皮明峰，王一印

(廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510670)

0 引言

短波通信依靠電離層反射進(jìn)行通信，而電離層具有不穩(wěn)定的多層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致多徑分布具有時變性，同時電離層的快速變化會導(dǎo)致多普勒頻移和多普勒擴(kuò)展[1]。由于太陽輻射不規(guī)則，所以電離層的電子密度和高度將隨季節(jié)、一天中的不同時間以及太陽黑子活躍性的變化而有較大的變化。此外，太陽黑子常出現(xiàn)耀斑爆發(fā)，引起電離層強(qiáng)烈的短時間騷動[2]。電離層的特性決定了短波通信電波傳播的特點：多徑傳播、衰落、多普勒頻移以及多普勒擴(kuò)展和干擾。多徑效應(yīng)引起信道的時間色散，可能會造成信道頻率選擇性衰落，而多普勒效應(yīng)引起信道的頻率色散，會造成信道時間選擇性衰落，即信道的時變性[3]。

短波頻率的選擇與天波電離層的電離子濃度、雙方通信距離、通信時間、通信季節(jié)、本地噪聲情況等一系列因素相關(guān)[4]，現(xiàn)役電臺各功能模式使用的通信頻率大多都依賴操作人員的工作經(jīng)驗與專業(yè)素質(zhì)。再加上短波鏈路的傳輸時效低，從而影響了短波通信的使用體驗，制約了短波通信的廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)有技術(shù)通常采用以ITS軟件為基礎(chǔ)的預(yù)測模型，通過人工輸入?yún)?shù)得到可用頻段；在頻譜感知[5]的過程中通過掃描整個可用頻段獲得最佳頻段。但該技術(shù)通過人工輸入?yún)?shù)到預(yù)測模型輸出可用頻段，實時性差且需要人工操作，掃描頻段則需要一定時延，因此影響建鏈成功率。綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在頻率選擇時間長、建鏈效率低的問題。本文提出一種智能頻率選擇算法，自動最優(yōu)頻點快速建鏈以及鏈路維持，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中頻率選擇時間長、建鏈效率低的問題。

1 自動頻率選擇流程設(shè)計

本算法采用短波智能選頻技術(shù)進(jìn)行選頻通信時，無需人工干預(yù)，可在工作頻段內(nèi)快速掃描本地電磁環(huán)境、雙向探測信道質(zhì)量，實時選擇可通頻率、即選即用；可根據(jù)信道情況自適應(yīng)選擇傳輸速率、自動請求重發(fā)等手段來提高短波數(shù)據(jù)通信的可靠性。短波頻譜決策是根據(jù)電離層特性參量的時空變化規(guī)律和通信質(zhì)量與電離層信道參數(shù)的關(guān)系，在電離層探測歷史資料或?qū)崪y資料的基礎(chǔ)上，對短波通信信道當(dāng)前可用信道作出的決策，它是電離層電波傳播理論、最佳信道匹配理論和計算機(jī)數(shù)據(jù)處理三者相結(jié)合的一種技術(shù)。短波智能選頻策略具體包括頻率窗口初選、可通段內(nèi)的頻率探測、優(yōu)選頻率建鏈和鏈路保持4個階段。

1.1 頻率窗口初選

頻率窗口初選可基于ITS軟件的預(yù)測模型，在通信和維護(hù)的過程中，結(jié)合對通信中頻率應(yīng)用數(shù)據(jù)的智能學(xué)習(xí)，更新模型。

首先根據(jù)長期預(yù)測結(jié)果獲得確定可用頻段。長期預(yù)測是依據(jù)電離層特性參數(shù)的時空變化規(guī)律和太陽活動性指數(shù)的預(yù)報值，即依據(jù)日地關(guān)系和以往的觀察資料，對正常狀態(tài)電離層的傳播參數(shù)月中值所做出的一種預(yù)先推斷。它可以提前1個月、3個月或更長時間預(yù)報出短波的傳播模式、接收點信號場強(qiáng)和短波通信電路最高可用頻率等參數(shù)的月中值。對于預(yù)定的通信電路而言，長期預(yù)測給出的最高可用頻率只是一個預(yù)測值，它是依據(jù)電離層監(jiān)測站所提供的電離層參數(shù)的小時月中值而確定的，只能保證通信時間50%的利用率。為了提高通信時間的利用率，需要選用最佳工作頻率，一般為0.85倍的最高可用頻率，它隨電路的地理位置、太陽的活動性、季節(jié)和不同時間而變化。由此可見，短波天波通信工作頻率的選取應(yīng)在電路的最佳工作頻率附近考慮，盡量不要高于最佳可用頻率，絕對不能超過電路的最高可用頻率。頻率窗口初選流程如圖1所示。

圖1 頻率窗口初選

ITS軟件設(shè)置的參數(shù)如表1所示。

表1 ITS主要設(shè)置參數(shù)

從短波傳播的角度來看，理論上介于最佳工作頻率和最低可用頻率之間的任何頻率都能用于通信[6]。但是，由于最佳工作頻率和最低可用頻率存在著晝夜變化，每小時的頻率值都不盡相同。因此，實際選擇通信頻率時還必須照顧到不同工作時間帶來的約束。

1.2 頻率探測

此時主呼、被呼雙方默認(rèn)處于掃描狀態(tài)，實時在每個信道頻率上捕獲信號，監(jiān)測本地噪聲。如收到子網(wǎng)內(nèi)其他用戶的呼叫信息，不論是否為對本址的呼叫，均記錄對端地址及呼叫信號質(zhì)量評估參數(shù)。探測階段，主臺在可通過頻段優(yōu)選頻率發(fā)起呼叫，從臺收到后在此頻率應(yīng)答，隨后呼叫臺再進(jìn)行應(yīng)答，完成對當(dāng)前單個信道的探測過程，通過逐步聚焦的探測后，通信雙方即可交互完成所選頻段內(nèi)的實時探測質(zhì)量，形成可作為評判建鏈頻率的信道質(zhì)量表。頻率探測信息如表2所示。

表2 頻率探測信息

頻率探測具體過程如下：

在全頻段(2～30 M)內(nèi)并行進(jìn)行N(例如32)路寬帶信道頻譜感知[7]，將N路寬帶信號按照檢測性能從大到小進(jìn)行排序。

(1)將N路寬帶信號(帶寬24 kHz)中的每一路進(jìn)行FFT變換，其中FFT點數(shù)K取1 024；截取長度為K的信號，加窗，F(xiàn)FT變換到頻域，并計算其功率譜[7]。

(2)將信號功率譜分割為8段3 kHz的頻段F1～F8，并計算F1～F8對應(yīng)的能量S1～S8。

(3)設(shè)置底噪門限TH，通常認(rèn)為短波的底噪功率為-110～-90 dbm，所以可設(shè)置TH=-100 dbm。將S1～S8中大于TH的值，記為集合R；S1～S8中小于TH的值，記為集合U；可根據(jù)實際情況，按照時間段和頻段來調(diào)整TH的值，具體值需要對全頻段、全天候24小時電磁環(huán)境數(shù)據(jù)采集分析后來確定。

(4)將集合R中各值對應(yīng)的頻段判為0(不可用)；集合U中各值對應(yīng)的頻段判為1(可用)；統(tǒng)計 24 k寬帶信道中最大連續(xù)3 k子信道可用數(shù)。

(5)按照連續(xù)可用子信道個數(shù)大小進(jìn)行從大到小排序，優(yōu)先選擇前面的信道。

在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)掃頻時間，將連續(xù)一段時間內(nèi)信號功率譜進(jìn)行合并，這樣可以使計算出的能量更加準(zhǔn)確，從而使頻譜感知更加準(zhǔn)確。

1.3 優(yōu)選頻率建鏈

探測結(jié)束后，主臺探測階段記錄的雙方通信信道質(zhì)量表，決定優(yōu)選建立頻率的排序，并在最優(yōu)建鏈頻率發(fā)送建鏈通知[8]，被呼臺收到后應(yīng)答，進(jìn)入建鏈階段，主臺收到從應(yīng)答后進(jìn)入建鏈階段，建鏈完成后同時呼叫臺申請當(dāng)前信道使用的業(yè)務(wù)，建立業(yè)務(wù)通信鏈路。若此頻率建鏈?zhǔn)。艚信_在下一個建鏈頻率嘗試建鏈。若所有建鏈頻率嘗試都失敗，則建鏈?zhǔn)?。每一次建鏈，無論成功或失敗，都將建聯(lián)過程中獲得的探測信息更新到建鏈頻率信道質(zhì)量表中，作為對頻點列表的維護(hù)。

1.4 鏈路維持

主臺發(fā)送鏈路維護(hù)信令，從臺收到后發(fā)送應(yīng)答，完成一次維護(hù)過程，等到下一個時間間隔后重復(fù)上述維護(hù)過程，如此不斷重復(fù)。若主臺沒有收到應(yīng)答，則主臺自動啟動重建鏈過程，其流程與單呼建鏈流程一致，如圖 2所示。

圖2 鏈路維持

鏈路維持具體過程如下：

(1)設(shè)置一個業(yè)務(wù)維持時間T；

(2)到達(dá)時間T之前，若業(yè)務(wù)被中斷(由于受到干擾或鏈路質(zhì)量差)，則重新選擇一個最佳頻點進(jìn)行建鏈；

(3)計時器到業(yè)務(wù)維持時間T時，判斷業(yè)務(wù)是否空閑，若是，則進(jìn)入下一步驟，否則重啟計時器；

(4)主臺發(fā)送鏈路維護(hù)信令，若收到了從臺的應(yīng)答，返回步驟1，若未收到從臺應(yīng)答，則重新選擇一個最佳頻點進(jìn)行建鏈。

因此，短波智能選頻采用的方案是首先通過中長期預(yù)報確定可用頻段，在此基礎(chǔ)上生成歷史頻率數(shù)據(jù)庫，然后通過實時頻率探測與背景噪聲感知進(jìn)行頻率校正，從而實現(xiàn)最佳可用頻率的動態(tài)更新。智能頻率選擇流程如圖 3所示。

圖3 智能頻率選擇

總的來說，本文提出的智能頻率選擇算法基于ITS軟件獲取長期預(yù)測的可用頻段，然后在可用頻段范圍內(nèi)依次探測各頻點的信道質(zhì)量，建立各頻點信道質(zhì)量表，選擇列表中第一個最優(yōu)頻點進(jìn)行建鏈，后續(xù)在鏈路維持和重新建鏈的過程中實時更新維護(hù)頻點信道質(zhì)量表。該算法不需要依賴人工操作，實時自動更新各頻點信道質(zhì)量信息，方便快速選頻，提高建鏈效率。

2 結(jié)語

本文通過頻率預(yù)測和N路并行頻譜感知獲得可用頻段，在可用頻段內(nèi)選擇最優(yōu)歷史頻點建鏈，并持續(xù)進(jìn)行頻率預(yù)測和頻譜感知以進(jìn)行鏈路維持。該智能頻率選擇算法能夠快速高效地選擇頻率建鏈，并且頻率預(yù)測模塊內(nèi)置于主叫臺，可以實時調(diào)整可用頻段，提高建鏈效率。