面向应急通信的短波ALE技术应用分析

TECHNOLOGY 技术应用
摘要：论文对短波通信技术原理进行分析，并对ALE技术应用中的频率管理、地址结构、时隙结构加以阐述。

通过对不同参数下网络吞吐量、端与端时延等指标进行仿真分析，对短波数据链路相关协议的可行性进行验证。

关键词：应急通信；短波ALE技术；应用措施
一、短波通信技术原理
短波通信主要通过天波与地表面波完成远近距离的通信任务。

在短波通信中，中波较高频段中的1.5~3MHz 通常被归入短波频段中，对应波长范围为10~200m。

无线短波的传输方式有两种，即天波与地波。

前者主要依靠大气层反射完成长距离传输，在应用中单跳反射的最大覆盖面为4000Km，多次反射后可确保电波信号的环球传送；后者应用中，电波信号在传送时可能受到地表特性的影响，导致信号有所减弱，减弱度与发射频率之间具有正比关系。

电离层属于地球大气层中的内容，主要因X射线与辐射紫外线而起，与地面相距50~1000km之间，且随着地理位置改变而发生变化，同时还会受到早晚、季节、年份等因素影响[1]。

二、ALE技术的应用模式
（一）频率管理
在特定标准之下，短波系统的应用频率为呼叫类与传输类两种，主要是让双方在某个信道上构建链路，再寻找呼叫信道附近的传输信道进行数据传输，利用现有CSMA/CA访问协议，针对信道进行管理和共享。

在管理过程中应遵循以下原则：一是当台电扫描听备选频率列表时，应采用非单调的排列方式；二是合理安排信道上传输负载，以免因负载过重影响通信效果；三是传输信道应尽量接近呼叫信道，确保传输特性相近，使通信更加科学高效。

（二）地址结构
在第三代电台地址结构中进行新的设计，对信道分区管理后分配地址。

对网络站点进行规定，相同编号的驻留组站点可对相同呼叫信道进行扫描和收听。

当网内地址在11nit时，简练地址结构与频率管理相结合，使短波系统更有助于管理。

根据地址结构可知，网内允许32个驻留组，应尽量充分发挥驻留组的优势，缓解呼叫信道中的拥挤现象。

结合协议标准，组内地址为111100到111111被保留下俩，因此驻留组中的成员最大值为60个。

固定编号的台站可设置1920个。

在相同应用模式下，组内需要侦听信道计算公式如下：
C
g
T
D mod
4.5
+
=
式中，D代表的是驻留信道号；g代表的是组地址；T代表当前时间；C代表的是扫描信道的总和。

对于各个电台来说，均具备自己的预选信道列表，对信道号与接收机监听频率进行规定，通过公式对信道号进行计算，寻找与之相对的频率。

如若通信双方在相同模式下构建呼叫链路，主呼电台可对目标电台进行计算，得出所处信道号与相应的频率数值。

（三）时隙结构
在相同模式下构建链路时，时隙结构作为ALE协议中的重要内容，在台站侦听过程中可对其进行预选，停留在5.4s上，并将这一时间段划分为6个时隙。

其中时隙0代表的是调谐与监听。

在这一时隙中，电台可将调谐调整到呼叫信道，再通过侦听得到信道相应信息；对于时隙1~4主要表示呼叫与回应，PDU不可在时隙5中开始，因此该时隙被应用通知和广播发送[2]。

三、基于OPNET平台的ALE技术仿真分析
（一）仿真平台选择
在对应急短波ALE技术研究时，应选择与之相应的仿真软件，对其性能可行性进行检测。

依靠仿真软件对网络进行建模和优化。

对于大规模布网、恶劣信道环境，可通过仿真建模的方式来处理。

通过对当前权威网络仿真软件的分析，包括NS2、CASSAP、OPNET、QualNet等，针对软件准确度与兼容性等因素综合分析，选择与本次仿真任务相符合的OPNET平台，在该平台上进行节点、进程与网络模型的构建，根据各项业务需求对网络性能进行测试，并对ALE协议进行设计验证后，最终分析总结。

（二）信道参数选取
为了更加真实的模拟短波通信效果，采用VOACAP 信道预测软件为后续仿真提供信道参数，并做好建模前
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李 珊 王 凯
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的准备事宜。

在该软件中，以端到端信道参数预测为例，针对关键参数设置接收机环境背景噪声、信噪比、收发天线性能、置信度要求等等。

在上述参数设置完毕后，利用该软件便可获得相应的数据，对电离层的实时信道情况进行预测，可获取24h 内的信道参数，包括时延、可用频率、信噪比、百分比等等。

在获取不同时间段内关键信道参数后，应用到OPNET 平台中，对整个网络进行建模仿真，在此基础上完成协议验证。

（三）短波通信模型构建1.网络模型
根据设计协议，在仿真平台上构建清晰的分层树形拓扑结构。

将短波台站划分为三个层次，即根节点、二级节点与叶子节点。

为了对新协议可行性进行检验，构建网络模型开展仿真分析。

树形拓扑网络的扩展设备较为简单，且无需更改网络特性，对复杂网络结构具有借鉴意义。

根节点数量为1，主要作用是下达广播、交换数据帧、轮询下属节点；二级节点数量为2，主要作用是接受中心台站的轮询，对下属台站进行轮询，交换数据帧；子节点数量为3，主要作用是在接收轮询数据包后，发起接入完成数据交换。

2.节点模型
对于根节点来说，当上层发布指令时，首先对业务类型进行判断，然后发布到匹配模块中。

由通信模块完成轮询工作，在正式仿真后，先将二级阶段纳入轮询列表之中，一旦收到上级通信业务，便可将数据包发送给与轮询相对的节点；下层数据同样由通信模块进行接收，再根据逆路径回馈给上层。

广播业务的传输较为简单，无需对接收回馈，直接加大发射功率即可传送到各个台站。

对于子节点来说，处于网络拓扑的后方，可利用上级节点传入网络之中，由此实现对上级节点轮询的接收。

对于较为特殊的末端台站，可对电台上层数据包进行缓存，待上级轮询到被节点时，可将其传递到所从属的根节点中[3]。

（四）仿真结果1.网络吞吐量统计
图 1 网络吞吐量均值
在图1中，横轴代表短波模拟运行时间点，纵轴代表网络吞吐量均值。

在仿真平台中设置固定时间间隔、固定流量等，由此可见图示均值经过建网初期波动后便逐渐稳定，数值始终保持在260bps 左右；吞吐量与有效信息比特数相同。

在本次仿真中，网络吞吐量传输时间是指双方在信道上所接受到的首个数据帧与最后数据帧之间的间隔；有效比特数是指所需发送的信息，与实际网络特征相符合。

2.端到端延时统计
图2 端与端时延仿真示意图
在图2中，横轴代表模拟运行时间点，纵轴代表的是时间，单位为s。

因网络模型节点数量较少，层级较为简单。

根据仿真结果可知，广播业务端与端间的时延较小，在1.25左右。

这主要因此类月无法回馈确认，直接由主呼台发送即可，整体时延均在空中传播中构成，大多为毫秒级别，因此该结果与实际情况相符合。

四、结语
综上所述，在计算机通信与微电子技术不断发展之下，短波通信技术获得新的发展机遇。

通过本文研究可知，在网络仿真软件基础上构建节点模型、进程模型与网络模型，通过分析不同参数下链路中网络吞吐量、端与端间的时延等指标，充分证明数据链路层的相关协议，可使信号传输更加精准高效，为我国通信事业发展提供更多助力与支持。

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参考文献
[1]吴培培,张旻,史英春.短波3G-ALE 信号链路层数据编码分析[J].通信技术,2018,051(006):1248-1253.
[2]王志文.短波3GALE 同步组网技术研究及仿真[J].通信技术,2019(09):64-67.
[3]朱家成,胡飞,周治中.基于协方差的短波3G—ALE 发射前侦听算法[J].中国电子科学研究院学报,2019,007(001):85-88.
（作者单位：南京熊猫汉达科技有限公司）。