气象水文信息网络技术研究范文

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摘要：

基于无线电台的组网技术是一种新型的网络技术，它支持节点多跳和转发功能，能较好地解决野战条件下各节点之间气象水文信息无线通信问题，它具有架设简便、机动性强、传输速率快、安全保密度性好等特点。本文在介绍数据电台无线组网的概念、框架及关键技术的基础上，通过案例对在野战条件下基于数据电台的气象水文信息无线组网通信技术进行了深入的探讨。

关键词：

气象信息处理中心；分组网；WEP加密机制；集中控制方式

气象水文条件不仅对部队的野外驻训、军演以及联合作战具有重大影响，而且对维和行动、抗震救灾、反恐冲突等非战争军事行动的成功实施能提供重要保障，野战局部范围的气象水文保障越来越重要，而气象水文信息的获取与及时交换则是气象水文保障的基础和前提。野外机动作战条件下，气象水文通信主要依赖于有线架设或人工传递，存在着通信易受电磁干扰，信息安全保密机制不完善等缺陷，影响了气象水文保障的时效性、机动性。研究表明使用UHF频段宽带技术的通用高速数据电台不仅可满足野战气象水文保障条件下固定站点间通信，也可用于移动通信数据链需求。

1气象水文信息网络概述

1.1无线数据电台概念通用高速数据电台由收发信机、话筒、连接电缆及车载天线组成。电台对外接口采用标准化、系列化设计，包括了以太网、RS232串行、USB、音频等多种接口。电台采用了模块化设计，其软件升级方便、灵活，可适用于不同网络间的连接。电台对收发信道中频以下的信号进行数字化处理，使其性能更加稳定和优良。它设计了通信带宽可调、数字式陷波滤波器和语音识别静噪功能，具备多功能多业务数字信号处理功能，通过加注不同的软件可实现模拟跳频功能、数字跳频功能、定频并行体制调解器功能，定频串行体制调解器功能和跳频串行体制调解器功能。电台以数据、话音业务为主，具备数据和话音同传、主台强插、时分双工及低速声码话等功能。高速数据电台的可调信息传输速率在64kbps-256kbps之间，可以支持大文件、视频等大容量的数据传输。其数据发送时延不大于64ms，可适用于短报文突发性快速传输。此外，电台还具有多播和广播传输特点，可支持16-64个网络节点。上述这些性能及特点能够满足了野战气象水文条件下无线组网需求，达到了气象水文信息网络性能指标。数据电台的基本业务包括话音业务和数据业务，话音业务和数据业务可以同时传输。数据业务包括非IP数据和IP数据两种。两种数据业务均为传输速率收方自适应，即发送方速率和接收方速率无需预先设置为一致，接收方能自动适应发送方速率，实现正确的解码。非IP数据用串口终端软件发送和接收，非IP数据为一跳内广播报文，即一跳内电台节点均能收到该报文但不进行转发。

1.2基于数据电台的气象水文信息网络结构与框架基于数据电台的气象水文网络是一个功能性的集约化系统平台，提供气象水文信息的共享和传输，用统一的数据标准与规范对各种不同气象水文数据接收采集设备实行集中管理[1]。如图1所示，战术性气象水文信息网络由三部分构成：气象信息处理中心、数据采集接收系统及传输系统。气象信息处理中心是主节点，它将数据采集接收系统传送来的信息进行记录、处理，提取有用信息，建立气象资料数据库，为气象业务系统提供气象水文信息共享服务。数据采集接收系统由三部分组成：气象卫星资料接收系统、自动观探测系统以及车载气象雷达系统。气象卫星资料接收主要负责接收气象卫星遥感信息、卫星电视气象水文广播信息、VSAT网络资料等。自动观探测系统负责测量和采集本区域的温度、气压、湿度、雨量、风向和风速等信息。车载气象雷达系统包括风廓线仪、测雨雷达、测风雷达等，负责探测演习和野战训练区域实时天气状态。气象水文信息网络系统不仅可以自组野战气象水文局域网，还可以与现有的气象水文信息网络系统相连。通过互连，可以将野战区域局部范围的气象水文资料传输到气象水文信息网络系统中，为上级气象预报保障提供实况资料。也可通过该网络将气象水文信息网络系统中的资料传输到野战气象信息处理中心，为野战气象水文预报及保障工作提供信息支持。表1描述了该网络可连接的气象水文装备以及可转发的信息种类。

1.3基于数据电台的气象水文信息网络原理与特点气象水文信息网络所使用的高速数据电台具有数据链和分组网两种网络模式。下面分别根据这两种模式介绍其特点和使用场合。数据链网络模式支持载波侦听多址接入（CSMA）、时分多址接入（TDMA）两种接入方式。一般采用时分多址接入（TDMA）方式。数据链网络模式的优点是延时小，而且可预计，最佳情况下信道利用率高。缺点是使用前需要配置时隙，需要设定发送速率，而且不具备多跳自动路由转发功能。典型组织应用场景为各节点业务流量固定的全通网或实时性要求高的全通网。分组网模式采用CSMA接入方式。分组网模式的优点是使用前无需预先分配时隙，具备多跳自动路由转发功能和链路速率自适应功能。此外，还具备迟入网功能，强制入网，强制退网功能，进入和退出静默状态功能[2]。其中，链路速率自适应功能是指电台能够自动根据当前的链路情况选择合适的通信速率，在信道质量好的时候自动使用高速率进行传输，信道质量差的时候自动降低速率以提高数据传输的成功率。缺点是延时不确定，而且在高业务负载时网络性能下降。典型组织应用场景为各节点业务流量不固定和链路状态变化频繁的多跳AdHoc网。

2无线电台组网关键技术

2.1TDMA自组网技术气象水文信息网络具有较强的自组织和自恢复组网能力[3]，它采用TDMA技术将时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙。在时分双工(TDD)方式中，上下行帧都在相同的频率上。通过在每个时隙中，专门划出部分比特用于控制和信令信息的传输。为了克服多径引起的码间干扰，在时隙中要插入自适应均衡器所需的训练序列。接收端根据训练序列的解调结果，估计出信道的冲击响应，根据该响应，消除码间干扰对整个时隙的影响。这样可以克服因电台移动引起的信息号间干扰，保证了不同电台发出的信号，都能落在规定的时隙里，而不会出现相互重叠的现象。

2.2无线加密技术野战条件下，为了能确保气象水文信息安全传输，提高传输的可靠性，气象水文网络通常采用抗干扰加密技术。基于无线数据电台的网络使用WEP加密机制方式[4]，如图2所示。数据和控制信号在发送节点被加密，在接收节点被解密，它将每个野战气象水文信息节点作为用户，采用符合WPA安全架构的802.1X标准认证接入方式。认证通过的用户将获得一个唯一主密钥，通过密钥和负责接入的对方节点根据TKIP方法动态生成数据包唯一加密密钥，通信双方以此进行通信加密，从而提高了无线局域网内的敏感数据在空中传输的安全程度。

3无线数据电台组网方式和应用方案

目前野外机动作战条件下，基于无线数据电台的气象水文信息网络拓扑结构可分为3种：分布式对等方式、集中控制方式、以及混合方式。在分布式对等方式中，无线电台网中的任意两个节点之间可以直接通信，无需设中心转接站，这时的MAC控制功能由各站分布管理。这种方式同IEEE802.3局域网类似，网上站点共享一个无线信道，通常使用CSMA/CA作为MAC协议，这种方式的特点是结构简单容易维护。集中控制方式情况下，在无线数据电台网络中需要设置一个中心控制站，主要完成MAC控制及信道的分配等功能。网络中其它气象水文节点在该中心的协调下相互通信。由于对信道资源分配，MAC控制采用集中控制方式，这使得信道利用率大大提高，网络吞吐性能优于分布式对等方式。混合方式是前两种方式组合，这种方式下，网络中的任意气象水文节点可直接通信，而中心节点完成部分无线信道资源控制。下面以无线高速数据电台为例，介绍一个实际组网方案，如图3所示。野战条件下，典型的气象水文通信保障设备主要包括车载雷达、车载CCTV接收设备以及便携式自动观探测设备等，通过基于无线电台的气象水文信息网络，可实现雷达资料、观探测资料的实时传输和共享。该网络中设置了五个通信保障节点，覆盖范围在12×12Km左右。各节点之间采取分布式对等方式直接通信。在这种方式下通过测试，信息的传输速率平均在220kbps，误码率保持在99.2%左右，网络建立时间为2.5分钟，满足气象水文信息网络自组网时间要求和气象水文资料传输实时性需求。

4结束语

基于数据电台的气象水文网络以TDMA自组网自恢复技术、WEP加密机制方式作为该网络的主要技术，建立具有三层结构气象信息网络平台，可作为野战环境下组网设计的备选方案，可实现地理上分散的各个气象水文观探测节点互联互通，实现气象水文信息资源整合。基于数据电台的气象水文信息网络在野外机动作战条件下的广泛使用，必将进一步提高气象保障的能力。

参考文献

[1]谢俊汉.浅析计算机无线网络中的应用[J].中国教育技术装备,2007(1).

[2]王茂才，戴光明，宋军.无线局域网的安全性研究[J].计算机应用研究，2007,24(1):158-160.

[3]陈卓，王瑞民.TKIP的MIC-Michael算法和安全性设计分析[J].计算机工程与设计,2006,27(7):1149-1150.

[4]冷月.无线网络保卫战[J].计算机应用文摘,2006(26):79-81.

作者：胡友彬 胡一帆 史纬恒 单位：解放军理工大学气象海洋学院