本发明属于网络数据通信领域，涉及一种基于短波通信的多用户分布式应急同步组网方法。
背景技术
短波通信网络主要利用电离层反射实现有限数据或话音低速传输，是一种典型的窄带低速通信手段，具有建设成本低、部署灵活、抗毁性强等独特优点，不需要建立中继站即可实现中、远距离通信，特别适合通信基础设施受限，且传输业务量较小的数据传输网络。
而随着地面光纤、卫星和微波等宽带通信网络的覆盖区域的扩展，利用短波通信网络作为主要通信网络的情况日渐减少，但对于重要业务系统，在考虑常规通信网络的同时，需要考虑一套应急通信网络，作为主用链路故障时的降级业务传输的通信手段。基于短波通信网络的特点，将短波通信网络作为应急通信网络的组网方法，可以在抗毁性和经济成本方面获得较强的优势。
类似于人工情报侦察系统、边防监控、雷达预警等侦察与监视系统(以下简称系统)中，采用大量分布广阔的声学、光电、震动、雷达等远端传感器站点(以下简称远端站)完成目标数据收集，将监视数据通过通信网络上报到区域内的数据收集中心(以下简称区域中心)，中心经过处理后再将数据上报到更高级的数据收集中心(以下简称上级中心)，即通常采用远端站、区域中心和上级中心等多层组织架构。中心和上级中心之间的通信通常采用可靠地光纤网络作为通信手段，且考虑可靠性和带宽较高的微波或卫星通信网络作为备用通信网络，能够在主用通信网络时，通过备份通信网络完成业务的全功能替换。而由于远端站所部署地点通常条件受限，通常考虑采用微波、卫通等通信网络作为通信手段，而在主用通信网络故障时，通过短波通信网络作为应急手段，实现业务的降级传输。
系统为实现远端站与区域中心之间的通过短波通信网络实现应急数据收集，通常需要在区域中心配置足够的短波电台(或短波接收机)，在远端站与区域中心之间主用链路故障时，区域中心能够提供短波接收能力支持区域内远端站的短波电台的业务上传。而大量短波电台共址，将容易造成严重的互相干扰。典型的降低短波电台共址干扰方法是通过增大天线之间间距(经测试，功率为125w的短波间隔200khz工作时，天线需要之间距离50m)，保证足够的天线隔离度，而大量短波电台共址势必需要中心无法满足的大型场地要求。因此，首要的是优化中心短波电台的配置方案。
根据短波通信网络是否具有统一的时间基准，可为异步组网和同步组网传输方式。异步组网(通常采用竞争或轮询)相对短波同步组网方式，具有组网速度快、组网灵活、对定时精度的要求低等明显优势，但同样带来带宽利用率低、时序集中控制的缺点，特别是因为短波通信网络信道特点，导致分布位置的远端站与互联的数据中心之间可通频率并非一致，竞争或轮询异步组网方式不适用于短波通信网络的组网。
由于短波通信网络节点之间可通频率的不一致性，常用的同步信道共享接入或调度策略已经不适合于短波多用户共享接入网络，而在区域中心分配一个固定的短波电台作为对应远端站的应急接入则造成该中心资源的严重空置。另外系统通常将远端站规划部署到指定的区域，在与所属中心之间主用链路故障时，自动切换到短波通信网络，接入所属中心。而该固定分配方式会出现部分中心所提供短波电台数量不足，但部分区域中心所提供短波电台严重闲置，造成短波电台使用的严重不均衡。因此，需要研制一种接入策略，实现远端站所在区域中心短波电台空余时，区域中心按需分配短波电台；而当所在区域中心短波电台使用饱和时，能够充分调用其他区域中心的空置电台，实现全网短波电台的分布式共享接入。
系统对短波应急通信网络的需求特点和短波通信网络的传输特性，需要提出一种短波网络配置方案，使得多部短波电台共享同一部天线，避免多天线共址干扰；并通过一种短波电台全网的分布式共享接入和同步组网方法，实现多用户分布式应急通信组网。
技术实现要素：
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供适合于短波通信网络的多用户分布式应急同步组网方法。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于短波通信的多用户分布式应急同步组网方法，包括如下步骤：
步骤1：配置网络：部署1个上级中心和m个区域中心，m个区域共部署n个远端站，上级指控中心与m个区域中心，以及各m个区域中心之间通过通信网络互联，区域中心与传感器站点配置主用链路(如微波或卫通)，同时配置短波应急通信网络，短波应急通信网络包括短波中心控制器和短波远端控制器；
步骤2：配置归属关系：远端站配置有且只有1个主区域中心，同时配置两个以上备区域中心或不配置备区域中心；
步骤3：规划呼叫信道表：同一时段远端站的呼叫信道表的信道频率包含远端站与主区域中心和备区域中心之间的可通频率，并设置不同时段的呼叫信道表(根据短波信道可通频率变化特点，一天24小时划分成多个时间段，比如一个小时为一个时段)；
步骤4：同步组网时隙规划：本发明的整个短波通信网络采用同步组网方式，即包括m套区域中心和所有远端站，所有区域中心和远端站短波电台工作常态为接收状态，通过短波中心控制器或短波远端控制器激活本地短波收发机的发射状态。短波中心控制器或短波远端控制器均配置统一的时钟源，在建网和业务传输过程中，实现所有短波电台都响应相同同步信号；全网同步周期为t，包含t1和t2时隙，t1为下行业务传输时隙和组网控制时隙，t2为上行业务传输时隙。短波中心控制器或短波远端控制器持续统一的时钟信号，每个同步周期t的t1时隙到，则执行步骤5；每个同步周期t的t2时隙到，则执行步骤6。
步骤5：同步组网控制：远端站与区域中心之间主用链路畅通时，设置远端站处于信道扫描状态，短波中心控制器与短波远端控制器监测主用链路状态，如果短波中心控制器监测到一远端站与主区域中心之间主用链路正常，则该远端站与主区域中心之间将采用主用链路进行业务传输，返回步骤4；如果短波中心控制器监测到该远端站与主区域中心之间主用链路故障，则执行步骤7；如果短波中心控制器监测到主用链路状态由故障转为激活，则执行步骤8；
步骤6：同步组网传输：已经接入短波网络的远端站的短波远端控制器通过短波收发机发送业务，所对应的短波接收机接收业务进行业务回传，然后执行步骤4；
步骤7：分配接入区域中心：主区域中心判断本地是否有空闲短波接收机，如果有则执行步骤9；如果没有则执行步骤10；
步骤8：恢复主用链路：短波收发机切换到扫描状态，并释放当前的对应短波接收机，执行步骤4；
步骤9：呼叫与值守短波接收机分配：短波中心控制器控制短波收发机根据步骤3呼叫信道表与远端站实现单呼建链，然后分配一台短波接收机作为该远端站的接收值守短波接收机，执行步骤4；
步骤10：备区域中心调度，建立回传链路：根据规划，主区域中心依次查询备份区域中心短波接收机空闲情况，选定备区域中心，并通过光纤或卫通等宽带链路建立主备区域中心之间的数据回传信道，实现协调备区域中心空闲接收机分配和数据回传，执行步骤9。
步骤1中所述配置短波应急通信网络包括：在每个区域中心配置1套短波中心控制器，短波中心控制器连接1套短波收发机和k套短波接收机，短波收发机和k套短波接收机通过射频共享器共用一根短波全向天线，每个传感器站点均部署1套短波远端控制器，每套短波远端控制器均与1套短波收发机相连。
步骤2中，所有的主区域中心和备区域中心均在短波中心控制器维护1张全网的归属关系表，所有区域中心和远端站均采用统一顺序编址，每个中心仅对短波收发机配置1个地址，接收机可不配置地址，通过配置主和备区域中心，在呼叫信道表覆盖远端站与主和备区域中心条件下，可以满足全网中心短波接收机的分布式共享。
步骤3中，短波远端控制器和短波中心控制器均存储所有下属远端站的呼叫信道表，并控制本地短波收发机切换扫描呼叫信道表或选择相应的呼叫信道表发起单呼建链。
步骤5、7、9和10中所述的同步组网控制过程中，通过区域中心监测主用链路故障判定启用短波应急通信网络，采用区域中心站发起单呼建链，实现短波应急通信网络快速响应和多接收机的按需动态共享。根据主区域中心接收机空闲状态判定远端站接入本区域中心或备区域中心，并按需建立异地业务回传链路，实现多远端站对多区域中心的分布式接入。
本发明中短波中心控制器和短波远端控制器的硬件均采用通用的嵌入式处理平台，提供分别连接电台的异步串行接口和连接区域中心局域网的以太网接口，软件开发采用linux操作系统。
本发明首先提出通过多部短波电台共用同一根天线，彻底避免大量短波天线共址的网络配置方案。同步组网为所有站点短波电台配置相同的时钟源，同时在建网和业务传输过程中，所有短波电台都响应相同同步信号，从而完全避免了多天线共址干扰或多电台共用天线的干扰。本发明针对多电台天线共用的网络配置方案，提出适合短波通信网络的同步组网时序规划。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)通过多电台天线共享和同步组网技术，彻底解决了多天线共址干扰，优化中心短波设备部署；(2)通过呼叫信道表覆盖主和备区域中心，并采用定时切换呼叫信道表，消除短波通信不同节点之间可同频率不一致性影响，提供单呼建链时间和同步组网效率。(3)通过多接收机动态调度，实现有限短波接收机资源的对多远端站的按需接入和动态共享；(4)通过主备区域中心配置，并建立回传链路，实现多远端站对多中心的分布式共享接入，提高了全网接收机资源利用率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为本发明的应用场景示意图。
图2为本发明的中心和远端站短波设备配置。
图3为本发明的实施步骤。
图4为本发明的同步组网时隙规划示意图。
图5为本发明中报文字段组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
实施例
结合图1、图2和图3，本发明的一种基于短波通信网络的多用户分布式应急通信同步方法，包括以下步骤：
步骤1：配置网络。系统部署1个上级中心和m(m为自然数)个区域中心，m个区域中心共部署n(n为自然数)个远端站。上级中心与m个区域中心，以及各m个区域中心之间通过可靠的通信网络互联。区域中心与远端站配置主用链路同时配置短波作为应急通信网络，应用场景如图1所示。
对于短波应急通信网络，本发明的网络结构如图2所示，在每个区域中心配置1套短波中心控制器，连接1套短波收发机和k(k为自然数)套短波接收机，所有短波电台通过天线共享器，通过分时共用同一根短波全向天线。每个远端站均部署1套短波远端控制器连接1套短波收发机。
本发明中短波中心控制器和短波远端控制器的硬件均采用通用的嵌入式处理平台，提供分别连接电台的异步串行接口和连接中心局域网的以太网接口，软件开发采用linux操作系统。短波收发机采用符合《gjb2077-2007短波自适应通信系统自动线路建立规范》(以下简称《规范》)标准的短波电台。然后，执行步骤2。
步骤2：配置归属关系。远端站配置1个主区域中心和多个备区域中心，各区域中心均在短波中心控制器维护1张全网的归属关系表，且各区域中心之间采用可靠的通信网络互联。所有区域中心和远端站均采用统一顺序编址，每个区域中心仅对短波收发机配置1个地址，接收机可不配置地址。每个远端站有且只有1个主区域中心，同时可配置多个备区域中心或不配置备区域中心，本发明采用的归属关系表如表1(全网的归属关系表)所示。然后，执行步骤3。
表1
步骤3：规划呼叫信道表。短波信道特点决定不同节点之间可通频率的存在不一致性，为实现主和备区域中心在同一时刻均能实现与远端站短波收发机成功呼叫建链，本发明提出同一时段远端站的呼叫信道表(本发明呼叫信道表可与业务信道表设置一致，以提高可同频率的利用率)的信道频率包含远端站与主和备区域中心之间的可通频率，确保任意主区域中心或备区域中心对该远端站发起呼叫建链时能够建链成功。并根据短波信道日夜频率变化的特点，设置不同时段的呼叫信道表，短波远端控制器和短波中心控制器均存储所有下属远端站的呼叫信道表，并适时控制本地短波收发机切换扫描呼叫信道表或选择相应的呼叫信道表发起单呼建链，避免通常呼叫信道表包含日夜等不同时段的频率，导致单呼建链时间过长，影响同步组网效率。本发明所提出的呼叫信道规划表如表2(呼叫信道规划表)所示。其中x(x为自然数)为可用的信道号，g1，g2…,gi…表示不同的呼叫信道表，《规范》规定为00～99的自然数。然后，执行步骤4。
表2
步骤4：同步组网时隙规划。本发明的整个短波通信网络采用同步组网方式，即包括m套中心和所有远端站，所有区域中心和远端站短波电台工作常态为接收状态，通过短波中心控制器或短波远端控制器激活本地短波收发机的发射状态。短波中心控制器或短波远端控制器均配置gps作为统一的时钟源，在建网和业务传输过程中，实现所有短波电台都响应相同同步信号。
全网同步时隙分配如图4所示，全网同步周期为t，且t＝t1+t2。其中，t1下行业务传输时隙和组网控制时隙，即t1作为区域中心短波收发机发送下行业务时隙，同样是远端站短波收发机接收下行业务时隙；以及区域中心短波收发机与远端站短波收发机的单呼建链所在的时隙，t1需要大于自动控制通信呼叫的一次单呼建链时间，该单呼建链时间与呼叫信道表的参数成员有关，请选择参照《规范》。t2为上行业务传输时隙，即区域中心短波接收机接收来自已经接入短波网络的远端站短波收发机发送的业务所在的时隙。
短波中心控制器或短波远端控制器持续统一的时钟信号，每个同步周期t的t1时隙到，则执行步骤5；每个同步周期t的t2时隙到，则执行步骤6。
步骤5：同步组网控制。区域中心配置有限数量的短波接收机，采用步骤4的同步组网时隙规划后，区域中心配置的一套短波收发机信道驻守或扫描状态以及扫描呼叫信道表的状态不确定，所有不能采用常规的远端站申请入网的方式。本发明采用远端站与区域中心之间主用链路畅通时，设置远端站处于信道扫描状态，扫描呼叫信道表参照步骤3的配置。短波中心控制器与短波远端控制器监测主用链路状态。
短波中心控制器与短波远端控制器之间通过主用链路建立维护报文，持续监测周期t内各远端站与其主区域中心之间的链路状态，同时在周期t内监测通过短波应急链路接收到的各远端站状态，如表3(短波链路状态表)所示。其中，active和off分别表示主区域中心与远端站之间主或应急链路激活或断开状态，在应急链路active状态时并指定当前连接的区域中心。
表3
短波中心控制器持续监测链路状态表状态：
1)如果远端站i与主区域中心之间主用链路正常，则远端站i与主区域中心之间将采用主用链路进行业务传输，将远端站i主用链路标识为active，短波链路为off，如表4(短波链路状态表-主用链路正常)所示。返回步骤4；
表4
2)如果短波中心控制器监测到远端站i与主区域中心之间主用链路故障，则执行步骤7；
3)如果短波中心控制器监测到主用链路状态由故障off转为激活active，则执行步骤8。
步骤6：同步组网传输。已经接入短波网络的远端站的短波远端控制器通过短波收发机发送的业务，所对应的区域中心短波接收机接收业务。短波中心控制器判断本地接收机接收的业务目的地址为区域中心，则将业务数据较为应用软/硬件处理。如果接收中心为该远端站的备区域中心，则根据步骤10建立的回传链路将业务数据传输到对应的主区域中心短波中心控制器，由其将业务数据较为应用软/硬件处理。然后执行步骤4。
步骤7：分配接入区域中心。主区域中心判断本地是否有空闲接收机，如果有则执行步骤9；如果没有则执行步骤10；
步骤8：恢复主用链路。如果短波中心控制器监测到主用链路状态由故障off转为激活active，则短波中心控制器通过主用链路告知远端短波远端控制器控制短波收发机切换到步骤3表2参数对应的扫描状态，同时短波中心控制器控制释放本中心或当前接入中心对应短波接收机，将短波链路状态表更新为表4。执行步骤4。
步骤9：呼叫与值守接收机分配。短波中心控制器查询步骤3的表2，获取远端站n的该时段呼叫信道表为si，配置短波收发机切换到呼叫信道表si，控制其对远端站n发起单呼建链，等待在信道ci握手成功。然后，短波中心控制器控制本地空闲的一台短波接收机切换到信道ci作为远端站n的值守短波接收机，并通过短波信道通知远端站n的短波远端控制器宣告应急通信网络建立，并将短波链路状态表更新为表5(短波链路状态表-主用链路正常)，其中中心i为本中心，中心j为当前该远端站接入的中心。然后执行步骤4；
表5
步骤10：备区域中心调度，建立回传链路。短波中心控制器随机查询步骤2表1中远端站n备区域中心的短波接收机的空闲情况，如果查询备区域中心有空闲接收机，则通过区域中心之间的可靠通信网络，告知该备区域中心的短波中心控制器作为远端站n的上级中心，并建立备区域中心与主区域中心短波中心控制器之间建立回传信道，实现在应急链路建立后，将远端站i的数据回传到主区域中心。执行步骤9。
为实现远端站业务回传，则定义图5的短波报文示意图，当目的地址与当前短波接入的中心一致时，则表示接入为主区域中心；如果目的地址与当前短波接入的区域中心不一致时，则需要执行数据回传。
本发明提供了一种基于短波通信的多用户分布式应急同步组网方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。