美国空军短波全球通信系统技术分析

鞠茂光，刘尚麟

（①西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室，陕西 西安 710071；②中国人民解放军91469部队，北京 100841；③中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041)

0 引言

短波通信具有设备较简单、通信距离远、组织灵活、机动性强等优点，尤其是其“中继系统”—电离层不易被摧毁，使它具有很强的抗毁能力，所以短波通信始终是战术通信、应急通信和战略指挥通信的重要手段[1]。

卫星通信和光纤通信的发展及其在军事领域的应用，暴露出传统的短波通信频段窄、质量差、抗干扰能力不强等弱点。空间技术的发展使卫星被摘、被毁已成为现实，光纤的敷设速度无法满足机动作战的要求，精确制导武器对卫星地面站和光纤通信枢纽构成严重威胁等。因此，通过大量使用已发展成熟的IP网络技术,构建短波广域网，作为卫星通信和光纤通信的备份或补充是十分必要的。

本文首先介绍美国空军短波全球通信系统HFGCS的基本情况，然后对其技术特点进行深入分析，最后给出HFGCS对中国短波通信网络发展的启示。

1 美国空军短波全球通信系统

1.1 基本情况

美国空军短波全球通信系统[2]HFGCS是高度自动化的短波通信系统，主要的使命是为作战飞机飞行中的指挥控制、国家指挥机构紧急作战命令发布、全球人道主义以及北约军事行动等提供短波通信手段。它采用有线地面支撑网络将全球15个短波台站连接起来，形成一个IP网络化，使用经济方便的通信系统，系统能够支持地对空语音、数据通信。HFGCS采用4 kW大功率地面短波台站，每个台站语音通信覆盖范围约为3200 km，数据通信覆盖范围约为4000 km。整个系统覆盖了欧洲、亚洲、北美洲、南美洲、澳洲、大西洋、印度洋和太平洋大部分地区。

HFGCS系统现阶段采用中心控制方式运作，15个地面短波台站中，有两个属于互相备份的中心网络控制台站，分别部署在美国本土的安德鲁斯（Andrews）空军基地和格兰特福克斯（Grand Forks）空军基地。在中心控制工作模式，其他短波台站都接受中心网络控制台站的集中控制，部署在中心网络控制台站的地面网关实现与他网络（如电话网、SIPRNET、NIPRNET）的互联互通。未来，HFGCS会采取分布式工作模式，通信将不再全部通过中心网络控制台站。

HFGCS项目目前正处于设备研制和项目建设中。从2006年到2010年，完成了第一阶段项目建设工作，目前处于第二阶段项目开始阶段。第一阶段主要完成了短波台站 IP网络化，远程配置控制IP化传输，语音明话通信和数据通信全 IP化，解决可靠通信问题。第二阶段项目目标主要是解决端到端保密通信问题、空中平台移动IP技术等问题。

1.2 技术特点分析

HFGCS技术特点归纳如下:

1）应用IP路由以及最佳短波台站自动定位技术。HFGCS采用IP网络技术，将全球所有短波台站连接起来，采用短波台站之间可以通过短波信道质量跟踪IP协议，实现短波信道信息的交互比较，从而实现最佳频率和地面台站选择。地面支撑网提供通信过程中到最佳台站的路由、台站间切换、语音的自动探测、与有线电话间的自动转接等全部由地面支撑网络自动完成。

2）短波台站控制信令和通信数据 IP承载。HFGCS采用中心控制方式运作，控制中心位于美军本土空军基地，中心网络控制台站可以通过IP网络对其他台站实施远程控制，按照需要进行动态配置以及调度，将不同短波台站的收信台、发信台组合起来，形成最佳组合。通信中的音频信息和短波台站控制数据采用 AoIP（音频IP承载）传输。AoIP技术是通过RTP协议传输音频以及控制数据的技术标准。短波台站收发信台远程调度具体采用分离式控制技术，中心网络控制台站通过IP网络，控制数据传输采用串口控制IP承载技术（SCoIP），对其他短波台站进行远程控制。

3）使用短波无线IP协议。HFGCS是一个全IP化的网络，除了地面支撑网采用IP网络技术、短波台站间连接采用IP技术，在空中接口也采用了 IP技术（IP over HF），实现空中移动平台的地址动态分配和移动IP路由管理。HFGCS的每个地面台站划分为若干个地空短波IP子网，短波台站和机载短波电台设备成为具有独立 IP地址及路由功能的短波IP网络节点，地空通信中使用适合短波信道 IP网络层协议、MAC层协议、链路层协议。 IP over HF具体协议为STANAG 5066，STANAG 5066运行在短波调制解调器中，主要实现短波信道IP协议优化以及标准IP协议到短波IP协议的转换以及适配。

4）下一阶段会使用短波端到端保密互通技术。美国空军 HFGCS计划采用美军保密通信互通协议SCIP，实现地面固定电话终端和飞机机载短波电台之间端到端保密话音通信。保密通信互通协议（SCIP，Secure Communication Interoperability Protocol），是工作在应用层的端到端保密互通标准，通信前，不同种类的设备会首先进行密钥、加密算法等保密参数协商。具体来说，SCIP密钥协商采用非对称加密技术，话音加密算法为若干流密码和分组密码算法组成的集合、工作时通过协商选取一种话音加密算法进行工作，话音编码统一采用窄带 MELPe码（600 bit/s、1200 bit/s、2400 bit/s），这些技术结合起来为不同种类网络设备端到端保密通信提供了基础支撑。

2 对中国短波通信网技术发展的启示

成熟的IP技术在HFGCS地面支撑网络、短波台站内部单元链接、空口通信等各个层面的应用，标准化了技术体制，提高了短波通信网络效能。中国短波通信应该关注这些最新进展，根据实际情况和用户需求，利用美军这些经验成果，规范技术体制、促进中国短波通信网络技术发展。建议重点加强下面四方面的技术应用研究。

2.1 短波台站收发信台资源统一调度技术

借鉴美军HFGCS经验，实现短波通信网络控制IP化。即短波网络控制器[3]和短波收发信台之间传统的多路收发音频线路改进为音频IP承载（AoIP）链路，实现短波台站收发信台串口控制的IP化传输、调制解调信号IP承载及远程数据传输，从而将短波台站内部接口IP标准化。实现能够依据电离层传导性和电子密度等短波信道预测模型、结合短波信道探测，将不同地理位置上分布的短波台站收信台、发信台，动态配置形成异地分离式短波收信台、发信台组合，提高通信效果。

2.2 短波通信无线IP技术

借鉴HFGCS短波IP协议STANAG 5066标准[4]，发展中国的短波无线IP协议。由于短波通信地面支撑网数据通信采用IP协议，因此有必要在短波无线通信中使用短波IP协议，将无线空口通信技术统一起来，组成短波IP子网，采取标准的IP地址管理和路由寻址体制，从而提高信息共享能力和短波机动平台的随遇接入能力。

短波无线 IP协议需要针对短波信道带宽窄、长时延、时变性等特性，对IP协议进行优化。短波无线IP化后，短波通信固定部分和机动部分通信过程如图1所示。

图1 短波无线IP化通信示意

短波无线IP协议提供标准IP应用层到短波数据链路层的适配。短波无线IP化后，地面接入网可以和短波机动设备以最小的开销进行IP地址解析、地址管理等功能，实现短波通信设备统一IP寻址。

2.3 基于短波通信网的信息分发技术

短波通信网可以分为地面有线通信和无线通信两部分，有线部分带宽较宽，通信可靠；无线部分带宽较窄，信道资源有限，而且通信信道质量具有时变性，容易受到电离层变化、自然条件变化等因素的影响。引入信息分发系统，可以从两个层面提高短波通信效率。

1）增加存储转发能力，数据信息边缘推送能力。在地面支撑网中部署信息分发系统，与短波台站配合，为数据通信提供差异化服务，增加短波台站数据存储转发功能。在短波通信中，数据通信这种非实时业务和语音通信实时业务具有很大差别，数据通信可以以更低的速率、更好的可靠性实现更远距离的通信。短波数据通信可以充分利用数据可复制特性，增加存储转发功能，当短波链路暂时中断或者切换时，短波台站会将数据会存储下来，等链路连通或者切换完毕后继续转发，提高数据通信效率。

2）对有线侧将要进入无线侧的信息按照业务种类分为不同优先级，级别高的优先使用短波无线信道，解决不同优先级业务对无线信道资源的抢占问题、优先级控制问题，让重要程度更高、实时性要求更高的应用业务优先传送。

2.4 短波端到端保密通信技术

短波通信网主要提供话音通信和数据业务。目前，地面网络部分和短波无线通信部分采用不同的保密体制，按照不同的网络设备采用相应的保密通信技术。地面部分，采用IPSEC保密技术；无线通信部分采用无线链路保密技术。两种设备之间的保密互通，由地面短波台站解密转变为明文，再次加密后传输。这种方式，解密、再次加密计算开销大、时延长同时存在安全隐患。

从长期发展来看，有必要借鉴美军全球短波通信系统端到端保密通信互通技术经验，设计中国短波通信端到端保密互通协议，解决地面固定终端和短波电台不同种类设备之间端到端保密通信问题。

短波通信不同种类设备端到端保密互通技术，主要包括密钥管理、加密、语音编码等几部分组成。其中:

1）密钥管理采用公钥密码体制，可以进行密钥协商。

2）加密方面采用加密算法协议簇方式，不同种类通信设备拥有一个算法集合，支持多种加密算法，在通信前，根据能力进行算法协商。

3）语音编码统一采用窄带编码格式，如短波语音编码(600 bit/s、1200 bit/s、2400 bit/s)。

3 结语

短波通信系统是中国重要的信息基础设施，是卫星通信的备用手段，中国应该借鉴美国空军HFGCS经验，加强短波台站控制 IP承载，短波无线通信IP协议、端到端保密通信等技术研究，重视顶层设计规划、选择全IP技术体制，保持短波通信网技术发展的可持续性。

[1]朱红琛. STANAG 5066标准在短波网络通信中的应用研究[J].通信技术,2009,42(10):87-89.

[2]VANHORN D.High Frequency (HF) Global Communications System (HFGCS)[EB/OL].(2010-02-04)[2013-04-28].http://www.hfindustry.com/meetings_presentation s/presentation_materials/2010_feb_hfia/presenta tions/HFGCS_HFIA_Feb_2010.pdf.

[3]张永红,杨春兰.短波扩频通信的Rake接收技术[J].信息安全与通信保密,2007(06):16-18.

[4]景渊,曹鹏,黄国策.北约短波数据通信标准最新进展[J].舰船电子工程,2009,29(06):26-29.

[5]陈晓毅.第三代短波通信网[J].通信技术,2002(04):15-17.