短波通信技术发展及分析

陈安全 何山 石海洋

摘要：短波通信目前依然是不可替代的有效通信方式，其在灾区应急、航海远程通信、军事通信等领域有着广泛的应用。本文简要概述了短波通信的发展历程，并给出了存在的问题和未来发展方向的预测。

关键词：短波通信；电离层；超视距通信；高速率通信；宽带通信

引言

短波通信又称为高频通信，覆盖3-30 MHz的频率范围，是一种重要的无线通信模式，可通过电离层反射的天波提供超视距的传播，甚至数千公里的全球通信。短波通信是一种有效的远程无线通信模式，其可避免卫星通信相对较高的成本和战时易摧毁的问题。短波通信已广泛应用于军事行动、灾区救灾、超视距的船舶通信、及缺乏其他有效通信手段的偏远地区。短波无线电的独特之处在于可以使用简单廉价的设备在国内外提供远距离通信。适用于通信基础设施不存在或因自然灾害、军事冲突而无法进入的偏远地区，在不需要中继设施的情况下实现远距离链接的实用手段。随着卫星通信的出现，提供了更高的数据速率，短波在远程通信中的使用减少了。然而并非所有情况都能使用卫星通信，随着短波通信更高的数据速率变得可用，其使用率也在增加，从而使传输信息具有较低的成本。随着短波通信的技术发展，随之而来的是更高的要求，需要更高的数据速率、更低的链路建立延迟和智能抗干扰的能力等[ 1 - 5 ]。

本文主要围绕短波信道的特殊性；短波通信技术发展；短波通信技术存在的问题及研究方向介绍短波通信的发展历程及未来趋势。

1 短波信道的特殊性

无线电频率的短波频段，其独特的特性是它被电离层反射。低于这一频段的无线电信号往往不会被充分反射回地球，而高于这一频段的信号往往更容易被大气吸收，对有效的远程通信来说，信号衰减太大，该频段允许在不需要建设基础设施的情况下进行远程无线电通信[ 6 ]。电离层是地球大气的一个电离区域，受太阳高能辐射以及宇宙线的激励而电离的大氣高层。在这个区域，大气受到太阳辐射的强烈电离，在电离过程中射出的电子可以自由存在相当长的时间，然后再被离子吸收。这些高电子密度区域具有将入射无线电信号反射回地球的效果，其允许在与短波相关的频带内进行远距离超视距无线电通信。电离层是不均匀的，并且一直在运动。其性质也是不断变化的，每日和季节变化以及太阳活动的变化导致电离层的电子密度及其高度发生显著变化，再加上它的多层结构，会导致许多不同形式的失真，包括多普勒频移和扩展、多径和衰落。

同时短波信道中传输也会受到噪声的干扰。高频信道中的噪声来自多种来源，可大致分为高斯噪声源、窄带干扰源和脉冲源。高斯噪声源既包括人为噪声源，也包括自然噪声源，例如来自电子硬件内部产生的热噪声，这些热噪声是其温度和人为噪声的函数。窄带干扰通常是在类似频率下尝试其他无线电传输的结果，观测到的窄带噪声的大小取决于地理位置和一天中的时间，因为许多用户试图同时使用高频信道。在接收信号中观察到的瑞利衰落和多径失真会降低许多无线电接收机的性能，因为相位失真会导致符号被错误解码，而幅度衰减会导致信噪比急剧下降。为了补偿这些影响，无线电接收机使用信道均衡，该技术旨在使用信号和信道特性的先验知识来校正接收信号的相位和振幅，这可能是在发射机处对信号使用的编码方案中固有的，或者通过与传输的未知数据一起发送的已知训练数据[ 7 ]。为了帮助校正深度振幅衰减，这会导致信噪比下降到很低的水平，从而使衰减期间传输的有效的任何数据不可恢复，克服这个问题可以使用编码器和交织器的组合。交织器的作用是在更长的传输长度上均匀地传播由深度衰落产生的突发错误，这样有更大的机会还原原始数据。

实现短波无线电通信潜力的关键在于理解和利用短波信道的基本物理特性。短波无线电信号主要有三种传播模式：视距传播、地波传播和天波传播。在地波传播中，短波信号由于吸收和反射，在接收端产生衰减、延迟的传输信号。为了实现超视距甚至数千公里的全球通信，短波天波传播被认为是通过电离层反射实现的一种很有前景的模式。短波发射机向天空发射信号，信号与电离层相互作用，并返回到远远超出视距的地球。短波天波信道是复杂的无线信道之一，短波天波信道几乎在任何时间尺度上都是非平稳的。任何通过这种路径发送数据的尝试都必须在短波发送和接收系统的适当位置仔细处理该信道的时变和色散特性。

2 短波通信的发展历程

无线通信可以追溯到麦克斯韦1873年发表的关于电和磁的论文。它创立了现代电磁传播理论；然而直到1888年，赫兹才有效地探测到无线电波，并通过实验证明了麦克斯韦理论。前人的研究启发了马可尼，其开始试验无线电报。直到1901年，一个三千公里长的跨大西洋电报信号被检测出来，打破了任何无线通信都需要视距才能传播的理论[8]。20世纪初，随着无线电数量的迅速增长，为避免相互干扰对窄带短波无线电的需求吸引了大量的研究，那时短波频段的频谱通常分配在3-kHz信道中。几十年来，短波天波通信一直被用作提供远程通信服务的主要方法，其中一个关键问题是找到一个可用频率，以支持所需的话音服务，因为可用频率随时间、季节、空间、天气而变化。在早期的短波通信系统中，可用频率由熟练的无线电操作员手动选择，其并不能提供全时长期的可靠性。

在20世纪60年代，卫星作为超视距通信的替代品被引入，这种通信更加可靠，能够在更宽带宽的微波波段上提供更高的数据速率。当时卫星通信逐渐主导了超视距通信，并取代了短波无线电通信的大部分服务。然而在卫星领域，卫星通信也存在一些弱项，卫星地面站在灾难降临时易损坏性、紧急情况下室内接收困难还需要具备视野无遮挡，并且投资和维护成本高等等[9]。在20世纪80年代，能够攻击和摧毁卫星武器的出现使短波无线电通信的独特优势更加凸显出来，优势主要有作为信道的电离层不可破坏，设备小巧部署灵活，成本相对较低，以及无中继的远程点对点通信等。电离层高度多变的特性使得在给定路径上依靠单一指定频率进行可靠通信变得不可能，链路建立基本上包含在一组不同的频率上测试通信，然后选择链路质量最高的频率[10]。在短波无线电通信操作自动化方面引入微处理器之后，并随着数字信号处理技术的发展，从模拟通信过渡到了数字通信，通信技术的提高使得短波通信质量有所提高。微处理器不仅能提供强大的计算能力，还能控制寻找可用的短波频率，也就是自动链路建立，自动链路建立的基本流程包括选择性呼叫、链路质量分析以及信道选择、扫描和确认，从链路质量分析表中自动选择最佳信道，每个站点都有链路质量分析表，该表根据误码率和信噪比存储指定的信道参数，在连接到得分最高的信道之前，站点会执行监测，该技术的运用使得短波无线电通信更加便捷[ 1 1 ]。

进入21世纪后，对短波技术提出了更高的要求，建立链路时需要更低的信噪比，承载更多的通信量，这就促使短波研究人员重新设计自动链路建立技术，经过改进可以实现高性能数据传输，通过有效联网支持更大的网络，并提供综合服务，支持语音和数据通信。在过去十年中，人工智能和机器学习的发展正在改变通信系统的传统设计，见证了认知无线电技术的巨大研究成果，其关键思想是使一台具有类似人类大脑的无线电能够观察、计划、决定和行动。另外对更高的数据吞吐量和图像及视频的需求促使研究人员考虑使用比3kHz更宽带宽的短波频谱，新标准可以支持宽达24 kHz的短波信道。

3 短波通信存在问题及下步研究方向

3.1 存在问题

一是期望短波进行多媒体传输的需求越来越大。短波通信一直被认为是一种远距离通信方式，可以提供信道带宽不超过3kHz的语音和低速数据传输。与此同时来自微波频段的竞争对手卫星通信可以提供具有相对较高数据速率的超视距无线传输。目前与卫星通信相比，短波通信仍有其独特的价值，因为其成本相对较低，部署具有灵活性，以及拥有无中继的远程通信。然而，在大多数情况下，其仅被视为远程语音和低速数据传输的保底手段，而不是图像视频等多媒体传输的首选。通过短波链路传输监控视频或大的数据资料变得比较迫切。这样当卫星通信出现故障时，确保短波无线通信能及时补缺。

二是大量终端的远程链接需求越来越多。一直以来点对点或点对多点远程通信一直是短波系统的主导模式，然而随着短波通信在世界范围内的军事和民用领域得到越来越多的应用，越来越多的短波无线电装备在船舶、飞机、车辆等各种设备上。同时短波连接的数量将急剧增加，即大规模远程访问。大规模指的是大量的同时链接，远程指的是短波收发器之间的距离非常远。在大量的远程访问中，访问延迟和干扰控制显得尤为重要。对于大多数现有的接入方式，短波无线电的平均接入延迟随着短波同时连接数的增加而增加。并且短波频段的有限频谱与越来越多的短波同时连接之间的矛盾变得越来越严重，因此需要在时间、频率或空间域进行频谱复用，而如何有效地避免相互干扰是频谱复用的关键。

三是各方面的电磁干扰越来越强。对于短波通信来说，最重要且被广泛关注的问题是如何在短波收发器之间建立可靠的链接。自然环境中复杂且不可预测的因素会导致短波频段的信道条件显著波动。特别是电离层反射率的不断变化会导致不同的可用频率。由于来自不同系统的用户不协调地使用短波频段，无意干扰正在恶化短波电磁环境。几十年前，具有数十瓦发射功率的短波发射机可以成功实现长达数千公里的远程无线通信，然而如今具有更高发射功率和更先进技术的短波发射机无法实现相同距离的可靠通信。在现代电磁频谱战争中，出于恶意目的或军事行动而实施的故意干扰应该受到重视。故意干扰信号的强度通常非常高，用于中断正常的短波链接。

3.2 研究方向

一是将短波通信技术融入数据链通信技术。现在战争已不再是单一军种和单一装备之间的作战，战争维度向陆海空等领域多维一体作战，为了实现战争信息实时共享，需要信息战中各型武器装备能够做到互联互通与信息共享[ 1 2 ]。随着数据链技术的应用，短波通信将同其他频段一起融入到数据链技术中，通过发挥各自不同的通信特点来实现实时的通信指挥，这样短波通信就能根据自身特点融入到网络通信。

二是能够实现网络化的通信。由于点对点通信是远程乃至全球短波通信的主要使用模式，但短波电台组网的研究相对较少。多个空间分散的短波接收机的分布式网络，可以通过利用分集组合提高通信可靠性。短波通信、卫星通信、军事网络和民用蜂窝通信可组成通信网络，以实现海陆空一体化的空间通信网络。

三是结合人工智能技术提高短波通信能力。短波无线电研究和发展趋势的一个关键特征是提高其对不断变化的环境的自适应能力。人工智能的崛起，尤其是机器学习和深度学习，提供了一个强大的工具箱，可以将其运用到短波通信，并使未来的短波无线电更加智能化。與此同时还可以利用各种机器学习方法来实现智能抗干扰。随着人工智能融入下一代通信系统设计的趋势，干扰和抗干扰都将变得智能化，干扰行为变得动态和智能化，这就需要及时估计干扰模式和参数。同时采用先进的软件无线电技术，可以通过通用软件无线电平台（USRP等）以编程方式实现多样的功能。

四是研究短波宽带通信用以实现高速率的多媒体传输。宽带短波将继续是未来提高数据速率的主要方向，用以支持图像视频传输等多种服务。在短波频段大多数信道仅分配3kHz。可以利用当前分配的带宽设计新的波形。也可以使用多个连续或非连续通道的多通道方法。还可以通过使用更宽的连续带宽波形来提高数据速率。连续带宽的宽度可以是预先确定的，也可以是自适应的，其取决于实际的短波频谱使用模式和方案实现的复杂性。

4 结语

本文给出了短波通信应用背景及现实需要。首先简要介绍短波通信的独有特性及不可替代性的体现。然后对短波信道和短波通信系统的发展历程进行了简要的回顾和分析。最后，总结了短波通信技术存在的一些问题：期望短波进行多媒体传输的需求越来越大；大量终端的远程链接需求越来越多；各方面的电磁干扰越来越强。并给出了研究发展方向：将短波通信技术融入数据链通信技术；实现网络化的通信；结合人工智能技术提高短波通信能力；研究短波宽带通信用以实现高速率的多媒体传输。

参考文献

[1]左浩.信息化条件下短波通信抗干扰技术与应用[J].科学与信息化，2021（29）：114-117.

[2]罗珊珊.短波通信及其干扰查找[J].通信电源技术，2021，38（15）：168-170.

[3]田甜.短波通信的高速数据链路协议性能研究[J].通信电源技术，2021，38（5）：158-160.

[4]王金龙，陈瑾，徐煜华.短波通信技术研究进展与发展需求[J].陆军工程大学学报，2022，1（1）：1-7.

[5]刘丰瑞.短波通信频谱管理系统应用及发展分析[J].通讯世界，2021，28（9）：33-35.

[6]Wilson J M. A low power HF communication system[D]. University of Manchester， 2012.

[7]B.Sklar， Digital Communications Fundamentals and Applications. Prentice Hall， 2nd ed， 2001.

[8]Hervás M， Bergadà P， AlsinaPagès R M. Ionospheric narrowband and wideband HF soundings for communications purposes： A review[J]. Sensors， 2020， 20（9）： 2486.

[9]Uysal M， Heidarpour M R. Cooperative communication techniques for future-generation HF radios[J]. IEEE Communications Magazine， 2012， 50（10）： 56-63.

[10]Raab F H， Caverly R， Campbell R， et al. HF， VHF， and UHF systems and technology[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 2002， 50（3）： 888-899.

[11]Shahid A， Ahmad S， Akram A， et al. Cognitive ale for hf radios[C] 2010 Second International Conference on Computer Engineering and Applications. IEEE， 2010， 2： 28-33.

[12]余福榮，张艳，蒋雪，邱金娜.武器协同数据链发展趋势及关键技术[J].火力与指挥控制，2021，46（03）：179-185.

（作者简介：陈安全，助教，硕士研究生，主要研究方向为短波通信；何山，助教，本科学士， 主要研究方向为无线通信）（工作单位：海军士官学校）