤通信系统是有线通信系统，在应急中作为无线通信的互补；语音通信与综合接入调度指挥子系统能够提供语音通信业务并实现多种制式的通信系统的互联互通；计算机网络系统能够构建车载局域网；视频会议系统是现场与上级指挥中心之间进行视频会商、处置决策的基础支撑；图像接入系统依托于通信网络将现场图像采集回传。安全支撑系统实现保护网络安全和信息安全的功能，防止非法入侵。导航定位系统主要由卫星定位装置、导航软件及显示终端组成，实现导航定位。

       AdHoc网络是一种没有有线基础设施支持的移动网络，网络中的节点均由移动主机构成。AdHoc网络最初应用于军事领域，它的研究起源于战场环境下分组无线网数据通信项目，主要是研究在战争状态下，如何方便、快捷地组建网络来代替遭受破坏的结构性网络设施（如基站等）。由于无线通信和终端技术的不断发展，AdHoc网络在民用环境下也得到了发展，如需要在没有有线基础设施的地区进行临时通信时，可以很方便地通过搭建AdHoc网络实现。

       在AdHoc网络中，当两个移动主机A和B在彼此的通信覆盖范围内时，它们可以直接通信。但是由于移动主机的通信覆盖范围有限，如果两个相距较远的主机A和C要进行通信，则需要通过它们之间的移动主机B的转发才能实现。因此在AdHoc网络中，主机同时还是路由器，担负着寻找路由和转发报文的工作。在AdHoc网络中，每个主机的通信范围有限，因此路由一般都由多跳组成，数据通过多个主机的转发才能到达目的地。故AdHoc网络也被称为多跳无线网络。

       AdHoc网络可以看作是移动通信和计算机网络的交叉。与其他类型的通信网络相比，AdHoc网络具有以下特点：

       1）无中心自组织：在AdHoc网络中，使用计算机网络的分组交换机制，而不是电路交换机制。AdHoc网络可以随时随地组建，网络中的每个节点都是平等的，没有中心。

       2）多跳接入：在移动IP网络中，移动主机通过相邻的基站等有线设施的支持才能通信，具有单跳特征，在基站和基站（代理和代理）之间均为有线网络，仍然使用互联网的传统路由协议。而AdHoc网络没有这些设施的支持。正如前面提到的，在AdHoc网络中，每个主机的通信范围有限，因此路由一般都由多跳组成。

       3）网络的拓扑结构是动态的，变化频繁：AdHoc网络不同于目前互联网环境中的移动IP网络。在移动IP网络中，移动主机可以通过固定有线网络、无线链路和拨号线路等方式接入网络，而在AdHoc网络中只存在无线链路一种连接方式。此外，在移动IP网络中移动主机不具备路由功能，只是一个普通的通信终端。当移动主机从一个区移动到另一个区时并不改变网络拓扑结构，而AdHoc网络中移动主机的移动将会导致拓扑结构的改变。

       4）传输带宽有限：这不仅是由于无线信道本身的带宽相对于有线网络非常有限，还由于无线信道容易受到外界干扰、衰落等的影响。

       5）存在单向无线信道：由于受通信设备信号强弱和地形环境因素等的影响，使得在AdHoc网络中常常存在单链路现象。例如，考虑到车载台发射的功率比手持终端大很多，再加上地形地貌以及天气等外在条件的影响，可能会形成有时手持终端可以接收到来自车载台的信号，而车载台无法接收到来自手持终端的信号的情况。

        AdHoc网络的快速自组能力以及抗毁性，使得它在军事、融合应急通信领域获得广泛的应用。

        集群移动通信系统是随着通信技术的进步，由早期的专用无线电调度系统逐渐发展形成的。集群移动通信系统包括模拟集群移动通信系统和数字集群移动通信系统。模拟集群移动通信系统是指在无线接口采用模拟调制方式进行通信的集群移动通信系统。数字集群移动通信系统是指在无线接口采用数字调制方式进行通信的集群移动通信系统。数字集群移动通信系统能够提供调度指挥服务、数据服务、集群网内互通的电话服务及少量的集群网与公众网间互通的电话服务。与模拟系统相比，数字系统具有更高的频谱利用率，更好的通信质量,更大的系统容量，更好的保密性能，还能支持更多的通信业务。它们已广泛地用于我国的公安、消防、交通、防汛、电力、铁道、金融等部门，作为分组调度使用和紧急状态下的应急通信手段。

        固定电话也是融合应急通信使用的主要手段，通过政府部门之间的保密电话网、部门专用电话网实现指挥调度，由于固定电话网是大家非常熟悉的网络，此处不做详细描述。