基于多域正交選頻的多用戶短波數(shù)據(jù)鏈算法

摘 要：針對(duì)短波數(shù)據(jù)鏈建鏈過(guò)程中定頻建鏈頻率選擇困難、時(shí)效性低、易被偵獲干擾以及多用戶同時(shí)建鏈時(shí)易產(chǎn)生互擾的問(wèn)題，提出一種基于多域正交選頻的多用戶短波數(shù)據(jù)鏈算法。首先，根據(jù)建鏈用戶數(shù)和用頻間隔等參數(shù)，利用多域正交規(guī)劃將用頻帶寬進(jìn)行分割，再根據(jù)禁用頻率和用頻需求得到各用戶可用頻點(diǎn)集，最后，利用系統(tǒng)選頻建鏈功能為多用戶同時(shí)建立短波數(shù)據(jù)鏈。算法有效解決了多用戶同時(shí)建鏈中的選頻困難、用頻易沖突以及定頻建鏈不穩(wěn)定、用頻易暴露等問(wèn)題，有效提升了系統(tǒng)可用性和抗干擾能力。

關(guān)鍵詞：短波;數(shù)據(jù)鏈;選頻建鏈;多域正交;抗干擾

中圖分類(lèi)號(hào)：TN959 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.3969/j.issn.1673-3819.2025.01.020

Multi-user shortwave data link algorithm based on

multi-domain orthogonal frequency selection

LI Lin， HUANG Xuexiao， PENG Xiaoyong

（Unit 91497 of PLA， Ningbo 315121， China）

Abstract：A multi-user shortwave data link algorithm based on multi-domain orthogonal frequency selection is proposed to address the difficulties in frequency selection， low timeliness， susceptibility to interception and interference during the fixed frequency construction of shortwave data link， as well as the problem of mutual interference during the multi-user simultaneously building the link. Firstly， the algorithm segments the frequency bandwidth using multi-domain orthogonal planning based on the number of users and frequency interval， and then obtains the set of available frequency points for each user based on the disabled frequency and frequency demand. Finally， the system frequency-selecting chain building function is used to establish the links for multiple users simultaneously. The algorithm effectively solves the problems of frequency selection difficulty， frequency conflict， link instability， and frequency exposure in multi user simultaneous chain building， effectively improving system availability and anti-interference ability.

Key words：shortwave; data link; frequency selection; multi-domain orthogonal; anti-interference

數(shù)據(jù)鏈作為鏈接傳感器、指控系統(tǒng)和武器平臺(tái)之間的網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)術(shù)信息系統(tǒng)，在現(xiàn)代化體系戰(zhàn)爭(zhēng)中起不可或缺的支撐作用［1-3］。短波數(shù)據(jù)鏈作為數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，相較于衛(wèi)星、超短波等通信手段，具有組網(wǎng)靈活、抗毀性強(qiáng)、通信距離遠(yuǎn)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于構(gòu)建各國(guó)岸海及艦艦之間的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)［4-5］。

工作頻率作為短波數(shù)據(jù)鏈的重要參數(shù)，選頻質(zhì)量是決定短波數(shù)據(jù)鏈能否有效發(fā)揮效能的關(guān)鍵核心［6］。但在實(shí)際建鏈過(guò)程中，受到眾多自然和人為因素的影響，常用的定頻建鏈模式存在頻率選擇困難、建鏈時(shí)效性低、信道穩(wěn)定性差以及頻率易被偵獲干擾等問(wèn)題，特別是多用戶同時(shí)建鏈時(shí)，還需考慮用戶間易發(fā)生互擾的問(wèn)題［7-9］。這些問(wèn)題的存在極大地影響了短波數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)效能的發(fā)揮［10］。

1 短波數(shù)據(jù)鏈選頻

短波數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)是在傳統(tǒng)短波通信的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，短波數(shù)據(jù)鏈通過(guò)采用數(shù)字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有效提高了短波通信的傳輸速率、可靠性和靈活性，是短波通信領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。目前，按照頻率選擇方式的不同，短波數(shù)據(jù)鏈建鏈方式主要分為定頻建鏈和選頻建鏈兩種。

1．1 定頻建鏈

定頻建鏈通常采用人工選頻的方式進(jìn)行，但由于短波數(shù)據(jù)鏈通信會(huì)受到如圖1所示的眾多因素的影響，因此，需要操作人員根據(jù)通信雙方所在的地理位置、通信距離以及雙方之間的電磁天氣環(huán)境等條件綜合考慮選取最合適的頻率進(jìn)行建鏈。該方式通常需要多方協(xié)調(diào)配合且對(duì)操作人員水平經(jīng)驗(yàn)要求較高，常常會(huì)出現(xiàn)選頻困難和建鏈時(shí)效性差的問(wèn)題。近年來(lái)，雖然也有部分自動(dòng)選頻設(shè)備出現(xiàn)，但實(shí)際應(yīng)用效果并不理想。此外，短波通信鏈路極易受到天氣、晝夜等環(huán)境因素的影響，而定頻通信無(wú)法有效根據(jù)通信環(huán)境的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，因此，定頻建鏈還存在建鏈穩(wěn)定性差的問(wèn)題。最后，短波數(shù)據(jù)鏈作為一種重要的軍事通信手段，在軍事對(duì)抗過(guò)程中難免會(huì)遭遇敵方的偵察干擾，定頻建鏈方式長(zhǎng)期保持單一固定頻率，極易被敵方偵獲干擾，戰(zhàn)場(chǎng)生存能力較弱。

1．2 選頻建鏈

區(qū)別于定頻建鏈利用固定頻率進(jìn)行建鏈，選頻建鏈通常按照一定的原則給出一組或多組頻率集合，短波數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)利用選頻建鏈功能對(duì)頻率集合中的頻率進(jìn)行快速遍歷，選取當(dāng)前建鏈效果最好的頻率作為當(dāng)前工作頻率進(jìn)行建鏈。當(dāng)選取的工作頻率因環(huán)境變化等因素導(dǎo)致通信質(zhì)量下降時(shí)，系統(tǒng)則重新對(duì)頻率集進(jìn)行遍歷驗(yàn)證，更換適合當(dāng)下環(huán)境的頻率繼續(xù)進(jìn)行建鏈，從而有效保證鏈路的通信質(zhì)量。因此，選頻建鏈方式相較于定頻建鏈，可有效解決選頻困難、建鏈時(shí)效性低的問(wèn)題，提高了通信鏈路的穩(wěn)定性。兩種短波數(shù)據(jù)鏈選頻方式的流程對(duì)比如圖2所示。

2 多域正交選頻多用戶算法

通過(guò)對(duì)選頻建鏈方式原理的分析我們不難發(fā)現(xiàn)，選頻建鏈方式能否有效發(fā)揮效能的核心在于所提供的頻率集合質(zhì)量的高低。為有效發(fā)揮選頻建鏈效能，提供有效頻率集合，本文提出一種基于多域正交選頻的多用戶短波數(shù)據(jù)鏈算法。算法的主要思想是結(jié)合多用戶同時(shí)進(jìn)行短波建鏈的需求，采用多域正交規(guī)劃選頻的方法選出多個(gè)有效頻率集合進(jìn)行建鏈，從而實(shí)現(xiàn)各用戶間的有效信息互通和數(shù)據(jù)傳遞。

2．1 參數(shù)確認(rèn)

2．2 頻帶分割

2．3 頻率集獲取

3 算法實(shí)現(xiàn)

4 仿真分析

將最終得到的頻點(diǎn)集合進(jìn)行繪圖，可得到各用戶用頻分布和所有用戶總體用頻分布情況如圖3所示。

由圖3頻率分布圖可知，本文算法可有效實(shí)現(xiàn)在所規(guī)定的選頻范圍為多用戶同時(shí)選取建鏈頻率集合，所選頻率集合分布合理，不同用戶頻率集合之間無(wú)用頻沖突，且可有效避開(kāi)禁用頻率和主動(dòng)刪減頻點(diǎn)。

為進(jìn)一步驗(yàn)證所選頻率集合的有效性，利用得到的頻點(diǎn)集合為3個(gè)用戶同時(shí)建立短波數(shù)據(jù)鏈，經(jīng)仿真驗(yàn)證，得到本文算法與定頻建鏈方法建鏈性能結(jié)果如表1所示。

通過(guò)仿真結(jié)果可知，本文算法較當(dāng)前定頻建鏈方法可有效提高短波數(shù)據(jù)鏈的建鏈時(shí)效性和成員在網(wǎng)率，增強(qiáng)了短波數(shù)據(jù)鏈的建鏈效能。

上述仿真主要針對(duì)日常短波建鏈中較為典型的用戶數(shù)n=3的場(chǎng)景進(jìn)行了分析驗(yàn)證，當(dāng)ngt;3時(shí)，即隨著同時(shí)建鏈用戶數(shù)的增多，在滿足式（1）和式（2）約束條件的前提下，可以采取適當(dāng)減小不同用戶間用頻頻率間隔Δf，增大單個(gè)用戶自身用頻頻率間隔Δk等方式對(duì)算法進(jìn)行調(diào)整。但需要指出的是，隨著同時(shí)建鏈用戶數(shù)的增多，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致單個(gè)用戶選頻間隔的增大和選出頻點(diǎn)集合中可用頻點(diǎn)數(shù)目的減少，從而導(dǎo)致算法性能的下降。因此在運(yùn)用本文算法時(shí)，需要操作人員根據(jù)選頻區(qū)間和同時(shí)建鏈用戶數(shù)，合理選擇用戶間和用戶自身用頻頻率間隔，以有效發(fā)揮本文算法效能。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了多用戶條件下的短波數(shù)據(jù)鏈建鏈問(wèn)題，提出了一種基于多域正交選頻的多用戶短波數(shù)據(jù)鏈算法，仿真結(jié)果表明，本文算法可有效解決多用戶同時(shí)建立短波數(shù)據(jù)鏈的問(wèn)題，且較定頻建鏈方法可有效提高建鏈效能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李國(guó)軍， 向翠玲， 葉昌榮， 等. 短波數(shù)字信道化通信探測(cè)一體化快速建鏈方法［J］. 通信學(xué)報(bào)， 2023， 44（1）： 89-102.LI G J， XIANG C L， YE C R， et al. Fast link-establishment method of integrated of communication and detection based on short-wave digital channelization［J］. Journal on Communications， 2023， 44（1）： 89-102.

［2］ 莫代會(huì)， 胡飛. 航空短波數(shù)據(jù)鏈動(dòng)態(tài)TDMA協(xié)議設(shè)計(jì)［J］. 火力與指揮控制， 2019， 44（12）： 136-141.MO D H， HU F. Design of dynamic TDMA protocol in aviation HF data link system［J］. Fire Control ＆ Command Control， 2019， 44（12）： 136-141.

［3］ 王金龍， 陳瑾， 徐煜華. 短波通信技術(shù)研究進(jìn)展與發(fā)展需求［J］. 陸軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)， 2022， 1（1）： 1-7.WANG J L， CHEN J， XU Y H. On research advances and development requirements of high frequency communication technologies［J］. Journal of Army Engineering University of PLA， 2022， 1（1）： 1-7.

［4］ 梅容芳， 簡(jiǎn)鑫， 蔡百川， 等. 海上近距離短波通信系統(tǒng)的鏈路設(shè)計(jì)和功率控制［J］. 艦船科學(xué)技術(shù)， 2020， 42（8）： 106-108.MEI R F， JIAN X， CAI B C， et al. Research on link design and power control of short distance HF communication system at sea［J］. Ship Science and Technology， 2020， 42（8）： 106-108.

［5］ 陸輝輝. 短波數(shù)據(jù)鏈硬件設(shè)計(jì)及猝發(fā)通信同步技術(shù)［D］. 西安： 西安電子科技大學(xué)， 2010.LU H H. Hardware design and synchronization technology of burst communication for HF data link［D］. Xian： Xidian University， 2010.

［6］ WANG J L， DING G R， WANG H C. HF communications： Past， present， and future［J］. China Communications， 2018， 15（9）： 1-9.

［7］ YU L， CHEN J， ZHANG Y M， et al. Deep spectrum prediction in high frequency communication based on temporal-spectral residual network［J］. China Communications， 2018， 15（9）： 25-34.

［8］ 李國(guó)軍， 侯旭， 葉昌榮， 等. 短波通信接入網(wǎng)廣域協(xié)作資源分配算法［J］. 通信學(xué)報(bào)， 2023， 44（2）： 112-121.LI G J， HOU X， YE C R， et al. Wide area cooperative resource allocation algorithm for shortwave communication access network［J］. Journal on Communications， 2023， 44（2）： 112-121.

［9］ 趙占莊， 蘇志金， 莊佳平. 艦載短波通信系統(tǒng)效能評(píng)估［J］. 艦船電子工程， 2022， 42（7）： 61-64.ZHAO Z Z， SU Z J， ZHUANG J P. Effectiveness evaluation for warship HF communication system［J］. Ship Electronic Engineering， 2022， 42（7）： 61-64.

［10］王怡， 涂宇， 陳佳才， 等. 正交頻分復(fù)用技術(shù)下艦船短波通信抗干擾研究［J］. 艦船科學(xué)技術(shù)， 2023， 45（15）： 115-118.WANG Y， TU Y， CHEN J C， et al. Research on anti-jamming of ship shortwave communication under orthogonal frequency division multiplexing technology［J］. Ship Science and Technology， 2023， 45（15）： 115-118.

（責(zé)任編輯：張培培）