一種短波系統的智能頻率選擇算法

羅亞軍

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

短波通信依靠電離層反射進行通信，而電離層具有不穩定的多層結構，導致多徑分布具有時變性，同時電離層的快速變化會導致多普勒頻移和多普勒擴展[1]。由于太陽輻射強度的不規則性，電離層的電子密度和高度將隨季節和每天的時間有較大的變化。此外太陽黑子的耀斑爆發會引起電離層的短時間強烈騷動[2]。電離層的特性決定了短波通信具備多徑傳播、衰落以及多普勒頻移等特性。多徑效應造成信道的頻率選擇性衰落，而多普勒效應引起信道的頻率色散會造成信道的時間選擇性衰落，即信道的時變性[3,4]。

短波頻率的選擇與天波電離層的電離子濃度、雙方通信距離、通信時間、通信季節以及本地噪聲情況等一系列因素相關，現役電臺各功能模式使用的通信頻率大多都依賴操作人員的工作經驗與專業素質[5]。再加上短波鏈路的傳輸時效低，從而影響了短波通信的使用體驗，制約了短波通信的廣泛應用。現有技術通常基于ITS軟件為基礎的預測模型，通過人工輸入參數得到可用頻段。在頻譜感知的過程中，通過掃描整個可用頻段獲得最佳頻段。但該技術需通過人工輸入參數到預測模型輸出可用頻段，實時性差且掃描頻段需要一定時延，因此影響建鏈成功率[6]。本文提出一種智能頻率選擇算法，自動選擇最優頻點快速建鏈，用以解決現有技術中頻率選擇時間長和建鏈效率低的問題。

1 自動頻率選擇流程設計

智能頻率選擇算法采用短波智能選頻技術進行選頻通信時無需人工干預，可在工作頻段內快速掃描本地電磁環境，雙向探測信道質量，實時選擇可通頻率，即選即用。還可根據信道情況自適應選擇傳輸速率和自動請求重發等手段來提高短波數據通信的可靠性。

短波通信頻譜決策是根據電離層特性的時空變化規律以及通信質量與電離層信道參數的關系，以電離層信道預估模型和實時探測數據為基礎，結合本地頻譜掃描特性，對短波通信當前可用信道作出的決策。它是電離層短波傳播理論、最佳信道匹配理論以及計算機數據處理三者相結合的一種技術。短波智能選頻策略具體包括頻率窗口初選、可通段內的頻率探測、優選頻率建鏈以及鏈路維持4個階段。

1.1 頻率窗口初選

頻率窗口初選可基于ITS軟件為基礎的預測模型，在通信和維護的過程中，結合對通信中頻率應用數據的智能學習，以更新模型[7]。

根據長期預測結果獲得可用頻段，長期預測是依據電離層特性參數的時空變化規律和太陽活動性指數的預報值，即依據日地關系和以往的觀察資料，對正常狀態電離層的傳播參數所做出的一種預估推斷。它主要依據通信雙方的地理位置經緯度、通信時間、太陽黑子活動情況、本地噪聲大小以及通信功率值等參數預報出在不同短波頻率上的可通概率。對于特定的通信電路而言，長期預測可以給出最高可用頻率和最佳可用頻率，最高可用頻率是該條短波電路可以通信的最大頻率，如果超過該頻率，則認為將不可通，因此實際通信時通常選用最佳工作頻率，一般為0.85倍的最高可用頻率，它隨電路的地理位置、太陽的活動性以及季節和不同時間而變化。由此可見，短波天波通信頻率的選取，應在電路的最佳工作頻率附近考慮，不應超過電路的最高可用頻率[8]。

從短波傳播的角度來看，理論上介于最低可用頻率和最高可用頻率之間的任何頻率都能用于通信，從而形成一個通信的頻率窗口。該窗口存在著晝夜變化，每小時都不盡相同。因此，實際選擇通信頻率時須要照顧到不同工作時間帶來的約束。頻率窗口初選如圖1所示。

圖1 頻率窗口初選

1.2 頻率探測

此時主呼和被呼雙方默認處于掃描狀態，實時在每個信道頻率上捕獲信號，監測本地噪聲。收到子網內其他用戶的呼叫信息時，不論是否為對本址的呼叫，均記錄對端地址及呼叫信號質量評估參數。探測階段，主臺在初選可通頻段優選頻率發起呼叫，從臺收到后在此頻率應答，隨后呼叫臺再進行應答，完成對當前單個信道的探測過程。通過逐步聚焦的探測后，通信雙方即可交互完成初選可通頻段內的信道實時探測，形成可作為評判建鏈頻率的信道質量表。

1.3 優選頻率建鏈

探測結束后，主臺探測階段記錄的雙方通信信道質量表，決定優選建立頻率的排序，并在最優建鏈頻率發送建鏈通知，被呼臺收到后應答后進入建鏈階段，建鏈完成后同時呼叫臺申請當前信道使用的業務，建立業務通信鏈路。若此頻率建鏈失敗，呼叫臺在下一個建鏈頻率嘗試建鏈，若所有建鏈頻率嘗試都失敗，則建鏈失敗。每一次建鏈，無論成功或失敗，都將建聯過程中獲得的探測信息更新到建鏈頻率信道質量表中，作為對頻點列表的維護[9,10]。

1.4 鏈路維持

主臺發送鏈路維護信令，從臺收到后發送應答，完成一次維護過程，等到下一個時間間隔后重復上述維護過程，如此不斷重復。若主臺沒有收到應答，則主臺自動啟動重建鏈過程，其流程與單呼建鏈流程一致，如圖2所示。

圖2 鏈路維持

短波智能選頻采用的方案首先通過長期預測確定初始可用頻段，然后通過實時頻率探測與背景噪聲感知進行頻率校正，從而實現最佳可用頻率的動態更新。智能頻率選擇流程圖如圖3所示。

圖3 智能頻率選擇

總結來說，本文提出的智能頻率選擇算法基于ITS軟件獲取長期預測的可用頻段，然后在可用頻段范圍內依次探測各頻點的信道質量，建立各頻點信道質量表。選擇列表中第一個最優頻點進行建鏈，后續在鏈路維持和重新建鏈的過程中實時更新維護頻點信道質量表。該算法不依賴人工操作，實時自動更新各頻點信道質量信息，從而實現快速選頻，提高建鏈效率。

2 結 論

本文描述了一種短波智能頻率選擇方法，通過頻率預測、頻率探測以及頻譜感知獲得可用頻段，在可用頻段內選擇最優頻點建鏈，并持續進行頻率預測和頻譜感知以進行鏈路維持，可提高建鏈和通信效率。