一種區域短波通信頻率集計算方法研究

鄭瑋琦，譚志強

一種區域短波通信頻率集計算方法研究

鄭瑋琦，譚志強

（1.中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310；2.中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471000）

在短波天波通信中，合理的頻率選擇策略是保障通信成功的因素之一。為了在面向某一固定區域，多用戶同時通信的場景時，為用戶選取合理的頻率集，提出了一種頻率集的計算方法：該算法通過柵格化的方法對區域進行劃分，通過短波傳播預測模型軟件對各區域間通信的最高可用頻率進行計算，再基于計算結果進行統計分析，最終通過采樣的方式生成頻率集。通過仿真驗證了該頻率計算方法的有效性。

短波天波通信 頻率集 柵格化

1 引言

近年來，隨著科學技術的不斷發展，無線通信領域中的各種通信技術都獲得了長足的發展，如衛星通信、潛艇通信、高頻通信、甚高頻通信、超高頻通信、3G和4G移動通信、WLAN（Wireless Local Area Networks，無線局域網）通信技術等。短波通信（即高頻通信）作為無線通信領域中古老而又傳統的技術之一，由于其制約條件少，環境適應性強，運營成本低的特點，不僅沒有被淘汰，反而受到了世界許多通信大國的重視。

頻率是短波通信過程不可缺少的組成部分，因此如何選取合適的頻率一直是短波通信領域的重點研究方向之一。本文首先介紹了短波通信的原理，短波選頻的一些基本原則，然后基于在某一固定區域內，多用戶同時通信的場景，提出了一種頻率集的計算方法，最后通過仿真的方式對算法進行了驗證。

2 短波通信的原理

按照傳播路徑劃分，短波通信可以分為天波通信和地波通信。

（1）在地波通信中，通信雙方位置確定后，如天線角度、工作參數、發射功率、通信波形等參量都已固化，唯一能變化的因素就是頻率。鑒于大地對頻率的吸收特性（即頻率越高，吸收越大），短波電臺的地波通信通常使用較低的頻率（如2MHz—6MHz）。根據理論得知，地波的傳播距離與接收的信號場強值成反比，地波通信距離越遠，傳輸信號的衰落越高，收到的信號強度越低。一般來說，選擇合適的頻率，短波電臺地波通信覆蓋范圍可達數十公里。

（2）在天波通信中，通信鏈路的建立主要依賴于高空電離層對電波的反射。電離層影響短波通信的要素主要包含兩個部分：電離層的電波反射能力、電離層的電波吸收能力。

1）電離層的電波反射能力

電離層是一種具備一定介電常數的媒質，短波電波進入電離層后，會發生折射。一般來說，電子密度和電波頻率都會對電波的折射率造成影響，其中電子密度與折射率成正比，密度越高，折射率越大；電波頻率與折射率成反比，頻率越高，折射率越小。電波在通過電離層時，會逐漸地隨著穿透的高度不斷產生折射，當在某個點使其折射角達到90度時，電波會從該點逐漸向地面方向進行折射，形成電離層的“反射”現象。反之，在找到這個點之前就穿透了整個電離層，則該電波就無法形成“反射”現象，稱之為電離層的穿透。在一般的通信過程中，當頻率固定時，電波射線抵達電離層的入射角越大，越容易從電離層反射；當電波入射角越小，電波反射之前要求穿透的電離層厚度則越大；當無法滿足“反射”條件時，電波將不再反射，即無法建立通信。同樣的，當電波進入電離層的入射角度不變時，通信頻率值越高，電離層折射率越小；當頻率值高到不能滿足“反射”條件時，通信鏈路雙方將無法通過電波反射建立通信。

2）電離層的電波吸收能力

電離層中的電子密度和電波頻率是影響電離層對電波吸收的主要因素。其中，電子密度值越高，電波頻率值越低，則電離層的吸收越大；反之電子密度值越低，電波頻率值越高，則電離層的吸收越小。當電離層吸收過多時，接收方收到的信號強度將變得很低，無法滿足短波接收機的信噪比要求，最終造成通信雙方無法建立鏈路。

綜上所述，無論是天波通信還是地波通信，頻率都是影響其通信效果的原因之一，因此合理的頻率選取機制是短波通信的重要技術之一。

3 短波選頻原則

短波通信中，通信頻率的選取是影響通信質量的關鍵性因素。通常短波選頻應該考慮以下幾點準則：

（1）所選頻率不得大于MUF（Maximum Usable Frequency，最高可用頻率）。最高可用頻率是指在通信鏈路雙方位置確定后，該鏈路短波通信時，電離層可反射的最高頻率。實際通信中，通信頻率不可超過最高可用頻率，否則電波將穿透電離層，無法形成反射。最高可用頻率會隨著時間、通信距離、電離層高度、電離層電子密度等參量的變化而產生變化，因此最高可用頻率是一個變化的值。為保證通信鏈路的穩定性，實際的工作頻率應比最高可用頻率低，以確保工作頻率一直小于最高可用頻率。根據經驗積累，一般最佳工作頻率取在最高可用頻率的85%左右較為合理。

（2）所選頻率不得低于LUF（Lowest Usable Frequency，最低可用頻率）。電離層對電波的吸收能力隨著頻率的變化而改變，一般情況下，頻率值越低，電離層對該信號的吸收能力越強。當頻率低至一定程度時，使得接收端剛剛能滿足信噪比要求時，該頻率稱之為最低可用頻率。根據經驗積累，最低可用頻率一般都小于最高可用頻率的65%。

（3）適時調整工作頻率。從理論上來講，短波通信頻率存在窗口效應，即鏈路的工作頻率一直存在一個上限和下限，通信頻率必須落入該頻率區間才能保障通信的可行性。但在實踐中發現，這一頻率窗口會隨著時間的變化而改變，特別是白天和晚上的頻率窗口會產生較大的變化。因此，在實際短波通信中，一般將一天分為晝夜兩個時間段，其中白天使用一個頻率集（一般稱為日頻），一般來說日頻的頻率較高；晚上使用另一個頻率集（一般稱為夜頻），頻率集切換的時間通常是在日夜切換的時間，即黎明和黃昏時刻。

4 頻率集計算方法研究

4.1 算法應用場景

本論文中算法的應用場景為在某一特定的區域內，存在多個短波用戶，要求計算一組固定的頻率集，用以保障這些用戶在一段時間內盡可能地實現兩兩之間的通信。應用場景圖如圖1所示：

圖1 應用場景圖

4.2 算法設計思路

由于短波通信頻率具有窗口性的特點，通信收發方之間的通信頻率的可通段存在一定的連續性，為保證區域內用戶兩兩之間可通，通信雙方至少能在頻率集中找到一個頻率，該頻率落在通信雙方鏈路的最高可用頻率和最低可用頻率中。因此區域頻率集選取算法的主要設計思路如下：

（1）將用戶活動區域柵格化，劃分成若干個固定大小的方格，并計算每個小區域間的頻率可通段（即最小可用頻率、最大可用頻率）。

（2）將短波全頻段（2MHz—30MHz）劃分為若干段，統計各小區域間的可通段落入的頻率段次數，并以落入頻段次數為比例，從頻段中選取相應個數的頻率組成頻率集。

4.3 算法實現

（1）區域劃分方法

以矩形區域為例子，地圖上某一中心點向外圍擴散，將該區域以相同的方法劃分為若干個大小相同的小格子。具體實現如下：

%以輸入經緯度為中心，向周邊擴展distance長度的矩形區間，并以step為網格間隔進行劃分

%longi區域中心位置經度

%lati區域中心位置緯度

%distance區域大小

%step網格劃分經度

%返回值：二維數組，劃分后的每個小格子中心經緯度

functionArea=CalPosition(longi, lati, distance, step)

函數實現流程：

1）計算區域中心位置。

2）在中心點位置，按distance步進向四周擴散，形成若干小格子，直到超過范圍。

3）將各小區域中心點位置以數組方式返回。

（2）鏈路可通段計算方法

通過ICEPAC軟件計算各小格子中心兩點間的muf。

注：最佳可用頻率在最大可用頻率和最小可用頻率之間。一般在工程應用中，通常取最大可用頻率和最小可用頻率區間的0.85位置左右的頻率。

%批量計算兩點之間的muf

%Area 劃分后的每個小格子中心經緯度

%sun 太陽黑子數

%year 年份

%month 月份

%day 日期

%hour 小時

%minute 分鐘

%返回值muf

functionmuf=CalMuf(Area, sun, year, month, day, hour, minute)

函數實現流程：

1）根據A r e a中的任意兩點，生成配置文件(*.ice)，格式如圖2所示：

圖2 ITS參數文件圖

2）生成腳本，自動調用ITS軟件計算muf相關參量，腳本具體如圖3所示：

圖3 運行腳本圖

3）在icepac計算結果中（如圖4所示），讀取muf數據，保存在數組中。

（3）頻率集生成方法

將短波全頻段平均地分為若干段，按照muf落入各段的比例選取相應的頻率組成頻率集。

%選頻函數

%startFreq候選頻率集開始頻率

%endFreq候選頻率集結束頻率

%step頻率集劃分間隔

%muf最佳可用頻率計算結果（數組）

%freqNum頻率集頻率數量

%返回值freqSet頻率集

functionfreqSet=fPlanbyNum(startFreq, endFreq, step, muf, freqNum)

函數實現流程：

1）根據頻率集劃分間隔將候選頻率集劃分成若干份。

2）統計muf計算結果落入各候選頻率集的次數，例如候選頻率集為2MHz—3MHz，muf為2.5MHz時，2MHz—3MHz頻率候選集的權重加1。

3）以外部輸入的頻率數量（freqNum）為目標，按照各候選頻率集的權重比，依次在各候選頻率中選取頻率組成頻率集。

5 算法驗證方法

5.1 驗證方法思路設計

為驗證該算法計算的頻率集的有效性，擬采取仿真的方式，模擬區域內多個用戶同時發起通信，觀察這些用戶是否能從已計算出來的頻率集中找到合適的頻率完成通信。具體分為以下幾個步驟：

（1）模擬實際情況，在區域內隨機生成若干用戶N。

（2）模擬網內M（M＜N）個用戶同時發起通信。

（3）計算M個用戶是否能在頻率集中找到可通頻率。

（4）計算隨著M（同時通信的用戶數量）逐漸變大，用戶能在頻率集中找到合適頻率的概率變化情況。

5.2 驗證方法實現

在驗證方法實現過程中，主要有三個步驟：

（1）隨機生成用戶。

（2）模擬同時工作的用戶的場景。

圖4 muf讀取文件

（3）統計同時工作的用戶數量增加時，頻率的有效性（即落入可通段）變化情況。

5.3 隨機生成用戶方法

在區域內隨機生成N個用戶（N取值范圍為[1, freqNum/2]）。

%測試頻率集的保障能力

%freqPlan頻率集

%longi區域中心點緯度

%lati區域中心點經度

%distance區域范圍

%返回值：隨機生成的用戶位置信息

functionPosition=TestAlgo(freqPlan, longi, lati, distance)

函數實現流程：

（1）計算區域邊界。

（2）在區域邊界內隨機生成N/2個用戶（N為頻率集中頻率個數）。

5.4 模擬多用戶同時工作的場景

以隨機方式對M個用戶進行兩兩配對，模擬這M個用戶同時開始工作，并計算配對后鏈路的最佳可用頻率muf。

%模擬M個用戶同時工作的場景，并計算用戶之間通信的muf

%Position存放用戶位置信息

%userName同時在通信的用戶數量

%返回值：同時在工作的用戶間的鏈路最佳可用頻率數組

functionmufs=getUserMuf(Position, userNum)

函數實現流程：

（1）隨機將用戶進行兩兩配對。

（2）計算配對后的一組用戶的鏈路最佳可用頻率muf。

5.5 判斷頻率的有效性

%判斷N個用戶同時工作時，網絡的可通率

%mufs配對后的用戶的鏈路最佳可用頻率

%freqSet頻率集

%返回值：網絡可通率

functionPercent=isAccessable(mufs, freqSet)

函數實現流程：

（1）遍歷mufs，在頻率集中尋找是否存在有效的頻率（頻率落在鏈路muf的[0.65×muf, muf]段內，則認為該頻率可通），找到有效頻率后將該頻率標記為已使用。

（2）網絡的有效概率計算：能找到有效頻率的鏈路數/總鏈路數。

6 數據與結論

6.1 頻率集計算數據

（1）輸入條件

1）區域位置：以（113°, 23°）為中心位置，方圓1200km的一個矩形區域；

2）太陽黑子數：50；

3）小區域劃分粒度：1°；

4）頻率集頻率數量：50；

5）頻率集使用時間：2013年3月；

6）頻率集類型：日頻（9點～17點）。

（2）計算結果如表1所示。

6.2 驗證數據

（1）輸入條件

1）用戶數量50；

2）同時工作用戶數：2～50；

3）重復計算次數：10次。

在驗證數據時，重復隨機生成50個用戶，分別模擬其2～50個用戶同時工作的場景，并統計不同場景下用戶的可通率，最后對10次計算的結果進行平均。

表1 頻率集生成結果

（2）驗證結果

當39個以下（含39）用戶同時工作時，網絡頻率的有效率是100%；45個用戶同時工作時，有效率下降至93%；當50個用戶同時工作時，有效率下降至85%。如圖5所示：

圖5 頻率有效率仿真結果

7 結束語

本文從短波通信的必要性、短波通信的原理、短波選頻原則幾個方面分別介紹了短波通信頻率相關領域的一些知識，提出了一種基于同一區域短波通信頻率集的計算方法，最后通過仿真的方法對該算法進行了驗證。

頻率是短波通信中最重要的因素，頻率是否處于可通段內決定了短波通信能否成功。但在實際應用中，影響短波通信效果的因素還有很多，如收發信機的性能、天線的角度、頻率穩定性、背景噪聲等。

本文提及的區域頻率集的計算方法，希望能起到拋磚引玉的作用。在后續的研究中，還要進一步考慮以下幾點因素，用以提升本算法的精準性：

（1）修正電波傳播模型，使其與正式情況更加逼近。

（2）引入區域背景噪聲統計數據，使頻率集選取過程避開干擾較強的頻點。

（3）加入學習機制，具備能從歷史經驗數據中尋找優秀頻率的功能。

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鄭瑋琦：工程師，學士畢業于北京師范大學，現任職于中國電子科技集團公司第七研究所，從事通信軟件設計與開發工作。

譚志強：工程師，學士畢業于武漢理工大學，現任職于中國洛陽電子裝備試驗中心，從事通信導航、通信對抗等領域的研發工作。

Research on Calculation Method of Frequency Set for Regional HF Communications

ZHENG Weiqi，TAN Zhiqiang
(1.T h e 7t h Re s e a r c h I n s t i t u t e o f C h i n a E l e c t r o n i c 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, G u a n g z h o u 510310, C h i n a; 2. C h i n a L u o y a n g E l e c t r o n i c E q u i p m e n t E x a m i n a t i o n C e n t e r, L u o y a n g 471000, C h i n a)

In HF communications, the reasonable frequency selection strategy is one of the key factors to ensure the success of communications. In order to select the reasonable frequency set in the scenario where multiple users communicate simultaneously in a fixed area, a calculation method of the frequency set was proposed in this paper. Firstly, the area is divided by gridding and the highest available communication frequency in different sub-areas is calculated using HF propagation prediction model software. Then, the statistics is conducted based on the calculated results. Further, the frequency set is generated in a sampling way. Finally, the effectiveness of the proposed method is verified by simulations.

HF sky wave communication frequency set grid

10.3969/j.i s s n.1006-1010.2017.12.014

T N929.5

A

1006-1010(2017)12-0069-06

鄭瑋琦,譚志強. 一種區域短波通信頻率集計算方法研究[J]. 移動通信, 2017,41(12): 69-74.

2017-04-25

責任編輯：劉妙 l i u m i a o@m b c o m.c n