海上艦艇短波通信系統(tǒng)應(yīng)用展望及優(yōu)化研究

劉錦超

【摘要】? ? 短波通信是海上艦艇使用的重要通信手段，因短波自身特點通信不夠穩(wěn)定，很難滿足通信需求。本文針對海上艦艇短波通信應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合短波通信領(lǐng)域出現(xiàn)的新技術(shù)，就如何改進短波通信可靠性、提升艦艇通信保障能力進行了分析研究，提出了解決方案。

【關(guān)鍵詞】? ? 短波通信? ? 分集合并? ? 自適應(yīng)? ? 人工智能

引言：

艦艇在海上航行過程中，受客觀條件影響，主要依托無線通信同其它艦艇或岸基指揮所保持通聯(lián)。在海面常用的無線通信方式中，根據(jù)波段劃分，主要分為中波、短波、超短波、微波、衛(wèi)星通信等，在20世紀(jì)，短波通信作為主要通信手段，是航海時代除導(dǎo)航儀器外最重要的現(xiàn)代化通導(dǎo)裝備。

隨著21世紀(jì)太空衛(wèi)星資源的不斷豐富和衛(wèi)星通信技術(shù)的飛速發(fā)展，衛(wèi)星通信已越來越成為海上通信的主要手段。但衛(wèi)星通信的特點決定了在特殊情況下，其受摧毀或故障性中斷的可能性較大，短波通信的特點決定了其抗毀性強，且可全球通信，因此近年來關(guān)于短波通信技術(shù)的跟蹤研究又在不斷成為熱點。

一、當(dāng)前短波通信存在的問題

海上短波通信是指艦艦、艦岸間利用3-30M頻率進行無線長距離通信的總稱。因短波通信屬于超視距通信，該波段可通過地波或天波的方式進行傳輸，理論上可以實現(xiàn)全球通信。

但隨著無線電頻譜技術(shù)的發(fā)展和艦艇用頻裝備的不斷增加，艦用短波電臺通信質(zhì)量和通信可靠率近年來成逐漸下降趨勢。

以我國黃海北部海域使用情況統(tǒng)計，2001年，一部125w短波電臺在采用定頻通信時，在100-150海里范圍內(nèi)，可通率達到80%以上，話音質(zhì)量保持在信號3以上;但在實踐中對2020年全年艦艇通信質(zhì)量進行測試，相同功率電臺在相同工作模式下，在70海里內(nèi)仍可保持通信，但可通時間及通信質(zhì)量均出現(xiàn)了較大幅度下降，在70海里-150海里區(qū)間內(nèi)，可通率僅能保持在20%左右。

此外，隨著艦艇用頻裝備的增加，艦艇各裝備間通信互擾現(xiàn)象變得異常突出，因艦艇自身面積狹小，且受隱身技術(shù)和艦艇動力、自持力需求持續(xù)增加，艦艇天線布設(shè)變得異常困難，一艘千噸左右艦艇已部署的各類型天線約20余幅，而短波天線因傳輸特性所限，往往需要占用較大的占地面積，受艦艇電磁兼容性設(shè)計約束，很難利用布設(shè)大型天線陣的方式來提升通信質(zhì)量。

短波通信在海上航行期間主要用于話音和低速率數(shù)據(jù)通信，因艦艇在海上值勤期間，各種搶險救援、漁業(yè)執(zhí)法等任務(wù)需要傳遞的是現(xiàn)場即時情況通報、多艦艇任務(wù)協(xié)同，緊急事態(tài)應(yīng)答處置等信息，上述信息對時效性要求較高，話音作為傳輸即時信息的介質(zhì)具有天然的優(yōu)勢。但短波通信作為一種變參信道，受地域、季節(jié)、氣象、波浪等因素影響較大，話音質(zhì)量普遍較差，在進行通聯(lián)時更多依賴于電臺值守人員經(jīng)長期訓(xùn)練獲得的經(jīng)驗，可以對系統(tǒng)的工作參數(shù)進行實時調(diào)整。

以前艦艇報務(wù)員工作經(jīng)驗都在數(shù)十年以上，但隨著人員崗位調(diào)整和人才流動性加大，電臺值守因經(jīng)驗缺乏也面臨著越來越多的困難。

二、短波新技術(shù)應(yīng)用研究

為提高短波通信質(zhì)量，滿足海上任務(wù)協(xié)同通信需求，近年來，國內(nèi)外在相關(guān)領(lǐng)域開展了大量研究，其中短波分集合并技術(shù)、頻率自適應(yīng)技術(shù)和人工智能認(rèn)知技術(shù)等成為了研究重點。

2.1 分集合并技術(shù)

所謂分集，就是將需要傳遞的信息以空間、頻率或時間劃分的方式分隔成若干個衰落基本不相關(guān)的信號。分集種類包括空間分集、頻率分集、角分集、時間分集等。

信號分集后還需要進行信號合并，即在接收端接收到若干條相互獨立的支路信號以后，可以通過合并技術(shù)來得到分集增益。根據(jù)位置不同，可分為檢測前合并和檢測后合并技術(shù)。

短波傳輸信道分為地波和天波兩種，其中地波通信主要用于近距離通信，受多徑效應(yīng)影響較大。而天波通信系主要用于中遠(yuǎn)距離通信，其利用電離層反射實現(xiàn)超視距通信，屬于變參信道，信號傳輸穩(wěn)定性差。

主要原因是：

1.電離層的變化會使信號產(chǎn)生衰落，在衰落過程中信號幅度和頻率會發(fā)生相應(yīng)變化;

2.天波通信也存在著多徑效應(yīng)，會產(chǎn)生頻率選擇性衰落和多路徑延時。

選擇性衰落造成信號失真，多徑延時使信號在時間維度發(fā)生變化，嚴(yán)重限制了短波鏈路數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量。

而分集接收可以有效抵消信號衰落、提高系統(tǒng)信噪比。短波分集接收就是利用多個路徑或頻率、不同到達時間、不同編碼或調(diào)制等方式去接收含有同一信息的短波信號，并將采集來的多個信號按照某種方法合并后再提取信息。它能利用多路徑接收信號的不相關(guān)性獲取分集效果，有效提升短波臺站接收信噪比，從而減小接收信號衰落造成的影響，進一步降低誤碼率。只要分集接收的幾個信號之間是相對獨立的，則經(jīng)過適當(dāng)合并后就能使通信性能大為改善。但分集設(shè)計方案不夠優(yōu)秀，也可能無法正常解調(diào)電平很高的信號，因空中信道傳輸帶來的的信息錯誤也得不到有效抑制，通信質(zhì)量沒有保證。

如艦艇編隊在同一海域共同執(zhí)行任務(wù)時，指揮艦需與岸基指揮所進行通信聯(lián)絡(luò)，在不改變現(xiàn)有短波臺站部署前提下，可通過編隊內(nèi)多部電臺聯(lián)網(wǎng)方式，同時發(fā)射、接收同一信號，采取分集合并技術(shù)進一步提升短波通信質(zhì)量;岸基臺站則可采取多臺站組網(wǎng)方式提高分集接收能力。

2.2? 頻率自適應(yīng)技術(shù)

短波通信頻率使用范圍有限（約27Mhz），為滿足全球各行業(yè)通信需求，信道擁擠狀況突出。受天氣、地域、潮汐、電離層變化、海浪等多種因素影響，短波通信使用的頻率對通信影響非常大，甚至白天與夜晚的用頻也呈現(xiàn)完全不一樣的特點。

通過使用實踐來看，選擇合適的短波通信頻率能大大提升通信質(zhì)量。但受限于操作人員技術(shù)水平，很難保證在海上航行期間動態(tài)選擇理想的通信頻率，通常預(yù)置的都是在艦艇離港前進行測試后固定使用的頻率。

頻率自適應(yīng)技術(shù)是指通信過程中，自動尋求最佳的通信頻率，這些頻率不僅要考慮傳播可靠度，即信號強度，還要考慮噪聲和干擾等其他一些因素，而且選定后就用此頻率進行通信。

海上可利用頻率自適應(yīng)技術(shù)提高短波通信保障能力，通信雙方準(zhǔn)備開始短波建鏈時，短波電臺先選擇在某一預(yù)置的頻點同時正常工作，同時周期性掃描其它多個預(yù)設(shè)頻點的信道衰落特征，經(jīng)過一定規(guī)則的比較選擇，選擇當(dāng)前時刻傳輸損耗最低的頻點作為下一時刻的工作頻點，同時利用已建鏈路實時通知對端，兩方在預(yù)定的換頻時刻均同時跳轉(zhuǎn)到新的發(fā)射或接收頻點，從而使通信信道始終工作在損耗最小的最佳頻點上，確保通信鏈路始終處于最大信噪比裕量儲備中。

2.3人工智能認(rèn)知技術(shù)

人工智能作為近年來最流行的學(xué)科，正在快速應(yīng)用發(fā)展中，在通信領(lǐng)域?qū)鹘y(tǒng)的通信技術(shù)輔助人工智能認(rèn)知學(xué)習(xí)，將能為短波應(yīng)用帶來極大的性能提升。

人類認(rèn)知信息的感知原理是認(rèn)知系統(tǒng)最神秘和最特殊之處。智能認(rèn)知技術(shù)即通過模擬人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行深層次的機器學(xué)習(xí)，使機器自操控能力達到與人工操作同樣的目的。

傳統(tǒng)短波電臺中傳感器的測量范圍與測量精度是固定的。人類感知環(huán)境的能力與傳感器不同，能夠根據(jù)感知的目標(biāo)和關(guān)注點實時調(diào)整感知范圍和感知精度，即變換感知精度，以提高感知能力。

通過對人類心理、大腦在聽覺尺度影響研究發(fā)現(xiàn)，人耳對不同強度、不同頻率聲音的聽覺范圍稱為聲域。在正常聲域范圍內(nèi)，聽覺的主觀感受主要有音色、音高、響度等特征和掩蔽效應(yīng)、高頻定位等特性。其中音色、音高、響度可以描述成傳統(tǒng)電臺可以實現(xiàn)的相位、頻率和振幅三個物理量，而在多種音源的場合（如艙室中嘈雜的機器聲音），人耳掩蔽效應(yīng)等特性更重要。人腦可以做到選擇性關(guān)注，利用雙耳接收的相關(guān)性交叉信號，在嘈雜環(huán)境中對需辨別聲音的感知能力會得到顯著增強，在國外的實驗?zāi)Ｐ湍M中，能得到5db左右的增益提升。

在新型短波電臺設(shè)計研制中，可增加自主學(xué)習(xí)模塊，利用人工智能認(rèn)知技術(shù)改進語音識別能力，依靠系統(tǒng)自身的短波信道實時認(rèn)知技術(shù)和短波通信波形的多維域自適應(yīng)傳輸技術(shù)，提高電臺工作效率。

利用分集技術(shù)接收的多路語音信號，模擬雙耳效果，通過深度學(xué)習(xí)強化特征提取和聲音規(guī)整能力，不斷提高話音質(zhì)量。建立短波工作參數(shù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，通過對海上航行期間短波通信數(shù)據(jù)的不斷積累，實時動態(tài)調(diào)整工作頻率、傳輸速率、發(fā)射功率、調(diào)制/編碼類型等工作參數(shù)，實現(xiàn)短波自適應(yīng)無損傷切換。通過智能優(yōu)選，可達到提升通信帶寬、減小發(fā)射功率需求、顯著提高鏈路可靠性的目的。

2.4 其它新技術(shù)應(yīng)用

隨著信息技術(shù)的不斷進步，短波通信在天線、材料、電臺復(fù)用等方面也出現(xiàn)了諸多新技術(shù)。如在天線層面，短波天線由獨立使用、只具備窄帶通信能力向向?qū)崿F(xiàn)天線孔徑共用、天線集成、天線與上層建筑共形設(shè)計和集成發(fā)展。

在天線材料的選擇方面，考慮到海上高鹽、高溫、高濕環(huán)境，可通過選擇強度高、質(zhì)量小、性能優(yōu)異的材料降低傳輸損耗，提高傳輸能力，如左手材料、碳纖維材料、超磁性材料的應(yīng)用，在電臺元器件的選擇方面，可考慮氮化鎵等新型半導(dǎo)體材料的應(yīng)用，以提高設(shè)備的狀態(tài)穩(wěn)定性和抗干擾能力。

在電臺復(fù)用方面，基于軟件無線電技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用，短波電臺也將由單一頻段、單一功能專用射頻設(shè)備向多頻段、綜合功能射頻設(shè)備轉(zhuǎn)變，向射頻資源實現(xiàn)共用和統(tǒng)一調(diào)度發(fā)展。

三、結(jié)束語

艦艇在海上面臨著與陸地完全不同的通信條件，只能依托無線通信來實現(xiàn)。為強化艦艇在復(fù)雜電磁環(huán)境下的通信保障能力，在衛(wèi)星通信尚不能完全滿足通信需求的基礎(chǔ)上，亟需利用最新技術(shù)改進優(yōu)化短波通信能力，讓艦艇在大海中不再迷航，讓短波通信真正成為可靠的保底通信手段。

參? 考? 文? 獻

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