岸海短波通信更频策略研究*

杨少华 张 浩

(1.海军驻北京地区通信军事代表室 北京 100040)(2.海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)



岸海短波通信更频策略研究*

杨少华1张 浩2

(1.海军驻北京地区通信军事代表室 北京 100040)(2.海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)

论文针对目前岸海短波通信更频存在的问题,研究了四种可以缓解或解决现有问题的更频策略,分别是特殊时间节点更频、固定时间节点更频、网络重置更频、门限更频。给出了这四种更频策略的定义,详细阐述了每种策略的更频过程。最后,对每种更频策略的优劣作了简要说明。

短波通信; 更频策略; 频管中心; 通信中心

Class Number TN911

1 引言

短波是指频率在3MHz～30MHz的电磁波,短波通信是利用短波通过地球电离层反射传输信息的通信方式[1]。岸海短波通信受电离层反射条件、环境噪声、人为噪声等因素不断变化的影响,可进行通信的频率不断变化[2]。当短波通信系统建成以后,电台的发射功率和接收机灵敏度就确定了,天线也不能随意变化,只能通过调整通信频率来适应电离层的变化[3]。所以,对于短波通信网,通信频率的更新是非常重要的;如果不能根据电离层的变化正确地选择通信频率,短波网络通信效率就会大大降低。在未来信息化条件下,为保证海军岸海短波通信的可靠性,高效及时的通信频率更新(更频)策略尤为重要。

2 研究现状

短波通信与手机移动通信不同,每个短波通信用户都拥有一个频率集,频率集中存在多个频率,用户选择其中较好的频率进行通信。多数情况下,电离层状态发生变化,频率集可用度降低甚至完全不可用,此时需要选择新的频率集[4]。传统岸海短波通信依靠“时间-频率”呼叫表进行通信,根据不同的时间、坐标更新频率集。它是根据长期通信经验积累得到的“经验频率表”,能粗略估计某时某地的通信频率范围,但不能准确反映各种环境下电离层的状态,因而通信连通率低、信道质量差。自20世纪60年代以来,先后发展了实时选频技术,出现了CURTS、CHEC、Chirp等短波探测选频技术,这些技术极大地提高了短波通信质量。目前使用较为广泛的是利用Chirp探测信号来测量多径时延、信号强度、最高可用频率等电离层传播信道参数,利用这些信息就可以选择出适合通信的频率[5]。1994年ITU Recommendation 720已推荐FM/CW“Chirp”探测技术作为动态频率管理的标准,美、英对Chirp系统进行了科学试验,并在海湾战争中取得很好的实战效果[6]。为了适应短波网络化发展需求,短波频率的探测和分配统一由频率管理中心(频管中心)规划管理。短波频率的探测与使用如图1所示。

图1 短波频率的探测与使用示意图

在岸海短波通信中,陆、海频管中心实时探测电离层状态、计算出可用频率;各个通信节点(舰船)使用频管中心分发的频率集进行通信。然而,由于可通信的频率变化较快,分配给舰船频率集的可用性随之变化,由此带来一个问题:当舰船需要进行通信时,才发现原来的通信频率集已不可用,此时再向频管中心申请新频率集则会对通信的时效性产生严重影响。因此,需要在频率集完全不可用之前向频管中心申请更新频率集。本文将对恰当的频率集更新时机进行研究。

3 更频策略研究

3.1 特殊时间节点更频

特殊时间节点指早中晚、月份、四季等,其特殊性体现在:以这些节点为中心的较短的时间区间内,电离层会发生较大变化,短波通信可用频率集随之发生变化,此时应该在短时间内完成频率集的更新工作[7]。这种更频方式类似于传统频率的更新,但更新依据是频管中心的实时探测结果而非“计划表”,所以新频率可用性高。

3.2 固定时间节点更频

固定时间节点更频是指以固定的时间周期(例如2小时),进行通信频率集的更新。在固定时间节点更频方式下,当到达指定时间节点时激活更频协议,频管中心根据探测结果,计算出新的通信频率集,分发给自己所管辖的短波通信台。具体更频过程如图2所示。

一般情况下,多艘舰艇构成一个通信组,由一艘具备舰载频管中心的舰船担任通信中心,由于舰艇间相互距离较近,因此可共用一个频率集。陆、海频管中心首先交互电离层状态特征,计算可用频段。在更频时间节点,陆、海频管中心分别向陆上通信台和通信中心分配新频率集,通信中心通过广播方式重复向网内的其他舰船发布更频信息,组内所有的舰船,如果没有特殊情况(正在进行语音或数据传输),都调谐到广播信道上接收信息。更频信息中携带有新通信频率集和新通信频率集同步更换时间。在预定时间实现全网同步更频后,通信中心再通过单呼方式逐个呼叫组内成员,确认其是否完成更频,由于语音或者数据业务传输而没能接收到更频信息的舰船,通信中心重新向其发布更频信息[8]。

图2 更频过程示意图

3.3 网络重置更频

网络重置更频,即利用网络重置的机会进行更频。短波通信组网是技术发展的必然趋势[9],从2000年开始,美国、澳大利亚、瑞典等国家都更新了自己的短波通信网络,并在逐步实现与其他网络的互联互通,如美国海军的HF ITF网络和HF舰/岸网络(HFSS)。多个舰载站可通过时分复用方式使用同一频率与陆上通信台通信,频谱利用率大幅度提高。然而,这种通信方式也存在通信信道容易拥堵问题,即某些频率段负载率过高而某些频率段闲置现象。因此岸基站需要根据频率使用情况不定期重置网络,各个通信站进行初始化接入,利用网络重置的机会,频管中心可为自己所管辖的通信台分法新频率集。具体更频过程如图3所示。

图3 网络重置更频过程示意图

某些条件下,通信组2无法直接与陆上通信台2通信,但通信组1可以同陆上通信台2直接通信,那么通信组2的数据可通过通信组1转发至陆上通信台2。当通信组3甚至更多通信组都使用相同信道与陆上通信台2通信时,陆上通信台2会及时监测到信道负载率过高,并向陆上频管中心发送网络重置命令,陆、海频管中心交互信息后分别向所管辖通信台发送网络重置命令,网络重置命令中同时携带更频信息。网络重置后,各通信组使用新信道进行通信。

3.4 门限更频

门限更频,即当短波通信台频率集中可用频率数量小于某一门限值X时进行频率更新。由于时间和坐标的改变,陆上通信台或舰艇会出现初始分配的频率集不可用、不够用的情况,如果在进行呼叫时发现已经没用频率可用,此时发送更频申请将会严重影响通信的时效性,因此需要设定频率集中最小可用频率数,即门限值X。一旦可用频率小于X,马上申请更新频率集。具体更频过程如图4所示。

图4 门限更频过程示意图

第三代短波通信系统是自动建链系统,通信系统首先挑选一个频率尝试建立通信,如果失败则自动选择其他频率,直至建立通信链路[10]。在通信的过程中或通信结束后,舰船将频率使用情况上报至通信中心,内容包括:不可用的频率信息、可用频率的通信信道质量评分值。通信质量可由误码率(BER)和信纳德(SINAD)进行评分[11]:

1) 误码率(BER):对接收到的3倍冗余编码进行2/3大数逻辑判决,将得到的硬判决序列与纠错译码后的序列相比较得到误码个数,进而估计出误码率。

2) SINAD的定义为

其中,S为信号能量,N为噪声能量,D为干扰能量。

自适应控制器利用快速傅里叶变换(FFT)计算出信号频谱能量,再将其与无用信号(噪声和干扰)的能量进行比较,得到SINAD的数值。

通信中心通信控制系统收集汇总组内频率使用情况,掌握频率动态变化情况,依据一定规则和算法计算出门限值X的大小。当通信中心通信管理控制系统检测到组内通信频率集中可用频率数量小于门限值X时,迅速向通信中心申请更频,更频信息下发方式与固定时间节点更频相同。

4 结语

岸海短波通信环境复杂多变,四种更频策略各有利弊。特殊时间节点更频最容易实现,但只适用于特殊场景,局限性强;固定时间节点更频实现简单,能够满足一般通信需求,但灵活性差,无法满足特殊环境下的通信要求。网络重置更频具有其特殊的适用背景——岸海短波通信网;门限更频是根据用频状态进行更频,更频时机恰当、更频效率较高,但实现较为复杂。未来岸海短波通信更频的发展方向是保证通信“随时呼、随时通”,门限更频“实时感知频率使用情况”、“动态分配新频率”的特点顺应来来发展趋势,应用前景广阔。

[1] 胡中豫.现代短波通信[M].北京:国防工业出版,2003:1-8.

[2] 王坦.短波通信系统[M].北京:电子工业出版社,2012:1-261.

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[5] 郑玮琪.基于Chirp探测数据的信号能量强度预测方法研究[D].广州:华南理工大学,2010.

[6] 李晓陆.Chirp探测技术及其在短波通信中的应用[J].舰船电子工程,2005(3):96-100.

[7] 邓燕君.短波通信频率选择技术研究与实现[D].西安:电子科技大学,2013.

[8] 龚海慧.第三代短波通信网频率管理技术研究[D].西安:电子科技大学,2007.

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[10] 乔晓珑.新型短波自动选频技术研究与实现[D].西安:电子科技大学,2013.

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Research on Frequency Update of Coast-Sea HF Communication

YANG Shaohua1ZHANG Hao2

(1. Navy Representative Office of Communication in Beijing, Beijing 100040)(2. College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

Aiming at the problem of the frequency-update in coast-sea HF communication, this paper studies four strategies, including special time node frequency-update, fixed time node frequency-update, network reset frequency-update, threshold frequency-update, which can solve or alleviate the existing problems. The definition of four strategies frequency-update is given. The frequency process of each strategy is described in detail. Finally, the advantages and disadvantages of each strategy are briefly described.

HF communication, strategy of frequency-update, frequency management center, communication center

2015年6月5日,

2015年7月28日

杨少华,男,工程师,研究方向:军事通信。张浩,男,硕士研究生,研究方向:短波通信。

TN911

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.017