短波通信频谱管理系统应用及发展探讨

李东　李争　王骐

【摘 要】为了提升远洋船舶短波通信效率，介绍了短波通信频谱管理系统，分析了其技术特点及组织应用方式，并在远洋航行过程中进行了长时间的试验验证，试验结果证明了短波通信频谱管理系统在短波通信保障中的作用和优势。最后，对短波频谱管理技术的发展进行了探讨。

【关键词】短波通信 频管系统 频率优选

1 引言

随着工业技术及信息化技术的飞速发展，电子设备及信息化装备的使用数量成倍地增长，电磁频谱越来越频繁地被使用，这使得电磁频谱资源越发紧张，信息系统间的相互干扰日趋严重。为了更好地发挥信息系统的作用，使其服务于工业及信息化建设，需要对频谱资源进行合理的利用及有效的管理。基于通信频谱管理系统的短波通信组织方式有别于传统的短波通信组织方式，为了更好地发挥短波通信保障能力，有必要对短波通信频谱管理系统的应用及发展进行更加深入的研究。

2 短波通信频谱管理系统

短波通信频谱管理系统（以下简称频管系统）是目前短波通信保障的重要系统，它融合了探测、监测及频谱管理三大技术。频管系统基于短波传播的原理[1]，在系统中设置了短波探测信号发送及接收设备，通过不断的探测来判断当前短波传播介质的能力及变化情况。同时，短波段频段比较窄，短波段的频率资源有限，加上短波通信装备数量的不断增加，造成了短波段内可用频率资源比较紧张。为了避免短波段内通信设备互相干扰，频管系统中还设置了短波干扰监测设备，用于监测短波段内哪些频点或频段正在被使用，频管系统为短波通信系统选择频率时则主动避开这些正在被使用的频点或频段，这样选出的通信频率便是当前时间段内最优质的频率。

2.1 Chirp探测技术[2]

目前，跨地域大范围内的无线通信手段主要有卫星和短波两种。卫星通信极其方便，但卫星资源紧张，战时卫星通信也极易被干扰甚至摧毁，作为远距离无线通信的重要手段，短波通信是不可或缺的重要资源。远距离短波通信是依靠电离层反射传播的，电离层反射能力随时变化，导致短波通信的可用频率也要随时调整。经过国内外多年的研究及验证，发明了多种电离层的探测手段，其中Chirp探测技术是最适合远距离探测的技术。

短波电离层Chirp探测的目的是测量短波信道各种传播模式的时延值和信号能量，并作为频率的函数，形成电离图。典型的Chirp探测信号是频率线性扫描信号，图1给出了Chirp探测系统测量时延和幅度的原理图。

若从发射端把Chirp信号传输到接收端，中间没有延迟（即τp=0），则当接收机收到Chirp信号并和机内本振信号混频后，其输出将为零频率的差拍信号。实际上，信号通过信道是有时间延迟（τp）的。例如电波以表面波模式传播时，τp在扫描的频段内是固定的。若固定延迟用τp0表示，这样在扫频一周内，收发频率就一直存在一个固定频率差Δf0，接收机将输出一个频率为Δf0的差拍电压。传播路径越长，τp0越大，则收到的Chirp信号扫频开始的时间越落后于接收机的扫频开始时间，从而使输出的差频越高，如图1所示。由此可见，只要收发都保证线性扫频，接收机输出的基带信号频率（Δf）就可用来直接反映信号在信道中传输后的时延（τp）。以上是Chirp探测之所以能测得信道电离图的根据。

但在实际的短波信道上，存在着许多传输模式，而且每种模式的时延随频率的分布也不再是一条水平线。因此，实际上，探测信号是通过多种电离层反射模式进行传播（例如1 hop F，2 hop F，1 hop E等）的。各个传播模式的传播时延被直接转换成频率偏移。在接收端解调出来的音频信号中就会出现多个分量，代表着多种时延不同的传输模式，接收到的电离图如图2所示：

2.2 干扰监测技术

频管系统中干扰频谱监测功能是对短波通信频率的信号强度和占有率进行测量和统计分析，而不是干扰信号识别和谱结构分析，由短波干扰频谱监测仪或短波干扰监测模块完成，主要测量参数有干扰强度（场强）和频谱占有率。其测量原理如图3所示：

2.3 频谱管理技术[3-4]

频谱管理通过管理终端软件来实现，它是频管系统的大脑，由计算机系统组成，通过运行相关软件进行频谱的管理。频谱管理通过短波实时探测系统收集信道探测数据，通过干扰监测系统收集电磁干扰和信道占有情况数据，通过网管等其他手段收集网络布局（站点）、网络情况、设备使用情况数据。频管终端根据收集到的数据，确定可用频率资源，并对可用频率资源进行合理分配和有效使用，为通信系统自动分配频率资源，为短波通信系统提供服务与支撑。

3 短波频谱管理技术的应用探讨

基于Chirp探测、干扰监测的频谱管理技术，在实际工作中要发挥作用需要短波通信系统的支持。短波通信链路之间建立用于频管信息交互的通路，其本身也是短波链路，在不借助其他无线链路的基础上实现短波自身的保障。

短波通信在船舶远洋通信中有迫切的需求，它是当前除了卫星通信外的唯一远洋通信手段。根据试验及经验，短波通信效果的好坏与通信双方的位置（距离）有很大的关系，但也并不是距离越近就越好，有时拉开通信双方的距离再配合适当的频率管理反而可以取得更佳的通信效果。

根据短波传播的这一特点，可以考虑在远洋船舶位置相对固定（一定时间内）的情况下改变岸基通信侧的位置以增强短波通信效果及保障能力。由于岸基通信往往设置在陆地上，随着互联网技术的日益成熟，多岸站联网保障的频谱管理技术成为了可能。利用有线网络把多个分散的岸站连接起来，其中任意一个站点建立与远洋船舶的短波链路，则可通过此链路转发岸站的信息和数据[5]，这就提高了远洋船舶短波保障的通信能力。

频管系统根据短波传播原理，在岸站设置了短波Chirp探测发射及管理系统，在船舶上設置了短波Chirp探测接收及管理系统。接收到的信号经过DSP处理后形成反映电离层反射能力的“电离图”数据，一个探测接收设备可以分时接收多个岸站发射的探测信号，这便形成了一点对多点的电离图数据。船舶频管系统可以根据接收到的多个岸站的电离图数据对先前约定的频率及频率组进行评价，并根据评价结果优先选择最容易接入的岸站建立初始的短波通信链路，并在初始链路上交互频管系统的频管数据，再结合岸船双方的本地干扰监测数据，对探测优选频率再次评分，选出双方通信效果都最佳的通信频率对初始链路进行维护，这样船岸双方便形成了最佳的短波通信链路。随着时间的推移，电离层发生变化，探测、监测数据也同步更新，根据频管系统的选频算法，再次优选出通信频率，不断更新优选频率库，并对建立的短波通信链路进行实时维护，使其时刻保持在最佳的通信状态，以提高船岸之间的短波保障能力及效率。

以两岸站保障一船舶站为例，典型业务流程如下：

（1）两岸站发射探测信号，同时进行本地干扰监测，船舶站接收岸站发射的探测信号，同时进行本地的干扰监测。

（2）船舶站根据探测监测结果，对约定频率组进行综合评估，根据评估结果选择最容易接入的岸站完成初始链路建立。

（3）初始链路建立后，根据链路质量情况，选择是否更新链路频率。

（4）通过优质的链路传输通信业务数据。

（5）在实时探测数据及监测数据的支撑下，对链路质量进行监测、维护，使链路处于最优状态。

根据以上分析，在船舶远洋航行过程中进行了相应的验证试验。2015年4月至2015年8月，结合某批次远洋船舶远海运输（中国-也门）的机会，同步开展了短波频谱管理系统保障短波通信的验证试验。

3.1 试验网络

此次试验设置了两个岸站来保障本次远洋航行，分别在中国内陆北部天津、南部广州各设置一个岸站来保障两艘船组成的运输编队，分别为1号船舶站和2号船舶站，试验站点及网络示意图如图4所示。岸船之间的短波链路在5个工作频率上自适应选择最佳频率进行通信。

3.2 试验情况

（1）优选频率可用性验证

在远洋过程中对频管系统优选出的频率进行了实验验证，由频管系统优选出的频率动态地指配给相应的短波通信系统使用，根据短波通信系统的使用效果进行评价。

“广州-1号船舶站”链路分析结果表明，频管系统优选出的频率动态地指配给相应的短波通信链路后，无论是以定频方式联络，还是以“自适应”方式联络，其中80%～85%的指配频率LQA（链路质量分析）[6-8]均有分值，能建链。而且，每一次指配的5个频率，能够建立较优质通信链路的频率个数平均有3.5个，占每次所指配频率的70%，足以保证该通信链路的不间断。这充分说明，频管系统的优选频率是完全可用的，其计算的优选频率结果也是可以采信的。

（2）频率及功率与通信质量的关系验证

2015年4至2015年8月，远洋船舶在阿拉伯海域航行，1号船舶站的短波电台分别以1 000 W、500 W、400 W、300 W、200 W和100 W的功率工作。广州岸基短波电台发信机分别以3 kW、2 kW、750 W的功率工作，以上各种功率的组合使用均能达成“广州-1号船舶站”链路的通信联络。其中，1号船舶站短波电台使用500 W功率工作约1.5个月，使用400 W功率工作约1个月，使用200 W试验持续13天（64次），使用100 W试验持续16天（51次）。各种发信功率下的短波通信链路LQA分值（满分百分制，收发各50分）的比较如表1所示。

对试验数据进行分析发现：

1）经频管系统优选后，动态地指配给通信系统的通信频率，其可通频率都在80%～85%，即优选频率中80%～85%的频率都可以建立链路。此时，链路对发信功率的要求不高，功率大小对链路质量影响不明显。

2）频管系统依据其Chirp频率探测本地的干扰监测结果，进行数据分析处理所获得的优选频率准确，是可以采信的。

3）只要频率优选恰当，优质通信链路的建立对功率要求不高，此时，功率的大幅增加对链路信号传输质量的改善并不明显。

（3）船舶站选择岸站（联网）验证

2015年6月进行了为期一个月的验证试验，1号船舶站位于阿拉伯海域，与天津、广州两岸台进行多岸站联网保障，船舶站主动维护链路的试验。由船舶站根据Chirp实时探测数据选择容易接入的岸基台站建立初始链路，建链成功后，船舶站依据频管系统实时探选获得的优选频率，执行“更频”即链路维护操作，将优选频率动态地指配给当前链路的通信双方。

试验中，对初始建链频率的链路质量分值（LQA分值）和更新频率后的链路质量分值进行比较，分析其对通信系统质量的影响情况。

1）“天津-1号船舶站”链路，“船舶站主动维护链路”联络对链路质量的影响

2015年6月，“天津-1号船舶站”链路执行更频联络57次。单个频率LQA分值进行比较，“船舶站主动维护链路”后，更新频率较原初始建链频率上升39次，上升次数占原初始建链频率的比例为68.42%；整个频率组5个频率LQA总分值比较，“船舶站主动维护链路”后，更新频率组较原初始建链频率组上升57次，上升次数占原初始建链频率组的比例为100%。

“天津-1号船舶站”链路，“船舶站主动维护链路”联络对链路质量的影响情况如表2、表3所示。

2）“广州-1号船舶站”链路，“船舶站主动维护链路”联络对链路质量的影响

2015年6月，“广州-1号船舶站”链路执行更频联络80次。单个频率LQA分值比较，“船舶站主动维护链路”后，更新频率较原初始建链频率上升55次，上升次数比例占原初始建链频率的68.75%；整个频率组5个频率LQA总分值比较，“船舶站主动维护链路”后，更新频率组较原初始建链频率组上升80次，上升次数占原初始建链频率组的比例为100%。

“广州-1号船舶站”链路，“船舶站主动维护链路”联络对链路质量的影响情况如表4和表5所示。

3）“天津-1號船舶站”与“广州-1号船舶站”链路，“船舶站主动维护链路”联络效果对比分析

本次试验数据统计显示，当链路LQA收信与发信分值均大于15分时，该短波链路通信质量良好，为优质通信链路。

依据频管系统实时探测优选出的频率，进行链路频率动态更新后，无论是“天津-1号船舶站”还是“广州-1号船舶站”链路，各个时刻的优质频率由1个增加为3个左右，这就极大地提高了该通信链路适应各种复杂环境的能力，保证了通信链路的不间断。

更频后，2条链路LQA分值的增幅呈现以下特性：初始建链时LQA收、发信分值越低，更频后LQA分值提升幅度越大，信道质量改善的效果越明显；初始建链时LQA收、发分值越高，更频后LQA分值提升幅度越小，信道质量改善的效果越差。

更频后，2条链路更新频率平均出分比例相似（天津86.00%-4.3个、广州88.00%-4.4个），更新频率平均高分比例不同（天津58.00%-2.9个、广州70.00%-3.5个）。“天津-1号船舶站”链路岸台收分在20分以下区间的高分频率比例在提升，在20分以上区间的高分频率比例在下降；“广州-1号船舶站”链路岸台收分在40分以下区间的高分频率比例在提升，在40分以上区间的高分频率比例在下降。

3.3 试验结论

在远距离通信中，岸船短波发信设备功率的增加对链路通信质量的影响远比不上优质频率对信道质量的影响。也就是说，相对于电离层传播信道衰减对到达接收点的信号强度影响，发信设备功率的提高对增强信号强度的作用不大，频率好用才是改善链路通信质量的关键。所以，在今后的远距离短波通信保障中，应优先考虑的是如何通过改善频率探测手段来获取更佳的通信频率，而不是片面地增大发信功率[9]。

对试验数据进行统计表明，在目前的岸船短波通信收发信系统及其天馈线系统条件下，距离为6 700km～7 700 km“天津-1号船舶站”短波通信链路，其链路LQA单向分值主要集中在1分-20分区间，21分-50分区间极少。距离为6 100 km～7 100 km的“广州-1号船舶站”短波通信链路，其链路LQA单向分值主要集中在1分-30分区间，31分-50分区间极少。也就是说，在现有的装备条件下，对于6 000 km以上通信距离的短波通信，30分以上的单向LQA分值属于极少出现。所以，此种条件下，短波频率探测的目标就在于每一时刻为相应的通信链路探测出尽可能多的单向LQA分值分布在15分-30分区间的频率，来满足信道快速变化时的短波通信链路不间断的需要。从试验数据的统计结果来看，通过频管系统的实时频率探测和干扰监测的频率动态应用，恰恰能很好地达成此目标，它极大地提升了信道工作频率出现在15分-30分区间的概率，从而保证了98.70%的有效沟通率并且延长了链路不中断的时间。

3.4 待优化的地方

船舶站频管系统每次接收到岸站发射的Chirp探测电离图后，系统结合本地干扰监测数据，按其自身算法标准，对信道质量的优劣进行评分，并按高低分顺序，排列出相对优质的频率。试验中也发现存在这样的现象，频管系统依据其算法标准获得的最高评分频率，其链路实际LQA分值并不是最高；而评分次高的频率，其链路实际LQA分值反而最高。但整体来看，依据频管系统算法标准计算、优选、指配的5个高分频率，其链路实际LQA分值也整体趋向于高分。这说明：频管系统的频率优选算法仍然是可信的，其指配的频率也是可用的，但其算法仍有待进一步修正与完善，以求其计算结果与链路LQA实际结果更加一致。

目前频管系统主要的探测手段是Chirp探测，可以考虑适当改善短波频率探测手段，尝试多种探测方式。同时，由于条件限制，对多岸站联网保障的验证并不多，但多岸站联网保障效果明显，需要进一步研究和探索。为了进一步提升远距离短波保障能力，需要完善短波频率探测、预报网络体系，研究多岸站联网保障等，以进一步提升远距离短波频管系统的探选能力。

4 短波频谱管理技术的发展探讨

为了更好地服务短波通信，频管系统需要不断完善和创新。现如今，计算机技术发展速度迅猛，大数据、云计算在现代生活中发挥着重要的作用，频谱管理技术也可以借鉴其他领域成熟的、先进的技术来突破自身的发展。

4.1 基于服务的频谱管理技术

随着人们对短波通信优势的认识，越来越多的短波系统被投入使用，人们对短波应用的需求也越来越广泛，也越来越具体。但根据自身的应用场景在短波使用的需求上也存在差异，为了满足不同的用頻需求，频谱管理技术需要向基于服务的方面发展，把频谱管理细化成不同的细小的服务，这些细小的服务可以根据用户的需求任意组合，形成新的服务。在计算机技术、大数据技术、云计算技术不断发展的时代，基于服务的频谱管理技术有了坚实的技术基础。

4.2 基于双向探测的频谱管理技术

目前频管系统主要是单向探测选频，虽然理论上电波传播具有可逆性，但由于通信系统及天馈系统的差异性，加之不同的反射介质对电磁波具有不同的吸收性。同时，随着短波通信组织手段地不断发展，收发异频也是一种很好的保障方式。所以，有必要试验和验证双向探测在短波保障中的效果和能力。

4.3 动态频谱管理技术[10]

随着各国对短波通信作用的重视，短波的使用越来越频繁，但短波本身频段比较窄，资源有限，很容易造成相互干扰，同时，固定分配的频谱资源也有没完全得到使用。为了解决短波资源紧张的问题，可以考虑在频谱管理中使用动态的频谱管理及频率分配策略。

4.4 通信设备统一建模技术

频谱管理的宗旨是更好地服务于通信，通信离不开通信系统及设备，不同的系统、不同的应用其通信设备也有不同的特点。为了提供更好的服务，选择更加合适的频率，频管系统在做好自身频率探测、选择的基础上，也需要对通信设备有比较细致的了解并掌握其用频特点，这需要在频管系统中建立通信设备的模型，并在频率选择时给予充分的考虑。

5 结束语

频管系统在短波远洋通信中的作用是毋庸置疑的，其自身的Chirp探测、干扰监测及频率管理技术符合短波通信的特点，尤其是在远距离短波通信中效果更加明显。由于频管系统还未被广泛地使用，其自身还有很大的改善和提高空间，结合快速发展的信息化技术，频管系统将会在远距离通信保障中发挥更加重要的作用。

参考文献：

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[7] MIL-STD-188-141A. Appendix C Second Generation HF Link Automation[S]. 1988.

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[10] M Darnell. Future HF System Architecture[D]. UK： University of York.