岸海短波通信更頻策略研究*

楊少華 張 浩

(1.海軍駐北京地區(qū)通信軍事代表室 北京 100040)(2.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

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岸海短波通信更頻策略研究*

楊少華1張 浩2

(1.海軍駐北京地區(qū)通信軍事代表室 北京 100040)(2.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

論文針對(duì)目前岸海短波通信更頻存在的問(wèn)題,研究了四種可以緩解或解決現(xiàn)有問(wèn)題的更頻策略,分別是特殊時(shí)間節(jié)點(diǎn)更頻、固定時(shí)間節(jié)點(diǎn)更頻、網(wǎng)絡(luò)重置更頻、門限更頻。給出了這四種更頻策略的定義,詳細(xì)闡述了每種策略的更頻過(guò)程。最后,對(duì)每種更頻策略的優(yōu)劣作了簡(jiǎn)要說(shuō)明。

短波通信; 更頻策略; 頻管中心; 通信中心

Class Number TN911

1 引言

短波是指頻率在3MHz～30MHz的電磁波,短波通信是利用短波通過(guò)地球電離層反射傳輸信息的通信方式[1]。岸海短波通信受電離層反射條件、環(huán)境噪聲、人為噪聲等因素不斷變化的影響,可進(jìn)行通信的頻率不斷變化[2]。當(dāng)短波通信系統(tǒng)建成以后,電臺(tái)的發(fā)射功率和接收機(jī)靈敏度就確定了,天線也不能隨意變化,只能通過(guò)調(diào)整通信頻率來(lái)適應(yīng)電離層的變化[3]。所以,對(duì)于短波通信網(wǎng),通信頻率的更新是非常重要的;如果不能根據(jù)電離層的變化正確地選擇通信頻率,短波網(wǎng)絡(luò)通信效率就會(huì)大大降低。在未來(lái)信息化條件下,為保證海軍岸海短波通信的可靠性,高效及時(shí)的通信頻率更新(更頻)策略尤為重要。

2 研究現(xiàn)狀

短波通信與手機(jī)移動(dòng)通信不同,每個(gè)短波通信用戶都擁有一個(gè)頻率集,頻率集中存在多個(gè)頻率,用戶選擇其中較好的頻率進(jìn)行通信。多數(shù)情況下,電離層狀態(tài)發(fā)生變化,頻率集可用度降低甚至完全不可用,此時(shí)需要選擇新的頻率集[4]。傳統(tǒng)岸海短波通信依靠“時(shí)間-頻率”呼叫表進(jìn)行通信,根據(jù)不同的時(shí)間、坐標(biāo)更新頻率集。它是根據(jù)長(zhǎng)期通信經(jīng)驗(yàn)積累得到的“經(jīng)驗(yàn)頻率表”,能粗略估計(jì)某時(shí)某地的通信頻率范圍,但不能準(zhǔn)確反映各種環(huán)境下電離層的狀態(tài),因而通信連通率低、信道質(zhì)量差。自20世紀(jì)60年代以來(lái),先后發(fā)展了實(shí)時(shí)選頻技術(shù),出現(xiàn)了CURTS、CHEC、Chirp等短波探測(cè)選頻技術(shù),這些技術(shù)極大地提高了短波通信質(zhì)量。目前使用較為廣泛的是利用Chirp探測(cè)信號(hào)來(lái)測(cè)量多徑時(shí)延、信號(hào)強(qiáng)度、最高可用頻率等電離層傳播信道參數(shù),利用這些信息就可以選擇出適合通信的頻率[5]。1994年ITU Recommendation 720已推薦FM/CW“Chirp”探測(cè)技術(shù)作為動(dòng)態(tài)頻率管理的標(biāo)準(zhǔn),美、英對(duì)Chirp系統(tǒng)進(jìn)行了科學(xué)試驗(yàn),并在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中取得很好的實(shí)戰(zhàn)效果[6]。為了適應(yīng)短波網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展需求,短波頻率的探測(cè)和分配統(tǒng)一由頻率管理中心(頻管中心)規(guī)劃管理。短波頻率的探測(cè)與使用如圖1所示。

圖1 短波頻率的探測(cè)與使用示意圖

在岸海短波通信中,陸、海頻管中心實(shí)時(shí)探測(cè)電離層狀態(tài)、計(jì)算出可用頻率;各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)(艦船)使用頻管中心分發(fā)的頻率集進(jìn)行通信。然而,由于可通信的頻率變化較快,分配給艦船頻率集的可用性隨之變化,由此帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題:當(dāng)艦船需要進(jìn)行通信時(shí),才發(fā)現(xiàn)原來(lái)的通信頻率集已不可用,此時(shí)再向頻管中心申請(qǐng)新頻率集則會(huì)對(duì)通信的時(shí)效性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此,需要在頻率集完全不可用之前向頻管中心申請(qǐng)更新頻率集。本文將對(duì)恰當(dāng)?shù)念l率集更新時(shí)機(jī)進(jìn)行研究。

3 更頻策略研究

3.1 特殊時(shí)間節(jié)點(diǎn)更頻

特殊時(shí)間節(jié)點(diǎn)指早中晚、月份、四季等,其特殊性體現(xiàn)在:以這些節(jié)點(diǎn)為中心的較短的時(shí)間區(qū)間內(nèi),電離層會(huì)發(fā)生較大變化,短波通信可用頻率集隨之發(fā)生變化,此時(shí)應(yīng)該在短時(shí)間內(nèi)完成頻率集的更新工作[7]。這種更頻方式類似于傳統(tǒng)頻率的更新,但更新依據(jù)是頻管中心的實(shí)時(shí)探測(cè)結(jié)果而非“計(jì)劃表”,所以新頻率可用性高。

3.2 固定時(shí)間節(jié)點(diǎn)更頻

固定時(shí)間節(jié)點(diǎn)更頻是指以固定的時(shí)間周期(例如2小時(shí)),進(jìn)行通信頻率集的更新。在固定時(shí)間節(jié)點(diǎn)更頻方式下,當(dāng)?shù)竭_(dá)指定時(shí)間節(jié)點(diǎn)時(shí)激活更頻協(xié)議,頻管中心根據(jù)探測(cè)結(jié)果,計(jì)算出新的通信頻率集,分發(fā)給自己所管轄的短波通信臺(tái)。具體更頻過(guò)程如圖2所示。

一般情況下,多艘艦艇構(gòu)成一個(gè)通信組,由一艘具備艦載頻管中心的艦船擔(dān)任通信中心,由于艦艇間相互距離較近,因此可共用一個(gè)頻率集。陸、海頻管中心首先交互電離層狀態(tài)特征,計(jì)算可用頻段。在更頻時(shí)間節(jié)點(diǎn),陸、海頻管中心分別向陸上通信臺(tái)和通信中心分配新頻率集,通信中心通過(guò)廣播方式重復(fù)向網(wǎng)內(nèi)的其他艦船發(fā)布更頻信息,組內(nèi)所有的艦船,如果沒(méi)有特殊情況(正在進(jìn)行語(yǔ)音或數(shù)據(jù)傳輸),都調(diào)諧到廣播信道上接收信息。更頻信息中攜帶有新通信頻率集和新通信頻率集同步更換時(shí)間。在預(yù)定時(shí)間實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步更頻后,通信中心再通過(guò)單呼方式逐個(gè)呼叫組內(nèi)成員,確認(rèn)其是否完成更頻,由于語(yǔ)音或者數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸而沒(méi)能接收到更頻信息的艦船,通信中心重新向其發(fā)布更頻信息[8]。

圖2 更頻過(guò)程示意圖

3.3 網(wǎng)絡(luò)重置更頻

網(wǎng)絡(luò)重置更頻,即利用網(wǎng)絡(luò)重置的機(jī)會(huì)進(jìn)行更頻。短波通信組網(wǎng)是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)[9],從2000年開(kāi)始,美國(guó)、澳大利亞、瑞典等國(guó)家都更新了自己的短波通信網(wǎng)絡(luò),并在逐步實(shí)現(xiàn)與其他網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通,如美國(guó)海軍的HF ITF網(wǎng)絡(luò)和HF艦/岸網(wǎng)絡(luò)(HFSS)。多個(gè)艦載站可通過(guò)時(shí)分復(fù)用方式使用同一頻率與陸上通信臺(tái)通信,頻譜利用率大幅度提高。然而,這種通信方式也存在通信信道容易擁堵問(wèn)題,即某些頻率段負(fù)載率過(guò)高而某些頻率段閑置現(xiàn)象。因此岸基站需要根據(jù)頻率使用情況不定期重置網(wǎng)絡(luò),各個(gè)通信站進(jìn)行初始化接入,利用網(wǎng)絡(luò)重置的機(jī)會(huì),頻管中心可為自己所管轄的通信臺(tái)分法新頻率集。具體更頻過(guò)程如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)重置更頻過(guò)程示意圖

某些條件下,通信組2無(wú)法直接與陸上通信臺(tái)2通信,但通信組1可以同陸上通信臺(tái)2直接通信,那么通信組2的數(shù)據(jù)可通過(guò)通信組1轉(zhuǎn)發(fā)至陸上通信臺(tái)2。當(dāng)通信組3甚至更多通信組都使用相同信道與陸上通信臺(tái)2通信時(shí),陸上通信臺(tái)2會(huì)及時(shí)監(jiān)測(cè)到信道負(fù)載率過(guò)高,并向陸上頻管中心發(fā)送網(wǎng)絡(luò)重置命令,陸、海頻管中心交互信息后分別向所管轄通信臺(tái)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)重置命令,網(wǎng)絡(luò)重置命令中同時(shí)攜帶更頻信息。網(wǎng)絡(luò)重置后,各通信組使用新信道進(jìn)行通信。

3.4 門限更頻

門限更頻,即當(dāng)短波通信臺(tái)頻率集中可用頻率數(shù)量小于某一門限值X時(shí)進(jìn)行頻率更新。由于時(shí)間和坐標(biāo)的改變,陸上通信臺(tái)或艦艇會(huì)出現(xiàn)初始分配的頻率集不可用、不夠用的情況,如果在進(jìn)行呼叫時(shí)發(fā)現(xiàn)已經(jīng)沒(méi)用頻率可用,此時(shí)發(fā)送更頻申請(qǐng)將會(huì)嚴(yán)重影響通信的時(shí)效性,因此需要設(shè)定頻率集中最小可用頻率數(shù),即門限值X。一旦可用頻率小于X,馬上申請(qǐng)更新頻率集。具體更頻過(guò)程如圖4所示。

圖4 門限更頻過(guò)程示意圖

第三代短波通信系統(tǒng)是自動(dòng)建鏈系統(tǒng),通信系統(tǒng)首先挑選一個(gè)頻率嘗試建立通信,如果失敗則自動(dòng)選擇其他頻率,直至建立通信鏈路[10]。在通信的過(guò)程中或通信結(jié)束后,艦船將頻率使用情況上報(bào)至通信中心,內(nèi)容包括:不可用的頻率信息、可用頻率的通信信道質(zhì)量評(píng)分值。通信質(zhì)量可由誤碼率(BER)和信納德(SINAD)進(jìn)行評(píng)分[11]:

1) 誤碼率(BER):對(duì)接收到的3倍冗余編碼進(jìn)行2/3大數(shù)邏輯判決,將得到的硬判決序列與糾錯(cuò)譯碼后的序列相比較得到誤碼個(gè)數(shù),進(jìn)而估計(jì)出誤碼率。

2) SINAD的定義為

其中,S為信號(hào)能量,N為噪聲能量,D為干擾能量。

自適應(yīng)控制器利用快速傅里葉變換(FFT)計(jì)算出信號(hào)頻譜能量,再將其與無(wú)用信號(hào)(噪聲和干擾)的能量進(jìn)行比較,得到SINAD的數(shù)值。

通信中心通信控制系統(tǒng)收集匯總組內(nèi)頻率使用情況,掌握頻率動(dòng)態(tài)變化情況,依據(jù)一定規(guī)則和算法計(jì)算出門限值X的大小。當(dāng)通信中心通信管理控制系統(tǒng)檢測(cè)到組內(nèi)通信頻率集中可用頻率數(shù)量小于門限值X時(shí),迅速向通信中心申請(qǐng)更頻,更頻信息下發(fā)方式與固定時(shí)間節(jié)點(diǎn)更頻相同。

4 結(jié)語(yǔ)

岸海短波通信環(huán)境復(fù)雜多變,四種更頻策略各有利弊。特殊時(shí)間節(jié)點(diǎn)更頻最容易實(shí)現(xiàn),但只適用于特殊場(chǎng)景,局限性強(qiáng);固定時(shí)間節(jié)點(diǎn)更頻實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,能夠滿足一般通信需求,但靈活性差,無(wú)法滿足特殊環(huán)境下的通信要求。網(wǎng)絡(luò)重置更頻具有其特殊的適用背景——岸海短波通信網(wǎng);門限更頻是根據(jù)用頻狀態(tài)進(jìn)行更頻,更頻時(shí)機(jī)恰當(dāng)、更頻效率較高,但實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。未來(lái)岸海短波通信更頻的發(fā)展方向是保證通信“隨時(shí)呼、隨時(shí)通”,門限更頻“實(shí)時(shí)感知頻率使用情況”、“動(dòng)態(tài)分配新頻率”的特點(diǎn)順應(yīng)來(lái)來(lái)發(fā)展趨勢(shì),應(yīng)用前景廣闊。

[1] 胡中豫.現(xiàn)代短波通信[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版,2003:1-8.

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Research on Frequency Update of Coast-Sea HF Communication

YANG Shaohua1ZHANG Hao2

(1. Navy Representative Office of Communication in Beijing, Beijing 100040)(2. College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

Aiming at the problem of the frequency-update in coast-sea HF communication, this paper studies four strategies, including special time node frequency-update, fixed time node frequency-update, network reset frequency-update, threshold frequency-update, which can solve or alleviate the existing problems. The definition of four strategies frequency-update is given. The frequency process of each strategy is described in detail. Finally, the advantages and disadvantages of each strategy are briefly described.

HF communication, strategy of frequency-update, frequency management center, communication center

2015年6月5日,

2015年7月28日

楊少華,男,工程師,研究方向:軍事通信。張浩,男,碩士研究生,研究方向:短波通信。

TN911

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.017