一种区域短波通信频率集计算方法研究

郑玮琦，谭志强

一种区域短波通信频率集计算方法研究

郑玮琦，谭志强

（1.中国电子科技集团公司第七研究所，广东 广州 510310；2.中国洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳 471000）

在短波天波通信中，合理的频率选择策略是保障通信成功的因素之一。为了在面向某一固定区域，多用户同时通信的场景时，为用户选取合理的频率集，提出了一种频率集的计算方法：该算法通过栅格化的方法对区域进行划分，通过短波传播预测模型软件对各区域间通信的最高可用频率进行计算，再基于计算结果进行统计分析，最终通过采样的方式生成频率集。通过仿真验证了该频率计算方法的有效性。

短波天波通信 频率集 栅格化

1 引言

近年来，随着科学技术的不断发展，无线通信领域中的各种通信技术都获得了长足的发展，如卫星通信、潜艇通信、高频通信、甚高频通信、超高频通信、3G和4G移动通信、WLAN（Wireless Local Area Networks，无线局域网）通信技术等。短波通信（即高频通信）作为无线通信领域中古老而又传统的技术之一，由于其制约条件少，环境适应性强，运营成本低的特点，不仅没有被淘汰，反而受到了世界许多通信大国的重视。

频率是短波通信过程不可缺少的组成部分，因此如何选取合适的频率一直是短波通信领域的重点研究方向之一。本文首先介绍了短波通信的原理，短波选频的一些基本原则，然后基于在某一固定区域内，多用户同时通信的场景，提出了一种频率集的计算方法，最后通过仿真的方式对算法进行了验证。

2 短波通信的原理

按照传播路径划分，短波通信可以分为天波通信和地波通信。

（1）在地波通信中，通信双方位置确定后，如天线角度、工作参数、发射功率、通信波形等参量都已固化，唯一能变化的因素就是频率。鉴于大地对频率的吸收特性（即频率越高，吸收越大），短波电台的地波通信通常使用较低的频率（如2MHz—6MHz）。根据理论得知，地波的传播距离与接收的信号场强值成反比，地波通信距离越远，传输信号的衰落越高，收到的信号强度越低。一般来说，选择合适的频率，短波电台地波通信覆盖范围可达数十公里。

（2）在天波通信中，通信链路的建立主要依赖于高空电离层对电波的反射。电离层影响短波通信的要素主要包含两个部分：电离层的电波反射能力、电离层的电波吸收能力。

1）电离层的电波反射能力

电离层是一种具备一定介电常数的媒质，短波电波进入电离层后，会发生折射。一般来说，电子密度和电波频率都会对电波的折射率造成影响，其中电子密度与折射率成正比，密度越高，折射率越大；电波频率与折射率成反比，频率越高，折射率越小。电波在通过电离层时，会逐渐地随着穿透的高度不断产生折射，当在某个点使其折射角达到90度时，电波会从该点逐渐向地面方向进行折射，形成电离层的“反射”现象。反之，在找到这个点之前就穿透了整个电离层，则该电波就无法形成“反射”现象，称之为电离层的穿透。在一般的通信过程中，当频率固定时，电波射线抵达电离层的入射角越大，越容易从电离层反射；当电波入射角越小，电波反射之前要求穿透的电离层厚度则越大；当无法满足“反射”条件时，电波将不再反射，即无法建立通信。同样的，当电波进入电离层的入射角度不变时，通信频率值越高，电离层折射率越小；当频率值高到不能满足“反射”条件时，通信链路双方将无法通过电波反射建立通信。

2）电离层的电波吸收能力

电离层中的电子密度和电波频率是影响电离层对电波吸收的主要因素。其中，电子密度值越高，电波频率值越低，则电离层的吸收越大；反之电子密度值越低，电波频率值越高，则电离层的吸收越小。当电离层吸收过多时，接收方收到的信号强度将变得很低，无法满足短波接收机的信噪比要求，最终造成通信双方无法建立链路。

综上所述，无论是天波通信还是地波通信，频率都是影响其通信效果的原因之一，因此合理的频率选取机制是短波通信的重要技术之一。

3 短波选频原则

短波通信中，通信频率的选取是影响通信质量的关键性因素。通常短波选频应该考虑以下几点准则：

（1）所选频率不得大于MUF（Maximum Usable Frequency，最高可用频率）。最高可用频率是指在通信链路双方位置确定后，该链路短波通信时，电离层可反射的最高频率。实际通信中，通信频率不可超过最高可用频率，否则电波将穿透电离层，无法形成反射。最高可用频率会随着时间、通信距离、电离层高度、电离层电子密度等参量的变化而产生变化，因此最高可用频率是一个变化的值。为保证通信链路的稳定性，实际的工作频率应比最高可用频率低，以确保工作频率一直小于最高可用频率。根据经验积累，一般最佳工作频率取在最高可用频率的85%左右较为合理。

（2）所选频率不得低于LUF（Lowest Usable Frequency，最低可用频率）。电离层对电波的吸收能力随着频率的变化而改变，一般情况下，频率值越低，电离层对该信号的吸收能力越强。当频率低至一定程度时，使得接收端刚刚能满足信噪比要求时，该频率称之为最低可用频率。根据经验积累，最低可用频率一般都小于最高可用频率的65%。

（3）适时调整工作频率。从理论上来讲，短波通信频率存在窗口效应，即链路的工作频率一直存在一个上限和下限，通信频率必须落入该频率区间才能保障通信的可行性。但在实践中发现，这一频率窗口会随着时间的变化而改变，特别是白天和晚上的频率窗口会产生较大的变化。因此，在实际短波通信中，一般将一天分为昼夜两个时间段，其中白天使用一个频率集（一般称为日频），一般来说日频的频率较高；晚上使用另一个频率集（一般称为夜频），频率集切换的时间通常是在日夜切换的时间，即黎明和黄昏时刻。

4 频率集计算方法研究

4.1 算法应用场景

本论文中算法的应用场景为在某一特定的区域内，存在多个短波用户，要求计算一组固定的频率集，用以保障这些用户在一段时间内尽可能地实现两两之间的通信。应用场景图如图1所示：

图1 应用场景图

4.2 算法设计思路

由于短波通信频率具有窗口性的特点，通信收发方之间的通信频率的可通段存在一定的连续性，为保证区域内用户两两之间可通，通信双方至少能在频率集中找到一个频率，该频率落在通信双方链路的最高可用频率和最低可用频率中。因此区域频率集选取算法的主要设计思路如下：

（1）将用户活动区域栅格化，划分成若干个固定大小的方格，并计算每个小区域间的频率可通段（即最小可用频率、最大可用频率）。

（2）将短波全频段（2MHz—30MHz）划分为若干段，统计各小区域间的可通段落入的频率段次数，并以落入频段次数为比例，从频段中选取相应个数的频率组成频率集。

4.3 算法实现

（1）区域划分方法

以矩形区域为例子，地图上某一中心点向外围扩散，将该区域以相同的方法划分为若干个大小相同的小格子。具体实现如下：

%以输入经纬度为中心，向周边扩展distance长度的矩形区间，并以step为网格间隔进行划分

%longi区域中心位置经度

%lati区域中心位置纬度

%distance区域大小

%step网格划分经度

%返回值：二维数组，划分后的每个小格子中心经纬度

functionArea=CalPosition(longi, lati, distance, step)

函数实现流程：

1）计算区域中心位置。

2）在中心点位置，按distance步进向四周扩散，形成若干小格子，直到超过范围。

3）将各小区域中心点位置以数组方式返回。

（2）链路可通段计算方法

通过ICEPAC软件计算各小格子中心两点间的muf。

注：最佳可用频率在最大可用频率和最小可用频率之间。一般在工程应用中，通常取最大可用频率和最小可用频率区间的0.85位置左右的频率。

%批量计算两点之间的muf

%Area 划分后的每个小格子中心经纬度

%sun 太阳黑子数

%year 年份

%month 月份

%day 日期

%hour 小时

%minute 分钟

%返回值muf

functionmuf=CalMuf(Area, sun, year, month, day, hour, minute)

函数实现流程：

1）根据A r e a中的任意两点，生成配置文件(*.ice)，格式如图2所示：

图2 ITS参数文件图

2）生成脚本，自动调用ITS软件计算muf相关参量，脚本具体如图3所示：

图3 运行脚本图

3）在icepac计算结果中（如图4所示），读取muf数据，保存在数组中。

（3）频率集生成方法

将短波全频段平均地分为若干段，按照muf落入各段的比例选取相应的频率组成频率集。

%选频函数

%startFreq候选频率集开始频率

%endFreq候选频率集结束频率

%step频率集划分间隔

%muf最佳可用频率计算结果（数组）

%freqNum频率集频率数量

%返回值freqSet频率集

functionfreqSet=fPlanbyNum(startFreq, endFreq, step, muf, freqNum)

函数实现流程：

1）根据频率集划分间隔将候选频率集划分成若干份。

2）统计muf计算结果落入各候选频率集的次数，例如候选频率集为2MHz—3MHz，muf为2.5MHz时，2MHz—3MHz频率候选集的权重加1。

3）以外部输入的频率数量（freqNum）为目标，按照各候选频率集的权重比，依次在各候选频率中选取频率组成频率集。

5 算法验证方法

5.1 验证方法思路设计

为验证该算法计算的频率集的有效性，拟采取仿真的方式，模拟区域内多个用户同时发起通信，观察这些用户是否能从已计算出来的频率集中找到合适的频率完成通信。具体分为以下几个步骤：

（1）模拟实际情况，在区域内随机生成若干用户N。

（2）模拟网内M（M＜N）个用户同时发起通信。

（3）计算M个用户是否能在频率集中找到可通频率。

（4）计算随着M（同时通信的用户数量）逐渐变大，用户能在频率集中找到合适频率的概率变化情况。

5.2 验证方法实现

在验证方法实现过程中，主要有三个步骤：

（1）随机生成用户。

（2）模拟同时工作的用户的场景。

图4 muf读取文件

（3）统计同时工作的用户数量增加时，频率的有效性（即落入可通段）变化情况。

5.3 随机生成用户方法

在区域内随机生成N个用户（N取值范围为[1, freqNum/2]）。

%测试频率集的保障能力

%freqPlan频率集

%longi区域中心点纬度

%lati区域中心点经度

%distance区域范围

%返回值：随机生成的用户位置信息

functionPosition=TestAlgo(freqPlan, longi, lati, distance)

函数实现流程：

（1）计算区域边界。

（2）在区域边界内随机生成N/2个用户（N为频率集中频率个数）。

5.4 模拟多用户同时工作的场景

以随机方式对M个用户进行两两配对，模拟这M个用户同时开始工作，并计算配对后链路的最佳可用频率muf。

%模拟M个用户同时工作的场景，并计算用户之间通信的muf

%Position存放用户位置信息

%userName同时在通信的用户数量

%返回值：同时在工作的用户间的链路最佳可用频率数组

functionmufs=getUserMuf(Position, userNum)

函数实现流程：

（1）随机将用户进行两两配对。

（2）计算配对后的一组用户的链路最佳可用频率muf。

5.5 判断频率的有效性

%判断N个用户同时工作时，网络的可通率

%mufs配对后的用户的链路最佳可用频率

%freqSet频率集

%返回值：网络可通率

functionPercent=isAccessable(mufs, freqSet)

函数实现流程：

（1）遍历mufs，在频率集中寻找是否存在有效的频率（频率落在链路muf的[0.65×muf, muf]段内，则认为该频率可通），找到有效频率后将该频率标记为已使用。

（2）网络的有效概率计算：能找到有效频率的链路数/总链路数。

6 数据与结论

6.1 频率集计算数据

（1）输入条件

1）区域位置：以（113°, 23°）为中心位置，方圆1200km的一个矩形区域；

2）太阳黑子数：50；

3）小区域划分粒度：1°；

4）频率集频率数量：50；

5）频率集使用时间：2013年3月；

6）频率集类型：日频（9点～17点）。

（2）计算结果如表1所示。

6.2 验证数据

（1）输入条件

1）用户数量50；

2）同时工作用户数：2～50；

3）重复计算次数：10次。

在验证数据时，重复随机生成50个用户，分别模拟其2～50个用户同时工作的场景，并统计不同场景下用户的可通率，最后对10次计算的结果进行平均。

表1 频率集生成结果

（2）验证结果

当39个以下（含39）用户同时工作时，网络频率的有效率是100%；45个用户同时工作时，有效率下降至93%；当50个用户同时工作时，有效率下降至85%。如图5所示：

图5 频率有效率仿真结果

7 结束语

本文从短波通信的必要性、短波通信的原理、短波选频原则几个方面分别介绍了短波通信频率相关领域的一些知识，提出了一种基于同一区域短波通信频率集的计算方法，最后通过仿真的方法对该算法进行了验证。

频率是短波通信中最重要的因素，频率是否处于可通段内决定了短波通信能否成功。但在实际应用中，影响短波通信效果的因素还有很多，如收发信机的性能、天线的角度、频率稳定性、背景噪声等。

本文提及的区域频率集的计算方法，希望能起到抛砖引玉的作用。在后续的研究中，还要进一步考虑以下几点因素，用以提升本算法的精准性：

（1）修正电波传播模型，使其与正式情况更加逼近。

（2）引入区域背景噪声统计数据，使频率集选取过程避开干扰较强的频点。

（3）加入学习机制，具备能从历史经验数据中寻找优秀频率的功能。

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郑玮琦：工程师，学士毕业于北京师范大学，现任职于中国电子科技集团公司第七研究所，从事通信软件设计与开发工作。

谭志强：工程师，学士毕业于武汉理工大学，现任职于中国洛阳电子装备试验中心，从事通信导航、通信对抗等领域的研发工作。

Research on Calculation Method of Frequency Set for Regional HF Communications

ZHENG Weiqi，TAN Zhiqiang
(1.T h e 7t h Re s e a r c h I n s t i t u t e o f C h i n a E l e c t r o n i c T e c h n o l o g y G r o u p C o r p o r a t i o n, G u a n g z h o u 510310, C h i n a; 2. C h i n a L u o y a n g E l e c t r o n i c E q u i p m e n t E x a m i n a t i o n C e n t e r, L u o y a n g 471000, C h i n a)

In HF communications, the reasonable frequency selection strategy is one of the key factors to ensure the success of communications. In order to select the reasonable frequency set in the scenario where multiple users communicate simultaneously in a fixed area, a calculation method of the frequency set was proposed in this paper. Firstly, the area is divided by gridding and the highest available communication frequency in different sub-areas is calculated using HF propagation prediction model software. Then, the statistics is conducted based on the calculated results. Further, the frequency set is generated in a sampling way. Finally, the effectiveness of the proposed method is verified by simulations.

HF sky wave communication frequency set grid

10.3969/j.i s s n.1006-1010.2017.12.014

T N929.5

A

1006-1010(2017)12-0069-06

郑玮琦,谭志强. 一种区域短波通信频率集计算方法研究[J]. 移动通信, 2017,41(12): 69-74.

2017-04-25

责任编辑：刘妙 l i u m i a o@m b c o m.c n