海上短波通信頻率優(yōu)選技術(shù)現(xiàn)狀與分析*

徐 池，邱楚楚，李 梁，韓 東

(1.海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116018； 2.海軍91913部隊，遼寧 大連 116050)

海上短波通信頻率優(yōu)選技術(shù)現(xiàn)狀與分析*

徐 池1，邱楚楚1，李 梁2，韓 東1

(1.海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116018； 2.海軍91913部隊，遼寧 大連 116050)

短波信道因受電離層變化影響而不能及時實現(xiàn)頻率的優(yōu)選，制約了短波遠(yuǎn)程通信效果的提升。在分析了頻率預(yù)測技術(shù)和頻率探測技術(shù)優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，分別從預(yù)測和探測相分離與相結(jié)合兩方面對當(dāng)前海上短波遠(yuǎn)程通信頻率優(yōu)選技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了分析。針對頻率優(yōu)選技術(shù)在海上遠(yuǎn)距離通信中的應(yīng)用需求，提出了一種預(yù)測與探測組合應(yīng)用的新模式，梳理了應(yīng)用模式的實施流程，對海上短波通信頻率優(yōu)選的實現(xiàn)具有一定的參考價值。

短波通信；頻率預(yù)測；頻率探測

0 引 言

短波通信是最早出現(xiàn)并廣泛應(yīng)用的無線通信方式，至今仍是中遠(yuǎn)距離無線通信的重要手段，在軍事戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)通信中占據(jù)重要地位[1-2]。與其它通信手段相比，短波通信有著通信距離遠(yuǎn)、機(jī)動性好、頑存性強(qiáng)，以及多種通信能力等獨(dú)特優(yōu)點。

隨著對短波通信新技術(shù)、新體制研究的不斷深入，短波通信正朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。但是，人們在研究和實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)：通信頻率的優(yōu)選一直是影響短波遠(yuǎn)程通信效果的瓶頸。由于電離層的時變色散特性，短波信道具有明顯的窗口效應(yīng)。如果頻率選擇不當(dāng)，即便通信設(shè)備采用了先進(jìn)的調(diào)制解調(diào)器技術(shù)和差錯控制技術(shù)，也很難克服惡劣信道的致命弱點。因此，實現(xiàn)短波遠(yuǎn)程通信頻率的優(yōu)選對于提升短波通信質(zhì)量顯得至關(guān)重要。為提高短波遠(yuǎn)程通信頻率優(yōu)選精度，改善短波通信效果，結(jié)合短波通信頻率選擇的不同時機(jī)、應(yīng)用對象，國內(nèi)外陸續(xù)出現(xiàn)了多種頻率預(yù)測、頻率探測及兩者相結(jié)合的短波通信頻率優(yōu)選技術(shù)。

1 頻率優(yōu)選技術(shù)的基本分類

目前，短波通信頻率優(yōu)選技術(shù)并沒有明確的分類方式。按照實現(xiàn)原理的不同，可分為頻率預(yù)測、頻率探測兩種方式[3]。其中，頻率預(yù)測一般是指通過構(gòu)建電離層相關(guān)的特性參數(shù)模型，運(yùn)用數(shù)學(xué)分析、推算的方式實現(xiàn)頻率優(yōu)選的方法，它屬于短波頻率優(yōu)選的“軟手段”。按照預(yù)測的時效性區(qū)分，頻率預(yù)測還可以分為長期預(yù)測、中期預(yù)測和短期預(yù)測。頻率探測一般是指利用探測(收發(fā))設(shè)備對通信鏈路上的信道質(zhì)量進(jìn)行探測，通過分析獲取的信道質(zhì)量參數(shù)實現(xiàn)頻率優(yōu)選的方法，它屬于短波頻率優(yōu)選的“硬手段”。按照探測的不同方式，頻率探測可分為垂直探測、斜向探測和斜向返回探測等方法；按照不同的探測信號體制，可分為脈沖探測技術(shù)、導(dǎo)頻探測技術(shù)、錯誤計數(shù)技術(shù)、眼圖技術(shù)、啁啾探測技術(shù)等。實際上，頻率預(yù)測和頻率探測是緊密聯(lián)系的。預(yù)測方法的構(gòu)建需要以探測方法獲取的歷史數(shù)據(jù)為前提；而在實際應(yīng)用中，特別是在軍事應(yīng)用背景條件下探測手段的使用受到多種限制，如探測信道與通信信道存在使用上的沖突，實施探測時往往需要中斷通信，因此長時間的探測會大量占用通信信道資源；探測手段容易造成通信目標(biāo)的暴露，不符合軍事通信中對安全性和保密性的要求。因此，探測方法應(yīng)與頻率預(yù)測結(jié)合使用，即在頻率預(yù)測的前提上進(jìn)行探測或在局部探測的基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)測，以降低頻率探測所耗費(fèi)的各種時間、設(shè)備、頻率資源。

綜上所述，結(jié)合不同用戶的頻率選擇需求及優(yōu)選技術(shù)與通信設(shè)備的結(jié)合程度，當(dāng)前常用的頻率優(yōu)選技術(shù)手段可分為：基于方法模型的頻率預(yù)測技術(shù)和基于探測的信道估值選頻技術(shù)。

2 頻率優(yōu)選技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

2.1 基于方法模型的頻率預(yù)測技術(shù)

目前，國內(nèi)外對短波頻率預(yù)測都還是以長期預(yù)測和短期預(yù)測為主，國際電信聯(lián)盟無線電通信大會(ITU-R)即原無線電咨詢委員會(CCIR)曾先后開發(fā)了三個獨(dú)立的估算短波信道模型的方法[4]，即基于報告252、報告252補(bǔ)編和報告894的方法。除了這三種由CCIR提供的相應(yīng)計算程序外，不同的國家和研究機(jī)構(gòu)也推出了各自的短波頻率預(yù)報程序，國外典型的短波頻率預(yù)測模型軟件如下：

(1)電離層通信分析與預(yù)測程序IONCAP：由美國電信科學(xué)研究院研制，推出之后被廣泛應(yīng)用在美國海軍大型艦船軍事通信裝備中；

(2)電離層通信增強(qiáng)剖面分析和電路預(yù)測程序VOACAP：在IONCAP的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，不僅能夠適應(yīng)中低緯度地區(qū)，同時也適用于高緯度地區(qū)和極區(qū)；

(3)傳播資源管理程序PropMan：由美國Rockwell國際公司和Collins航空公司通信部開發(fā)的，能夠?qū)Χ滩ㄌ觳l率及信道進(jìn)行選擇和分析，可進(jìn)行頻率預(yù)測和通信資源管理；

(4)高頻傳輸分析軟件包NTIA/ITS：由美國電信科學(xué)研究院開發(fā)，ITS軟件涵蓋了一系列的短波分析軟件VOACAP，REC533等，其中，REC533是為了與國際電聯(lián)的短波電路性能的預(yù)測方法推薦書Recommendation 533保持一致而開發(fā)的[5-6]；

(5)短波傳播預(yù)測軟件W6ELProp：由業(yè)余無線電愛好者Sheldon C．Shallon獨(dú)立開發(fā)，發(fā)布在國際業(yè)余無線電聯(lián)盟(IARU)的網(wǎng)站上。該軟件允許使用者任意指定一個通信端點，通過輸入當(dāng)天的太陽黑子數(shù)和K指數(shù)得到頻率預(yù)測圖。

國內(nèi)方面，中國電波傳播研究所在國際參考電離層模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)亞洲、太平洋地區(qū)39個電離層觀測站的記錄數(shù)據(jù)，分析了亞大地區(qū)(北緯65°至南緯40°、東經(jīng)60°至東經(jīng)150°)不同太陽活動期電離層F2層頻率參數(shù)，構(gòu)建了具有“本地化”特點的亞大方法。在短波通信和電離層研究方面，亞大方法在國內(nèi)及亞大地區(qū)得到了較為廣泛的應(yīng)用?？紤]到電離層探測數(shù)據(jù)的完整性，電波傳播研究所于2007年對亞大方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了“新版亞大方法”。研究者認(rèn)為，新版亞大預(yù)測方法在較低緯度的改進(jìn)更為顯著，且有效地避免了原亞大法的參數(shù)換算誤差[7-8]。

除了電波傳播研究所推出了亞大方法及相關(guān)軟件外，國內(nèi)其他研究學(xué)者及單位也對頻率預(yù)測方法進(jìn)行了大量的研究。較為典型的方法有：

(1)基于最大李雅普諾夫(Lyapunov)指數(shù)的混沌預(yù)測方法：該方法原理是基于短波通信最高可用頻率的混沌特性，利用混沌理論對其進(jìn)行短期預(yù)測；

(2)基于模糊小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的短波頻率預(yù)測方法：該方法利用空間重構(gòu)技術(shù)和模糊小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在運(yùn)用奇異值分解對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對短波通信頻率的預(yù)測[9]；

(3)基于ITU模型的精細(xì)化方法：該方法基于ITU-R頻率預(yù)測方法體系，在應(yīng)用中國參考電離層模型的基礎(chǔ)上，利用電離層特征數(shù)據(jù)分析結(jié)果，重構(gòu)了參數(shù)轉(zhuǎn)化的時空映射，構(gòu)建了中國區(qū)域的短波頻率預(yù)測精細(xì)化方法[10]；

(4)電離層同化短期預(yù)報方法：該方法提出了一種基于卡爾曼同化技術(shù)的電離層特征參數(shù)短期預(yù)報方法，為短波頻率的預(yù)測提供精度較高的電離層參量[11]；

(5)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的臨界頻率預(yù)測方法：該方法根據(jù)磁層系數(shù)和太陽黑子月均值作為風(fēng)暴期訓(xùn)練序列，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測電離層臨界頻率，進(jìn)而為短波通信頻率的預(yù)測提供關(guān)鍵參數(shù)[12]。

總體而言，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者提出了很多先進(jìn)的短波通信頻率預(yù)測方法，經(jīng)研究者驗證表明，方法的預(yù)測精度得到了一定程度的提高。但同時也存在一些不足：首先，部分頻率預(yù)測方法方法較先進(jìn)，但不易工程實現(xiàn)。相關(guān)研究成果的實際應(yīng)用方面還存在一定差距，主要體現(xiàn)在方法模型對輸入?yún)?shù)的要求比較苛刻，未考慮方法模型實際的應(yīng)用背景[3]。以海上艦船的遠(yuǎn)距離短波通信為例，模型輸入?yún)?shù)獲取途徑受限，無法有效獲?。黄浯危糠止こ袒瘜崿F(xiàn)的方法模型適用范圍有限。對于已工程化實現(xiàn)和投入實際應(yīng)用的頻率預(yù)測方法，由于結(jié)合了“本地化”的底層參數(shù)，在一定區(qū)域范圍內(nèi)的預(yù)測結(jié)果具有較高的精度，但局部的使用范圍使其推廣應(yīng)用受到限制，以亞大方法為例，方法還無法完全滿足艦船遠(yuǎn)海短波通信保障的使用需求，特別是4000公里以上的遠(yuǎn)程通信距離，需要電離層的多次跳變，現(xiàn)有方法對于多模多跳模式不適用或預(yù)測精度很低；最后，頻率預(yù)測方法對實現(xiàn)頻率優(yōu)選的作用仍然有限[4]?；诜椒Ｐ偷念l率預(yù)測技術(shù)通過構(gòu)建大尺度的統(tǒng)計模型來實現(xiàn)頻率的優(yōu)選，大尺度的統(tǒng)計模型無法得到較高的頻率預(yù)測精度，現(xiàn)有方法只能夠?qū)崿F(xiàn)頻率的初步篩選。

2.2 基于探測的信道估值選頻技術(shù)

由于頻率預(yù)測技術(shù)存在的固有缺點，為提高頻率優(yōu)選的精度和時效性，出現(xiàn)了基于探測的信道估值選頻技術(shù)。根據(jù)探測技術(shù)與通信設(shè)備的結(jié)合程度，可分為探測與通信相分離、探測與通信相結(jié)合兩種應(yīng)用方式。

(1)探測與通信相分離

探測與通信分離的信道估值選頻技術(shù)一般應(yīng)用于獨(dú)立的探測系統(tǒng)，如目前應(yīng)用較為廣泛的Chirp探測系統(tǒng)。獨(dú)立的探測系統(tǒng)能夠在整個短波頻段范圍內(nèi)實現(xiàn)對頻率的快速掃描探測，從特定的通信模型出發(fā)，實時地處理到達(dá)接收端的不同頻率的信號。在接收端的一組規(guī)定的信道上測量各種參量，如接收信號的能量、信噪比、誤碼率、多徑延時、多普勒頻移、衰落特征、基帶頻譜和失真系數(shù)等，通過實時數(shù)據(jù)處理，對參量進(jìn)行統(tǒng)計分析，確定在這一組信道上傳輸某種通信業(yè)務(wù)可能達(dá)到的通信質(zhì)量指標(biāo)，選擇通信使用的頻段和頻率。該技術(shù)能夠?qū)崟r地根據(jù)探測電離層傳輸條件和用戶本地噪聲干擾，系統(tǒng)全面掌握短波頻段的頻率資源動態(tài)，較快地實現(xiàn)短波頻率的優(yōu)選，克服了基于統(tǒng)計學(xué)原理固定配置頻率的不足。獨(dú)立探測技術(shù)大多適用于固定的專用選頻系統(tǒng)，無法普遍應(yīng)用于機(jī)動通信中，需要配備實時的頻率分發(fā)系統(tǒng)才能保證通信時的最佳頻率與探測頻率保持一致。在軍事應(yīng)用背景條件下，探測手段的使用容易受到多種限制。以Chirp探測為例，其頻率探測掃描方式較為單一，不能夠根據(jù)接收端的接收情況實時進(jìn)行調(diào)整，容易造成移動平臺的目標(biāo)暴露；持續(xù)的探測、接收也存在惡化電磁環(huán)境的現(xiàn)實問題。

(2)探測與通信相結(jié)合

介于探測與通信相分離的信道估值選頻技術(shù)存在的天線體制不統(tǒng)一、探測與通信存在空域距離等問題，人們提出將探測與通信相結(jié)合，在通信系統(tǒng)中直接應(yīng)用基于探測的實時信道估值技術(shù)，有利于推廣應(yīng)用于機(jī)動通信，利用通信間隙對短波信道進(jìn)行探測、評估。該方法無需由獨(dú)立的探測系統(tǒng)單獨(dú)實施探測，再將探測優(yōu)選結(jié)果匯集至頻率分發(fā)系統(tǒng)，最后由頻率分發(fā)系統(tǒng)將優(yōu)選頻率分發(fā)至通信設(shè)備。探測與通信的結(jié)合應(yīng)用省去了頻率分發(fā)環(huán)節(jié)，因此能夠有效避免了頻率分發(fā)過程造成的時延問題，確保了頻率優(yōu)選的實時性[3]。然而這種選頻方法精度較低，且存在一定的盲目性，這是因為鏈路探測只在有限的待選頻率點進(jìn)行，所選出的頻率并非最佳可用通信頻率，且待選頻率質(zhì)量較差時容易陷入無法選取優(yōu)質(zhì)頻率的死循環(huán)。

總體而言，基于探測的信道估值選頻技術(shù)能夠提高頻率優(yōu)選的準(zhǔn)確性和時效性。但由于探測技術(shù)的應(yīng)用需要探測設(shè)備發(fā)射無線電探測信號，容易造成電磁環(huán)境的惡化，暴露通信企圖和被敵方偵察和干擾，使得探測技術(shù)的應(yīng)用缺乏軍事應(yīng)用前景，同樣無法滿足當(dāng)前岸海遠(yuǎn)距離短波通信的頻率保障需求。

3 頻率預(yù)測與頻率探測組合應(yīng)用模式

針對現(xiàn)有短波頻率優(yōu)選技術(shù)的特點，結(jié)合短波遠(yuǎn)程通信的軍事應(yīng)用需求，將基于空間局部重構(gòu)的頻率預(yù)測技術(shù)與基于頻率感知的信道實時探測相結(jié)合，提出一種新的組合應(yīng)用模式。該模式頻率優(yōu)選流程如圖1所示，其選頻實現(xiàn)策略如下：

(1)基于空間局部重構(gòu)的頻率預(yù)測：借助導(dǎo)航定位信息確定通信雙方的位置和距離，利用克里格方法預(yù)測待估區(qū)域的可用的頻率范圍。在特殊應(yīng)用背景條件下，如果探測手段嚴(yán)格受到限制，則由基于空間局部重構(gòu)的頻率預(yù)測方法直接為通信設(shè)備提供參考用頻；

(2)基于頻譜感知的本地噪聲分析：采用快速傅里葉變換和循環(huán)譜分析技術(shù)，實時監(jiān)測本地噪聲和干擾情況，屏蔽部分干擾嚴(yán)重的頻點[13]；

(3)單向頻率偵聽：接收目標(biāo)臺站和已知地理位置的廣播電臺信號，采用單向信號偵聽技術(shù)，分析短波信道的傳播特性，優(yōu)選出備用的頻率組；

(4)雙向離散頻率點探測：通過定時或人工方式啟動對目標(biāo)臺站的雙向頻率探測，實現(xiàn)小樣本、離散點的探測獲取信道質(zhì)量信息；

(5)探測數(shù)據(jù)信息處理：利用信道參數(shù)相關(guān)特性，基于小樣本、離散點探測數(shù)據(jù)進(jìn)行指定頻段的信道質(zhì)量分析；

(6)建立頻率質(zhì)量分析矩陣：對所有可能的目標(biāo)臺站建立頻率矩陣庫，并依據(jù)當(dāng)前探測結(jié)果和歷史信息更新矩陣庫，為后續(xù)合理選頻提供依據(jù)。

該應(yīng)用模式區(qū)別于常規(guī)的先預(yù)測后探測的方式，依據(jù)頻率探測數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，采用靈活的離散頻率點的探測方法，不需要對整個短波頻段進(jìn)行掃描探測，運(yùn)用探測數(shù)據(jù)屬性的關(guān)聯(lián)模型對分析確定探測的樣本數(shù)量、間隔。最后再利用實際獲取的、離散的、小樣本探測數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率預(yù)測，通過實際探測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測在提高頻率預(yù)測精度的同時，還能夠克服常規(guī)探測方法耗時過長、易暴露通信目標(biāo)，探測組織方法不靈活等不足。在探測手段嚴(yán)格受到限制而無法有效實施的情況下，運(yùn)用空間局部重構(gòu)技術(shù)進(jìn)行頻率預(yù)測[14]?？臻g局部重構(gòu)技術(shù)就是短波頻率數(shù)據(jù)重構(gòu)方法是將電離層的區(qū)域特點與數(shù)據(jù)重構(gòu)技術(shù)結(jié)合，根據(jù)電離層的連續(xù)性分析其變化規(guī)律，進(jìn)而通過重構(gòu)算法利用已知點的頻率數(shù)據(jù)來構(gòu)造頻率未知區(qū)域的數(shù)據(jù)。這種方法不再單純依靠發(fā)送探測信號獲得通信質(zhì)量數(shù)據(jù)或利用已知頻率數(shù)據(jù)的簡單加權(quán)來預(yù)測可通頻率，而是基于實測數(shù)據(jù)通過重構(gòu)算法來構(gòu)造頻率的預(yù)測值，且該方法與通信距離無關(guān)，避免了傳統(tǒng)方法受預(yù)測距離限制的弊端。

圖1 頻率優(yōu)選流程圖

4 結(jié) 論

短波通信具有良好的抗毀性，在遠(yuǎn)距離通信特別是海上通信中有著不可替代的作用。但短波信道是色散信道，要改善短波通信效果，必須提高頻率優(yōu)選能力。實現(xiàn)短波遠(yuǎn)程通信的頻率優(yōu)選，不能單純依靠某一種方法，必須綜合當(dāng)前多種頻率優(yōu)選技術(shù)的優(yōu)勢。本文系統(tǒng)分析了當(dāng)前短波通信頻率優(yōu)選技術(shù)的國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀，對各種頻率優(yōu)選技術(shù)的特點進(jìn)行了總結(jié)歸納。結(jié)合短波遠(yuǎn)程通信頻率優(yōu)選技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用需求，特別是海上遠(yuǎn)距離通信，提出了一種頻率預(yù)測與頻率探測組合應(yīng)用的新模式，在短波通信頻率優(yōu)選技術(shù)的研究方面做了有益的探索。為使該應(yīng)用模式得到實際應(yīng)用，下一步還需要深化對空間局部重構(gòu)技術(shù)、快速偵聽技術(shù)[15]、離散頻率點探測技術(shù)、小樣本頻率數(shù)據(jù)分析技術(shù)的研究，結(jié)合高速DSP和大規(guī)模FPGA技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)對短波通信設(shè)備的改進(jìn)升級，提高短波通信設(shè)備在遠(yuǎn)距離通信中的頻率優(yōu)選能力。

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Status and Analysis of Optimum Frequency Selection for Maritime HF Communications

XU Chi1，QIU Chu-chu1，LI Liang2，HAN Dong1

(1.Dalian Naval Academy, Dalian Liaoning 116018,China; 2.Unit 91913 of PLA Navy, Dalian Liaoning 116050,China)

Duo to the variation of ionosphere, it is difficult to select the optimum frequency of HF communication, thus restricting the performance improvement of HF telecommunication. Based on advantage and disadvantage analysis of frequency prediction and frequency sounding technology, the application status of optimum frequency selection technology is summarized systematically from separation and combination of prediction and sounding. Aiming at the demand of optimum frequency selection technology in long-distance marine communication, a novel integrated mode of frequency prediction and frequency sounding is proposed,the implementation process of application mode is combed up, thus providing certain reference for optimum frequency selection of maritime HF communication.

HF communication; frequency prediction; frequency sounding

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.10.001

2015-05-25；

2015-08-20 Received date:2015-05-25；Revised date：2015-08-20

國家自然科學(xué)基金(No.11374001)；海軍大連艦艇學(xué)院2110工程三期資助學(xué)術(shù)預(yù)研課題(No.2014061)

Foundation Item:National Natural Science Foundation of China(No.11374001)；Academic Preparatory Foundation of DNA 2110 Project(No.2014061)

P353

A

1002-0802(2015)10-1101-05

徐 池(1984—)，男，碩士，講師，主要研究方向為通信系統(tǒng)分析與應(yīng)用；

邱楚楚(1987—)，女，碩士，主要研究方向為軍事系統(tǒng)分析與應(yīng)用；

李 梁(1984—)，男，碩士，主要研究方向為通信系統(tǒng)分析與應(yīng)用。

韓 東(1978—)，男，博士，講師，主要研究方向為水聲通信。