楊青彬 ,余毅敏,郭馬坤,余 奇,張 濤

(國防信息學院,武漢430010)

1 引 言

在應急處置和應急指揮過程中,如何在第一時間快速準確地獲取第一事發(fā)地點、第一事發(fā)事件成為黨和政府指揮決策的關鍵,這就對應急通信提出了很高的要求。應急通信系統(tǒng)作為突發(fā)事件應急指揮平臺的重要組成部分,在搶險救援、應急指揮過程中發(fā)揮了重要作用。同時,應急通信作為處理各類突發(fā)公共事件所必備的通信手段,是整個國家應急保障體系的重要組成部分[1],而短波通信具有天然的應急應用特性,是重大突發(fā)事件發(fā)生后“黃金救援72小時”內(nèi)的重要應急通信手段,是國家應急通信網(wǎng)系的重要組成部分。

隨著數(shù)字信號處理、自適應、跳頻、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃录夹g(shù)的廣泛應用,以及寬帶天線技術(shù)的持續(xù)發(fā)展,短波的通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率得以不斷提高,其應用范圍逐步拓展,對此,文獻[1-3]中均有短波通信在重大突發(fā)事件中的應用描述。當前,國內(nèi)短波通信在軍隊、人防、武警、氣象和防汛等行業(yè)部門均有使用,但不同行業(yè)部門短波通信系統(tǒng)的技術(shù)體制不一,有傳統(tǒng)點對點組網(wǎng)通信、還有同步體制和異步體制等,造成不同短波通信系統(tǒng)之間難以互聯(lián)互通,給應急指揮和應急救援的實施帶來了極大不便。對此,國內(nèi)外近年來加強對網(wǎng)絡化短波通信的研究,以實現(xiàn)網(wǎng)系互通和業(yè)務互通等。但網(wǎng)絡化短波通信對頻率選擇的適用性和時效性提出了更高的要求。傳統(tǒng)的人工經(jīng)驗式選頻,或者單一的基于預測的選頻和單獨的探測選頻,均不能滿足網(wǎng)絡化短波通信對頻率的使用需求,頻率選擇問題成為制約短波通信質(zhì)量提升的短板和瓶頸問題,因此,科學合理的頻率管理和使用對網(wǎng)絡化短波通信具有十分重要的意義[4]?；诖朔N考慮,本文主要探討如何基于大區(qū)域網(wǎng)絡化應急短波通信,融合利用中長期預測數(shù)據(jù)和各種探測數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法實現(xiàn)對短波頻率資源的優(yōu)化、分發(fā)和動態(tài)調(diào)整等管理功能[5]。

2 短波在應急通信中的應用分析

一是能滿足應急通信的遠距離保障需求。短波通信既可以利用地波傳播,也利用天波傳播。地波傳播的衰耗隨工作頻率的升高而遞增,在同樣的地面條件下,頻率越高,衰耗越大。因此,地波主要用于近距離通信,其工作頻率一般在5MHz以下。但地波傳播受天氣影響小,比較穩(wěn)定,信道參數(shù)基本不隨時間變化,在應對重大自然災害時,可以作為一種有效、穩(wěn)定的通信手段。天波是電波經(jīng)由地球表面60～1000 km電離層反射進行傳播的一種工作模式。天波的傳播損耗比地波小得多,經(jīng)電離層一次反射最遠通信距離可達幾千公里,經(jīng)電離層多次反射可以實現(xiàn)環(huán)球通信。在一些地形復雜、短波地波或視距超短波、微波傳播受阻擋而無法到達的地區(qū),短波天波利用近垂直反射傳播技術(shù)可達成有效的應急通信保障,因此,短波通信具有不需要建立中繼而實現(xiàn)應急通信遠程全域覆蓋的保障需求[6]。

二是能滿足不同部門的應急通信需求。短波通信元器件要求低、技術(shù)成熟、制造簡單、設備體積小、價格便宜、容易隱蔽,可以根據(jù)使用要求固定參數(shù)設置,進行定點固定通信;也可以背負或裝入車輛、艦船、飛行器進行移動通信或運動通信;便于改變工作頻率以躲避干擾和竊聽,破壞后容易恢復。因此,在軍隊、武警、公安、人防、氣象、防汛、交通等部門得到了廣泛的應用。

三是能滿足應急通信快速布設應用的需求。短波通信電路調(diào)度容易、臨時組網(wǎng)方便、迅速,設備目標小、機動性強;既可實現(xiàn)用戶間遠端無線電直接通信,也可通過接入其他無線或有線通信網(wǎng)通信或轉(zhuǎn)信,具有很大的使用靈活性;由于其造價相對較低,可以大量裝備,遭到損壞也容易修理,因而系統(tǒng)頑存性強。同時,短波通信建設和維護費用低,建設周期短,且其不需要支付話費,運行成本低。特別是短波頻率自適應技術(shù)能保證系統(tǒng)總是工作在最佳信道上,極大地提高了短波通信的可靠性和有效性,因此短波通信能滿足應急通信的多種應用需求。

四是對自然災害或戰(zhàn)爭的抗毀能力強。美國國防部核武局曾在一份報告中指出,“一個國家,在遭受原子彈襲擊后,恢復通信聯(lián)絡最有希望的解決辦法是采用價格不高、能夠自動尋找信道的高頻通信系統(tǒng)”[7]。所以,我們有理由相信,由于短波通信不需要依托其他地面設施即可實現(xiàn)遠程通信和組網(wǎng)通信,無論哪種通信方式,當因戰(zhàn)爭或非戰(zhàn)爭因素造成可資利用的地面通信資源和手段被毀或處于癱瘓狀態(tài)時,其抗毀能力和自主通信能力都無法與短波通信相比。因此,短波通信是實現(xiàn)應急組織指揮通信的重要選擇。

3 網(wǎng)絡化應急短波通信的頻率管理需求

大區(qū)域網(wǎng)絡化應急短波通信高質(zhì)量通信的最重要前提是實時、完備、準確、可靠地挑選出無干擾的最佳工作頻率并及時分發(fā)給網(wǎng)內(nèi)不同的區(qū)域中心站,而短波信道是典型的時變信道,隨著電離層的變化而變化,因此,選擇最佳工作頻率是保證通信質(zhì)量的關鍵因素。對于網(wǎng)絡化短波通信網(wǎng)來說,其非地域的多重覆蓋和資源的網(wǎng)絡化歸屬等屬性對頻率管理提出了更高的要求,因為離開了有效的頻率管理就談不上網(wǎng)絡的組織和運用。

(1)非地域化的多重覆蓋要求對頻率資源進行統(tǒng)管統(tǒng)控。大區(qū)域網(wǎng)絡化應急短通信網(wǎng)利用一定數(shù)量的區(qū)域中心站,為各機動用戶提供網(wǎng)絡化的報文交換服務,不同于微波頻段工作的蜂窩基站系統(tǒng),大區(qū)域網(wǎng)絡化應急短波通信網(wǎng)中各區(qū)域中心站的信號呈廣域覆蓋特性,即單個區(qū)域中心站的信號即可覆蓋到大面積的地域。因此,對于確定的保障區(qū)域,通常是由多個區(qū)域中心站來重疊保障,且區(qū)域中心站與保障區(qū)域通常不屬于同一地域或者說同一管轄范圍,這就要求對頻率資源進行統(tǒng)管統(tǒng)控,統(tǒng)一協(xié)調(diào)和使用。

(2)頻率資源的網(wǎng)絡化歸屬要求對頻率資源進行動態(tài)調(diào)整。大區(qū)域網(wǎng)絡化應急短波通信網(wǎng)的構(gòu)建思路是將優(yōu)選的頻率資源分配給區(qū)域中心站,由區(qū)域中心站通過導頻廣播,來引導各機動用戶共享使用屬于該區(qū)域中心站的頻率資源,而機動用戶并不擁有確定的頻率資源,只是在有通信需求時才與某區(qū)域中心站形成動態(tài)的綁定關系,因此原則上說,一個機動用戶可以使用全網(wǎng)任意區(qū)域中心站的任意頻率資源。這種由網(wǎng)絡來擁有頻率資源的方式,必然需要一個穩(wěn)定可靠的頻率管理系統(tǒng)作支持,以使網(wǎng)絡可根據(jù)電磁條件的變化,靈活動態(tài)地調(diào)整頻率資源的使用。

(3)導頻的規(guī)?；髮︻l率資源進行預先規(guī)劃。導頻機制是牽引用戶選擇最佳工作頻率的主導依據(jù),由于采用時效性較低的異步建鏈握手機制,這要求投入使用的導頻應是工作時段內(nèi)的優(yōu)質(zhì)頻率,但由于時變信道的特性和干擾等實時復雜電磁環(huán)境的影響,可工作頻率的選擇需要經(jīng)過實際的握手驗證,在多個導頻中選擇出可用頻率。因此,服務于特定用戶組的導頻數(shù)量必須達到一定的規(guī)模,方能保證接入的成功率。這就要求在選擇和確定導頻頻率和工作頻率時必須對頻率資源進行預先規(guī)劃和性能預測。

4 具體的頻率管理方法研究

大區(qū)域網(wǎng)絡化應急短波通信的核心思想是通過對頻率資源的科學規(guī)劃和動態(tài)分配,將稀缺優(yōu)質(zhì)的資源分配給若干有線互聯(lián)的區(qū)域中心站,構(gòu)建一個公共化的網(wǎng)絡接入與交換平臺,為各機動短波電臺用戶提供隨遇接入、具有多路由迂回和重疊覆蓋的大區(qū)域網(wǎng)絡化短波通信環(huán)境,因此,科學合理的頻率管理與規(guī)劃是保證短波通信質(zhì)量和效果的關鍵[8]。在大區(qū)域網(wǎng)絡化應急短波通信中,頻率管理與規(guī)劃主要有區(qū)域中心站覆蓋范圍計算、導頻分配和工作頻率分配3個部分。

4.1 區(qū)域中心站覆蓋范圍計算

區(qū)域中心站覆蓋范圍計算的具體思路是:對整個國土范圍按一定的粒度(比如經(jīng)緯度各一度的區(qū)域),將全網(wǎng)的保障范圍劃分為一個一個的小區(qū)域,每個區(qū)域中心站在全網(wǎng)保障范圍的覆蓋情況用一個數(shù)組表示,數(shù)組的元素為信噪比,每個區(qū)域中心站的覆蓋范圍由信噪比大于一定門限的小區(qū)域構(gòu)成。

考慮到電離層的時變性,在計算時采用短波傳播模型預報、探測監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務頻率質(zhì)量數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法,計算區(qū)域中心站在導頻上的覆蓋范圍。首先利用短波傳播模型預報各區(qū)域中心站導頻的覆蓋范圍,然后利用探測監(jiān)測數(shù)據(jù)和業(yè)務頻率質(zhì)量數(shù)據(jù)對預報的覆蓋范圍進行修正。

4.1.1 利用損耗模型計算

利用傳播模型計算區(qū)域中心站覆蓋情況的步驟如圖1所示。其中傳播損耗采用ITU建議標準(ITU-R P533),覆蓋范圍計算考慮了地波、D層、E層F層天波的綜合影響。

圖1 利用傳播損耗模型計算覆蓋區(qū)域Fig.1 Using the transmission loss model to calculate the coverage area

(1)將全網(wǎng)的保障區(qū)域按一定的粒度(比如經(jīng)緯度各一度的區(qū)域)劃分成一個一個的小區(qū)域;

(2)對每個小區(qū)域,計算區(qū)域中心站到小區(qū)的傳播損耗,得到信號能量;

(3)查表得到背景噪聲,把計算得出的信噪比作為小區(qū)信噪比;

(4)比較小區(qū)信噪比與門限值的大小,若大于門限值,則該小區(qū)被覆蓋,否則不能被覆蓋;

(5)重復第2～4步,計算所有小區(qū)的覆蓋情況,得到區(qū)域中心站的覆蓋情況。

4.1.2 利用Chirp探測數(shù)據(jù)計算

Chirp探測系統(tǒng)在預報通信鏈路的信道質(zhì)量方面能取得非常好的效果,用于修正傳播損耗模型法計算的覆蓋范圍。采用空間外推法和偽太陽黑子數(shù)法兩種方法綜合分析采集到的Chirp探測數(shù)據(jù)[2]。

空間外推法是已知若干條鏈路上探測到的最高可用頻率、信號強度、多徑時延等探測數(shù)據(jù),利用空間距離與這些參數(shù)的關系,插值得到對網(wǎng)絡中的其他鏈路的最高可用頻率、信號強度和多徑時延進行外推,用外推的結(jié)果來修正覆蓋區(qū)域的計算結(jié)果。

偽太陽黑子數(shù)預報法是通過一條Chirp探測鏈路某時刻的最高可用頻率(Maximum Usable Frequency,MUF),推算出該時刻的偽太陽黑子數(shù)(PSSN)。得到偽太陽黑子數(shù)后,就可以實時更新短波傳播預報模型中所用的太陽黑子數(shù),同時通過偽太陽黑子數(shù)結(jié)合長期預報求得任意鏈路的MUF和LUF(Lowest Usable Frequency),從而可以實時修正覆蓋區(qū)域。

利用Chirp探測數(shù)據(jù)計算區(qū)域中心站覆蓋情況的步驟如圖2所示。

圖2 利用Chirp探測數(shù)據(jù)計算覆蓋區(qū)域Fig.2 Using the Chirp detection data to calculate the coverage area

4.1.3 利用Modem探測數(shù)據(jù)計算

Modem探測數(shù)據(jù)代表了某頻率某鏈路上的通信質(zhì)量,可以將其轉(zhuǎn)換為局部的覆蓋區(qū)域分析結(jié)果,用于后續(xù)的數(shù)據(jù)融合處理。利用Modem探測數(shù)據(jù)計算區(qū)域中心站覆蓋情況的步驟如圖3所示。

圖3 利用Modem探測數(shù)據(jù)計算覆蓋區(qū)域Fig.3Using the Modem detection data to calculate the coverage area

4.1.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)和業(yè)務頻率質(zhì)量數(shù)據(jù)分析

短波Chirp探測設備具有監(jiān)測本地噪聲干擾功能。利用監(jiān)測結(jié)果更新計算過程中使用的背景噪聲,可以提高覆蓋區(qū)域計算的準確度,同時可以長期統(tǒng)計區(qū)域中心站各信道干擾占有率、分布特征,為各區(qū)域中心站的導頻指配提供參考數(shù)據(jù),減少指配時間并提高指配質(zhì)量。

業(yè)務頻率質(zhì)量數(shù)據(jù)代表了某頻率某鏈路上的通信質(zhì)量,可以將其轉(zhuǎn)換為局部的覆蓋區(qū)域分析結(jié)果,用于數(shù)據(jù)融合處理。也可以將其作為歷史數(shù)據(jù),用于分析區(qū)域中心站各信道的可通情況。

4.1.5 數(shù)據(jù)融合

通過融合長期預報結(jié)果、Chirp探測結(jié)果、Modem探測結(jié)果、垂測網(wǎng)數(shù)據(jù),以及業(yè)務頻率質(zhì)量數(shù)據(jù),可以提高覆蓋區(qū)預報計算的精度。

數(shù)據(jù)融合的基本思路是:建立神經(jīng)網(wǎng)絡模型,首先利用長期預報數(shù)據(jù)對神經(jīng)網(wǎng)絡進行初始化訓練[9],然后利用Chirp探測結(jié)果、Modem探測結(jié)果、垂測網(wǎng)數(shù)據(jù)以及業(yè)務頻率質(zhì)量數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡進行實時訓練,利用修正后的模型來計算區(qū)域中心站未來一段時間的覆蓋區(qū),為導頻指配提供支撐[8]。

4.2 導頻的指配和區(qū)域中心站的選擇

電離層的不斷變化是影響短波網(wǎng)絡覆蓋和通信質(zhì)量的主要因素。業(yè)務頻率通常在導頻附近選取,其電離層傳播特性相近,因而如何根據(jù)電離層的變化優(yōu)化選擇全網(wǎng)使用的導頻和工作的區(qū)域中心站,以滿足網(wǎng)絡覆蓋需求,是需要重點解決的問題。

導頻指配和區(qū)域中心站選擇的準則如下:

(1)全網(wǎng)保障區(qū)域內(nèi)各點有多個區(qū)域中心站提供服務,常態(tài)化保障為2～3個,重點任務保障為5～6個;

(2)提供服務的區(qū)域中心站在空間和頻率上保持適當?shù)拈g隔,減少區(qū)域中心站的相關性;

(3)導頻間相互不干擾(主要考慮同鄰頻干擾)。

由于運算的組合數(shù)巨大,用窮舉法尋找最優(yōu)解不可行,需采用數(shù)值分析的方法尋求可行解或近似最優(yōu)解。初步思路是采用多目標遺傳算法(NSGA-2)進行計算[10],以選擇和確定指配方案。根據(jù)常態(tài)化或重點任務保障要求,以網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域最大、重疊覆蓋區(qū)最多、相互干擾最小、區(qū)域中心站間距離最遠作為優(yōu)化指標,采用整數(shù)編碼方完成指配方案到遺傳算法中個體的映射,通過種群的不斷交叉繁衍完成近似最優(yōu)解的搜索。選取近似最優(yōu)的區(qū)域中心站與導頻的組合。如果該近似最優(yōu)解可以滿足要求則停止搜索,否則繼續(xù)迭代運算。

4.3 業(yè)務頻率優(yōu)選指配

4.3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

利用監(jiān)測數(shù)據(jù)可以長期統(tǒng)計區(qū)域中心站導頻附近各信道干擾占有率、分布特征,得到安靜頻率集合,作為業(yè)務頻率的選擇依據(jù)。監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析流程如圖4所示。

圖4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析流程Fig.4 The monitoring data analysis process

4.3.2 業(yè)務頻率質(zhì)量數(shù)據(jù)分析

區(qū)域中心站保存歷次接入通信中快速建鏈LQA(LinksQuality Analysis)結(jié)果和通信時間、鏈路位置等信息,通過統(tǒng)計分析,得到業(yè)務頻率質(zhì)量的分布特性,為業(yè)務頻率調(diào)整提供依據(jù)。業(yè)務頻率質(zhì)量數(shù)據(jù)分析流程如圖5所示。

圖5 業(yè)務頻率質(zhì)量數(shù)據(jù)分析流程Fig.5 The working frequencies′quality data analysis process

4.3.3 業(yè)務頻率指配與協(xié)調(diào)

業(yè)務頻率的生成以基本均勻、日疏夜密、高疏低密為原則在導頻附近選取。其中,區(qū)域中心站選取的業(yè)務頻率數(shù)量應該多于區(qū)域中心站需求的業(yè)務頻率數(shù)量,以便于動態(tài)調(diào)整和控制;業(yè)務頻率的協(xié)調(diào)以保證全網(wǎng)的業(yè)務頻率無沖突為原則,按照先來者先服務的原則,對后來的業(yè)務頻率申請進行篩選,篩選的依據(jù)為同鄰頻沖突影響分析結(jié)果;業(yè)務頻率的調(diào)整依據(jù)是業(yè)務頻率質(zhì)量數(shù)據(jù)分析結(jié)果,業(yè)務頻率調(diào)整方案的依據(jù)是干擾監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

5 結(jié)束語

本文通過分析短波通信的應急應用價值,研究了大區(qū)域網(wǎng)絡化應急短波通信的頻率管理和使用需求,并針對大區(qū)域網(wǎng)絡化應急短波通信中頻率管理與規(guī)劃中區(qū)域中心站覆蓋范圍計算、導頻分配和工作頻率分配3個方面的需要,提出了融合利用損耗模型、Chirp探測和Modem探測進行區(qū)域覆蓋范圍計算的方法,并基于計算結(jié)果實現(xiàn)對區(qū)域中心站導頻和業(yè)務頻率的指配和動態(tài)調(diào)整功能,能實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)頻率的統(tǒng)管共用,對提升大區(qū)域網(wǎng)絡化應急短波通信的性能具有重要意義。

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