基于ITS 軟件的短波頻率管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊青彬 ,余毅敏余 奇李 鵬

(1.國防信息學(xué)院, 武漢430010;2.解放軍96225 部隊(duì), 昆明650000)

1 引 言

頻率選擇問題一直是制約短波通信質(zhì)量的重要因素,依據(jù)電離層模型進(jìn)行長期預(yù)測,并結(jié)合實(shí)時(shí)探測數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)質(zhì)短波頻率選擇,可極大提高短波通信的質(zhì)量和效率。由于大區(qū)域網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)急短波通信采用大區(qū)制組網(wǎng),在優(yōu)質(zhì)頻率的使用上要求能夠統(tǒng)管共控,在區(qū)域中心站的布設(shè)上要求充分考慮其覆蓋要求,而基于場強(qiáng)或可靠性的頻率覆蓋預(yù)測可以對(duì)區(qū)域中心站的選取進(jìn)行初步的理論驗(yàn)證,能夠?qū)σ延袇^(qū)域中心站計(jì)算其覆蓋能力,實(shí)現(xiàn)其保障地域的初步規(guī)劃和優(yōu)質(zhì)頻率的初步選擇。對(duì)此,在大區(qū)域網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)急短波通信中,通過頻率預(yù)測軟件,對(duì)頻率進(jìn)行粗選或預(yù)選,為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的頻率規(guī)劃提供初始的頻率集,在此基礎(chǔ)上使用頻率探測數(shù)據(jù)對(duì)可用頻段進(jìn)行更新和調(diào)整,校正剔除預(yù)測頻率集中的不可用頻率,提供給網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)中的頻率規(guī)劃軟件,根據(jù)不同的需求在全網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)劃和合理分配。

當(dāng)前,電離層的實(shí)時(shí)探測技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得較為成熟,并廣泛應(yīng)用于實(shí)踐之中,而對(duì)中長期預(yù)測模型和計(jì)算核心的選擇成為實(shí)現(xiàn)頻率預(yù)測與探測相結(jié)合進(jìn)行選頻的關(guān)鍵。在國內(nèi)外各種短波中長期頻率預(yù)測軟件中, 美國ITS(Institute for Telecommunication Sciences)組織開發(fā)的頻率預(yù)測軟件包在全球范圍內(nèi)廣泛使用,這是因?yàn)樵缭?957 年,無線電傳播機(jī)構(gòu)就開始著手為美國陸軍通信兵開發(fā)自動(dòng)化的短波路徑預(yù)測工具,并在其后的使用過程中進(jìn)行修改,由于長期應(yīng)用及數(shù)據(jù)的積累和修正,該模型的計(jì)算核心已經(jīng)非常完善和可靠。目前,國際上很多短波頻率中長期預(yù)測管理系統(tǒng)都是直接使用該軟件包的計(jì)算核心進(jìn)行預(yù)測,只是對(duì)界面重新進(jìn)行封裝,如Ham-Cap 和ARRL 等。由于對(duì)短波頻率預(yù)測的實(shí)質(zhì)都是基于電離層的月中值模型進(jìn)行的,因此,采用具有廣泛應(yīng)用基礎(chǔ)且對(duì)電離層模型進(jìn)行持續(xù)不斷修正的ITS 軟件包進(jìn)行短波頻率管理系統(tǒng)的再開發(fā)成為很多用戶的選擇,在國內(nèi),國家廣電總局無線局為短波廣播而開發(fā)的“HFCC 短波頻率協(xié)調(diào)軟件”就通過集成ITU 的REC533 預(yù)測模塊并結(jié)合GIS 來實(shí)現(xiàn)的[1],因此鑒于ITS 軟件的成熟性和其計(jì)算功能的強(qiáng)大,借鑒文獻(xiàn)[2-5]的做法,基于已有的成熟計(jì)算模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)大區(qū)域網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)急短波通信的頻率管理系統(tǒng)是可行和可靠的。設(shè)計(jì)開發(fā)的短波頻率管理系統(tǒng)能夠?qū)捎妙l率進(jìn)行預(yù)測;能夠進(jìn)行區(qū)域中心站基于場強(qiáng)或可靠性的頻率覆蓋預(yù)測;能夠進(jìn)行特定鏈路的性能預(yù)測,為融合利用Chirp 探測數(shù)據(jù)和Modem探測數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)質(zhì)稀缺頻率資源的指配和調(diào)整奠定基礎(chǔ)。

2 基于ITS 開發(fā)的基本思路

由于該頻率管理系統(tǒng)是以ITS 模型為計(jì)算內(nèi)核,因此其實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)是結(jié)合大區(qū)域網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)急短波通信在特定應(yīng)用場合進(jìn)行頻率預(yù)測的需求,把ITS模型的計(jì)算功能用良好的界面提供給特定用戶使用,其本質(zhì)是如何簡單高效地把ITS 系列軟件的計(jì)算功能匹配到大區(qū)域網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)急短波通信的頻率預(yù)測需求中去,其基本思路如下。

(1)利用良好的可視化界面輸入相關(guān)的預(yù)測參數(shù),并格式化成ITS 軟件特定的輸入文件,調(diào)用ITS相關(guān)程序進(jìn)行計(jì)算,從其產(chǎn)生的輸出文件中獲取必要的結(jié)果信息,經(jīng)過特定算法處理后返回人機(jī)界面。

(2)為了快捷地輸入大區(qū)域網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)急短波通信區(qū)域中心站的信息,在軟件中需要建立短波臺(tái)站數(shù)據(jù)庫,在實(shí)施預(yù)測功能時(shí)可以直接從庫中查詢和選擇。

(3)直接利用ITS 模型計(jì)算出的輪廓數(shù)據(jù),通過格式化處理后可在全國地圖上顯示,避免較煩瑣的等值線計(jì)算,實(shí)現(xiàn)覆蓋區(qū)域的顯示。

(4)使用ITS 軟件中的各種計(jì)算模型和結(jié)果數(shù)據(jù),不涉及二次計(jì)算,以保證預(yù)測的準(zhǔn)確性。

基于以上考慮,設(shè)計(jì)出大區(qū)域網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)急短波通信的頻率管理系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 頻率預(yù)測與管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Integrated framework graph of frequency prediction and management system

3 基于ITS 的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

短波頻率管理系統(tǒng)中的電路計(jì)算模塊是整個(gè)軟件的核心模塊,根據(jù)實(shí)際需要,目前共設(shè)計(jì)有MUF(Maximum Usable Frequency)預(yù) 測、ALE(Automatic Link Establishment)電臺(tái)掃描頻率預(yù)測、頻率覆蓋預(yù)測、工作頻率及其性能預(yù)測和臺(tái)站選址預(yù)測共5 種預(yù)測計(jì)算功能,這5 種功能均基于ITS 軟模型中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)計(jì)算和點(diǎn)對(duì)區(qū)域計(jì)算,其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于將預(yù)測的各種輸入?yún)?shù)格式化成ITS 模型的輸入文件格式,以及對(duì)ITS 軟件計(jì)算后產(chǎn)生的輸出結(jié)果進(jìn)行針對(duì)性的提取。因此,ITS 輸入文件生成和輸出文件解析是5 種功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

對(duì)每一種預(yù)測功能都應(yīng)包括以下幾個(gè)步驟才能完成一次計(jì)算:

(1)通過人機(jī)界面輸入或選擇預(yù)測所需參數(shù),所有參數(shù)經(jīng)校驗(yàn)后即傳遞給輸入文件生成子模塊;

(2)調(diào)用輸入文件生成子模塊,根據(jù)不同的輸入?yún)?shù)和計(jì)算功能生成不同的輸入文件;

(3)調(diào)用ITS 軟件中的執(zhí)行程序進(jìn)行計(jì)算,得到輸出文件;

(4)調(diào)用輸出文件解析子模塊,根據(jù)相應(yīng)的功能從輸出文件中得到相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果;

(5)如果一次計(jì)算不能完成該預(yù)測功能,則重復(fù)執(zhí)行第2 ～4 步直至獲取所有的計(jì)算結(jié)果;

(6)對(duì)得到的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗娃D(zhuǎn)換,形成最終的預(yù)測數(shù)據(jù);

(7)將預(yù)測數(shù)據(jù)顯示給用戶,預(yù)測數(shù)據(jù)既可以用表格的形式顯示也可以直接顯示在地圖上。

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐

基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)支撐主要是為整個(gè)軟件提供必要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢服務(wù),包括臺(tái)站數(shù)據(jù)管理、預(yù)測數(shù)據(jù)管理和探測數(shù)據(jù)管理,其基本組成如圖2 所示。

圖2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)構(gòu)成Fig.2 Basic data formation

其中,臺(tái)站數(shù)據(jù)管理負(fù)責(zé)對(duì)大區(qū)域網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)急短波通信中臺(tái)站相關(guān)信息的錄入、編輯和管理,臺(tái)站數(shù)據(jù)可以提供給電路計(jì)算模塊使用,也作為圖元數(shù)據(jù)在地圖上自動(dòng)顯示[6];預(yù)測數(shù)據(jù)管理負(fù)責(zé)對(duì)電路計(jì)算的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和顯示,可提供API 給電路計(jì)算模塊以方便預(yù)測數(shù)據(jù)的保存,同時(shí)也可進(jìn)行預(yù)測數(shù)據(jù)的查詢。

3.2 MUF 預(yù)測和ALE 電臺(tái)掃描頻率預(yù)測

MUF 是靜態(tài)的月中平均統(tǒng)計(jì)值,它描述了在兩點(diǎn)之間進(jìn)行短波通信時(shí)電離層的反射能力情況,并不是具體鏈路的規(guī)劃使用頻率,只是提供一個(gè)頻率上限的參考值。MUF 的預(yù)測只需兩點(diǎn)的坐標(biāo)、時(shí)間和對(duì)應(yīng)的太陽黑子數(shù)即可得出,在本系統(tǒng)中MUF 的預(yù)測是最基本的功能。

通過對(duì)ITS 軟件的分析并結(jié)合其他相關(guān)的資料,目前較為實(shí)用的工作頻段一般是在FOT(Frequency of Optimum traffic)值附近,特別是采用了ALE技術(shù)的短波自適應(yīng)電臺(tái),ITS 提出了一種新的預(yù)測方法,即對(duì)某一天預(yù)測結(jié)果中HPF(Highest Possible Frequency)的最大值和FOT 的最小值來定義其預(yù)置掃描頻率的變化范圍,其中日頻和夜頻分開計(jì)算,日頻范圍是(HPFmax,FOTmin),夜頻范圍是(HPFmax,FOTmin)[7]。

基于以上分析,在MUF 預(yù)測中提供兩種預(yù)測功能:一是MUF 數(shù)據(jù)的預(yù)測, 可提供某個(gè)月24 h 的MUF 預(yù)測, 并對(duì)MUF、FOT、LUF(Lowest Usable Frequency)、HPF 值以表格形式呈現(xiàn);二是短波自適應(yīng)電臺(tái)指定時(shí)間段的預(yù)置掃描頻率表上下限預(yù)測,通常是日頻和夜頻的掃描范圍預(yù)測,其具體的數(shù)據(jù)構(gòu)成如圖3 所示。

圖3 MUF 預(yù)測數(shù)據(jù)構(gòu)成Fig.3 MUF prediction data formation

3.3 工作頻率與性能預(yù)測

結(jié)合短波鏈路的實(shí)際預(yù)測需要,系統(tǒng)提供了工作頻率及其性能預(yù)測功能。

(1)對(duì)于區(qū)域中心站和機(jī)動(dòng)用戶之間鏈路,根據(jù)指定的工作頻點(diǎn)和時(shí)間,給出鏈路性能的推測和估算。預(yù)測性能指標(biāo)有SNR(信噪比)、SNRXX(信噪比百分比)、REL(鏈路可靠性)、DBU 等,根據(jù)不同的需要選用不同的指標(biāo)。如果同時(shí)指定多個(gè)頻點(diǎn),則在計(jì)算出所有頻點(diǎn)性能的同時(shí)給出頻點(diǎn)的排序,從而使用戶能夠在多個(gè)頻點(diǎn)中選擇較好的工作頻率。

(2)對(duì)于特定的鏈路,指定時(shí)間、天線等相關(guān)參數(shù),系統(tǒng)自動(dòng)推薦通信質(zhì)量好的頻率,其通信質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是指定鏈路在該頻點(diǎn)的SNR 和SNRXX 的大小[8]。具體實(shí)現(xiàn)思路如下:一是根據(jù)用戶指定的信噪比(Req.SNR),找出符合條件的所有頻率并進(jìn)行排序;二是計(jì)算的頻率范圍是整個(gè)短波頻段2 ～30 MHz,計(jì)算精度為0.1 MHz;三是通過對(duì)整個(gè)頻率范圍的SNR 和SNRXX 進(jìn)行分析,在數(shù)據(jù)分析和處理時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面。

1)存在頻率其SNR90%≥Req.SNR, 此時(shí)將找出所有滿足條件的頻點(diǎn),對(duì)這些頻點(diǎn)其提供給用戶的形式有兩種。

第一種是這些頻點(diǎn)不用排序,滿足條件的相鄰頻點(diǎn)進(jìn)行合并,且頻點(diǎn)是由小到大排列的。

例如,某條件下ITS 軟件對(duì)11 ～14 MHz頻率性能的計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。

圖4 某條件下11 ～14 MHz 的頻率性能Fig.4 Frequency performance of 11 ～14 MHz under some condition

假設(shè)Req.SNR=55 dB,則不排序的頻率輸出結(jié)果是(11.1, 11.3)、(12.7, 13.8)。

第二種是對(duì)所有滿足該條件的頻率進(jìn)行排序,依據(jù)SNR90%從大到小排序,在排序之前進(jìn)行相鄰頻率的合并,此時(shí)SNR90%相等的相鄰頻率才能合并,排序后的頻率輸出結(jié)果是(12.7,13.3)、(11.1,11.3)、(13.4,13.8)。如果兩個(gè)頻段的SNR90%相等,則SNR大者排前,如果兩者相等則頻率高者排前。

2)在整個(gè)短波頻帶范圍內(nèi)沒有任何頻率其SNR90%≥Req.SNR,但存在頻率其SNR≥Req.SNR,此時(shí)將找出所有滿足SNR ≥Req.SNR 的頻率,這些頻率依據(jù)SNR 排序后提供給用戶,在排序前需對(duì)SNR 相等的相鄰頻率合并。但滿足該條件的頻段有可能會(huì)比較多,則提供最接近該通信質(zhì)量的3 ～5 個(gè)頻段,頻段個(gè)數(shù)由用戶指定。

假設(shè)Req.SNR=63 dB,但在預(yù)測結(jié)果中沒有任何頻率其SNR90%≥63,則推薦5 個(gè)最接近所需通信質(zhì)量的頻段:(11.7, 12.0),(12.7,13.4),(11.1,11.6),(13.5,13.8),11.0。

如果兩個(gè)頻段的SNR 相等,則SNR90%大者排前,如果兩者都相等則頻率高者排前。

3)在整個(gè)短波頻帶范圍內(nèi)沒有任何頻率其SNR90%或SNR ≥Req.SNR,說明沒有任何頻率滿足指定的通信質(zhì)量,如果確實(shí)需要推薦,則與(2)中推薦的結(jié)果一樣。

假設(shè)Req.SNR=78 dB,則推薦可能通信頻段為(11.7, 12.0), (12.7, 13.4), (11.1, 11.6), (13.5,13.8),11.0(默認(rèn)推薦5 個(gè))。

對(duì)于自適應(yīng)電臺(tái)只用對(duì)SNR(即SNR50%)進(jìn)行分析,因此只存在兩種可能情況,即存在滿足SNR ≥Req.SNR 的頻率和不存在滿足條件的頻率,前者提供所有滿足條件的頻率(排序或不排序),后者提供經(jīng)過排序的指定個(gè)數(shù)的頻率。排序的依據(jù)是SNR大小,如果SNR 相等則頻率高者在前。

4)如果滿足條件(1)則找出所有滿足條件的頻率,如果滿足條件的頻率少于指定的推薦頻率或頻段數(shù),則繼續(xù)轉(zhuǎn)入(2)中處理。如果不滿足(1),但滿足(2),則直接轉(zhuǎn)入(2)中處理,此時(shí)即使?jié)M足(2)的頻率但不能滿足推薦數(shù)目的要求也停止執(zhí)行。

(3)多次調(diào)用自動(dòng)頻率推薦功能,可提供24 h的可用頻段建議。共分為1 h 換頻、2 h 換頻、4 h 換頻和6 h 換頻4 種方案。工作頻率預(yù)測的數(shù)據(jù)構(gòu)成如圖5 所示。

圖5 工作頻率預(yù)測數(shù)據(jù)構(gòu)成Fig.5 Work-frequency prediction data formation

3.4 頻率覆蓋預(yù)測

頻率覆蓋預(yù)測主要為接入節(jié)點(diǎn)提供基于場強(qiáng)或可靠性(REL)的覆蓋預(yù)測,該功能的重點(diǎn)在于對(duì)覆蓋輪廓數(shù)據(jù)的提取、轉(zhuǎn)換、顯示和保存上,其具體實(shí)現(xiàn)方法是通過ITS 軟件計(jì)算產(chǎn)生的輪廓數(shù)據(jù),對(duì)這些輪廓數(shù)據(jù)處理后在地圖上用輪廓線以及不同的顏色表示覆蓋效果[9]。頻率覆蓋預(yù)測數(shù)據(jù)構(gòu)成如圖6所示。

圖6 頻率覆蓋預(yù)測數(shù)據(jù)構(gòu)成Fig.6 Frequency coverage prediction data formation

3.5 臺(tái)站選址預(yù)測

臺(tái)站選址預(yù)測是針對(duì)確定保障地域在不同時(shí)段的性能進(jìn)行預(yù)測和排序。該功能的具體實(shí)現(xiàn)方法是依次計(jì)算所有候選區(qū)域中心站與保障地域的最佳鏈路性能,即在各自最佳工作頻率上獲得的信噪比,并依據(jù)鏈路的性能大小對(duì)候選臺(tái)站排序,最后輸出的結(jié)果包括臺(tái)站的保障能力排序及相應(yīng)的最佳工作頻率和性能指標(biāo),以作為頻率和區(qū)域中心站規(guī)劃時(shí)的參考。

由于中、遠(yuǎn)距離短波通信對(duì)臺(tái)站位置小幅度變化(100 km以內(nèi))敏感度不高,而保障區(qū)域太大則預(yù)測又失去意義,因此對(duì)于半徑在50 km以內(nèi)的區(qū)域轉(zhuǎn)換為對(duì)該區(qū)域中心點(diǎn)的預(yù)測,這就對(duì)保障區(qū)域的范圍作了基本的限定,其數(shù)據(jù)構(gòu)成如圖7 表所示。

圖7 臺(tái)站選址預(yù)測數(shù)據(jù)構(gòu)成Fig.7 Station choosing prediction data formation

(1)從人機(jī)界面獲得所有候選臺(tái)站的相關(guān)參數(shù),包括其天線參數(shù)、發(fā)射功率等,形成多條完整的鏈路信息,以方便進(jìn)行完整的性能預(yù)測。

(2)對(duì)于每條鏈路,在整個(gè)短波2 ～30 MHz頻段進(jìn)行性能預(yù)測計(jì)算,計(jì)算精度為1 MHz,在輸出的計(jì)算結(jié)果中找出最大的SNR90%。

(3)計(jì)算出每條鏈路的最大的SNR90%后,按由大到小排序,該排序就是臺(tái)站選址排序。

4 結(jié)束語

本文通過學(xué)習(xí)研究美國ITS 軟件的工作原理和模式,采用二次封裝的方法,利用界面編程語言設(shè)計(jì)開發(fā)了適用于大區(qū)域網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)急短波通信需求的頻率管理系統(tǒng),實(shí)踐證明該短波頻率管理系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)短波可用頻率的預(yù)選,是融合利用各種實(shí)時(shí)探測數(shù)據(jù)優(yōu)選各種頻率集并進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整的基礎(chǔ),特別是可以對(duì)各種優(yōu)選頻率進(jìn)行覆蓋效果預(yù)測和顯示,可極大地改善和提高短波通信鏈路的選頻質(zhì)量。

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