氣象水文信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究范文

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摘要：

基于無線電臺的組網(wǎng)技術(shù)是一種新型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它支持節(jié)點(diǎn)多跳和轉(zhuǎn)發(fā)功能，能較好地解決野戰(zhàn)條件下各節(jié)點(diǎn)之間氣象水文信息無線通信問題，它具有架設(shè)簡便、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、傳輸速率快、安全保密度性好等特點(diǎn)。本文在介紹數(shù)據(jù)電臺無線組網(wǎng)的概念、框架及關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過案例對在野戰(zhàn)條件下基于數(shù)據(jù)電臺的氣象水文信息無線組網(wǎng)通信技術(shù)進(jìn)行了深入的探討。

關(guān)鍵詞：

氣象信息處理中心；分組網(wǎng)；WEP加密機(jī)制；集中控制方式

氣象水文條件不僅對部隊(duì)的野外駐訓(xùn)、軍演以及聯(lián)合作戰(zhàn)具有重大影響，而且對維和行動(dòng)、抗震救災(zāi)、反恐沖突等非戰(zhàn)爭軍事行動(dòng)的成功實(shí)施能提供重要保障，野戰(zhàn)局部范圍的氣象水文保障越來越重要，而氣象水文信息的獲取與及時(shí)交換則是氣象水文保障的基礎(chǔ)和前提。野外機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)條件下，氣象水文通信主要依賴于有線架設(shè)或人工傳遞，存在著通信易受電磁干擾，信息安全保密機(jī)制不完善等缺陷，影響了氣象水文保障的時(shí)效性、機(jī)動(dòng)性。研究表明使用UHF頻段寬帶技術(shù)的通用高速數(shù)據(jù)電臺不僅可滿足野戰(zhàn)氣象水文保障條件下固定站點(diǎn)間通信，也可用于移動(dòng)通信數(shù)據(jù)鏈需求。

1氣象水文信息網(wǎng)絡(luò)概述

1.1無線數(shù)據(jù)電臺概念通用高速數(shù)據(jù)電臺由收發(fā)信機(jī)、話筒、連接電纜及車載天線組成。電臺對外接口采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計(jì)，包括了以太網(wǎng)、RS232串行、USB、音頻等多種接口。電臺采用了模塊化設(shè)計(jì)，其軟件升級方便、靈活，可適用于不同網(wǎng)絡(luò)間的連接。電臺對收發(fā)信道中頻以下的信號進(jìn)行數(shù)字化處理，使其性能更加穩(wěn)定和優(yōu)良。它設(shè)計(jì)了通信帶寬可調(diào)、數(shù)字式陷波濾波器和語音識別靜噪功能，具備多功能多業(yè)務(wù)數(shù)字信號處理功能，通過加注不同的軟件可實(shí)現(xiàn)模擬跳頻功能、數(shù)字跳頻功能、定頻并行體制調(diào)解器功能，定頻串行體制調(diào)解器功能和跳頻串行體制調(diào)解器功能。電臺以數(shù)據(jù)、話音業(yè)務(wù)為主，具備數(shù)據(jù)和話音同傳、主臺強(qiáng)插、時(shí)分雙工及低速聲碼話等功能。高速數(shù)據(jù)電臺的可調(diào)信息傳輸速率在64kbps-256kbps之間，可以支持大文件、視頻等大容量的數(shù)據(jù)傳輸。其數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)延不大于64ms，可適用于短報(bào)文突發(fā)性快速傳輸。此外，電臺還具有多播和廣播傳輸特點(diǎn)，可支持16-64個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。上述這些性能及特點(diǎn)能夠滿足了野戰(zhàn)氣象水文條件下無線組網(wǎng)需求，達(dá)到了氣象水文信息網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)。數(shù)據(jù)電臺的基本業(yè)務(wù)包括話音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，話音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以同時(shí)傳輸。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)包括非IP數(shù)據(jù)和IP數(shù)據(jù)兩種。兩種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)均為傳輸速率收方自適應(yīng)，即發(fā)送方速率和接收方速率無需預(yù)先設(shè)置為一致，接收方能自動(dòng)適應(yīng)發(fā)送方速率，實(shí)現(xiàn)正確的解碼。非IP數(shù)據(jù)用串口終端軟件發(fā)送和接收，非IP數(shù)據(jù)為一跳內(nèi)廣播報(bào)文，即一跳內(nèi)電臺節(jié)點(diǎn)均能收到該報(bào)文但不進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

1.2基于數(shù)據(jù)電臺的氣象水文信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與框架基于數(shù)據(jù)電臺的氣象水文網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)功能性的集約化系統(tǒng)平臺，提供氣象水文信息的共享和傳輸，用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范對各種不同氣象水文數(shù)據(jù)接收采集設(shè)備實(shí)行集中管理[1]。如圖1所示，戰(zhàn)術(shù)性氣象水文信息網(wǎng)絡(luò)由三部分構(gòu)成：氣象信息處理中心、數(shù)據(jù)采集接收系統(tǒng)及傳輸系統(tǒng)。氣象信息處理中心是主節(jié)點(diǎn)，它將數(shù)據(jù)采集接收系統(tǒng)傳送來的信息進(jìn)行記錄、處理，提取有用信息，建立氣象資料數(shù)據(jù)庫，為氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供氣象水文信息共享服務(wù)。數(shù)據(jù)采集接收系統(tǒng)由三部分組成：氣象衛(wèi)星資料接收系統(tǒng)、自動(dòng)觀探測系統(tǒng)以及車載氣象雷達(dá)系統(tǒng)。氣象衛(wèi)星資料接收主要負(fù)責(zé)接收氣象衛(wèi)星遙感信息、衛(wèi)星電視氣象水文廣播信息、VSAT網(wǎng)絡(luò)資料等。自動(dòng)觀探測系統(tǒng)負(fù)責(zé)測量和采集本區(qū)域的溫度、氣壓、濕度、雨量、風(fēng)向和風(fēng)速等信息。車載氣象雷達(dá)系統(tǒng)包括風(fēng)廓線儀、測雨雷達(dá)、測風(fēng)雷達(dá)等，負(fù)責(zé)探測演習(xí)和野戰(zhàn)訓(xùn)練區(qū)域?qū)崟r(shí)天氣狀態(tài)。氣象水文信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不僅可以自組野戰(zhàn)氣象水文局域網(wǎng)，還可以與現(xiàn)有的氣象水文信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相連。通過互連，可以將野戰(zhàn)區(qū)域局部范圍的氣象水文資料傳輸?shù)綒庀笏男畔⒕W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，為上級氣象預(yù)報(bào)保障提供實(shí)況資料。也可通過該網(wǎng)絡(luò)將氣象水文信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的資料傳輸?shù)揭皯?zhàn)氣象信息處理中心，為野戰(zhàn)氣象水文預(yù)報(bào)及保障工作提供信息支持。表1描述了該網(wǎng)絡(luò)可連接的氣象水文裝備以及可轉(zhuǎn)發(fā)的信息種類。

1.3基于數(shù)據(jù)電臺的氣象水文信息網(wǎng)絡(luò)原理與特點(diǎn)氣象水文信息網(wǎng)絡(luò)所使用的高速數(shù)據(jù)電臺具有數(shù)據(jù)鏈和分組網(wǎng)兩種網(wǎng)絡(luò)模式。下面分別根據(jù)這兩種模式介紹其特點(diǎn)和使用場合。數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)模式支持載波偵聽多址接入（CSMA）、時(shí)分多址接入（TDMA）兩種接入方式。一般采用時(shí)分多址接入（TDMA）方式。數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)模式的優(yōu)點(diǎn)是延時(shí)小，而且可預(yù)計(jì)，最佳情況下信道利用率高。缺點(diǎn)是使用前需要配置時(shí)隙，需要設(shè)定發(fā)送速率，而且不具備多跳自動(dòng)路由轉(zhuǎn)發(fā)功能。典型組織應(yīng)用場景為各節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)流量固定的全通網(wǎng)或?qū)崟r(shí)性要求高的全通網(wǎng)。分組網(wǎng)模式采用CSMA接入方式。分組網(wǎng)模式的優(yōu)點(diǎn)是使用前無需預(yù)先分配時(shí)隙，具備多跳自動(dòng)路由轉(zhuǎn)發(fā)功能和鏈路速率自適應(yīng)功能。此外，還具備遲入網(wǎng)功能，強(qiáng)制入網(wǎng)，強(qiáng)制退網(wǎng)功能，進(jìn)入和退出靜默狀態(tài)功能[2]。其中，鏈路速率自適應(yīng)功能是指電臺能夠自動(dòng)根據(jù)當(dāng)前的鏈路情況選擇合適的通信速率，在信道質(zhì)量好的時(shí)候自動(dòng)使用高速率進(jìn)行傳輸，信道質(zhì)量差的時(shí)候自動(dòng)降低速率以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β省Ｈ秉c(diǎn)是延時(shí)不確定，而且在高業(yè)務(wù)負(fù)載時(shí)網(wǎng)絡(luò)性能下降。典型組織應(yīng)用場景為各節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)流量不固定和鏈路狀態(tài)變化頻繁的多跳AdHoc網(wǎng)。

2無線電臺組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1TDMA自組網(wǎng)技術(shù)氣象水文信息網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的自組織和自恢復(fù)組網(wǎng)能力[3]，它采用TDMA技術(shù)將時(shí)間分割成周期性的幀，每一幀再分割成若干時(shí)隙。在時(shí)分雙工(TDD)方式中，上下行幀都在相同的頻率上。通過在每個(gè)時(shí)隙中，專門劃出部分比特用于控制和信令信息的傳輸。為了克服多徑引起的碼間干擾，在時(shí)隙中要插入自適應(yīng)均衡器所需的訓(xùn)練序列。接收端根據(jù)訓(xùn)練序列的解調(diào)結(jié)果，估計(jì)出信道的沖擊響應(yīng)，根據(jù)該響應(yīng)，消除碼間干擾對整個(gè)時(shí)隙的影響。這樣可以克服因電臺移動(dòng)引起的信息號間干擾，保證了不同電臺發(fā)出的信號，都能落在規(guī)定的時(shí)隙里，而不會出現(xiàn)相互重疊的現(xiàn)象。

2.2無線加密技術(shù)野戰(zhàn)條件下，為了能確保氣象水文信息安全傳輸，提高傳輸?shù)目煽啃裕瑲庀笏木W(wǎng)絡(luò)通常采用抗干擾加密技術(shù)。基于無線數(shù)據(jù)電臺的網(wǎng)絡(luò)使用WEP加密機(jī)制方式[4]，如圖2所示。數(shù)據(jù)和控制信號在發(fā)送節(jié)點(diǎn)被加密，在接收節(jié)點(diǎn)被解密，它將每個(gè)野戰(zhàn)氣象水文信息節(jié)點(diǎn)作為用戶，采用符合WPA安全架構(gòu)的802.1X標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證接入方式。認(rèn)證通過的用戶將獲得一個(gè)唯一主密鑰，通過密鑰和負(fù)責(zé)接入的對方節(jié)點(diǎn)根據(jù)TKIP方法動(dòng)態(tài)生成數(shù)據(jù)包唯一加密密鑰，通信雙方以此進(jìn)行通信加密，從而提高了無線局域網(wǎng)內(nèi)的敏感數(shù)據(jù)在空中傳輸?shù)陌踩潭取?/p>

3無線數(shù)據(jù)電臺組網(wǎng)方式和應(yīng)用方案

目前野外機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)條件下，基于無線數(shù)據(jù)電臺的氣象水文信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為3種：分布式對等方式、集中控制方式、以及混合方式。在分布式對等方式中，無線電臺網(wǎng)中的任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間可以直接通信，無需設(shè)中心轉(zhuǎn)接站，這時(shí)的MAC控制功能由各站分布管理。這種方式同IEEE802.3局域網(wǎng)類似，網(wǎng)上站點(diǎn)共享一個(gè)無線信道，通常使用CSMA/CA作為MAC協(xié)議，這種方式的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單容易維護(hù)。集中控制方式情況下，在無線數(shù)據(jù)電臺網(wǎng)絡(luò)中需要設(shè)置一個(gè)中心控制站，主要完成MAC控制及信道的分配等功能。網(wǎng)絡(luò)中其它氣象水文節(jié)點(diǎn)在該中心的協(xié)調(diào)下相互通信。由于對信道資源分配，MAC控制采用集中控制方式，這使得信道利用率大大提高，網(wǎng)絡(luò)吞吐性能優(yōu)于分布式對等方式。混合方式是前兩種方式組合，這種方式下，網(wǎng)絡(luò)中的任意氣象水文節(jié)點(diǎn)可直接通信，而中心節(jié)點(diǎn)完成部分無線信道資源控制。下面以無線高速數(shù)據(jù)電臺為例，介紹一個(gè)實(shí)際組網(wǎng)方案，如圖3所示。野戰(zhàn)條件下，典型的氣象水文通信保障設(shè)備主要包括車載雷達(dá)、車載CCTV接收設(shè)備以及便攜式自動(dòng)觀探測設(shè)備等，通過基于無線電臺的氣象水文信息網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)雷達(dá)資料、觀探測資料的實(shí)時(shí)傳輸和共享。該網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置了五個(gè)通信保障節(jié)點(diǎn)，覆蓋范圍在12×12Km左右。各節(jié)點(diǎn)之間采取分布式對等方式直接通信。在這種方式下通過測試，信息的傳輸速率平均在220kbps，誤碼率保持在99.2%左右，網(wǎng)絡(luò)建立時(shí)間為2.5分鐘，滿足氣象水文信息網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)時(shí)間要求和氣象水文資料傳輸實(shí)時(shí)性需求。

4結(jié)束語

基于數(shù)據(jù)電臺的氣象水文網(wǎng)絡(luò)以TDMA自組網(wǎng)自恢復(fù)技術(shù)、WEP加密機(jī)制方式作為該網(wǎng)絡(luò)的主要技術(shù)，建立具有三層結(jié)構(gòu)氣象信息網(wǎng)絡(luò)平臺，可作為野戰(zhàn)環(huán)境下組網(wǎng)設(shè)計(jì)的備選方案，可實(shí)現(xiàn)地理上分散的各個(gè)氣象水文觀探測節(jié)點(diǎn)互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)氣象水文信息資源整合。基于數(shù)據(jù)電臺的氣象水文信息網(wǎng)絡(luò)在野外機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)條件下的廣泛使用，必將進(jìn)一步提高氣象保障的能力。

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作者：胡友彬 胡一帆 史緯恒 單位：解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院