协作通信技术在短波应急通信网中的应用分析

李强

摘 要：短波通信在现代网络信息通信领域有着众多优势，其具有较强的抗摧毁力，操作设备简单，且通信距离长，经济性较高。短波通信技术广泛的运用于应急通信中，但由于其自身存在一定限制，容易受到外界因素影响使得短波通信环境不稳定。而协作通信能够利用多天线技术与协作分集技术，使通信网络的效益最大化。本文的研究主要基于应急通信网中协作通信技术的现状，由短波通信与协作通信的基本特点出发，分析协作通信技术在短波应急通信网中的应用。

关键词：短波；应急通信网；协作通信技术；运用

中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）19-0031-02

在重大事件发生时，短波通信能以其具有较强的抗摧毁力，较广的通信范围等优势，完成对信息的传播，提高政府、军队的应急处置能力，最大限度的保障人民群众的生命财产安全。因此，综合分析协作通信的优缺点，有选择的利用，将协作通信的优势运用到应急通信网的发展与建设之中，优化提升应急通信网络的性能是本文研究的目的之一。

1 协作通信技术与短波应急网简介

在我国，应急通信正处在飞速发展时期，其对重大自然灾害或战争事件发生后的信息传递起着极为重要的作用，例如，在2013年“雅安地震”中，各级政府能够迅速启动应急响应预案，正是得益于强大的应急通信网络。短波通信作为应急通信网的组成部分，既应与应急通信网融会互通，也应有其独立性，毕竟短波通信不止适用于应急通信网。同时，随着国家的发展，重大灾害，突发事件时有发生，应急通信网络的发展已经成为检验国家安全的重要指标。

1.1 协作通信概述

协作通信又称协作分集或协作式MIMO，技术原理是以三节点（源节点，目的节点和中继节点）为基础，源节点发送信号，中继节点在转发从源节点收到的信息的同时自身也会发出信号，协作中共享彼此天线，实现了协作分集，从而获得空间分集增益。协作通信在无线通信中有着广泛的应用，近年来，无线网络用户激增，但宽带资源有限，这样的情况对信息传输效率以及通信质量有了更高的要求，协作通信应运而生，且被广泛利用。例如，在蜂窝网络系统中，协作通信可以通过用户间的协作提高信号盲点用户或信号边缘区域用户的通信质量。另外协作通信的三节点原理，也使得信号在传输过程中衰耗得到了一定控制，在不影响信息传输的情况下，可以降低发射功率，降低能耗。总的来说，协作通信作为不同于其他无线通信手段的新型通信技术，利用其自身优点，可以弥补传统无线通信手段的缺点，起到相辅相成的作用。传统的点到点通信技术已接近香浓点，无线通信中需要更多更新的技术，优化传播效率，降低能耗，因此许多移动通信领域的专家已纷纷投入协作通信的研究之中，对协作通信中的协议，协作系统的资源分配以及协作伙伴的选择进行了深入探讨，在编码程序上也进行了新的尝试。

1.2 应急通信网及短波通信

应急通信技术不同于普通的通信技术，其主要目的是在重大自然灾害，突发公共事件及紧急军事态势等发生而无法使用其他传统通信手段时启动的，用于紧急联络的通信手段。我国的应急通信网络发展的正真开端应该是在改革开放以后，随着国家的对外开放，对于国家安全的要求进一步提高，同时随着科技的发展，公共应急设施已有之前的基础通信设施，向卫星通信，微波通信等发展。根据应急通信的基本目的，可以判断出应急通信具有随机性，短暂性和临时性等特点，因此对于通信设备的灵活性与便捷性也有一定的要求。随着国家的发展，应急通信也得到了较大的发展，各级政府都基本建立了重大灾害及突发事件应急响应平台，同时联通各防灾减灾机构，在救灾减灾过程中实现协调一体，优化资源配置。有效短波通信的构建，不仅能在重大事件发生时提供信息传输保障，还能促进各部门之间的协调，从而达到促进国家安全建设和加强国防安全的目的。目前，我国的应急通信包括了短波，卫星，微波等，其中短波通信以其自身抗摧毁能力强，传播范围广，架设设备简单等在应急通信中起着重要作用。短波通信是指频率为3MHz-30MHz的电磁波。短波通信可以使用天波传递，也可以使用地波传递，天波传递时无需建立基站便可以完成远距离纤细传递。

1.2.1 短波应急通信网的应用现状

短波通信传播范围广，且可以通过电离层反射实现单跳百公里以上的通信，在重大自然灾害发生时，可以克服障碍达到较远距离，进行信息传播，是较为经济便捷的一种选择。二十一世纪以来，短波应急通信在防灾减灾，公共应急，交通调配等各部门都有广泛应用，建立了短波通信网，在突发事件应急处置上发挥着重要作用。对于社会生活中一些紧急事件的处理可以看到我国应急通信网的发展，短波通信作为应急通信网的重要组成部分，得到了较大的发展，建设了技术台站，配备了相关电台，然而，在短波通信在应急通信网的应用中，仍存在一些显而易见的问题。

1.2.2 技术现状

第一，短波网络的控制可分为集中控制、分布控制及二者结合的混合控制。集中控制是指以某个节点或某些节点为控制中心，其他节点为从属作用，能够提高网络的管理效益，但缺点是抗摧毁能力弱；分布控制则是以多个节点独立控制网络，不存在明显的中心，网络的抗摧毁能力较强，但缺点在于管理较为分散；另一种则是介于二者之间的混合控制。

第二，短波网络中拓扑结构设计十分重要，合理的拓扑结果设计能够保证网络的可靠性、抗摧毁性及延时等，根据短波通信网的不同要求，拓扑结构可以呈现总线形、星形、环形、树形和网形等形状，主要考慮的因素有网络节点数及灵活节点等，因此，短波通信网的拓扑结构主要由几种结构混合组成。

第三，短波通信的组网方式不单一，随着技术的发展，处于不断融合之中，主要由以下几种形式：（1）固定频率组网，即在固定频率上组网进行简单通信，在选定或约定的频率下进行信息传播，此网络相对稳定，但适应性较差，是传统意义上的广播通信网；（2）自适应频率组网，即通过频率自适应技术对可用频率进行探查，确保通信传输可用，由于频率自适应技术本身具有成熟的通信链路标准协议、组网和系统设备，对预先设置的频率进行质量分析，选出最佳频率，因此，该类组网方式受到广泛应用；（3）短波跳频通信，即通信信号在一定范围内快速切换，是一种反侦察反监听的手段，由于跳频频率快速切换，也避免了短波通信衰减较大的缺点，是一种灵活性较强且较为稳定的短波通信组网方式；（4）短波IP通信，基于区域中心站和移动中心站建立，是一种特定协议下的组网方式，通过建立短波中心站及网管平台，实现网络管理、路由控制等。由于短波通信信道较窄，传播速度较低等，需要针对其特点建立短波IP路由器模型及短波IP协议，通过卫星、光线等方式提高网络覆盖和数据传输性能。endprint

1.2.3 技术缺陷

第一，短波通信的频段本身较窄，在日常的使用中容易受到其他信号的干扰，在相同的信号频段中可能存在各种不同的信号，由于其他信号的干扰，使得原本固定使用这一频段的用户不能及时准确的接收到信息，无法达到信息传递的目的，这样的短波应急通信就失去了意义，甚至可能造成不可挽回的损失。

第二，短波通信在通信中存在不可避免的衰减，由于空气噪声，时间延迟等不同的原因，短波通信的信号会受到影响，从而导致信号的畸变，衰减等。由于电离层会受到昼夜温差，季节变化等的影响，造成传递短波信号的天波受到影响，导致其频率不稳定，加之一些单位使用的设备不具备自动选频功能，极大的影响了短波通信的安全性和可靠性。

2 协作通信技术在短波应急通信网中的应用

如上所述，本文主要针对短波应急通信网与协作通信的现状，对于协作通信在短波应急通信网中运用展开探讨与分析。将协作通信运用于短波应急通信中，首先我们需要明确两者的技术模型建立，基于前者的研究，以下将对几种主流形式的技术模型进行比较，进而得出可行性及适用性等结论。

2.1 无协作系单出入单输出（SISO）模型和单输入多输出（SIMO）模型

SISO是一种已知的传统点对点短波信道，信源在传播过程可能受到噪声干扰，需要经过调制，因此，假定接收终端信道状态已知，那么通过相干调制即可得到解调信号，该模型的特点为编译码相对简单，然而容量较小，能通性较低，面对目前发展趋势，实用性相对较低。

SIMO模型是一种基于SISO信道不足这一缺点延伸出的另一种无协作的技术模型。简单来说，是在发射端安装一根天线，在接收端（车载台站）上安装多根天线，利用分集技术，假设接收端提前预知CSI，通过相干解调最大比合并技术，即可获得解调信号。该模型能够弥补SISO模型信道不足的缺点，但由于其只适用于大功率且相对固定的基站，对于功率较小的移动台站，由于设备限制而无法满足其通信要求。由此，在移动台站间运用协作通信的技术模型成为迫切需求。

2.2 协作系多输入单输出（MISO）和多输入多输出（MIMO）模型

针对短波通信，在移动便携式台站间运用协作通信技术，通过共享天线，获得分集效益，从而提高系统的容量与可靠性。在协作系模型中，协作便携形式的传递台站与车载台站间使用一根天线。通过对假设数据进行公式的推导，可以得出共享一根天线的不同移动台站接收到的信号基本一致，其误差在可接受范围内。这个结果适用于MISO和MIMO两种协作系模型，对此可以得出结论，协作系模型传递便捷，信息衰减率低，可以有效保证信息传递的安全性和稳定性。

值得一提的是MIMO接入点与MIMO客户端之间可以同时接收和发送多个空间流，信道的大小随着天线数量的增加而呈现正相关增加，使得MIMO能在不增加发送功率的情况下，成倍的提升信息传播速率。

2.3 协作通信的信道容量与网络寿命分析

信道容量的分析。通过对信噪比，发射功率等数据的公式推导，可以得出以下结论：SIMO模型较SISO模型，信道有一定增加，原因在于其可以接收多个不同的信号衰落样本。由此可分析得出接收天线对数的增加直接导致了信道容量的增加。同时，相较于无协作系的SIMO和SISO模型，协作系的MISO和MIMO模型系统容量有了大幅提升，后者远高于前者，进一步证明了通过协作通信，天线数量的增加直接对应了信道容量的增加，信道容量作为直接衡量通信网络质量的指标之一，其质量是通信网络发展中不可忽视的重点之一。

2.4 技术运用中的注意事项

前文中已经提到部分短波应急通信网的应用现状，将协作通信运用到短波应急通信中一来是为了丰富短波通信的传播途径，二来，也能在一定程度上改善短波通信目前的不足。

第一，對于短波通信频段较窄，容易受到干扰的现状，利用MISO和MIMO模型适当调整信道容量，对于短波通信的稳定性和安全性将会产生大幅提升。

第二，针对短波通信在无线通信中地位及功能的弱化，在将协作通信运用于应急短波通信，利用协作通信的分集效益，降低发射端功率，做到节省成本，提高短波通信的经济价值，短波通信的地位自然而然得到提升，短波通信也会更受重视。

更好的利用短波通信，发展短波应急通信网，使其在应急通信网中起到更重要的作用是本文研究的目的也是主旨所在。将协作通信运用于短波应急通信网中，主要是利用协作通信的分集效益，弥补短波通信自身存在的不足，完善短波应急通信网。

3 结语

协作通信用于应急通信网已成为必然趋势，其具有信道广，衰减少，成本低等优点，能够弥补短波通信中信道窄、能量消耗大、易衰减等缺陷。协作通信应用于短波应急通信网中也使短波应急通信的设备更加简单、信息传输更加灵活、机动性更高，由此，短波通信在抗灾救灾、军事通信能够起到更重要的作用，并在今后较长时间内得到发展。

参考文献

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