面向短波快速建鏈的智能頻率選擇算法研究

皮明峰，王一印

(廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510670)

0 引言

短波通信依靠電離層反射進(jìn)行通信，而電離層具有不穩(wěn)定的多層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致多徑分布具有時(shí)變性，同時(shí)電離層的快速變化會(huì)導(dǎo)致多普勒頻移和多普勒擴(kuò)展[1]。由于太陽(yáng)輻射不規(guī)則，所以電離層的電子密度和高度將隨季節(jié)、一天中的不同時(shí)間以及太陽(yáng)黑子活躍性的變化而有較大的變化。此外，太陽(yáng)黑子常出現(xiàn)耀斑爆發(fā)，引起電離層強(qiáng)烈的短時(shí)間騷動(dòng)[2]。電離層的特性決定了短波通信電波傳播的特點(diǎn)：多徑傳播、衰落、多普勒頻移以及多普勒擴(kuò)展和干擾。多徑效應(yīng)引起信道的時(shí)間色散，可能會(huì)造成信道頻率選擇性衰落，而多普勒效應(yīng)引起信道的頻率色散，會(huì)造成信道時(shí)間選擇性衰落，即信道的時(shí)變性[3]。

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(shí)間、通信季節(jié)、本地噪聲情況等一系列因素相關(guān)[4]，現(xiàn)役電臺(tái)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(jīng)驗(yàn)與專業(yè)素質(zhì)。再加上短波鏈路的傳輸時(shí)效低，從而影響了短波通信的使用體驗(yàn)，制約了短波通信的廣泛應(yīng)用。現(xiàn)有技術(shù)通常采用以ITS軟件為基礎(chǔ)的預(yù)測(cè)模型，通過(guò)人工輸入?yún)?shù)得到可用頻段；在頻譜感知[5]的過(guò)程中通過(guò)掃描整個(gè)可用頻段獲得最佳頻段。但該技術(shù)通過(guò)人工輸入?yún)?shù)到預(yù)測(cè)模型輸出可用頻段，實(shí)時(shí)性差且需要人工操作，掃描頻段則需要一定時(shí)延，因此影響建鏈成功率。綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在頻率選擇時(shí)間長(zhǎng)、建鏈效率低的問(wèn)題。本文提出一種智能頻率選擇算法，自動(dòng)最優(yōu)頻點(diǎn)快速建鏈以及鏈路維持，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中頻率選擇時(shí)間長(zhǎng)、建鏈效率低的問(wèn)題。

1 自動(dòng)頻率選擇流程設(shè)計(jì)

本算法采用短波智能選頻技術(shù)進(jìn)行選頻通信時(shí)，無(wú)需人工干預(yù)，可在工作頻段內(nèi)快速掃描本地電磁環(huán)境、雙向探測(cè)信道質(zhì)量，實(shí)時(shí)選擇可通頻率、即選即用；可根據(jù)信道情況自適應(yīng)選擇傳輸速率、自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)等手段來(lái)提高短波數(shù)據(jù)通信的可靠性。短波頻譜決策是根據(jù)電離層特性參量的時(shí)空變化規(guī)律和通信質(zhì)量與電離層信道參數(shù)的關(guān)系，在電離層探測(cè)歷史資料或?qū)崪y(cè)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)短波通信信道當(dāng)前可用信道作出的決策，它是電離層電波傳播理論、最佳信道匹配理論和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理三者相結(jié)合的一種技術(shù)。短波智能選頻策略具體包括頻率窗口初選、可通段內(nèi)的頻率探測(cè)、優(yōu)選頻率建鏈和鏈路保持4個(gè)階段。

1.1 頻率窗口初選

頻率窗口初選可基于ITS軟件的預(yù)測(cè)模型，在通信和維護(hù)的過(guò)程中，結(jié)合對(duì)通信中頻率應(yīng)用數(shù)據(jù)的智能學(xué)習(xí)，更新模型。

首先根據(jù)長(zhǎng)期預(yù)測(cè)結(jié)果獲得確定可用頻段。長(zhǎng)期預(yù)測(cè)是依據(jù)電離層特性參數(shù)的時(shí)空變化規(guī)律和太陽(yáng)活動(dòng)性指數(shù)的預(yù)報(bào)值，即依據(jù)日地關(guān)系和以往的觀察資料，對(duì)正常狀態(tài)電離層的傳播參數(shù)月中值所做出的一種預(yù)先推斷。它可以提前1個(gè)月、3個(gè)月或更長(zhǎng)時(shí)間預(yù)報(bào)出短波的傳播模式、接收點(diǎn)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)和短波通信電路最高可用頻率等參數(shù)的月中值。對(duì)于預(yù)定的通信電路而言，長(zhǎng)期預(yù)測(cè)給出的最高可用頻率只是一個(gè)預(yù)測(cè)值，它是依據(jù)電離層監(jiān)測(cè)站所提供的電離層參數(shù)的小時(shí)月中值而確定的，只能保證通信時(shí)間50%的利用率。為了提高通信時(shí)間的利用率，需要選用最佳工作頻率，一般為0.85倍的最高可用頻率，它隨電路的地理位置、太陽(yáng)的活動(dòng)性、季節(jié)和不同時(shí)間而變化。由此可見(jiàn)，短波天波通信工作頻率的選取應(yīng)在電路的最佳工作頻率附近考慮，盡量不要高于最佳可用頻率，絕對(duì)不能超過(guò)電路的最高可用頻率。頻率窗口初選流程如圖1所示。

圖1 頻率窗口初選

ITS軟件設(shè)置的參數(shù)如表1所示。

表1 ITS主要設(shè)置參數(shù)

從短波傳播的角度來(lái)看，理論上介于最佳工作頻率和最低可用頻率之間的任何頻率都能用于通信[6]。但是，由于最佳工作頻率和最低可用頻率存在著晝夜變化，每小時(shí)的頻率值都不盡相同。因此，實(shí)際選擇通信頻率時(shí)還必須照顧到不同工作時(shí)間帶來(lái)的約束。

1.2 頻率探測(cè)

此時(shí)主呼、被呼雙方默認(rèn)處于掃描狀態(tài)，實(shí)時(shí)在每個(gè)信道頻率上捕獲信號(hào)，監(jiān)測(cè)本地噪聲。如收到子網(wǎng)內(nèi)其他用戶的呼叫信息，不論是否為對(duì)本址的呼叫，均記錄對(duì)端地址及呼叫信號(hào)質(zhì)量評(píng)估參數(shù)。探測(cè)階段，主臺(tái)在可通過(guò)頻段優(yōu)選頻率發(fā)起呼叫，從臺(tái)收到后在此頻率應(yīng)答，隨后呼叫臺(tái)再進(jìn)行應(yīng)答，完成對(duì)當(dāng)前單個(gè)信道的探測(cè)過(guò)程，通過(guò)逐步聚焦的探測(cè)后，通信雙方即可交互完成所選頻段內(nèi)的實(shí)時(shí)探測(cè)質(zhì)量，形成可作為評(píng)判建鏈頻率的信道質(zhì)量表。頻率探測(cè)信息如表2所示。

表2 頻率探測(cè)信息

頻率探測(cè)具體過(guò)程如下：

在全頻段(2～30 M)內(nèi)并行進(jìn)行N(例如32)路寬帶信道頻譜感知[7]，將N路寬帶信號(hào)按照檢測(cè)性能從大到小進(jìn)行排序。

(1)將N路寬帶信號(hào)(帶寬24 kHz)中的每一路進(jìn)行FFT變換，其中FFT點(diǎn)數(shù)K取1 024；截取長(zhǎng)度為K的信號(hào)，加窗，F(xiàn)FT變換到頻域，并計(jì)算其功率譜[7]。

(2)將信號(hào)功率譜分割為8段3 kHz的頻段F1～F8，并計(jì)算F1～F8對(duì)應(yīng)的能量S1～S8。

(3)設(shè)置底噪門(mén)限TH，通常認(rèn)為短波的底噪功率為-110～-90 dbm，所以可設(shè)置TH=-100 dbm。將S1～S8中大于TH的值，記為集合R；S1～S8中小于TH的值，記為集合U；可根據(jù)實(shí)際情況，按照時(shí)間段和頻段來(lái)調(diào)整TH的值，具體值需要對(duì)全頻段、全天候24小時(shí)電磁環(huán)境數(shù)據(jù)采集分析后來(lái)確定。

(4)將集合R中各值對(duì)應(yīng)的頻段判為0(不可用)；集合U中各值對(duì)應(yīng)的頻段判為1(可用)；統(tǒng)計(jì) 24 k寬帶信道中最大連續(xù)3 k子信道可用數(shù)。

(5)按照連續(xù)可用子信道個(gè)數(shù)大小進(jìn)行從大到小排序，優(yōu)先選擇前面的信道。

在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)掃頻時(shí)間，將連續(xù)一段時(shí)間內(nèi)信號(hào)功率譜進(jìn)行合并，這樣可以使計(jì)算出的能量更加準(zhǔn)確，從而使頻譜感知更加準(zhǔn)確。

1.3 優(yōu)選頻率建鏈

探測(cè)結(jié)束后，主臺(tái)探測(cè)階段記錄的雙方通信信道質(zhì)量表，決定優(yōu)選建立頻率的排序，并在最優(yōu)建鏈頻率發(fā)送建鏈通知[8]，被呼臺(tái)收到后應(yīng)答，進(jìn)入建鏈階段，主臺(tái)收到從應(yīng)答后進(jìn)入建鏈階段，建鏈完成后同時(shí)呼叫臺(tái)申請(qǐng)當(dāng)前信道使用的業(yè)務(wù)，建立業(yè)務(wù)通信鏈路。若此頻率建鏈?zhǔn)。艚信_(tái)在下一個(gè)建鏈頻率嘗試建鏈。若所有建鏈頻率嘗試都失敗，則建鏈?zhǔn)　Ｃ恳淮谓ㄦ湥瑹o(wú)論成功或失敗，都將建聯(lián)過(guò)程中獲得的探測(cè)信息更新到建鏈頻率信道質(zhì)量表中，作為對(duì)頻點(diǎn)列表的維護(hù)。

1.4 鏈路維持

主臺(tái)發(fā)送鏈路維護(hù)信令，從臺(tái)收到后發(fā)送應(yīng)答，完成一次維護(hù)過(guò)程，等到下一個(gè)時(shí)間間隔后重復(fù)上述維護(hù)過(guò)程，如此不斷重復(fù)。若主臺(tái)沒(méi)有收到應(yīng)答，則主臺(tái)自動(dòng)啟動(dòng)重建鏈過(guò)程，其流程與單呼建鏈流程一致，如圖 2所示。

圖2 鏈路維持

鏈路維持具體過(guò)程如下：

(1)設(shè)置一個(gè)業(yè)務(wù)維持時(shí)間T；

(2)到達(dá)時(shí)間T之前，若業(yè)務(wù)被中斷(由于受到干擾或鏈路質(zhì)量差)，則重新選擇一個(gè)最佳頻點(diǎn)進(jìn)行建鏈；

(3)計(jì)時(shí)器到業(yè)務(wù)維持時(shí)間T時(shí)，判斷業(yè)務(wù)是否空閑，若是，則進(jìn)入下一步驟，否則重啟計(jì)時(shí)器；

(4)主臺(tái)發(fā)送鏈路維護(hù)信令，若收到了從臺(tái)的應(yīng)答，返回步驟1，若未收到從臺(tái)應(yīng)答，則重新選擇一個(gè)最佳頻點(diǎn)進(jìn)行建鏈。

因此，短波智能選頻采用的方案是首先通過(guò)中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)確定可用頻段，在此基礎(chǔ)上生成歷史頻率數(shù)據(jù)庫(kù)，然后通過(guò)實(shí)時(shí)頻率探測(cè)與背景噪聲感知進(jìn)行頻率校正，從而實(shí)現(xiàn)最佳可用頻率的動(dòng)態(tài)更新。智能頻率選擇流程如圖 3所示。

圖3 智能頻率選擇

總的來(lái)說(shuō)，本文提出的智能頻率選擇算法基于ITS軟件獲取長(zhǎng)期預(yù)測(cè)的可用頻段，然后在可用頻段范圍內(nèi)依次探測(cè)各頻點(diǎn)的信道質(zhì)量，建立各頻點(diǎn)信道質(zhì)量表，選擇列表中第一個(gè)最優(yōu)頻點(diǎn)進(jìn)行建鏈，后續(xù)在鏈路維持和重新建鏈的過(guò)程中實(shí)時(shí)更新維護(hù)頻點(diǎn)信道質(zhì)量表。該算法不需要依賴人工操作，實(shí)時(shí)自動(dòng)更新各頻點(diǎn)信道質(zhì)量信息，方便快速選頻，提高建鏈效率。

2 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)頻率預(yù)測(cè)和N路并行頻譜感知獲得可用頻段，在可用頻段內(nèi)選擇最優(yōu)歷史頻點(diǎn)建鏈，并持續(xù)進(jìn)行頻率預(yù)測(cè)和頻譜感知以進(jìn)行鏈路維持。該智能頻率選擇算法能夠快速高效地選擇頻率建鏈，并且頻率預(yù)測(cè)模塊內(nèi)置于主叫臺(tái)，可以實(shí)時(shí)調(diào)整可用頻段，提高建鏈效率。