短波通信技術研究進展與發(fā)展需求

王金龍， 陳 瑾， 徐煜華

(陸軍工程大學， 江蘇 南京 210007)

短波通信(3～30 MHz)通過電離層反射可實現(xiàn)幾百乃至上萬千米通信，是唯一不受網(wǎng)絡樞紐和有源中繼制約的中遠程通信方式[1]，具有通信距離遠、開通迅速、機動靈活、網(wǎng)絡重構便捷等優(yōu)點。在軍用領域，短波通信具有全球覆蓋、通聯(lián)便捷、組網(wǎng)靈活、抗毀性強，可全球覆蓋，是軍事行動中的重要通信手段，在極端情況下甚至是唯一的通信手段。在民用領域，短波通信開通迅速、攜帶方便、供電容易，不需要建設樞紐站和中繼站，成為海洋漁業(yè)、遠洋運輸、科學考察等領域的主要通信手段。此外，短波通信能夠在惡劣自然環(huán)境下第一時間恢復通信順暢，成為完善國家應急通信體系建設的關鍵環(huán)節(jié)。

由于電離層易受太陽輻射、太陽黑子、地磁活動等影響而不斷變化，造成短波信道傳輸條件復雜多變，是最惡劣無線信道之一[2]。具體表現(xiàn)在短波信道具有多徑傳播、時變色散、衰落嚴重、干擾復雜等特點，而且可用頻率窗口劇烈變化，導致可靠短波通信技術復雜，實現(xiàn)難度大。此外，短波通信具有全球性、開放性的傳輸特征，用戶共用不到30 MHz帶寬的通信信道，互擾非常嚴重，面臨的惡意人為干擾現(xiàn)象更為嚴峻。針對這些難題，世界各國開展了大量研究。近年來，人工智能技術的迅猛發(fā)展，催生了無線通信范式、模型和機理的巨大革新。因此，研究以智能化為鮮明特征的下一代短波通信系統(tǒng)，具有十分重要的理論價值和實踐意義。本文總結當前短波通信的研究進展，面向未來智能化通信需求，探討短波通信的下一步技術發(fā)展趨勢。

1 短波技術研究進展

針對短波復雜的時變色散信道，研究如何提升其信息傳輸有效性和可靠性一直是全球面對的共同難題。國內外針對短波通信的數(shù)據(jù)傳輸、鏈路建立、抗干擾和綜合組網(wǎng)等方面開展了大量的研究工作[3-4]。

1.1 短波數(shù)據(jù)傳輸

短波信道是一個典型的多徑衰落信道，實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸是短波通信系統(tǒng)的難點。當前，代表性的短波數(shù)據(jù)傳輸技術包括多載波并行數(shù)據(jù)傳輸、單載波串行數(shù)據(jù)傳輸和寬帶高速數(shù)據(jù)傳輸。

多載波并行數(shù)據(jù)傳輸是第一種實用化的短波高速數(shù)據(jù)傳輸體制，美軍1991年頒布的短波調制解調器標準MIL-STD-188-110A[5]定義了39音并行波形，成為代表性的短波多載波數(shù)據(jù)傳輸體制，其數(shù)據(jù)速率為75～2 400 b/s。為了克服多載波并行數(shù)據(jù)傳輸存在的峰平比較高、功率效率低的不足，又進一步提出了單載波串行數(shù)據(jù)傳輸波形，在接收端通過信道估計和均衡技術來克服多徑衰落的影響。為了提高傳輸速率，美軍在2000年又頒布了MIL-STD-188-110B[6]標準，在110A的基礎上增加3.2～12.8 kb/s高速波形。

上述短波數(shù)據(jù)傳輸波形均基于3 kHz帶寬。為進一步提高短波數(shù)據(jù)傳輸能力，美軍于2012年頒布了MIL-STD-188-110C[7]標準，帶寬可擴展到6～24 kHz，最高速率可達120 kb/s。2017年，美軍又頒布了MIL-STD-188-110D[8]標準，補充了30～48 kHz寬帶波形，最高速率可達240 kb/s。此外，考慮到實際系統(tǒng)中難以找到連續(xù)可用的短波寬帶信道，可通過信道聚合的方式在多個離散的3 kHz信道上實現(xiàn)寬帶通信[9]。

1.2 短波自動鏈路建立

由于依靠不穩(wěn)定的電離層反射進行電波傳播，短波可用頻率窗口隨時間變化而變化，因此如何選頻是短波中遠距離通信面臨的主要技術難點之一。為了保持短波通信暢通，操作人員只能通過手動操作選擇、更換頻率，過程繁瑣且時效性低，為此出現(xiàn)了短波自動鏈路建立(Automatic link establishment, ALE)技術，在預置頻率組內對各頻率通信質量進行動態(tài)評估和頻率優(yōu)選，并自動建立通信鏈路。

1988年，美軍頒布了MIL-STD-188-141A[10]標準，規(guī)定了第二代短波自動鏈路建立技術(2G-ALE)所采用的波形、信號結構和協(xié)議，支持鏈路質量分析、自動掃描接收、自動鏈路建立以及信道自動切換等功能。為了克服2G-ALE存在的建鏈時間偏長、建鏈波形與數(shù)據(jù)傳輸波形不一致等問題，美軍于1999年頒布了MIL-STD-188-141B[11]標準，對第三代短波自動鏈路建立技術(3G-ALE)進行了詳細地規(guī)范。與2G-ALE技術相比，3G-ALE采用了PSK調制方式、呼叫信道與業(yè)務信道分離、同步掃描建鏈和帶有呼叫優(yōu)先權的多時隙信道接入等關鍵技術，加快了鏈路建立速度，降低了建鏈信噪比要求，進一步提升了短波通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡規(guī)模和業(yè)務容量。為了支持短波寬帶傳輸，美軍在2011年頒布了MIL-STD-188-141C[12]標準，對6～24 kHz的寬帶信號特性進行了描述，但尚未給出具體的建鏈規(guī)范。直到2017年，美軍頒布了MIL-STD-188-141D[13]標準，首次提出了寬帶自動鏈路建立(WALE)規(guī)范，支持預設頻率集內的可變帶寬信道優(yōu)選，并兼容3G-ALE的信號接收。

隨著短波通信技術的飛速發(fā)展和認知無線電研究的興起，在ALE系統(tǒng)中引入頻譜感知和頻譜預測等技術成為下一代自動鏈路建立技術的發(fā)展方向之一。一方面，可將基于頻譜感知的信道實時探測與自動鏈路建立結合，最大限度發(fā)揮實時選頻的優(yōu)勢；另一方面，可利用短波信道狀態(tài)的相關性，結合深度學習等人工智能方法在時域、頻域、空域多角度預測頻譜可用性[14]，并據(jù)此優(yōu)選信道接入。

1.3 短波通信抗干擾

短波通信受天電干擾、工業(yè)干擾等自然干擾的影響大，并且頻段擁擠、互擾嚴重；此外，短波傳輸距離遠，容易受到惡意偵聽和攻擊。因此，抗干擾技術是提高短波通信質量的關鍵技術之一[15-16]。

從抗干擾策略上看，可分為跳頻、擴頻、廣域協(xié)同、綜合組網(wǎng)等方式。其中，跳頻方式在預設頻率集中快速切換，具有一定的抗跟蹤干擾能力；擴頻方式采用頻譜擴展方法，具有難以截獲、抗干擾能力強的特點；廣域協(xié)同方式通過多點聯(lián)合接收獲取抗干擾增益，同時采用遠距離異地收發(fā)機制增加干擾難度；綜合組網(wǎng)采用動態(tài)選頻、異構組網(wǎng)和迂回路由等多種手段，實現(xiàn)以網(wǎng)抗擾，提高系統(tǒng)抗干擾能力。

從抗干擾技術處理上看，可分為時域濾波、頻域抑制、干擾抵消、時變波形設計和智能天線等技術路線。其中，時域濾波和頻域抑制可以消除相對靜態(tài)和特征明顯的窄帶干擾；干擾抵消對干擾信號進行參量估計，重構干擾信號，在時域進行抵消；時變波形設計可以有效對抗回放欺騙干擾；智能天線利用陣列天線和信號處理技術有效降低干擾信號影響。

1.4 短波組網(wǎng)

短波通信可用頻率隨時間、空間變化劇烈，同時因全球多用戶競爭信道沖突嚴重，導致選頻難、組網(wǎng)難。傳統(tǒng)短波通信一般采用點對點或一點對多點的組網(wǎng)方式，根據(jù)組網(wǎng)的用途、規(guī)模和運行環(huán)境，短波網(wǎng)絡拓撲結構有所不同，主要有星形、自組織、分層自組織等結構形式。

自20世紀60年代開始，短波通信組網(wǎng)就已經(jīng)成為一個重要研究方向，各國都開展了相關研究，形成了包括短波艦/岸網(wǎng)絡系統(tǒng)(HFSS)、自動化數(shù)字網(wǎng)絡(ADNS)、現(xiàn)代化短波通信系統(tǒng)(MHFCS)在內的眾多短波綜合網(wǎng)絡[1]。近年來，隨著短波通信系統(tǒng)的發(fā)展，又提出了一些新的短波綜合組網(wǎng)形式，如美軍的短波全球通信系統(tǒng)(HFGCS)、加拿大的綜合短波無線電系統(tǒng)(IHFRSP)、澳大利亞的LONGFISH網(wǎng)絡、瑞典基于HF2000的短波通信網(wǎng)等。以HFGCS為例，該系統(tǒng)通過分布在全球的多個大功率固定臺站，在全球范圍內提供IP語音、電子郵件及數(shù)據(jù)廣播業(yè)務。通過短波綜合組網(wǎng)技術，可提高短波通信的有效性和可通率。

盡管現(xiàn)有研究在數(shù)據(jù)傳輸、自動鏈路建立、抗干擾通信和組網(wǎng)方面取得了一定的突破，但短波通信仍面臨以下諸多問題亟待解決：

(1)不同于陸地移動通信場景，短波信道在時間、空間和頻率等方面呈現(xiàn)巨大的差異性和動態(tài)性，現(xiàn)有短波信道模型通常局限于對特定時間區(qū)域的分析，存在精度低、場景適用性差等問題。

(2)短波信號傳播過程受到電離層不穩(wěn)定性、地形地貌和噪聲等多種因素的影響，可用頻率窗口不斷動態(tài)變化，導致通信極易中斷且難以恢復。

(3)迅猛發(fā)展的認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)具備智能學習和動態(tài)對抗能力，而傳統(tǒng)短波抗干擾方法大多被動調整工作模式和參數(shù)，將處于劣勢甚至被完全壓制。

(4)隨著多域作戰(zhàn)、無人集群作戰(zhàn)、馬賽克作戰(zhàn)等智能化作戰(zhàn)概念的演進發(fā)展，單一的通信手段難以提供廣域異構的通信服務。

2 下一步的技術發(fā)展需求

面向未來智能化通信需求，針對現(xiàn)有短波通信系統(tǒng)瓶頸問題，綜合運用機器學習和博弈論等人工智能方法[17]，發(fā)展以“環(huán)境認知、自主決策、博弈對抗和跨域協(xié)同”為典型特征的短波智能通信系統(tǒng)，是短波通信的下一步技術發(fā)展需求，其技術內涵如圖1所示。

圖1 短波智能通信的技術內涵

2.1 短波信道大數(shù)據(jù)建模與頻率預測

針對短波通信的可用頻率窗口隨位置、距離、時間、太陽輻射和地磁活動劇烈變化的特點[18]，利用多源協(xié)同數(shù)據(jù)探測對短波信道傳播特性進行大數(shù)據(jù)分析，進而研究短波傳輸特性機理，有效獲取短波信道傳播的時間、頻率、空間多域特性，為可用頻率實時優(yōu)選提供數(shù)據(jù)基礎，如圖2所示。

圖2 短波信道大數(shù)據(jù)建模與頻率預測

2.1.1 多源協(xié)同數(shù)據(jù)探測

通過多節(jié)點協(xié)同探測，優(yōu)勢互補，形成電離層大數(shù)據(jù)，提升對電離層時變特性的精準感知并適應不同應用場景。融合地基、空基和天基等電離層探測設備，以及Chirp探測、垂直探測、斜向探測和斜向返回探測等技術體制的探測結果，獲取可靠性更高的短波信道數(shù)據(jù)。然而，隨著協(xié)同探測節(jié)點和技術體制的增多，信息冗余度、協(xié)同探測開銷和數(shù)據(jù)融合難度也隨之增大。因此，在保證探測數(shù)據(jù)準確性的同時，還需綜合考慮實時性、復雜度和信息交互開銷，針對不同應用場景進行多源協(xié)同探測優(yōu)化。相關技術內容包括探測節(jié)點部署優(yōu)化、探測任務分配、數(shù)據(jù)高效融合和安全穩(wěn)健探測等。

2.1.2 模型和數(shù)據(jù)雙驅動的短波信道特性分析

傳統(tǒng)短波信道建模主要運用統(tǒng)計理論，定量分析信道噪聲、多徑、多普勒頻移等因素對短波通信的影響。然而，由于短波信道復雜多變，傳統(tǒng)統(tǒng)計信道模型存在精度低、場景適用性差的問題。因此，需要研究模型和數(shù)據(jù)雙驅動的短波信道建模方法。首先，利用具有強大函數(shù)擬合能力的生成對抗網(wǎng)絡等網(wǎng)絡結構，構建短波信道的逼近擬合模型；其次，將統(tǒng)計信道模型嵌入神經(jīng)網(wǎng)絡，克服傳統(tǒng)機器學習方法依賴大量訓練數(shù)據(jù)導致效率低下的問題，構建模型和數(shù)據(jù)雙驅動的短波信道建模框架，提升信道估計的時效性。

2.1.3 基于數(shù)據(jù)增強的短波通信頻率預測

現(xiàn)有電離層預報/預測的時間、空間和頻率分辨率較低，無法為特定時間、地點的短波通信提供精確的可用頻率，尤其是在長途機動、遠程通信和突發(fā)情況下，難以滿足短波實時通信需求。利用數(shù)據(jù)增強技術實現(xiàn)短波通信頻率的時空預測，為高效實時確定可用頻率集提供信息支撐。空域上，通過已知地理位置信息的歷史探測數(shù)據(jù)，利用張量補全等方法構建短波信道傳播特性的空間補全網(wǎng)絡，預測未知地理位置的短波信道傳播特性；時域上，通過部分探測數(shù)據(jù)生成片段信道傳播序列，結合短波信道長時統(tǒng)計規(guī)律，利用機器學習方法生成完整的時頻二維信道傳播特性。

2.2 復雜電磁環(huán)境下的短波自主通信

由于短波可用頻率不斷變化，通信雙方需根據(jù)電磁頻譜環(huán)境動態(tài)調整工作頻率?，F(xiàn)有系統(tǒng)大都采用預設工作頻率集或傳遞頻率捷變信息來實現(xiàn)這一目的，通聯(lián)能力十分脆弱。具體來說，對于預設工作頻率集的方式，電磁環(huán)境的動態(tài)變化導致通信極易中斷且難以恢復；對于傳遞頻率捷變信息的方式，一旦該信息傳遞失敗，整個通信將無法建立鏈接。這個問題一直是國際公認的難題，始終制約短波通信的效能發(fā)揮。因此，可在短波全頻段實時頻譜感知的基礎上，構建短波寬帶智能選頻和分布式協(xié)同組網(wǎng)模型，突破多智能體沖突避免和分布式協(xié)同等關鍵技術，實現(xiàn)復雜電磁環(huán)境下的穩(wěn)健通聯(lián)，如圖3所示。

圖3 復雜電磁環(huán)境下的短波自主通信

2.2.1 短波寬帶智能選頻

為了克服傳統(tǒng)短波通信預設工作頻率集的局限，基于實時頻譜感知的短波寬帶智能選頻是一種有效的方法。運用分層深度強化學習挖掘短波信道的演化規(guī)律，快速優(yōu)選工作頻段和可用頻率，自主調整通信帶寬、調制波形、編碼方式、發(fā)射功率等工作參數(shù)；突破寬帶頻段感知、鏈路質量實時評估和動態(tài)頻譜接入等關鍵技術，實現(xiàn)無須預置頻率集的穩(wěn)健通信，有效提升系統(tǒng)在復雜電磁地理環(huán)境下的快速通聯(lián)和自動恢復能力。

2.2.2 短波分布式協(xié)同組網(wǎng)

傳統(tǒng)短波通信網(wǎng)絡頻率使用采用預先規(guī)劃、固定分配的方式，難以實現(xiàn)多子網(wǎng)共存和互聯(lián)互通。盡管短波寬帶智能選頻能實現(xiàn)頻率資源的自主征用和動態(tài)釋放，但在分布式組網(wǎng)條件下，大規(guī)模用戶智能用頻決策會導致嚴重的競爭沖突。為此，基于博弈論和圖論等理論方法，構建多智能體沖突避免和分布式協(xié)同等博弈組網(wǎng)模型，對發(fā)射機、天線、頻率、功率等資源進行自主協(xié)同優(yōu)化，實現(xiàn)多子網(wǎng)間資源協(xié)調利用和快捷網(wǎng)絡規(guī)劃，滿足大規(guī)模用戶的通信組網(wǎng)需求。

2.3 強對抗條件下的短波通信主動防御

近年來，人工智能技術賦能的認知電子戰(zhàn)系統(tǒng)迅猛發(fā)展，對傳統(tǒng)短波通信系統(tǒng)產(chǎn)生新的威脅。傳統(tǒng)系統(tǒng)的“硬抗”和認知無線電的“躲避”方式都屬于被動防御，在對抗中一直處于劣勢。究其本質而言，通信和對抗都是在電磁空間范圍內發(fā)揮作用，既有交叉，又有不同，但兩者的物理實現(xiàn)基礎類似，可在技術上進行高度融合。因此，下一步研究短波通信主動防御體系，將突破短波通信多維抗干擾、智能博弈抗干擾、通信對抗一體化等技術，提升強對抗條件下的短波通信保障能力，如圖4所示。

圖4 強對抗條件下的短波通信主動防御關鍵技術

2.3.1 短波通信多維抗干擾

以時間、頻率、空間、編碼等多維資源為載體，運用深度學習、強化學習等智能決策方法，克服多維抗干擾中環(huán)境狀態(tài)和決策空間巨大的挑戰(zhàn)，突破干擾動態(tài)估計、短時突發(fā)波形設計、多域聯(lián)合抗干擾等關鍵技術，對多維資源進行聯(lián)合優(yōu)化，在時域、頻域主動尋找干擾間隙實現(xiàn)持續(xù)通信[17]。構建短波通信抗干擾效能評估模型，實時反饋和指導抗干擾方法的設計與優(yōu)化，最終實現(xiàn)強對抗條件下的可靠通信。

2.3.2 短波通信智能博弈抗干擾

構建“以智能對抗智能”的短波通信智能博弈抗干擾模型。首先，針對智能干擾具有特征學習的特點，利用對抗機器學習理論主動攻擊干擾認知算法的薄弱環(huán)節(jié)，破壞干擾學習認知過程，降低干擾效能甚至使其完全失效；其次，根據(jù)歷史對抗數(shù)據(jù)，利用模仿學習構造干擾的策略網(wǎng)絡，生成與真實干擾決策分布類似的模擬干擾，通過預先離線與模擬干擾進行虛擬對抗，提前得到最優(yōu)的抗干擾策略；最后，針對通信先行、干擾跟隨的特點，構建對抗博弈模型，分析對抗博弈均衡，預測干擾行為, 達到料敵先機、最優(yōu)適配的效果，提升短波通信系統(tǒng)在對抗環(huán)境下的主動爭奪頻譜能力。

2.3.3 短波通信對抗一體化

從“偵察—判斷—決策—行動”(OODA)認知環(huán)路的共性特征出發(fā)，探明通信和干擾矛盾雙方相互對抗和相互轉化的機理；構建綜合共享的射頻單元、軟件定義的體系架構和認知環(huán)路驅動的智能處理引擎，將通信設備與電子對抗設備進行綜合集成；突破面向通信對抗一體化的高效資源認知和智能調度方法，通過被動抗干擾和主動干擾的有機融合，實現(xiàn)對抗條件下的電磁頻譜高效利用與智能控制。

2.4 廣域異構一體化多域通信

為了向陸海空天多域大規(guī)模用戶提供全域覆蓋、隨遇接入的通信服務，廣域一體化信息網(wǎng)絡是未來的發(fā)展趨勢。短波通信需要與超短波通信、衛(wèi)星通信、光通信等系統(tǒng)實現(xiàn)綜合組網(wǎng)，發(fā)揮各自優(yōu)勢和特長，實現(xiàn)信息的高效順暢傳輸。和單一通信網(wǎng)絡相比，廣域一體化多域通信網(wǎng)絡面臨諸多挑戰(zhàn)：多種通信手段、多種子網(wǎng)路由和多種管控手段呈現(xiàn)高度耦合性和復雜性；網(wǎng)絡覆蓋范圍廣、節(jié)點動態(tài)性高，網(wǎng)絡資源、干擾威脅和網(wǎng)絡結構等態(tài)勢信息難以精確獲??；大規(guī)模、強異構的通信服務特點對網(wǎng)絡管控方法的時效性和穩(wěn)健性提出更高要求。因此，下一步需探索一體化多域通信機理，突破多域通信網(wǎng)絡態(tài)勢認知和多域通信網(wǎng)絡智能管控等關鍵技術，提升全域通信覆蓋能力，如圖5所示。

圖5 廣域異構一體化多域通信體系

2.4.1 一體化多域通信機理與體系

構建一體化多域通信的功能參考模型，包括總體功能框架、各個功能實體的定義和接口信息關系；構建新型跨手段、跨頻段、跨場景、跨業(yè)務的一體化通信架構，探索端邊云智能協(xié)同的新型廣域異構網(wǎng)絡組織機理；構建多域柔性通信組網(wǎng)體系，為短波、超短波、衛(wèi)星和光通信等多通信手段、多組網(wǎng)協(xié)議的融合提供統(tǒng)一框架；研究一體化多域通信能力需求與目標，提出通信效能評估模型、方法和指標體系。

2.4.2 多域通信網(wǎng)絡態(tài)勢認知

從網(wǎng)絡資源、干擾威脅和網(wǎng)絡結構等方面研究多域通信網(wǎng)絡態(tài)勢認知基礎理論和關鍵技術，為多域網(wǎng)絡智能管控提供信息支撐。從網(wǎng)絡資源角度，研究網(wǎng)絡資源可用性、網(wǎng)絡功率資源空域分布和網(wǎng)絡波束資源覆蓋性等關鍵技術；從干擾威脅角度，研究干擾威脅類型識別、干擾威脅程度分析和干擾威脅演化趨勢預測方法；從網(wǎng)絡結構角度，研究網(wǎng)絡拓撲結構挖掘、骨干節(jié)點識別、關鍵鏈路判定、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流向分析等關鍵技術。

2.4.3 多域通信網(wǎng)絡智能管控

以任務為中心，分析不同場景、階段和要素等對通信保障的能力需求，將任務映射為通信體制、網(wǎng)絡和通信服務要求，構建面向大規(guī)模異構用戶的資源動態(tài)共享模型，為提高網(wǎng)絡管控時效性和穩(wěn)健性提供決策支撐；從組網(wǎng)方面，構建靈活使用多種信息傳輸手段、綜合多種管控方式的網(wǎng)絡；從網(wǎng)絡控制方面，明晰智能網(wǎng)絡接口，探索基于軟硬件協(xié)同的跨層聯(lián)合協(xié)議增強等關鍵技術；從多協(xié)議融合方面，研究多協(xié)議高速路由查找和基于網(wǎng)絡資源切片的跨域服務業(yè)務保證等技術。

3 結束語

由于短波信道傳播特性異常復雜，其理論與技術仍處于不斷完善和發(fā)展的過程中。本文僅在短波信道建模與頻率預測、自主通信、抗干擾通信和一體化通信等方面進行了初步思考，還有很多開放性問題有待深入探索。