一種岸海短波組網通信頻率集自動更新方法

張　浩，周安棟

(海軍工程大學 電子工程學院 ， 湖北 武漢 430033)

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一種岸海短波組網通信頻率集自動更新方法

張浩，周安棟

(海軍工程大學 電子工程學院 ， 湖北 武漢 430033)

摘要：在岸海短波組網通信過程中，為使通信頻率集得到及時更新，提高通信的連續性和可靠性，提出了一種以門限值為更新依據的通信頻率集自動更新方法。在分析我國岸海短波通信網的基礎上，闡述了這種頻率集自動更新方法的設計思路，重點研究了門限值的設定算法，將門限值分為基礎值和冗余值兩部分進行設定，并利用MATLAB進行了仿真計算。

關鍵詞：短波；通信頻率集；自動更新；門限值

0引言

短波自適應通信中，完成信道匹配主要有兩種系統。一種是探測與通信二合一的短波自適應系統，該系統對短波信道探測、評估和通信一并完成，典型產品有美國Harris公司的RF-7100系列，加拿大RACE公司的AECE系統等。另一種是探測和通信分離的獨立系統，又稱自適應頻率管理系統，它利用獨立的探測系統篩選出可用頻率范圍并分配給每個用戶一個可用頻率集，用戶使用該頻率集完成自適應通信。如：美國研制的AN/TRQ-42(V)系統，成功用于海灣戰爭，支持短波通信網，效果良好[1]。

國內岸海短波組網通信采用了探測與通信分離的系統，如BF-3200、TCP-724、MSR-8000 等一些短波選頻系統和頻率管理系統已投入使用[2]。岸海短波通信屬于遠程通信，對選擇好的通信頻率工作要求高，通信頻率集的可用性變化頻繁，為避免通信質量嚴重下降或無通信頻率可用的情況出現，要求對用戶可用頻率集及時進行更新。

本文提出一種岸海短波通信頻率集自動更新方法，使系統在頻率集可用性降低到一定程度時自動完成更新，保證用戶通信可靠性和連續性，改善通信體驗。

1國內岸海短波通信網

我國岸海短波自適應通信網獨立的分為探測網和通信網，結構模型如圖1所示。

圖1短波自適應通信網模型

陸上頻率管理系統(頻管系統)與陸上通信臺建于同地；海上一定區域內的用戶組成一個通信組，共用一個頻率集[3]，并由一只具備海上頻管系統的船擔任通信節點。短波通信頻率的探測和分發全部由頻管系統統一管理。當海上用戶需要更新頻率時，向海上頻管系統申請新頻率集。陸、海頻管系統頻率信息交互工作獨立運作，收到頻率申請請求后，立刻分發通信頻率集給所管轄的通信臺或者通信組內用戶，組內用戶收到通信頻率集后完成岸海短波自適應通信鏈路建立。

頻率更新方式主要分為：手動更新和定時更新。手動更新是指用戶發現初始頻率集不能滿足通信需要時，人為操作向頻管系統申請新頻率集。定時更新是指將時間因素(如：早晚、月份、固定間隔等)設置為頻率集更新的激活條件，當網絡運行完該時長后進行一次頻率集更新。

手動更新與定時更新的方法容易實現，但存在一些問題：

(1) 手動更新對用戶通信的連續性和實效性影響較大；

(2) 通信頻率集可用性嚴重下降，但此時仍未到頻率更新時間點；

(3) 通信頻率使用良好但在頻率更新時間點強制更新。

2門限值更新方法

門限值更新是各短波通信臺根據自身頻率集在網絡通信中使用情況進行調整。各用戶利用自身短波控制器，對通信過程中頻率集內可用頻率進行監測。當可用頻率數低于某一門限值x時，系統自動向頻管系統申請更新頻率集，工作流程圖見圖2。

圖2門限值更新流程

這種自動更新方法實現的關鍵是如何確定門限值x大小。門限值x即頻率集中可用頻率數量的最小值，受兩方面因素影響：用戶數量和頻率質量。通信組內用戶數越多，需要的頻率數量必然越多；頻率質量越好，需要的頻率數量必然越少。因此，在配置門限值x時，將x分為基礎值和冗余值，基礎值受用戶數量影響，不保證通信質量；冗余值建立在基礎值之上，受頻率質量影響，提供額外的通信質量保證。配置門限值x時，可以只進行基礎值的設定，為用戶提供最基本的用頻保障；也可以在基礎值的基礎上增加冗余值，不僅保證所有用戶在一定條件下有頻可用，而且能保證建立質量較好的通信鏈路。

2.1基礎值的設定

基礎值是保證所有用戶在一定的時間內或者一定的概率下有頻率可用的最少可用頻率數量?；A值的大小不僅與用戶數量有關，而且與每個用戶的通信頻繁程度以及通信時長有關系。用戶越多，頻率被占用的可能性就越大；同樣，通信越頻繁、通信時間越長，其它用戶需要通信時有頻率可用的可能性也越小。

假設如下場景一：

(1)有10個用戶共用一個頻率集；

(2)每個用戶通信頻繁程度滿足泊松分布，分布參數λ0為1次/小時，即每個用戶平均1小時通信1次。將10個用戶看成一個整體，在相互無影響的情況下，這個整體的通信頻繁程度同樣滿足泊松分布，且λ=10×λ0=10次/小時；

(2)每個用戶每次通信時長為0.1小時；

(3)可用頻率數為3個。

我們使用Erlang B公式對基礎值進行計算，如式(1)所示：

(1)

(a)10%呼損率標準下用戶數與基礎值的關系

(b)5%呼損率標準下用戶數與基礎值的關系

(c)2%呼損率標準下用戶數與基礎值的關系

(d)1%呼損率標準下用戶數與基礎值的關系

圖3中，10%的呼損率也可以解釋為任一用戶在某時刻都有90%的概率有通信頻率可用或者任一用戶在90%的時間里都有頻率可用。我們可以將呼損率作為一種服務保證標準，呼損率越低，服務保證標準越高，基礎值越大。

2.2冗余值的設定

基礎值只能保證用戶“有頻可用”，并不關注通信頻率質量的好壞。例如，假如3個頻率可以滿足5個用戶的用頻數量需求，第一個用戶可以從3個頻率中選一個進行通信，建立通信效果良好的鏈路概率很大，隨后的用戶選擇范圍越來越小，通信質量也就越來越得不到保障；如果我們用5個頻率保障5個用戶，第三個用戶便可以從3個頻率中選一個。上述假設的例子中，額外增加了2個頻率，便能提高整體的通信效果保障水平。額外需要頻率數量的最小值，定義為冗余值。

冗余值設定與頻率質量有關，我們需要能預測出通信頻率質量的變化情況，并能及時申請新頻率集保證通信質量。對頻率質量的預測除了采用ITS軟件，還可以利用基于數據庫的自優化技術思想[4]。每一次通信過程中，通信雙方的短波控制器均對本次通信信道質量進行評分，每一方滿分50分，以信納德、誤碼率等作為評分依據，雙方的分值相加即為該頻率在某區域和某時刻的通信信道質量評分結果，存入數據庫備用。假定只有在通信雙方分值均大于30分時才能正常通信；無法建鏈通信的頻率均視為0分[5]。則數據庫中的數據將會以如下形式存在，見表1。

表1　信道質量統計

假設如下場景二：有7個頻率可以用來通信，頻率質量見表2。

表2　頻率質量表

假定基礎值應該設定為3，如果不考慮冗余值，門限x即為3，當頻率集中可用頻率數量少于3時，進行頻率更新。如果再對通信質量提出一定要求，比如建立低質量鏈路的概率不小于80%，需要增加冗余值，計算冗余值大小，也就是計算額外需要的最少頻率數量：第三代短波自動鏈路建立系統采用“好頻優先選擇”的原則，前兩個用戶很可能優先使用了好的頻率(頻率1和頻率2)。第三個用戶只能選擇頻率3，為使他建立低質量鏈路的概率也不低于80%，我們增加額外頻率，如：頻率4，計算得出建鏈概率為：[1-(1-0.7)×(1-0.65)]×100%=89.5%。選擇頻率4而不選擇其它目的是使冗余值最小。

依照上述計算思路，可用頻率數量和成功建立不同質量的鏈路概率關系見圖4。

圖4　不同質量下可用頻率與建鏈概率關系

由圖4可以得出，建鏈概率與可用頻率數、鏈路質量、頻率質量有關，如果將建鏈概率與鏈路質量作為服務標準確定下來，那么在不同的頻率質量條件下的最少可用頻率數量，即為冗余值的大小。例如，需要始終為用戶提供有80%概率成功建立低質量鏈路的服務，在場景二假設的頻率質量條件下，需要提供1個冗余頻率。如果出現所有可用頻率均列入計算范圍，仍無法滿足建鏈概率要求，則自動增加“虛擬頻率”完成計算，得出冗余值大小。此時，冗余值必然大于可用頻率數量。

此計算方法的準確性依賴于信道質量數據庫的準確度。數據庫中數據量越大預測越精準，同時增加對統計數據的限制條件，如：天氣狀況、太陽活動狀況等，同樣能夠提高數據庫預測的準確度。然而，基于數據庫的預測結果是一種統計平均的結果，具有一般性。如果某時刻某信道通話質量良好，而數據庫預測信道質量是一般，顯然實際通話結果更能反映真實狀態。因此，我們可以對數據庫進行改進，將其分為兩部分：長期數據庫和短期數據庫[6]。長期數據庫即基于長期統計數據；短期數據庫根據實時信道質量評估數據建立，并不斷動態變化[7]。當進行可用頻率監測時，首先使用短期數據庫中的數據，如果沒有相關數據則使用長期數據庫。

2.3頻率集自動更新

綜合場景一、場景二，為保證所有用戶在95%的時間里能夠有80%成功建立低質量鏈路的概率，那么應將基礎值設定為3和冗余值設定為1，門限值x為兩值之和，設定為4。這里基礎值只能保證所有用戶在95%的時間里有頻可用，但無法保證建立低質量鏈路概率始終大于80%。冗余值反映頻率質量與最少頻率數之間的關系，額外保證建立低質量鏈路概率始終大于80%。

在完成可用頻率集初始分配或上一次更新后，頻管系統分配給任一通信組的可用頻率集中的可用頻率質量較好，并且數量遠大于更新門限值，所有用戶通信狀況良好。新用戶加入通信組時需要告知通信節點，組內用戶每次通信結束后上報通話時長信息給通信節點，通信節點根據組內用戶數量、平均通話頻繁程度、平均時長確定基礎值大??；每艘船的數據庫信息實時共享，通信節點通過數據庫信息確定冗余值大小?；A值與冗余值相加得到門限值x，隨著時間、位置等因素的變化，用戶數量和頻率質量隨之變化，門限值x也動態調整，當舊頻率集可用頻率數小于門限值x時，通信節點自動向海上頻管系統申請新頻率集，頻管系統收到請求消息后立即下發新頻率集，完成頻率自動更新。

3結語

基于門限值x的頻率集自動更新方法，能在通信發生中斷之前自動完成頻率集更新，保證了用戶通信體驗。此方法還可以根據用戶不同需求動態設定呼損率和通信質量保障率等參數，進而得出不同保障級別的門限值，緩解頻譜資源緊張和用戶需求之間的矛盾，達到效能最大化。實現這種自動更新方法的關鍵是基于信道質量數據庫的大數據預測，這將是未來深入研究的重點。

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張浩(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向為短波通信；

周安棟(1964—)，男，副教授，主要研究方向為無線通信。

Automatic Updating Method for Frequency Set in Coast-Sea

HF Networking Communication

ZHANG Hao，ZHOU An-dong

(College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan Hubei 430033,China)

Abstract：In order to keep communication frequency set update timely and improve communication continuity and reliability in coast-sea HF network communication,an automatic updating method for communication frequency set in accordance with threshold value is proposed. Based on the analysis of coast-sea HF communication network in China, this paper describes the design idea of frequency set automatic updating method,with focus on the setting algorithm of threshold value.This threshhold value is divided into basic value and redundant value for setting.Additionally,simulation is carried out with MATLAB.

Key words：HF; communication frequency set; automatic updating; threshold value

作者簡介：

中圖分類號：TP393

文獻標志碼：A

文章編號：1002-0802(2015)12-1427-05

收稿日期：2015-07-16；修回日期：2015-10-29Received date:2015-07-16；Revised date：2015-10-29

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.12.021