基于ITS 软件的短波频率管理系统设计

杨青彬 ,余毅敏余 奇李 鹏

(1.国防信息学院, 武汉430010;2.解放军96225 部队, 昆明650000)

1 引 言

频率选择问题一直是制约短波通信质量的重要因素,依据电离层模型进行长期预测,并结合实时探测数据进行优质短波频率选择,可极大提高短波通信的质量和效率。由于大区域网络化应急短波通信采用大区制组网,在优质频率的使用上要求能够统管共控,在区域中心站的布设上要求充分考虑其覆盖要求,而基于场强或可靠性的频率覆盖预测可以对区域中心站的选取进行初步的理论验证,能够对已有区域中心站计算其覆盖能力,实现其保障地域的初步规划和优质频率的初步选择。对此,在大区域网络化应急短波通信中,通过频率预测软件,对频率进行粗选或预选,为整个网络的频率规划提供初始的频率集,在此基础上使用频率探测数据对可用频段进行更新和调整,校正剔除预测频率集中的不可用频率,提供给网络管理系统中的频率规划软件,根据不同的需求在全网进行统一的规划和合理分配。

当前,电离层的实时探测技术已经发展得较为成熟,并广泛应用于实践之中,而对中长期预测模型和计算核心的选择成为实现频率预测与探测相结合进行选频的关键。在国内外各种短波中长期频率预测软件中, 美国ITS(Institute for Telecommunication Sciences)组织开发的频率预测软件包在全球范围内广泛使用,这是因为早在1957 年,无线电传播机构就开始着手为美国陆军通信兵开发自动化的短波路径预测工具,并在其后的使用过程中进行修改,由于长期应用及数据的积累和修正,该模型的计算核心已经非常完善和可靠。目前,国际上很多短波频率中长期预测管理系统都是直接使用该软件包的计算核心进行预测,只是对界面重新进行封装,如Ham-Cap 和ARRL 等。由于对短波频率预测的实质都是基于电离层的月中值模型进行的,因此,采用具有广泛应用基础且对电离层模型进行持续不断修正的ITS 软件包进行短波频率管理系统的再开发成为很多用户的选择,在国内,国家广电总局无线局为短波广播而开发的“HFCC 短波频率协调软件”就通过集成ITU 的REC533 预测模块并结合GIS 来实现的[1],因此鉴于ITS 软件的成熟性和其计算功能的强大,借鉴文献[2-5]的做法,基于已有的成熟计算模块设计实现大区域网络化应急短波通信的频率管理系统是可行和可靠的。设计开发的短波频率管理系统能够对可用频率进行预测;能够进行区域中心站基于场强或可靠性的频率覆盖预测;能够进行特定链路的性能预测,为融合利用Chirp 探测数据和Modem探测数据进行优质稀缺频率资源的指配和调整奠定基础。

2 基于ITS 开发的基本思路

由于该频率管理系统是以ITS 模型为计算内核,因此其实现重点是结合大区域网络化应急短波通信在特定应用场合进行频率预测的需求,把ITS模型的计算功能用良好的界面提供给特定用户使用,其本质是如何简单高效地把ITS 系列软件的计算功能匹配到大区域网络化应急短波通信的频率预测需求中去,其基本思路如下。

(1)利用良好的可视化界面输入相关的预测参数,并格式化成ITS 软件特定的输入文件,调用ITS相关程序进行计算,从其产生的输出文件中获取必要的结果信息,经过特定算法处理后返回人机界面。

(2)为了快捷地输入大区域网络化应急短波通信区域中心站的信息,在软件中需要建立短波台站数据库,在实施预测功能时可以直接从库中查询和选择。

(3)直接利用ITS 模型计算出的轮廓数据,通过格式化处理后可在全国地图上显示,避免较烦琐的等值线计算,实现覆盖区域的显示。

(4)使用ITS 软件中的各种计算模型和结果数据,不涉及二次计算,以保证预测的准确性。

基于以上考虑,设计出大区域网络化应急短波通信的频率管理系统总体架构如图1 所示。

图1 频率预测与管理系统总体结构图Fig.1 Integrated framework graph of frequency prediction and management system

3 基于ITS 的设计实现

短波频率管理系统中的电路计算模块是整个软件的核心模块,根据实际需要,目前共设计有MUF(Maximum Usable Frequency)预 测、ALE(Automatic Link Establishment)电台扫描频率预测、频率覆盖预测、工作频率及其性能预测和台站选址预测共5 种预测计算功能,这5 种功能均基于ITS 软模型中点对点计算和点对区域计算,其实现的关键在于将预测的各种输入参数格式化成ITS 模型的输入文件格式,以及对ITS 软件计算后产生的输出结果进行针对性的提取。因此,ITS 输入文件生成和输出文件解析是5 种功能实现的基础。

对每一种预测功能都应包括以下几个步骤才能完成一次计算:

(1)通过人机界面输入或选择预测所需参数,所有参数经校验后即传递给输入文件生成子模块;

(2)调用输入文件生成子模块,根据不同的输入参数和计算功能生成不同的输入文件;

(3)调用ITS 软件中的执行程序进行计算,得到输出文件;

(4)调用输出文件解析子模块,根据相应的功能从输出文件中得到相应的计算结果;

(5)如果一次计算不能完成该预测功能,则重复执行第2 ～4 步直至获取所有的计算结果;

(6)对得到的计算结果进行适当的处理和转换,形成最终的预测数据;

(7)将预测数据显示给用户,预测数据既可以用表格的形式显示也可以直接显示在地图上。

3.1 基础数据支撑

基础的数据支撑主要是为整个软件提供必要的数据存储、查询服务,包括台站数据管理、预测数据管理和探测数据管理,其基本组成如图2 所示。

图2 基础数据构成Fig.2 Basic data formation

其中,台站数据管理负责对大区域网络化应急短波通信中台站相关信息的录入、编辑和管理,台站数据可以提供给电路计算模块使用,也作为图元数据在地图上自动显示[6];预测数据管理负责对电路计算的结果数据进行保存和显示,可提供API 给电路计算模块以方便预测数据的保存,同时也可进行预测数据的查询。

3.2 MUF 预测和ALE 电台扫描频率预测

MUF 是静态的月中平均统计值,它描述了在两点之间进行短波通信时电离层的反射能力情况,并不是具体链路的规划使用频率,只是提供一个频率上限的参考值。MUF 的预测只需两点的坐标、时间和对应的太阳黑子数即可得出,在本系统中MUF 的预测是最基本的功能。

通过对ITS 软件的分析并结合其他相关的资料,目前较为实用的工作频段一般是在FOT(Frequency of Optimum traffic)值附近,特别是采用了ALE技术的短波自适应电台,ITS 提出了一种新的预测方法,即对某一天预测结果中HPF(Highest Possible Frequency)的最大值和FOT 的最小值来定义其预置扫描频率的变化范围,其中日频和夜频分开计算,日频范围是(HPFmax,FOTmin),夜频范围是(HPFmax,FOTmin)[7]。

基于以上分析,在MUF 预测中提供两种预测功能:一是MUF 数据的预测, 可提供某个月24 h 的MUF 预测, 并对MUF、FOT、LUF(Lowest Usable Frequency)、HPF 值以表格形式呈现;二是短波自适应电台指定时间段的预置扫描频率表上下限预测,通常是日频和夜频的扫描范围预测,其具体的数据构成如图3 所示。

图3 MUF 预测数据构成Fig.3 MUF prediction data formation

3.3 工作频率与性能预测

结合短波链路的实际预测需要,系统提供了工作频率及其性能预测功能。

(1)对于区域中心站和机动用户之间链路,根据指定的工作频点和时间,给出链路性能的推测和估算。预测性能指标有SNR(信噪比)、SNRXX(信噪比百分比)、REL(链路可靠性)、DBU 等,根据不同的需要选用不同的指标。如果同时指定多个频点,则在计算出所有频点性能的同时给出频点的排序,从而使用户能够在多个频点中选择较好的工作频率。

(2)对于特定的链路,指定时间、天线等相关参数,系统自动推荐通信质量好的频率,其通信质量的评价标准是指定链路在该频点的SNR 和SNRXX 的大小[8]。具体实现思路如下:一是根据用户指定的信噪比(Req.SNR),找出符合条件的所有频率并进行排序;二是计算的频率范围是整个短波频段2 ～30 MHz,计算精度为0.1 MHz;三是通过对整个频率范围的SNR 和SNRXX 进行分析,在数据分析和处理时应注意以下几个方面。

1)存在频率其SNR90%≥Req.SNR, 此时将找出所有满足条件的频点,对这些频点其提供给用户的形式有两种。

第一种是这些频点不用排序,满足条件的相邻频点进行合并,且频点是由小到大排列的。

例如,某条件下ITS 软件对11 ～14 MHz频率性能的计算结果如图4 所示。

图4 某条件下11 ～14 MHz 的频率性能Fig.4 Frequency performance of 11 ～14 MHz under some condition

假设Req.SNR=55 dB,则不排序的频率输出结果是(11.1, 11.3)、(12.7, 13.8)。

第二种是对所有满足该条件的频率进行排序,依据SNR90%从大到小排序,在排序之前进行相邻频率的合并,此时SNR90%相等的相邻频率才能合并,排序后的频率输出结果是(12.7,13.3)、(11.1,11.3)、(13.4,13.8)。如果两个频段的SNR90%相等,则SNR大者排前,如果两者相等则频率高者排前。

2)在整个短波频带范围内没有任何频率其SNR90%≥Req.SNR,但存在频率其SNR≥Req.SNR,此时将找出所有满足SNR ≥Req.SNR 的频率,这些频率依据SNR 排序后提供给用户,在排序前需对SNR 相等的相邻频率合并。但满足该条件的频段有可能会比较多,则提供最接近该通信质量的3 ～5 个频段,频段个数由用户指定。

假设Req.SNR=63 dB,但在预测结果中没有任何频率其SNR90%≥63,则推荐5 个最接近所需通信质量的频段:(11.7, 12.0),(12.7,13.4),(11.1,11.6),(13.5,13.8),11.0。

如果两个频段的SNR 相等,则SNR90%大者排前,如果两者都相等则频率高者排前。

3)在整个短波频带范围内没有任何频率其SNR90%或SNR ≥Req.SNR,说明没有任何频率满足指定的通信质量,如果确实需要推荐,则与(2)中推荐的结果一样。

假设Req.SNR=78 dB,则推荐可能通信频段为(11.7, 12.0), (12.7, 13.4), (11.1, 11.6), (13.5,13.8),11.0(默认推荐5 个)。

对于自适应电台只用对SNR(即SNR50%)进行分析,因此只存在两种可能情况,即存在满足SNR ≥Req.SNR 的频率和不存在满足条件的频率,前者提供所有满足条件的频率(排序或不排序),后者提供经过排序的指定个数的频率。排序的依据是SNR大小,如果SNR 相等则频率高者在前。

4)如果满足条件(1)则找出所有满足条件的频率,如果满足条件的频率少于指定的推荐频率或频段数,则继续转入(2)中处理。如果不满足(1),但满足(2),则直接转入(2)中处理,此时即使满足(2)的频率但不能满足推荐数目的要求也停止执行。

(3)多次调用自动频率推荐功能,可提供24 h的可用频段建议。共分为1 h 换频、2 h 换频、4 h 换频和6 h 换频4 种方案。工作频率预测的数据构成如图5 所示。

图5 工作频率预测数据构成Fig.5 Work-frequency prediction data formation

3.4 频率覆盖预测

频率覆盖预测主要为接入节点提供基于场强或可靠性(REL)的覆盖预测,该功能的重点在于对覆盖轮廓数据的提取、转换、显示和保存上,其具体实现方法是通过ITS 软件计算产生的轮廓数据,对这些轮廓数据处理后在地图上用轮廓线以及不同的颜色表示覆盖效果[9]。频率覆盖预测数据构成如图6所示。

图6 频率覆盖预测数据构成Fig.6 Frequency coverage prediction data formation

3.5 台站选址预测

台站选址预测是针对确定保障地域在不同时段的性能进行预测和排序。该功能的具体实现方法是依次计算所有候选区域中心站与保障地域的最佳链路性能,即在各自最佳工作频率上获得的信噪比,并依据链路的性能大小对候选台站排序,最后输出的结果包括台站的保障能力排序及相应的最佳工作频率和性能指标,以作为频率和区域中心站规划时的参考。

由于中、远距离短波通信对台站位置小幅度变化(100 km以内)敏感度不高,而保障区域太大则预测又失去意义,因此对于半径在50 km以内的区域转换为对该区域中心点的预测,这就对保障区域的范围作了基本的限定,其数据构成如图7 表所示。

图7 台站选址预测数据构成Fig.7 Station choosing prediction data formation

(1)从人机界面获得所有候选台站的相关参数,包括其天线参数、发射功率等,形成多条完整的链路信息,以方便进行完整的性能预测。

(2)对于每条链路,在整个短波2 ～30 MHz频段进行性能预测计算,计算精度为1 MHz,在输出的计算结果中找出最大的SNR90%。

(3)计算出每条链路的最大的SNR90%后,按由大到小排序,该排序就是台站选址排序。

4 结束语

本文通过学习研究美国ITS 软件的工作原理和模式,采用二次封装的方法,利用界面编程语言设计开发了适用于大区域网络化应急短波通信需求的频率管理系统,实践证明该短波频率管理系统能有效实现对短波可用频率的预选,是融合利用各种实时探测数据优选各种频率集并进行动态调整的基础,特别是可以对各种优选频率进行覆盖效果预测和显示,可极大地改善和提高短波通信链路的选频质量。

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