楊少華 張 浩

(1.海軍駐北京地區(qū)通信軍事代表室 北京 100040)(2.海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

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岸海短波通信更頻策略研究*

楊少華1張 浩2

(1.海軍駐北京地區(qū)通信軍事代表室 北京 100040)(2.海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

論文針對目前岸海短波通信更頻存在的問題,研究了四種可以緩解或解決現(xiàn)有問題的更頻策略,分別是特殊時間節(jié)點更頻、固定時間節(jié)點更頻、網(wǎng)絡重置更頻、門限更頻。給出了這四種更頻策略的定義,詳細闡述了每種策略的更頻過程。最后,對每種更頻策略的優(yōu)劣作了簡要說明。

短波通信; 更頻策略; 頻管中心; 通信中心

Class Number TN911

1 引言

短波是指頻率在3MHz～30MHz的電磁波,短波通信是利用短波通過地球電離層反射傳輸信息的通信方式[1]。岸海短波通信受電離層反射條件、環(huán)境噪聲、人為噪聲等因素不斷變化的影響,可進行通信的頻率不斷變化[2]。當短波通信系統(tǒng)建成以后,電臺的發(fā)射功率和接收機靈敏度就確定了,天線也不能隨意變化,只能通過調整通信頻率來適應電離層的變化[3]。所以,對于短波通信網(wǎng),通信頻率的更新是非常重要的;如果不能根據(jù)電離層的變化正確地選擇通信頻率,短波網(wǎng)絡通信效率就會大大降低。在未來信息化條件下,為保證海軍岸海短波通信的可靠性,高效及時的通信頻率更新(更頻)策略尤為重要。

2 研究現(xiàn)狀

短波通信與手機移動通信不同,每個短波通信用戶都擁有一個頻率集,頻率集中存在多個頻率,用戶選擇其中較好的頻率進行通信。多數(shù)情況下,電離層狀態(tài)發(fā)生變化,頻率集可用度降低甚至完全不可用,此時需要選擇新的頻率集[4]。傳統(tǒng)岸海短波通信依靠“時間-頻率”呼叫表進行通信,根據(jù)不同的時間、坐標更新頻率集。它是根據(jù)長期通信經驗積累得到的“經驗頻率表”,能粗略估計某時某地的通信頻率范圍,但不能準確反映各種環(huán)境下電離層的狀態(tài),因而通信連通率低、信道質量差。自20世紀60年代以來,先后發(fā)展了實時選頻技術,出現(xiàn)了CURTS、CHEC、Chirp等短波探測選頻技術,這些技術極大地提高了短波通信質量。目前使用較為廣泛的是利用Chirp探測信號來測量多徑時延、信號強度、最高可用頻率等電離層傳播信道參數(shù),利用這些信息就可以選擇出適合通信的頻率[5]。1994年ITU Recommendation 720已推薦FM/CW“Chirp”探測技術作為動態(tài)頻率管理的標準,美、英對Chirp系統(tǒng)進行了科學試驗,并在海灣戰(zhàn)爭中取得很好的實戰(zhàn)效果[6]。為了適應短波網(wǎng)絡化發(fā)展需求,短波頻率的探測和分配統(tǒng)一由頻率管理中心(頻管中心)規(guī)劃管理。短波頻率的探測與使用如圖1所示。

圖1 短波頻率的探測與使用示意圖

在岸海短波通信中,陸、海頻管中心實時探測電離層狀態(tài)、計算出可用頻率;各個通信節(jié)點(艦船)使用頻管中心分發(fā)的頻率集進行通信。然而,由于可通信的頻率變化較快,分配給艦船頻率集的可用性隨之變化,由此帶來一個問題:當艦船需要進行通信時,才發(fā)現(xiàn)原來的通信頻率集已不可用,此時再向頻管中心申請新頻率集則會對通信的時效性產生嚴重影響。因此,需要在頻率集完全不可用之前向頻管中心申請更新頻率集。本文將對恰當?shù)念l率集更新時機進行研究。

3 更頻策略研究

3.1 特殊時間節(jié)點更頻

特殊時間節(jié)點指早中晚、月份、四季等,其特殊性體現(xiàn)在:以這些節(jié)點為中心的較短的時間區(qū)間內,電離層會發(fā)生較大變化,短波通信可用頻率集隨之發(fā)生變化,此時應該在短時間內完成頻率集的更新工作[7]。這種更頻方式類似于傳統(tǒng)頻率的更新,但更新依據(jù)是頻管中心的實時探測結果而非“計劃表”,所以新頻率可用性高。

3.2 固定時間節(jié)點更頻

固定時間節(jié)點更頻是指以固定的時間周期(例如2小時),進行通信頻率集的更新。在固定時間節(jié)點更頻方式下,當?shù)竭_指定時間節(jié)點時激活更頻協(xié)議,頻管中心根據(jù)探測結果,計算出新的通信頻率集,分發(fā)給自己所管轄的短波通信臺。具體更頻過程如圖2所示。

一般情況下,多艘艦艇構成一個通信組,由一艘具備艦載頻管中心的艦船擔任通信中心,由于艦艇間相互距離較近,因此可共用一個頻率集。陸、海頻管中心首先交互電離層狀態(tài)特征,計算可用頻段。在更頻時間節(jié)點,陸、海頻管中心分別向陸上通信臺和通信中心分配新頻率集,通信中心通過廣播方式重復向網(wǎng)內的其他艦船發(fā)布更頻信息,組內所有的艦船,如果沒有特殊情況(正在進行語音或數(shù)據(jù)傳輸),都調諧到廣播信道上接收信息。更頻信息中攜帶有新通信頻率集和新通信頻率集同步更換時間。在預定時間實現(xiàn)全網(wǎng)同步更頻后,通信中心再通過單呼方式逐個呼叫組內成員,確認其是否完成更頻,由于語音或者數(shù)據(jù)業(yè)務傳輸而沒能接收到更頻信息的艦船,通信中心重新向其發(fā)布更頻信息[8]。

圖2 更頻過程示意圖

3.3 網(wǎng)絡重置更頻

網(wǎng)絡重置更頻,即利用網(wǎng)絡重置的機會進行更頻。短波通信組網(wǎng)是技術發(fā)展的必然趨勢[9],從2000年開始,美國、澳大利亞、瑞典等國家都更新了自己的短波通信網(wǎng)絡,并在逐步實現(xiàn)與其他網(wǎng)絡的互聯(lián)互通,如美國海軍的HF ITF網(wǎng)絡和HF艦/岸網(wǎng)絡(HFSS)。多個艦載站可通過時分復用方式使用同一頻率與陸上通信臺通信,頻譜利用率大幅度提高。然而,這種通信方式也存在通信信道容易擁堵問題,即某些頻率段負載率過高而某些頻率段閑置現(xiàn)象。因此岸基站需要根據(jù)頻率使用情況不定期重置網(wǎng)絡,各個通信站進行初始化接入,利用網(wǎng)絡重置的機會,頻管中心可為自己所管轄的通信臺分法新頻率集。具體更頻過程如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡重置更頻過程示意圖

某些條件下,通信組2無法直接與陸上通信臺2通信,但通信組1可以同陸上通信臺2直接通信,那么通信組2的數(shù)據(jù)可通過通信組1轉發(fā)至陸上通信臺2。當通信組3甚至更多通信組都使用相同信道與陸上通信臺2通信時,陸上通信臺2會及時監(jiān)測到信道負載率過高,并向陸上頻管中心發(fā)送網(wǎng)絡重置命令,陸、海頻管中心交互信息后分別向所管轄通信臺發(fā)送網(wǎng)絡重置命令,網(wǎng)絡重置命令中同時攜帶更頻信息。網(wǎng)絡重置后,各通信組使用新信道進行通信。

3.4 門限更頻

門限更頻,即當短波通信臺頻率集中可用頻率數(shù)量小于某一門限值X時進行頻率更新。由于時間和坐標的改變,陸上通信臺或艦艇會出現(xiàn)初始分配的頻率集不可用、不夠用的情況,如果在進行呼叫時發(fā)現(xiàn)已經沒用頻率可用,此時發(fā)送更頻申請將會嚴重影響通信的時效性,因此需要設定頻率集中最小可用頻率數(shù),即門限值X。一旦可用頻率小于X,馬上申請更新頻率集。具體更頻過程如圖4所示。

圖4 門限更頻過程示意圖

第三代短波通信系統(tǒng)是自動建鏈系統(tǒng),通信系統(tǒng)首先挑選一個頻率嘗試建立通信,如果失敗則自動選擇其他頻率,直至建立通信鏈路[10]。在通信的過程中或通信結束后,艦船將頻率使用情況上報至通信中心,內容包括:不可用的頻率信息、可用頻率的通信信道質量評分值。通信質量可由誤碼率(BER)和信納德(SINAD)進行評分[11]:

1) 誤碼率(BER):對接收到的3倍冗余編碼進行2/3大數(shù)邏輯判決,將得到的硬判決序列與糾錯譯碼后的序列相比較得到誤碼個數(shù),進而估計出誤碼率。

2) SINAD的定義為

其中,S為信號能量,N為噪聲能量,D為干擾能量。

自適應控制器利用快速傅里葉變換(FFT)計算出信號頻譜能量,再將其與無用信號(噪聲和干擾)的能量進行比較,得到SINAD的數(shù)值。

通信中心通信控制系統(tǒng)收集匯總組內頻率使用情況,掌握頻率動態(tài)變化情況,依據(jù)一定規(guī)則和算法計算出門限值X的大小。當通信中心通信管理控制系統(tǒng)檢測到組內通信頻率集中可用頻率數(shù)量小于門限值X時,迅速向通信中心申請更頻,更頻信息下發(fā)方式與固定時間節(jié)點更頻相同。

4 結語

岸海短波通信環(huán)境復雜多變,四種更頻策略各有利弊。特殊時間節(jié)點更頻最容易實現(xiàn),但只適用于特殊場景,局限性強;固定時間節(jié)點更頻實現(xiàn)簡單,能夠滿足一般通信需求,但靈活性差,無法滿足特殊環(huán)境下的通信要求。網(wǎng)絡重置更頻具有其特殊的適用背景——岸海短波通信網(wǎng);門限更頻是根據(jù)用頻狀態(tài)進行更頻,更頻時機恰當、更頻效率較高,但實現(xiàn)較為復雜。未來岸海短波通信更頻的發(fā)展方向是保證通信“隨時呼、隨時通”,門限更頻“實時感知頻率使用情況”、“動態(tài)分配新頻率”的特點順應來來發(fā)展趨勢,應用前景廣闊。

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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

楊少華,男,工程師,研究方向:軍事通信。張浩,男,碩士研究生,研究方向:短波通信。

TN911

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.017