短波信道資源智能規(guī)劃技術(shù)研究綜述

王占豐，張林杰，溫勝昔，孔田華，胡 超

(1.南京萊克貝爾信息技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210007；2.東南大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211189；3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；4.南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，江蘇 南京 210001；5.中國(guó)人民解放軍陸軍工程大學(xué) 指揮控制工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

0 引言

短波通信是人類最早掌握的一種無(wú)線通信技術(shù),廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。由于其存在衰落、多徑傳輸、易受干擾和帶寬低等問題,曾受到冷落,但是又由于其主要靠電離層反射,通信距離長(zhǎng),在發(fā)生戰(zhàn)爭(zhēng)和自然災(zāi)害時(shí)是一種重要的保底通信手段。近年來(lái),隨著編碼技術(shù)、分集技術(shù)、調(diào)頻和寬帶技術(shù)的快速發(fā)展,短波再次受到重視。

短波通信又稱為高頻通信,頻率3～30 MHz,波長(zhǎng)10～100 m,主要通過電離層反射來(lái)完成。電離層從低到高分為D層、E層、F1層和F2層等4層,其中短波通信主要通過F1層和F2層反射完成[1]。由于F1層和F2層會(huì)受到晝夜影響發(fā)生變化,從而導(dǎo)致短波通信在白天和夜間需要工作在不同的頻率。此外,短波通信還受到季節(jié)更替、電磁噪聲和太陽(yáng)活動(dòng)等其他因素的影響。

在短波通信中,由于其頻譜資源十分有限,因此資源調(diào)度備受重視。短波頻譜分配按照站點(diǎn)數(shù)目可以分為雙站分配和多站分配;按照資源使用方式可以分為完全分配和部分分配[2]。在短波頻譜資源分配中,大量的智能算法得到應(yīng)用,如模擬退火算法、蟻群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)等。

本文系統(tǒng)地總結(jié)了短波頻譜資源分配的研究成果,將其分為鏈路頻譜計(jì)算方法和多點(diǎn)頻譜分配2個(gè)部分進(jìn)行論述,并指出了短波頻譜資源分配的關(guān)鍵要素。

1 短波通信概述

1.1 短波通信發(fā)展

短波通信技術(shù)最早出現(xiàn)于1924年,由于其設(shè)備具有簡(jiǎn)單、價(jià)格低、通信距離遠(yuǎn)、抗毀性強(qiáng)等眾多優(yōu)點(diǎn),在眾多領(lǐng)域特別是軍事領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前短波通信技術(shù)按照美軍制定的短波自組織網(wǎng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分為4個(gè)發(fā)展階段[3-4]:20世紀(jì)80年代以前屬于第1個(gè)階段;第2個(gè)階段以自動(dòng)鏈路建立(Automatic Link Establishment,ALE)標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-188-141A為標(biāo)志,簡(jiǎn)稱2G-ALE;第3個(gè)階段以ALE標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-188-141B為標(biāo)志,簡(jiǎn)稱3G-ALE,與第二代短波系統(tǒng)相比,它使用了更多的新技術(shù),能更有效地適應(yīng)快速、高質(zhì)量、數(shù)據(jù)密集型和大規(guī)模的應(yīng)用場(chǎng)景。3G-ALE通過引入駐留組、突發(fā)波形、時(shí)間片劃分和同步鏈路建立機(jī)制等實(shí)現(xiàn)了性能優(yōu)化。3G-ALE是通信系統(tǒng)和頻率管理系統(tǒng)的高度結(jié)合,無(wú)論是傳輸速率還是安全性方面都有很大的提升,并具有更好的可靠性[5];目前發(fā)展到第4個(gè)階段,最新標(biāo)準(zhǔn)是MIL-STD-188-141C[6],該標(biāo)準(zhǔn)以提高短波系統(tǒng)探測(cè)、選頻、建鏈和接入速度為目標(biāo),強(qiáng)化了與北約STANAG 5066標(biāo)準(zhǔn)的兼容性,并設(shè)計(jì)了相關(guān)接口規(guī)范[4]。

未來(lái)短波技術(shù)的發(fā)展主要包括以下方向[4]:

① 抗干擾技術(shù)

目前在抗干擾方面,短波系統(tǒng)采用的方法是短波跳頻與直接擴(kuò)頻技術(shù)。由于受到短波頻段和帶寬的限制,短波跳頻一般以慢速跳頻為主,北約組織標(biāo)準(zhǔn)STANAG 4444定義的跳速為8.89跳/秒,美軍的Link-22數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)也采用了該技術(shù)。直接擴(kuò)頻技術(shù)是將需要發(fā)送的信息調(diào)制到一個(gè)很寬的頻帶上,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲的抑制。但是該技術(shù)的缺點(diǎn)在于占用的頻譜資源較多,而這又是短波通信所缺少的資源,因此需要較為復(fù)雜的頻譜管理和分配技術(shù),所以該技術(shù)還需要進(jìn)一步研究。

② 多頻多點(diǎn)空間分集

由于短波信道質(zhì)量不穩(wěn)定,不同節(jié)點(diǎn)間直接通信時(shí)很難找到合適的通信頻率,從而導(dǎo)致組網(wǎng)失敗。為了提高系統(tǒng)的可靠性和可用性,采用多頻多點(diǎn)接入方式可以確保組網(wǎng)的成功。國(guó)際民用航空通信公司開發(fā)和運(yùn)營(yíng)的民用空管GLOBALLINK/HFDL系統(tǒng)采用3個(gè)地面站,每個(gè)設(shè)備與地面站使用2個(gè)接入頻率,通信成功率超過了95%。

③ 頻率分集技術(shù)

短波頻率分集技術(shù)借鑒了MIMO思想,通過給固定節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)配置多個(gè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī),將不同頻率上接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并,從而提高短波通信的可靠性。這種方案增加了短波通信系統(tǒng)硬件成本和數(shù)據(jù)處理難度。

④ IP化改造與應(yīng)用

伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用,基于短波的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)IP over HF(Internet Protocol over High Frequency)成為一個(gè)新的發(fā)展方向。通過IP化改造,可以在短波信道帶寬窄、速率低的情況下支持各類網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、視頻、圖片、文件和文本的傳輸,從而為短波網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和服務(wù)的多元化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1.2 短波通信頻率分配

無(wú)線通信要求通信雙方必須分配和使用相同信道和頻點(diǎn),且不會(huì)造成干擾或被附近的通信設(shè)備干擾。由于頻譜資源空間的有限性,在一定時(shí)空域內(nèi),無(wú)線頻譜資源需要進(jìn)行有效分配,并根據(jù)電磁環(huán)境的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整和更新。

電波的頻率能夠影響電離層的吸收能力,頻率越低吸收能力越強(qiáng)。當(dāng)短波通信系統(tǒng)的工作頻率降低到一定程度時(shí),電離層會(huì)將其完全吸收從而導(dǎo)致通信中斷,此時(shí)的臨界頻率為最低可用頻率(Lowest Usable Frequency,LUF)。當(dāng)工作頻率提高到一定程度時(shí),電波完全穿透電離層從而導(dǎo)致通信中斷,此時(shí)的臨界頻率為最高可用頻率(Maximum Usable Frequency,MUF)。考慮到短時(shí)間內(nèi)電離層參數(shù)可能會(huì)受到太陽(yáng)耀斑和地磁風(fēng)暴等突發(fā)狀況的影響,實(shí)際工作頻率一般低于MUF,通常選取的最佳工作頻率(Frequency of Optimum Traffic,FOT)為MUF的80%～90%。MUF、FOT、LUF受到各種因素的影響,會(huì)不斷發(fā)生變化[7]。此外,可用頻率按照時(shí)間段,可以分為日用頻率、夜用頻率和交界處頻率3類。由于D層、F1層(夏季出現(xiàn))會(huì)在夜間消失,E和F2兩層在白天的電子密度大而晚上小,因此日用頻率值較高,夜用頻率值較低,交界處頻率則因日出日落而發(fā)生劇烈變化。

在數(shù)據(jù)傳輸過程中,當(dāng)前信道無(wú)法達(dá)到最低傳輸速率時(shí),通信雙方就要更換通信頻率或者重新建立鏈路。上述過程稱為頻率更新(簡(jiǎn)稱更頻),依據(jù)再次建鏈的自用頻率的來(lái)源不同分為探測(cè)更頻、鏈路質(zhì)量分析(Line Quality Analysis,LQA)更頻和預(yù)測(cè)更頻3種。

本文討論的頻率分配與選擇方法包括上述不同階段的頻率選擇,同時(shí)包括了多個(gè)站點(diǎn)之間的頻率最近分配方案。

2 頻譜分配算法

短波通信頻率的選擇與分配有不同的方法,本文將其分為鏈路頻率選擇和多點(diǎn)頻率分配兩大類,然后對(duì)每類算法中的典型算法進(jìn)行詳細(xì)闡述[2]。

2.1 單條鏈路頻率選擇

短波通信選頻方式主要有實(shí)時(shí)頻率探測(cè)、短期頻率預(yù)測(cè)和長(zhǎng)期頻率預(yù)測(cè)[8]。實(shí)時(shí)頻率探測(cè)需要借助于硬件系統(tǒng),感知信道的變化情況,從而進(jìn)行頻率更新與探測(cè)。短期頻率預(yù)測(cè)利用通信頻率在短期內(nèi)的規(guī)律(一般需要大量的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行支撐),通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)的方法來(lái)挖掘數(shù)據(jù)中隱含的關(guān)系,對(duì)當(dāng)前頻率進(jìn)行預(yù)測(cè)。長(zhǎng)期頻率預(yù)測(cè)利用經(jīng)驗(yàn)公式,通過設(shè)置大量參數(shù),如太陽(yáng)黑子數(shù)、電離層和地磁活動(dòng)等,計(jì)算最高可用頻率來(lái)對(duì)頻率進(jìn)行預(yù)測(cè),是使用最為廣泛的一種方式。

2.1.1 基于實(shí)時(shí)頻率探測(cè)的選頻

基于實(shí)時(shí)頻率探測(cè)選頻方法通過實(shí)時(shí)測(cè)量到達(dá)接收端的信道參數(shù),包括傳播模式、信噪比、信號(hào)幅度、誤碼率、背景干擾和衰落特征等。該類型系統(tǒng)主要分為2種:① 斜入射電離層探測(cè)器,以美國(guó)研制的公共用戶無(wú)線電傳輸探測(cè)系統(tǒng)(Common User Radio Transmission Sounding,CURTS)和 Chirp 探測(cè)系統(tǒng)為主要代表;② 信道估算與呼叫(Channel Eva-luation and Calling,CHEC)系統(tǒng),以加拿大研制的CHEC系統(tǒng)為代表。

近年來(lái)Chirp選頻系統(tǒng)得到很大發(fā)展,在美軍研發(fā)的第三代自適應(yīng)高頻系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。利用Chirp探測(cè)不僅能獲得電路的MUF,而且能精確地測(cè)量出電離層傳播模式[9]。Chirp探測(cè)系統(tǒng)主要由探測(cè)發(fā)射機(jī)、探測(cè)接收機(jī)、頻率管理終端和干擾檢測(cè)設(shè)備組成[10],如圖1所示。整個(gè)Chirp探測(cè)系統(tǒng)的通信是單向的,系統(tǒng)設(shè)備一方固定作為Chirp探測(cè)信號(hào)發(fā)射方,另一方固定為Chirp探測(cè)信號(hào)接收方。Chirp探測(cè)信號(hào)接收方會(huì)對(duì)接收到的信號(hào)情況做處理,并生成電離圖文件。Chirp探測(cè)信號(hào)是一種線性掃頻信號(hào),由探測(cè)發(fā)射機(jī)發(fā)射,探測(cè)發(fā)射機(jī)會(huì)進(jìn)行從低頻到高頻的線性掃頻,探測(cè)信號(hào)經(jīng)過信道后會(huì)產(chǎn)生時(shí)延和多徑干擾,探測(cè)接收機(jī)接收到的信號(hào)的頻率會(huì)發(fā)生一定的偏移[11]。

圖1 Chirp系統(tǒng)組成Fig.1 Architecture of Chirp system

為了準(zhǔn)確地測(cè)得該偏移,探測(cè)發(fā)射機(jī)和探測(cè)接收機(jī)需要精確的校時(shí)和時(shí)間同步。通過Chirp探測(cè)技術(shù),能獲取的短波信道特征參數(shù)主要有:探測(cè)信號(hào)能量、噪聲能量、多徑時(shí)延、信噪比、最高可用頻率等。探測(cè)信號(hào)能量能很好地反映電離層信道的信號(hào)衰減程度,而噪聲能量能反映接收端噪聲情況。相對(duì)于頻率預(yù)測(cè)技術(shù),采用實(shí)時(shí)探測(cè)技術(shù)獲得實(shí)時(shí)信道參量再輔以頻率管理,能獲得較好的通信效果。

王德豐[10]討論了船站和岸站進(jìn)行通信時(shí),如何根據(jù)利用Chirp探測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)探測(cè)出各條鏈路所能采用的頻率的分值來(lái)選出最佳的通信鏈路。當(dāng)船站D需要與岸站進(jìn)行通信時(shí),通過選擇同一群組中的岸站B和岸站C等,向頻管終端同時(shí)發(fā)送它們之間能夠采用的盲連接頻率和群連接頻率,頻管終端經(jīng)過Chirp實(shí)時(shí)探測(cè)后,將結(jié)果返回給應(yīng)用軟件,應(yīng)用軟件通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算,挑選出通信效果最佳的岸站進(jìn)行建鏈。

譚正輝等[11]、卓琨等[12]基于Chirp系統(tǒng)分別提出了雙向探測(cè)的高效能方案和基于模擬退火的頻率選擇方案。此外,楊銳博[1]也基于Chirp系統(tǒng)進(jìn)行了頻率的選擇和服務(wù)改進(jìn)優(yōu)化。

Oyeyemi等[13]通過全球26個(gè)電離層站的觀測(cè)數(shù)據(jù),利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了一個(gè)準(zhǔn)實(shí)時(shí)的全球f0F2預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

2.1.2 基于短期頻率預(yù)測(cè)的選頻

劉珂[7]提出了一種短期頻率預(yù)測(cè)方法,首先根據(jù)天數(shù)跨度和小時(shí)跨度篩選出可用的歷史數(shù)據(jù),然后根據(jù)歷史數(shù)據(jù),對(duì)頻率集中的每個(gè)頻率參數(shù),包括探測(cè)分值、探測(cè)時(shí)間、使用次數(shù)和使用時(shí)間等進(jìn)行綜合打分,最后根據(jù)綜合分值對(duì)頻率集中的頻率進(jìn)行排序。

鄭廣發(fā)[14]提出了一種基于卡爾曼濾波的傾斜探測(cè)電離層MUF短期預(yù)報(bào)方法,其基本思想是考慮到電離層最大可用頻率的時(shí)間離散性和線性,通過回歸系數(shù)估計(jì)法來(lái)構(gòu)建傾斜鏈路探測(cè)站近2個(gè)月份的回歸方程,然后采用卡爾曼濾波方法進(jìn)行短期可用頻率的預(yù)報(bào)。

陳春等[15]提出了利用集合卡爾曼濾波對(duì)電離層f0F2進(jìn)行頻率預(yù)測(cè),通過動(dòng)態(tài)跟蹤f0F2的變化趨勢(shì)并考慮前一天預(yù)報(bào)誤差的反饋信息以進(jìn)一步修正和優(yōu)化。周燚等[16]提出一種基于卡爾曼濾波的短期頻率預(yù)測(cè)方法,當(dāng)太陽(yáng)活動(dòng)、地磁活動(dòng)、中高大氣、地理位置影響等歷史數(shù)據(jù)較少時(shí),考慮到f0F2的變化較為平穩(wěn),利用短期內(nèi)的相關(guān)性,進(jìn)行頻率預(yù)測(cè)。

王娜[17]提出了七天加權(quán)平均法,其基本思想是將以往使用過的通信頻率,采用七天加權(quán)平均算法來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前時(shí)間、地點(diǎn)的最佳頻率或者最佳中心頻率。以預(yù)測(cè)某個(gè)時(shí)刻T的通信頻率為例,首先從歷史記錄中找出近7 d內(nèi)T時(shí)的所有建鏈頻率fij及其LQA分值qij,i代表7 d內(nèi)的第i天,j代表該天T時(shí)刻的第j個(gè)頻率,預(yù)測(cè)的中心頻率為:

(1)

式中:pi為加權(quán)因子,其計(jì)算公式為

(2)

張?chǎng)Q等[18]針對(duì)現(xiàn)有短波通信頻率參數(shù)預(yù)測(cè)方法操作繁瑣、預(yù)測(cè)精度不足的缺點(diǎn),首次提出一種基于長(zhǎng)短期記憶型循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Long Short-Term Memory Recurrent Neural Network,LSTM RNN)的預(yù)測(cè)方法。通過對(duì)電離層參數(shù)f0F2數(shù)據(jù)的分析,利用LSTM在處理時(shí)序相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)可以長(zhǎng)期記憶網(wǎng)絡(luò)歷史數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì),對(duì)f0F2值進(jìn)行預(yù)測(cè)。對(duì)比反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Backpropagation Neural Network,BPNN),LSTM RNN將誤差降低了7%,并將均方誤差控制在2%以下。

曹婷婷[19]發(fā)現(xiàn)以往短波頻率預(yù)測(cè)方法的局限性在于采用了簡(jiǎn)潔的預(yù)測(cè)方法,且所使用的數(shù)據(jù)集較為陳舊或?yàn)槟M數(shù)據(jù),導(dǎo)致預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度較低。在對(duì)短波信道模型分析的基礎(chǔ)上,對(duì)高斯散射增益抽頭延遲線(Watterson)信道模型進(jìn)行了完善,使其可以描述短波信號(hào)工作頻率的跳變過程。然后,基于上述發(fā)現(xiàn),建立了基于隱馬爾科夫的短波信號(hào)工作頻率預(yù)測(cè)模型。

彭地[20]提出了一種基于進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的短波通信頻率選擇方法,通過利用短波通信系統(tǒng)中積累的歷史數(shù)據(jù)來(lái)提高選頻的準(zhǔn)確性。該模型將特定通信條件下短波通信系統(tǒng)預(yù)置頻率表中所有候選頻率依據(jù)LQA分值進(jìn)行排名,選取通信質(zhì)量最高的若干個(gè)頻率作為備選頻率。為避免BP算法陷入局部最優(yōu)解,引入了一種改進(jìn)的粒子群算法對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,從而得到進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)頻率質(zhì)量預(yù)測(cè)模型。

楊博等[21]認(rèn)為現(xiàn)有的探測(cè)頻率選擇算法依據(jù)頻點(diǎn)的平均信噪比進(jìn)行評(píng)估選優(yōu),未考慮短波信道的小尺度隨機(jī)衰落特性,難以滿足實(shí)時(shí)選頻的要求。為了快速尋找短波頻段內(nèi)的目標(biāo)頻點(diǎn),結(jié)合寬帶頻譜感知技術(shù),提出了基于變鄰域粒子群搜索(Variable Neighborhood Search Particle Swarm Optimization,VNSPSO)的短波雙向探測(cè)頻率選擇算法。算法依據(jù)大尺度衰落的相關(guān)特性,采用最大分離法得到初始探測(cè)頻點(diǎn)集,以此來(lái)劃分相關(guān)鄰域;針對(duì)鄰域內(nèi)頻點(diǎn)質(zhì)量選擇性衰落特點(diǎn),采用粒子群優(yōu)化算法搜索鄰域內(nèi)頻點(diǎn),得到鄰域內(nèi)最優(yōu)解;通過變換鄰域,得到全局最優(yōu)解。

林雪[22]發(fā)現(xiàn)相比于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等深度學(xué)習(xí)模型,SVM算法可以防止過擬合現(xiàn)象出現(xiàn),且通過優(yōu)化核函數(shù)能夠在較小的計(jì)算量下達(dá)到較好的非線性逼近能力。在頻率預(yù)測(cè)中,通過質(zhì)量等級(jí)分類來(lái)代替量化預(yù)測(cè),降低了學(xué)習(xí)難度,為了提高該模型的分類性能,提出了一種基于基因收集的正交遺傳算法來(lái)訓(xùn)練模型的關(guān)鍵參數(shù),并將長(zhǎng)短期預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行融合來(lái)提高預(yù)測(cè)精度。

2.1.3 基于長(zhǎng)期預(yù)測(cè)的選頻

本系統(tǒng)采用基于歷史記錄的短期預(yù)測(cè)作為輔助選頻方式。基于歷史記錄的短期預(yù)測(cè)選頻方式對(duì)通信過程中產(chǎn)生的大量有價(jià)值的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并依據(jù)短波選頻預(yù)報(bào)軟件所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來(lái)提取對(duì)當(dāng)前通信時(shí)刻有價(jià)值的數(shù)據(jù),然后經(jīng)過數(shù)理分析得出最后的選頻結(jié)果,并且在通信過程中采用在線學(xué)習(xí)的方法,不斷對(duì)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析過程中的權(quán)重進(jìn)行優(yōu)化。通過這種方式,能在頻管終端未能返回有效數(shù)據(jù)的情況下,做出良好的應(yīng)急措施,并且能達(dá)到減少信道探測(cè)盲目性、提高信道探測(cè)效益的目的。

目前較為常見的短波預(yù)測(cè)分析軟件為美國(guó)電信科學(xué)研究院(NTIA/ITS)開發(fā)的電離層通信分析程序VOACAP、ICEPAC以及REC533等預(yù)報(bào)軟件。上述三者都是在IONCAP[23]基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái),其中REC533在低緯度地區(qū)的預(yù)測(cè)最為準(zhǔn)確,VOACAP和ICEPAC在低緯度地區(qū)預(yù)測(cè)結(jié)果相同,VOACAP在中緯度更為準(zhǔn)確,而ICEPAC則在高緯度更加準(zhǔn)確[24]。

此外,挪威國(guó)防部支持開發(fā)的頻譜資源管理和無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件系統(tǒng)和瑞典某公司開發(fā)的頻譜規(guī)劃管理軟件系統(tǒng)在國(guó)際上應(yīng)用也較為廣泛。除此之外,還有Proppy、VOAProp、ACE-HF、ASAPS、 CAPMAN、W6ELPROP、HFWIN32、WinCAP Wizard 3、HFProp、HF-Prop、HamCAP、DXLab和PropMan-2000等工具。其中,多數(shù)為免費(fèi)軟件,ACE-HF、PropMan-2000等為收費(fèi)軟件[25]。

2009年曹紅艷等[26]在F2層頻率預(yù)測(cè)方法中,用太陽(yáng)黑子數(shù)12個(gè)月平均值R12來(lái)替換重慶地區(qū)F2層指數(shù)Ic,并在原亞大地區(qū)F2層頻率預(yù)測(cè)方法中增加了一些探測(cè)站的數(shù)據(jù),從而以降低中間環(huán)節(jié)所帶來(lái)的插值誤差,提高了預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

劉珂[7]在研究數(shù)據(jù)充足的情況下,設(shè)計(jì)了基于LSTM的頻率預(yù)測(cè)方法,該方法綜合考慮探測(cè)頻率、探測(cè)分值、通信時(shí)間、通信雙方的地理位置、太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)、信號(hào)發(fā)射功率和接收端的本地噪聲等因素,并設(shè)計(jì)了由LSTM層、Dropout層和Dense層3層組成。算法使用均方誤差(Mean Squared Error,MSE)作為損失函數(shù),然后以預(yù)測(cè)分值的準(zhǔn)確度、頻率選取的準(zhǔn)確度和頻率排名的準(zhǔn)確度等作為評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2013年劉學(xué)宇[27]基于短波中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)軟件VOACAP,通過線性內(nèi)插的方法來(lái)選擇頻段內(nèi)可用頻率。石曉航[28]采用REC533建議的方法,采用分段線性插值、三次分段Hermite插值和三次樣條插值等多種插值技術(shù)來(lái)進(jìn)行頻率預(yù)測(cè)。此外,楊銳博[1]也采用了VOACAP等工具進(jìn)行頻率預(yù)測(cè)。

鄭廣發(fā)[14]在長(zhǎng)期預(yù)報(bào)模型的基礎(chǔ)上,采用平滑太陽(yáng)黑子數(shù)替代由單站點(diǎn)F2層臨界頻率導(dǎo)出的太陽(yáng)周期指數(shù),并針對(duì)單個(gè)電離層探測(cè)站的區(qū)域局限性,引入地理位置參量,得出不同區(qū)域范圍內(nèi)電離層的臨界參量,提出一種適用于中國(guó)地區(qū)的電離層長(zhǎng)期預(yù)報(bào)方法。

2.2 多點(diǎn)頻率分配

考慮到在短波數(shù)據(jù)傳輸過程中,短波站需要確保鏈路的可用性從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)不間斷傳輸,因此對(duì)短波頻率分配提出了更高的要求。

與多頻點(diǎn)分配技術(shù)相比,傳統(tǒng)的短波靜態(tài)頻率分配和基于電離層參數(shù)預(yù)測(cè)的分配方法實(shí)時(shí)性能較差。為了滿足實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求,短波認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)需要探測(cè)當(dāng)前鏈路的實(shí)時(shí)可用頻率從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻譜接入頻率高效分配[29-33]。為了克服上述問題,需要綜合考慮多頻點(diǎn)分配并優(yōu)化頻點(diǎn)的分配。

有許多頻率組合優(yōu)化算法,其中組合拍賣算法是一種有效的頻譜分配方式,具有良好的性能,可以提高系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。在短波頻譜的組合拍賣過程中,以不同短波頻率的3 kHz信道為拍賣單元,每個(gè)拍賣單元相互獨(dú)立。每個(gè)競(jìng)拍者通過評(píng)估頻點(diǎn)的價(jià)值進(jìn)行出價(jià),中央控制節(jié)點(diǎn)通過匹配交易實(shí)現(xiàn)頻譜資源的最優(yōu)分配。在頻譜組合拍賣過程中,贏家確定問題的本質(zhì)是在所有競(jìng)標(biāo)者中找到最大化通信效益的方案組合[29-30]。

岳新智[31]提出了一種基于純不連續(xù)馬爾可夫過程的頻譜感知方法,將信道狀態(tài)在任意時(shí)刻分為空閑和忙碌2種狀態(tài),借助于不連續(xù)馬爾可夫過程在任意時(shí)刻停留的時(shí)間服從指數(shù)分布和富克-普朗克方程建立轉(zhuǎn)移狀態(tài)局長(zhǎng),來(lái)對(duì)不同電臺(tái)分配信道。

Yang等[32]引入了門控遞歸單元(Gate Recurrent Unit,GRU)輔助預(yù)測(cè)模型,實(shí)現(xiàn)了每周頻率點(diǎn)的預(yù)測(cè),提高了平均買方收益率,提高了頻譜分配的效率。仿真結(jié)果表明,組合拍賣算法的性能隨著頻譜感知能力的提高而提高,通過頻點(diǎn)狀態(tài)預(yù)測(cè),在衰落條件下,平均買家回報(bào)率顯著提高。

孫杜娟等[33]研究了海上大型編隊(duì)短波跳頻組網(wǎng)問題,針對(duì)短波通信組網(wǎng)復(fù)雜性特點(diǎn),構(gòu)建了樹型、星型和準(zhǔn)柵格網(wǎng)相結(jié)合的海上大型編隊(duì)短波跳頻通信網(wǎng)絡(luò)。在近距離通信時(shí)使用對(duì)稱交叉正交頻率表技術(shù),進(jìn)行高密度正交異步組網(wǎng),在中、遠(yuǎn)程通信時(shí)使用基于非對(duì)稱頻率表技術(shù)的實(shí)時(shí)頻率AFH技術(shù),采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)天波跳頻通信。

3 算法綜合對(duì)比

為了對(duì)短波通信頻譜的選擇與分配有較為全面的認(rèn)識(shí),表1總結(jié)了常見的頻譜選擇和分配算法,對(duì)其進(jìn)行了對(duì)比分析。主要包括算法的原理、分配范圍等幾個(gè)維度。

表1 短波信道規(guī)劃技術(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of scheduling technology for high frequency channel

4 未來(lái)研究方向

通過上述分析可知,短波通信頻率選擇主要面向以下方向開展研究:

① 短波信道大數(shù)據(jù)建模與頻率預(yù)測(cè)。當(dāng)前伴隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的出現(xiàn)以及無(wú)線電技術(shù)的不斷進(jìn)步,短波大數(shù)據(jù)的探測(cè)和感知能力不斷增強(qiáng),基于大數(shù)據(jù)的短波頻率預(yù)測(cè)技術(shù)可以通過多源協(xié)同數(shù)據(jù)探測(cè)來(lái)獲得太陽(yáng)輻射、地磁活動(dòng)和電離層變化等數(shù)據(jù),然后結(jié)合通信雙方的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行可用頻率和功率的預(yù)測(cè)。

② 多點(diǎn)組網(wǎng)方案的智能化構(gòu)建。目前伴隨著裝備水平的提升,短波通信中裝備組網(wǎng)已經(jīng)成為趨勢(shì),這就要考慮不同空間和區(qū)域中各個(gè)設(shè)備的相互干擾和動(dòng)態(tài)更新,如何通過頻率調(diào)度提升整個(gè)系統(tǒng)的通信容量和帶寬,因此,需要更加高效的計(jì)算方法和模型。

③ 實(shí)時(shí)感知與頻率動(dòng)態(tài)更新。由于短波電臺(tái)通信受到各種因素的干擾,當(dāng)通信雙方或一方在高速運(yùn)動(dòng)時(shí),信道通信質(zhì)量不穩(wěn)定,通過空間分集的方式在一定程度上可以提高通信質(zhì)量。如果能夠準(zhǔn)確地感知頻率和預(yù)測(cè)信道的變化,則可以預(yù)先進(jìn)行站點(diǎn)握手連接,從而提高通信穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文系統(tǒng)地分析了短波通信中頻率的選擇和分配問題,通過對(duì)近年來(lái)相關(guān)研究的綜合分析和對(duì)比,指出了短波通信中智能頻率選擇的方向,主要是基于大數(shù)據(jù)的建模與預(yù)測(cè)、多點(diǎn)組網(wǎng)方案和實(shí)時(shí)感知與頻率動(dòng)態(tài)更新。在未來(lái)研究中,可以針對(duì)現(xiàn)有短波通信系統(tǒng)瓶頸問題,綜合運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)、組合優(yōu)化和博弈論等人工智能方法從而支撐智能短波通信系統(tǒng)構(gòu)建,實(shí)現(xiàn)各種環(huán)境下高容量、持續(xù)、穩(wěn)定的通信。