基于現(xiàn)有短波Chirp雙向探測的高效能方案研究

譚正輝，張秀強(qiáng)，張春雷

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第七研究所，廣東 廣州 510310；2.海軍頻管中心，北京 100841；3.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所，湖北 武漢 430079）

基于現(xiàn)有短波Chirp雙向探測的高效能方案研究

譚正輝1，張秀強(qiáng)2，張春雷3

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第七研究所，廣東 廣州 510310；2.海軍頻管中心，北京 100841；3.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所，湖北 武漢 430079）

為了解決短波Chirp雙向探測的串行處理機(jī)制中耗時長的問題，采用了比較類推法，通過分析短波雙向探測原理和數(shù)據(jù)，研究了探測發(fā)射算法和處理機(jī)制，提出了探測發(fā)射及時響應(yīng)算法和并行處理機(jī)制的解決方案。經(jīng)過仿真實驗證明，探測發(fā)射及時響應(yīng)算法和并行處理機(jī)制將雙向探測的效能提高了三倍，且具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。

短波 雙向探測 串行處理 并行處理

1 引言

短波無線電遠(yuǎn)程通信主要依靠電離層反射來進(jìn)行傳播，其特點是路徑損耗、時延散布、噪聲和干擾等都隨頻率、地點、季節(jié)、晝夜的變化而變化，由此可見短波通信中的工作頻率是不能任意選擇的[1]。雖然現(xiàn)有的短波Chirp雙向探測可以很好地解決這些因素帶來的影響，但是由于其串行處理機(jī)制在雙向探測周期上耗時長以及對時間要求苛刻的原因，導(dǎo)致其無法滿足時效性和靈活性要求高的通信業(yè)務(wù)需求。因此，需要進(jìn)行改良優(yōu)化，縮短周期、提高時間利用率，從而快速有效地完成短波通信選頻。本文根據(jù)現(xiàn)有的短波Chirp雙向探測串行處理機(jī)制，提出了并行處理機(jī)制方案，通過及時響應(yīng)探測發(fā)射和充分利用探測信號資源的方法來提高效能。

2 雙向探測原理

通信站點主要設(shè)備由短波Chirp探測接收機(jī)、發(fā)射機(jī)和業(yè)務(wù)終端組成，主要功能分別為探測信號的接收、發(fā)射和業(yè)務(wù)處理[2-3]。在通信過程中一方的最佳接收頻率也就是另一方的最佳發(fā)射頻率，通信雙方各自將本地最佳接收頻率集信息加載到探測信號中，當(dāng)一方接收到探測信號時對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理[4-5]，解析出對方的最佳接收頻率集，再結(jié)合本地最佳接收頻率組成一組最佳收、發(fā)異頻的通信頻率集，如圖1所示。

探測接收站點在接收探測信號時除了必須與探測發(fā)射站點的時間保持同步外，兩者的工作參數(shù)也必須保持一致，包括掃頻范圍、掃頻速率、掃頻模式和時延[6]。現(xiàn)有的短波Chirp探測發(fā)射機(jī)從2MHz—30MHz以100kHz/s的速度進(jìn)行掃描，需要280s（即四分鐘四十秒）掃完一輪，單個探測周期設(shè)定為一個整五分鐘（如：00:00至04:59為一個五分鐘），而空閑出來的20s為時延值的設(shè)置范圍，用于區(qū)分各發(fā)射站點的探測信息[7]。

3 雙向探測處理機(jī)制

3.1 串行處理機(jī)制

目前的雙向探測是串行處理機(jī)制，其是由一方先觸發(fā)雙向探測事件，另一方被動回應(yīng)的機(jī)制，其流程如圖2所示。站點A在第一個五分鐘內(nèi)接收站點B的探測信號，并計算出一組最佳接收頻率集F1={fm}（其中1≤m≤10）；在第二個五分鐘內(nèi)站點A將此組頻率集作為短信息加載到探測信號中，站點B在收到站點A發(fā)射的雙向探測信號之前一直處于等待狀態(tài)，只有當(dāng)接收到探測信號并解析出站點A的最佳接收頻率集F1后才會計算出一組最佳接收頻率集F2={fn}（其中1≤n≤10）；在第三個五分鐘內(nèi)站點B將自身的最佳接收頻率集加載到探測信號中，站點A再次接收到站點B發(fā)射的探測信號后解析出其中的F2得到一組最佳的收、發(fā)異頻的頻率集。由此可見，串行處理機(jī)制完成雙向探測耗時約為十五分鐘。

雙向探測串行處理機(jī)制必須在一個五分鐘前啟動探測掃頻事件才能發(fā)射探測信號，否則就要等到下一個五分鐘，不能做到及時啟動發(fā)射。一般情況下，發(fā)射探測信號時并沒有加載短信息，探測信號資源沒有完全利用起來，這種探測機(jī)制在時間上要求十分苛刻，利用效率也不高。

3.2 并行處理機(jī)制

圖1 短波Chirp雙向探測原理圖

圖2 雙向探測串行處理機(jī)制示意圖

在優(yōu)化雙向探測處理機(jī)制前先對探測發(fā)射算法進(jìn)行改良，將每個整五分鐘的起始頻率設(shè)置為f0，時延設(shè)置為t0，掃頻速率設(shè)置為v，在這五分鐘內(nèi)的任一時刻t對應(yīng)的頻率值f，可以通過公式(1)計算出來，以此解決當(dāng)超過五分鐘時本周期內(nèi)就無法啟動探測掃頻的問題。

并行處理機(jī)制的原理是每個通信站點在接收探測信號時計算出一組最佳接收頻率集Fi={fx}（其中1≤x≤10），在自身啟動探測發(fā)射時將此組頻率集攜帶收、發(fā)站點身份信息加載到短信息中。此過程不需要特殊事件觸發(fā)，并作為一種常態(tài)化的探測發(fā)射機(jī)制進(jìn)行保持，其流程如圖3所示。通過這種充分利用探測信號和時間資源的處理機(jī)制能讓對方及時了解自身的最佳接收頻率，將一個雙向探測周期壓縮在一個五分鐘內(nèi)完成。

圖3 雙向探測并行處理機(jī)制示意圖

3.3 雙向探測耗時數(shù)學(xué)模型

由于串行處理和并行處理在機(jī)制上有很大的區(qū)別，因此，相對應(yīng)地在完成雙向探測耗時上也有明顯的差別，根據(jù)圖2和圖3中的處理機(jī)制分別建立雙向探測耗時數(shù)學(xué)模型。

假設(shè)有兩個探測站點A和B，掃頻速率為v，站點A掃頻的起始頻率和終止頻率分別為fs1和fe1，且fs1＜fe1，時延為Δt1。站點B掃頻的起始頻率和終止頻率分別為fs2和fe2，且fs2＜fe2，時延為Δt2，且Δt1≠Δt2。一個單向探測周期為五分鐘，設(shè)為T0，站點A和B各自完成一次探測發(fā)射的耗時分別為t1和t2，探測站點在接收探測數(shù)據(jù)后的解析耗時為毫秒級，可忽略不計。

串行處理機(jī)制中假設(shè)由站點A先發(fā)射雙向探測數(shù)據(jù)，完成一輪雙向探的測耗時T1為：

并行處理機(jī)制中站點A和B均在一個單向探測周期內(nèi)發(fā)射雙向探測數(shù)據(jù)，完成一輪雙向探測耗時T2為：

通過公式(2)和(3)可以推斷出T1明顯大于T2，并利用Matlab仿真軟件對掃頻速率為100kHz/s，頻率范圍為2MHz～30MHz，時延范圍為0s～20s的雙向探測進(jìn)行了1000次參數(shù)隨機(jī)測試，得出了串行處理和并行處理的耗時情況，如圖4和圖5所示，可以看出并行處理機(jī)制在雙向探測中的耗時要遠(yuǎn)小于串行處理機(jī)制。

圖4 串行處理機(jī)制雙向探測數(shù)學(xué)模型耗時情況

圖5 并行處理機(jī)制雙向探測數(shù)學(xué)模型耗時情況

4 并行處理機(jī)制的驗證分析

根據(jù)雙向探測原理，掃頻范圍最大單輪發(fā)射所需時間最長，在這種極端的條件下，利用時延參數(shù)窮舉法對并行處理機(jī)制雙向探測耗時結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析[8-9]，驗證其數(shù)學(xué)模型（如公式(3)）的可行性和優(yōu)越性。

在實驗環(huán)境中，設(shè)定兩個通信站點分別為站點A和站點B，由于在第一輪發(fā)射探測信號時還沒有收到對方實時探測信號，站點A、站點B各自在第一輪中加載的自身最佳優(yōu)選頻率集是根據(jù)長期預(yù)報計算所得[10]，實驗中將兩個站點的掃頻范圍設(shè)為2MHz～30MHz，掃頻速率為100kHz/s，在掃頻速率一定的情況下，掃完一輪所需時間與掃頻寬度成正比，測試在掃描最大頻段時完成雙向探測的耗時情況。

將時延集設(shè)置為ΔT={0, 1, 2, 3, …, 19, 20}，站點A的時延為Δt1∈ΔT，站點B的時延為Δt2∈ΔT，且Δt1≠Δt2。先測試Δt1=0時Δt2依次遞增的情況，測試完后Δt1再依次遞增，按照上一次的測試步驟重新測試，有21組每組20次共計420次驗證測試。

窮舉Δt1和Δt2的值：

當(dāng)終止頻率fe為30MHz，起始頻率fs為2MHz，掃描速率v為100kHz/s時，發(fā)射一輪探測數(shù)據(jù)所需時間設(shè)為λ0：

完成一次并行處理機(jī)制雙向探測耗時T為（單位：分鐘）：

依據(jù)公式(4)、公式(5)、公式(6)和公式(7)對并行處理機(jī)制雙向探測的耗時情況進(jìn)行統(tǒng)計，其結(jié)果如圖6所示，在掃頻頻段最大、時延間隔最大的情況下，完成雙向探測才需要五分鐘，其他條件下的耗時均小于五分鐘，滿足在一個五分鐘內(nèi)完成雙向探測選頻，實驗結(jié)果充分證明了并行處理機(jī)制的可行性和優(yōu)越性。

5 結(jié)束語

圖6 雙向探測并行處理機(jī)制耗時統(tǒng)計結(jié)果圖

本文以短波Chirp雙向探測原理為基礎(chǔ)，對當(dāng)前串行處理機(jī)制和探測發(fā)射機(jī)制進(jìn)行分析，提出了并行處理機(jī)制和探測發(fā)射及時響應(yīng)算法，由試驗結(jié)果來看，新引入的機(jī)制和算法能在一個五分鐘周期內(nèi)完成雙向探測，其在效能上提高了三倍。隨著短波通信業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展和需求不斷增多，對選頻的效能要求也越來越高，短波Chirp雙向探測并行處理機(jī)制是短波通信鏈路快速有效建立和維護(hù)的重要選頻支撐和保障手段，必將在短波通信質(zhì)量保障中發(fā)揮越來越重要的作用。

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Research on High-Eff i ciency Solution Based on Existing HF Chirp Bidirectional Detection

TAN Zhenghui1, ZHANG Xiuqiang2, ZHANG Chunlei3
(1. C h i n a E l e c t r o n i c s T e c h n o l o g y G r o u p C o r p o r a t i o n No.7Re s e a r c h I n s t i t u t e, G u a n g z h o u 510310, C h i n a) (2. T h e F r e q u e n c y Ma n a g e m e n t C e n t e r o f t h e Na v y, B e i j i n g 100841, C h i n a) (3. T h e 722n d Re s e a r c h I n s t i t u t e o f C h i n a S h i p b u i l d i n g I n d u s t r y C o r p o r a t i o n, Wu h a n 430079, C h i n a)

In order to deal with the long time of the serial processing in HF Chirp bidirectional detection, a comparative analogy was used to investigate the detection transmission algorithm and processing mechanism based on the principle and data of HF bidirectional detection. A solution combined detection transmission timely response algorithm with parallel processing mechanism was proposed. Simulation results show that the proposed solution enhances the ef fi ciency of three times in the bidirectional detection with strong expansibility.

HF bidirectional detection serial processing parallel processing

10.3969/j.i s s n.1006-1010.2017.12.010

T N929.12

A

1006-1010(2017)12-0049-05

譚正輝,張秀強(qiáng),張春雷. 基于現(xiàn)有短波C h i r p雙向探測的高效能方案研究[J]. 移動通信, 2017,41(12): 49-53.

2017-02-21

責(zé)任編輯：劉妙 l i u m i a o@m b c o m.c n

譚正輝：工程師，學(xué)士畢業(yè)于湖南南華大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與應(yīng)用專業(yè)，現(xiàn)任職于中國電子科技集團(tuán)公司第七研究所，主要從事短波通信頻譜管理系統(tǒng)分析與設(shè)計工作。

張秀強(qiáng)：工程師，碩士研究生畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)信號與信息處理專業(yè)，現(xiàn)任職于海軍頻管中心，主要從事無線電管理的相關(guān)工作。

張春雷：工程師，學(xué)士畢業(yè)于武漢大學(xué)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專業(yè)，現(xiàn)任職于中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所，主要從事艦船通信總體技術(shù)設(shè)計工作。