摘要：水面平臺(tái)在日常演練和保障等任務(wù)中，累積了海量的短波通信任務(wù)規(guī)劃案例、電磁環(huán)境感知數(shù)據(jù)、電波環(huán)境探測(cè)數(shù)據(jù)及歷史用頻數(shù)據(jù)。本文以短波通信用頻需求為目標(biāo)，通過(guò)分析梳理長(zhǎng)期累積的大數(shù)據(jù)樣本，研究大數(shù)據(jù)智能技術(shù)及其支撐平臺(tái)，構(gòu)建多維數(shù)據(jù)庫(kù)模型與數(shù)據(jù)架構(gòu)，利用大數(shù)據(jù)智能分析技術(shù)盤(pán)活海量的歷史數(shù)據(jù)，從頻域、時(shí)域、空域、能域、通信效能域上進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性分析與多源數(shù)據(jù)融合處理，為短波通信提供大數(shù)據(jù)智能規(guī)劃服務(wù)。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；智能分析；短波通信；任務(wù)規(guī)劃

一、引言

短波可通過(guò)天波傳播進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，傳送電報(bào)、傳真、低速數(shù)據(jù)和語(yǔ)音廣播等多種業(yè)務(wù)信息，在防汛救災(zāi)、海難救援等方面發(fā)揮了重要的作用。與衛(wèi)星通信、光纜等通信手段相比，短波通信不需要建立中繼站即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，具有建設(shè)周期短、維護(hù)費(fèi)用低，設(shè)備簡(jiǎn)單、容易隱蔽，使用靈活、電路調(diào)度容易，臨時(shí)組網(wǎng)便捷，抗毀能力強(qiáng)等特點(diǎn)[1]。同樣，短波通信容易受到電磁環(huán)境、地理地貌、時(shí)節(jié)變化、通信設(shè)備、通信頻率等因素的影響，造成信號(hào)的弱化和畸變，影響短波通信的效果。大數(shù)據(jù)與人工智能等技術(shù)發(fā)展快速，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域并取得了顯著的效果，這為改善短波通信質(zhì)量提供了一種思路。本文以岸、海之間中遠(yuǎn)距離的短波通信任務(wù)規(guī)劃為例，通過(guò)構(gòu)建大數(shù)據(jù)樣本庫(kù)，結(jié)合用頻設(shè)備模型、鏈路傳播特性模型、通信效能評(píng)估模型以及設(shè)備用頻機(jī)理模型，利用機(jī)器學(xué)習(xí)和智能評(píng)價(jià)等算法進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性分析與多源數(shù)據(jù)融合處理，為短波通信任務(wù)提供更加精確的用頻方案。

二、短波通信任務(wù)規(guī)劃現(xiàn)狀與需求

現(xiàn)有的短波通信任務(wù)規(guī)劃通常采用的手段是根據(jù)通信鏈路對(duì)頻率進(jìn)行優(yōu)選，主要分為頻率預(yù)測(cè)和頻率探測(cè)兩種方式[2]，其中頻率預(yù)測(cè)按照時(shí)效性分為長(zhǎng)期預(yù)測(cè)、中期預(yù)測(cè)和短期預(yù)測(cè)；頻率探測(cè)按照技術(shù)體制分為垂直探測(cè)、斜向探測(cè)和Chirp探測(cè)。無(wú)論是頻率預(yù)測(cè)還是頻率探測(cè)，在短波通信用頻規(guī)劃上均存在局限性，主要表現(xiàn)如下：

1.沒(méi)有結(jié)合實(shí)際用頻設(shè)備特征參數(shù)進(jìn)行綜合分析與統(tǒng)籌規(guī)劃。頻率預(yù)測(cè)和頻率探測(cè)均沒(méi)有與實(shí)際用頻設(shè)備特征參數(shù)進(jìn)行結(jié)合考慮，各通信用頻設(shè)備的發(fā)射功率、接收靈敏度等特征參數(shù)不一定相同，相同的頻率在探測(cè)設(shè)備上好用，在通信設(shè)備上不一定好用。

2.單一的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)用頻規(guī)劃難以滿(mǎn)足多任務(wù)多目標(biāo)的通信用頻保障需求。頻率預(yù)測(cè)和頻率探測(cè)均根據(jù)某一條通信鏈路進(jìn)行用頻規(guī)劃，即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的用頻規(guī)劃，不能對(duì)多條通信鏈路同時(shí)進(jìn)行用頻規(guī)劃，難以滿(mǎn)足多任務(wù)多目標(biāo)的通信用頻保障需求。

3.頻率預(yù)測(cè)在通信用頻規(guī)劃上靈活度不夠。長(zhǎng)期預(yù)測(cè)、中期預(yù)測(cè)和短期預(yù)測(cè)分別預(yù)測(cè)通信鏈路某個(gè)月、10天內(nèi)和當(dāng)天內(nèi)的24小時(shí)MUF（最高可用頻率），不能預(yù)測(cè)任意時(shí)段內(nèi)的MUF。

隨著信息化進(jìn)程的加速發(fā)展，對(duì)海短波通信設(shè)備種類(lèi)多、數(shù)量大，對(duì)海短波通信任務(wù)規(guī)劃應(yīng)緊密結(jié)合任務(wù)實(shí)際情況和用頻設(shè)備特性進(jìn)行通信用頻規(guī)劃，同時(shí)隨著歷史案例數(shù)據(jù)的大量積累和大數(shù)據(jù)技術(shù)的日益成熟，盤(pán)活現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源，短波通信任務(wù)規(guī)劃大數(shù)據(jù)智能分析技術(shù)應(yīng)用是多任務(wù)、多目標(biāo)、長(zhǎng)周期下的中遠(yuǎn)距離短波通信任務(wù)規(guī)劃的重要應(yīng)用研究方向。

三、大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用分析

（一）短波通信任務(wù)規(guī)劃流程設(shè)計(jì)

短波通信任務(wù)規(guī)劃流程主要包括用頻需求提取、通信覆蓋計(jì)算、通信用頻規(guī)劃、用頻方案推演以及通信效能評(píng)估。其中用頻需求是流程的輸入，從任務(wù)信息中提取用頻需求；通信覆蓋計(jì)算和通信用頻規(guī)劃是流程的核心，執(zhí)行業(yè)務(wù)處理并輸出結(jié)果；用頻方案推演是對(duì)輸出結(jié)果的正確性和滿(mǎn)足性進(jìn)行綜合研判；用頻效能評(píng)估是對(duì)輸出結(jié)果所產(chǎn)出的效能進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，為大數(shù)據(jù)樣本提供可信的案例數(shù)據(jù)。

1.用頻需求提取。提取任務(wù)信息中的任務(wù)時(shí)段、水面平臺(tái)編成情況、任務(wù)航線等用頻需求信息。

2.通信覆蓋計(jì)算。根據(jù)頻譜資源數(shù)據(jù)、通信樞紐基本信息以及通信設(shè)備特征參數(shù)等信息，計(jì)算通信樞紐對(duì)任務(wù)區(qū)域或航線的覆蓋情況。

3.通信用頻規(guī)劃。結(jié)合用頻規(guī)劃策略，利用機(jī)器學(xué)習(xí)、智能評(píng)價(jià)、頻譜兼容性分析等算法生成由通信樞紐、水面平臺(tái)、通信設(shè)備、通信頻率、用頻時(shí)段等信息組成的用頻方案。

4.用頻方案推演。根據(jù)任務(wù)進(jìn)程，推演用頻方案在整個(gè)任務(wù)過(guò)程中的使用效果情況，對(duì)用頻方案的可行性進(jìn)行預(yù)估研判，為是否調(diào)整用頻方案提供數(shù)據(jù)參考。

5.通信效能評(píng)估。在啟用用頻方案后，收集通信節(jié)點(diǎn)上報(bào)的用頻效果，通過(guò)離線分析、復(fù)盤(pán)重演等方式，評(píng)估并量化用頻方案在整個(gè)任務(wù)過(guò)程中的效能，同時(shí)為大數(shù)據(jù)樣本提供可信的案例數(shù)據(jù)。

（二）短波通信任務(wù)規(guī)劃大數(shù)據(jù)樣本庫(kù)構(gòu)建

短波通信任務(wù)規(guī)劃除了采用頻率預(yù)測(cè)和頻率探測(cè)常規(guī)手段，同時(shí)采用大數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。短波通信任務(wù)規(guī)劃大數(shù)據(jù)是以AI為基礎(chǔ)，將數(shù)據(jù)、算法和算法三大要素植入應(yīng)用。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)相比，大數(shù)據(jù)規(guī)模巨大、數(shù)據(jù)多源、形式多樣（包括結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)），通過(guò)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)難以進(jìn)行處理[3]。大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)主要包含數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、數(shù)據(jù)分析處理和數(shù)據(jù)安全共享三個(gè)方面。短波通信任務(wù)規(guī)劃大數(shù)據(jù)采用多種數(shù)據(jù)庫(kù)相融合的技術(shù)架構(gòu)，通過(guò)引入面向結(jié)構(gòu)化關(guān)系型數(shù)據(jù)分析為主的MPP并行數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)架構(gòu)作為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)架構(gòu)，大大增強(qiáng)大數(shù)據(jù)資源池庫(kù)對(duì)海量短波通信任務(wù)規(guī)劃樣本數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理能力。

通過(guò)構(gòu)建基礎(chǔ)庫(kù)、專(zhuān)題庫(kù)和主題庫(kù)的多維度數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，減少數(shù)據(jù)重復(fù)處理，節(jié)約數(shù)據(jù)搜索時(shí)間，縮短數(shù)據(jù)解譯周期，提高數(shù)據(jù)處理速度與數(shù)據(jù)精度。其中基礎(chǔ)庫(kù)主要用于存儲(chǔ)用頻設(shè)備模型、樞紐和平臺(tái)以及其所屬設(shè)備基礎(chǔ)信息、鏈路傳播特性模型、頻管政策法規(guī)要求、電磁環(huán)境感知和電波環(huán)境探測(cè)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。專(zhuān)題庫(kù)主要用于存儲(chǔ)案例樣本、通信效能、頻譜資源、電磁信號(hào)樣本、經(jīng)驗(yàn)頻率等專(zhuān)題數(shù)據(jù)。主題庫(kù)主要是用于存儲(chǔ)通信區(qū)域覆蓋態(tài)勢(shì)、通信用頻規(guī)劃方案、用頻方案推演結(jié)果和通信效能評(píng)估報(bào)告等主題數(shù)據(jù)。

作為短波通信任務(wù)規(guī)劃樣本數(shù)據(jù)的核心，通信用頻規(guī)劃方案是資源調(diào)度原則、用頻規(guī)劃策略、歷史用頻經(jīng)驗(yàn)、電磁環(huán)境情況等要素綜合分析處理后的結(jié)果。圍繞通信用頻規(guī)劃方案從頻域、時(shí)域、空域、能域、通信效能域上進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性分析與多源數(shù)據(jù)融合處理，從而實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為關(guān)鍵點(diǎn)，通過(guò)案例樣本數(shù)據(jù)迭代的方式提升短波通信任務(wù)規(guī)劃的精度。

（三）短波通信任務(wù)規(guī)劃大數(shù)據(jù)主要流程與算法

大數(shù)據(jù)是從規(guī)模巨大、形式多樣的數(shù)據(jù)中，通過(guò)高效捕捉、發(fā)現(xiàn)和分析獲取有價(jià)值信息的一種新的技術(shù)架構(gòu)，具有5V特性，即大規(guī)模、高速率、多樣性、低價(jià)、真實(shí)性[3]。相比人工規(guī)劃和自動(dòng)規(guī)劃，大數(shù)據(jù)智能規(guī)劃是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，應(yīng)著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)、立足現(xiàn)實(shí)、穩(wěn)步推進(jìn)。如圖1所示，大數(shù)據(jù)應(yīng)用主要流程如下：

1.應(yīng)用建模。將短波通信任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題轉(zhuǎn)為數(shù)學(xué)問(wèn)題，從數(shù)學(xué)上明確問(wèn)題的目標(biāo)，定義變量與參數(shù)，明確限制與約束，明確輸入與輸出，并檢查數(shù)學(xué)模型的完整性和正確性。

2.大數(shù)據(jù)采集。解決海量短波通信任務(wù)規(guī)劃相關(guān)數(shù)據(jù)積累的完整性、準(zhǔn)確性和時(shí)效性。

3.數(shù)據(jù)預(yù)處理。解決海量短波通信任務(wù)規(guī)劃相關(guān)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)力的精準(zhǔn)性和一致性，對(duì)數(shù)據(jù)加上標(biāo)注，構(gòu)建數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，解決數(shù)據(jù)多維度自主關(guān)聯(lián)與多源異構(gòu)融合處理的問(wèn)題。

4.特征挖掘。解決短波通信任務(wù)規(guī)劃相關(guān)數(shù)據(jù)高價(jià)值特征信息提取的準(zhǔn)確性和魯棒性。

5.深度學(xué)習(xí)。解決短波通信任務(wù)規(guī)劃應(yīng)用建模的數(shù)學(xué)問(wèn)題。

短波通信任務(wù)規(guī)劃大數(shù)據(jù)智能分析用到的算法主要有基于機(jī)器學(xué)習(xí)的短波通信資源分配算法、基于增量學(xué)習(xí)機(jī)制的頻率資源優(yōu)選算法及基于智能評(píng)價(jià)體系的通信資源池動(dòng)態(tài)維護(hù)算法。

1.基于機(jī)器學(xué)習(xí)的短波通信資源分配算法。采用基于ITS（Institute for Telecommunication Sciences，美國(guó)電信科學(xué)協(xié)會(huì)）模型生成的合成數(shù)據(jù)對(duì)BP（Back Propagation，反向傳播）網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練并測(cè)試預(yù)測(cè)通信樞紐、水面平臺(tái)、收發(fā)信機(jī)、天線及頻段的最優(yōu)組合。

2.基于增量學(xué)習(xí)機(jī)制的頻率資源優(yōu)選算法。基于全局中長(zhǎng)期用頻行為學(xué)習(xí)技術(shù)，結(jié)合分析本地歷史通信記錄中的用頻規(guī)律，同時(shí)考慮本地背景噪聲探測(cè)信息，智能、可靠、實(shí)時(shí)地優(yōu)選出當(dāng)前可用的通信頻率。

3.基于智能評(píng)價(jià)體系的通信資源池動(dòng)態(tài)維護(hù)算法。基于通信樞紐、水面平臺(tái)、通信設(shè)備、通信頻譜以及歷史通信反饋情況等數(shù)據(jù)，擬采用頻率、設(shè)備、時(shí)間、空間、鏈路和節(jié)點(diǎn)等多維網(wǎng)格化方法實(shí)現(xiàn)通信資源池的數(shù)據(jù)建模，通過(guò)建立完善的可用通信資源評(píng)價(jià)體系，對(duì)任務(wù)結(jié)束的通信資源及時(shí)回收，動(dòng)態(tài)維護(hù)通信資源池。

（四）短波通信任務(wù)規(guī)劃大數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)技術(shù)應(yīng)用

使用大數(shù)據(jù)進(jìn)行短波通信任務(wù)規(guī)劃的目標(biāo)是充分發(fā)揮軟件賦能優(yōu)勢(shì)，盤(pán)活現(xiàn)有資源數(shù)據(jù)，使通信規(guī)劃更為真實(shí)可靠，以資源的精準(zhǔn)使用來(lái)應(yīng)對(duì)遠(yuǎn)海復(fù)雜的通信保障要求。短波通信任務(wù)規(guī)劃大數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)主要包括應(yīng)用層、服務(wù)層和數(shù)據(jù)層，如圖2所示。

1.應(yīng)用層。直接面向用戶(hù)，包括通信覆蓋計(jì)算、通信用頻規(guī)劃、用頻方案推演和通信效能評(píng)估，是短波通信任務(wù)規(guī)劃的主要應(yīng)用業(yè)務(wù)。

2.服務(wù)層。為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)服務(wù)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理和處理等功能，包括數(shù)據(jù)接口、圖像系統(tǒng)、報(bào)表平臺(tái)和指標(biāo)平臺(tái)。

3.數(shù)據(jù)層。大數(shù)據(jù)應(yīng)用的核心層，通過(guò)構(gòu)建數(shù)據(jù)平臺(tái)、設(shè)計(jì)運(yùn)維中心、建立數(shù)據(jù)資產(chǎn)庫(kù)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、模擬試驗(yàn)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的引接、審核、清洗、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換、融合和展現(xiàn)，為服務(wù)層提供層次分明、真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支撐。

四、結(jié)束語(yǔ)

基于大數(shù)據(jù)條件下的短波通信任務(wù)規(guī)劃，通過(guò)綜合分析相關(guān)要素及挖掘海量樣本數(shù)據(jù)有價(jià)值的信息，使得規(guī)劃結(jié)果更加真實(shí)可靠，并支持多任務(wù)、多目標(biāo)、長(zhǎng)周期情況下的中遠(yuǎn)距離短波通信用頻動(dòng)態(tài)籌劃，具有動(dòng)態(tài)籌劃、智能決策、精確評(píng)估、臨機(jī)調(diào)整等特點(diǎn)，將會(huì)在很大程度上提高中遠(yuǎn)距離短波通信效果。立足大數(shù)據(jù)條件下的短波通信趨勢(shì)及其影響，對(duì)推動(dòng)大數(shù)據(jù)條件下的短波通信任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題研究具有重要意義。

作者單位：李澤良 譚正輝 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第七研究所

參考文獻(xiàn)

[1]沈建峰.短波頻率自適應(yīng)通信的發(fā)展及信號(hào)監(jiān)測(cè)[J].中國(guó)無(wú)線電，2006（11）：42-46.

[2]徐池，邱楚楚，李梁，等.海上短波通信頻率優(yōu)選技術(shù)現(xiàn)狀與分析[J].通信技術(shù)，2015，48（10）：1101-1105.

[3]呂登龍，朱詩(shī)兵.大數(shù)據(jù)及其體系架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].裝備學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，28（01）：86-96.

[4]鄒小飛，王會(huì)濤，殷昌盛.大數(shù)據(jù)在聯(lián)合作戰(zhàn)指揮決策中應(yīng)用探析[J].軍事訓(xùn)練，2019（03）：34-36.