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分析基于实时探测的动态管控模式在短波通信中的应用

来源:UC论文网2015-12-15 23:03

摘要:

【摘 要】短波是远洋运输船舶与交通指挥中心之间远距离通信的重要手段,而探测选频系统是保障短波通信可靠的基础。先对现有的短波模式进行了分析,提出了基于实时探测的动态管

 【摘 要】短波是远洋运输船舶与交通指挥中心之间远距离通信的重要手段,而探测选频系统是保障短波通信可靠的基础。先对现有的短波模式进行了分析,提出了基于实时探测的动态管控模式,并经过多次远距离试验,验证了该模式的合理性和有效性,最后对未来短波远洋通信提出了若干建议。 
  【关键词】短波通信 实时探测 动态管控 
  1 引言 
  短波通信是远距离通信的重要手段,这是由短波传播的3大特点决定的:1是传输距离远,短波依靠电离层反射传播,电波可以在电离层和地面之间多次反射,从而传输到很远的地方,理论上短波可以传遍全球;2是电离层具有抗毁性,只有在电磁核爆等极端条件下才会在短时间内对电离层产生影响,核爆过后又会恢复其固有的传播特性;3是传输损耗小,较小的功率就可以进行较远距离的通信。同时,短波通信设备简单、成本低,开通短波通信链路快速、机动灵活,这些优良特性决定了短波通信的广泛应用,使其成为远距离通信必备的重要手段。而为了充分发挥短波通信的优势,大量的人力已投入了短波使用的研究。本文提出了基于实时探测的动态管控短波模式,并经过多次短波通信保障试验,验证了该模式的合理性和有效性。 
  2 实时探测与动态管控模式 
  2.1 现有模式分析 
  经过多年的发展,短波通信形成了多种模式,目前主要有3种模式:1是基于预规划的主备频模式;2是基于预测选频的链路模式;3是基于实时探测的频率管控模式。 
  基于预规划的主备频模式主要是依靠长期预报和长期的经验积累来规划主用频率和备用频率,有时还分日频和夜频。这种使用方式具有组织简单和在一定区域保障方便的特点,是短波通信使用比较多的组织应用模式。目前的使用主要面临2个方面的问题与缺陷:1是很难实现全程不间断通信;2是远距离、未到达过的区域通信困难。 
  基于预测选频的链路模式主要依靠船上短波选频终端的盲连接建链、LQA(Link Quality Analysis,链路质量分析)等功能,预先固化多组频率并在这些频率上进行连接,主要特点是操作简单、频率个数比较多、链路建立相对比较容易。其缺点是由于其频率的选择完全依赖长期预报算法,其建链效率、频率可通率和数传速率均受到很大的制约。 
  基于实时探测的频率管控模式,主要依靠船上探测选频系统的实时探测和干扰监测选择优质的通信频率提供给通信系统使用,其特点是频率选择更加可靠及链路建立更加高效。其缺点是探测选频系统没有与通信系统直接接口,而是通过岸船的中控系统进行频率的分发,导致了频率使用时效问题。同时,探测选频系统和通信系统属于2个独立的系统,由于系统的差异性导致探测选频系统选出的部分频点在通信系统中使用效果不理想。 
  为了提高短波通信保障能力,考虑结合实时探测选频系统的探测监测选频优势和短波选频终端的链路建立与维护优势,故提出了综合运用的短波模式——实时探测与动态调整相结合的模式,通过多次试验,验证了该模式的合理性、可靠性和有效性,并通过远洋短波通信进行了验证。 
  2.2 实时探测与动态管控模式 
  (1)模式分析 
  探测选频系统的优势在于结合实时探测和干扰监测的频率优选。实时探测是基于短波传播的原理,通过信号能量和多径延时真实反映了当时的电离层“反射”情况;干扰监测是短波全频段实时监测,通过干扰强度和占有率指标真实反映了频率资源使用情况。实时探测与干扰监测结合,通过频率质量优选算法选出的频率真实反映了当前短波通信的最佳可用频率资源,理论和实践上都大大优于长期预报算法。 
  短波选频终端的优势在于初始链路的建立及LQA,通过在多组预先规划的频率组上进行“盲连接”,提高了初始链路建立的可靠性,简化了链路建立流程和人员操作。同时,使用自适应LQA方式通过通信系统对工作频率进行频率质量排序,这样排序出的频率是完全真实地反映了使用的通信信道及天馈系统的性能,通信效率更高。 
  探测选频系统与选频终端二者结合,优势互补。探测选频系统负责岸船间的探测信号收发、干扰噪声监测和通信频率优选;短波选频终端负责链路建立、链路维护和数据传输,并在数据传输过程中根据信道质量优劣提出频率调整申请,由探测选频系统提供优质频率进行链路维护。这共同实现了实时探测与动态调整模式,提升了短波通信效率。 
  (2)业务流程 
  实时探测与动态调整模式业务流程如图1所示。 
  1)岸船短波频管系统进行实时探测和干扰监测,综合形成优选频率组; 
  2)船载站通过接收多个岸站的探测信号,并结合本地的干扰监测,对盲连接频率组进行综合评分,选择最佳的岸基接入站点建链; 
  3)岸船双方根据链路运行情况和实时探测电路图、监测图接收情况,一方面可人工判断当前链路状态,对链路实时进行手动维护;另一方面也可系统自动判断当前链路状态,当链路质量下降时自动对链路进行维护; 
  4)频管船载站通过“岸-船”勤务信道将其生成的探测优选频率组回传给岸站选频系统,船载站也可接收多个岸基站的探测信号,形成其与多个岸站间链路的优选频率表,并把所有链路的优选频率通过其中的一条优选链路返回给岸站,该接收岸站再通过有线网络将其他链路的频率表转发给其他岸站; 
  5)岸站接收到优选频率组后,再根据各自本地的干扰监测数据对优选频率组进行再次评估,形成岸船双方都适用的优选频率组,并把优选频率组推送到通信控制系统,供其他通信系统选择使用。 
  3 关键技术 
  3.1 实时探测选频 
  (1)电波传播简介 
  远距离短波通信主要依靠电离层折射,根据阿普尔顿-哈特里公式,电离层介质的折射指数可写为:。式中,称为等离子体频率(KHz),f为发射频率(KHz),N为电子密度(cm)。将发射机频率f由小到大调至fN时,电波就从与N相对应的高度反射回来。设电离层某层最大电子密度为Nm,则从该层反射的电波的最高频率称为该层的临界频率。如果f>f0,电波将穿过该层进入更高的层次。当f足够高,使得电波恰能穿过全部层次,则该频率为整个电离层的穿透频率。 电离层折射能力受到太阳黑子数、电离层扰动等诸多因素影响,随着季节、时间、距离及经纬度等变化而变化,相应的穿透频率也跟随变化。同时,由于短波频段比较窄,使用的短波系统也越来越多,造成了电磁环境越来越复杂并相互干扰。为了掌握变化情况,尽量把诸多变化因数带来的影响降低到最小,并保障短波网络的正常运行,短波探测选频系统便应运而生了。 
  (2)探测选频系统 
  探测选频系统主要根据短波通信传播原理,通过实时探测和干扰监测来对短波频率资源进行管理的系统。 
  探测的目的是测量短波各种传播模式的时延和信号能量,并作为频率选择的重要依据,探测参数主要有:信号能量(信噪比)、噪声能量及其分布(占有率)、多径展宽或多径时延信号能量。探测选频系统选择的是国际使用广泛的Chirp探测体制,理论上可以实现全球实时探测。其中,Chirp探测原理为:探测发射机发射一线性扫频信号,即Chirp探测信号,由于探测信号经过信道延迟后,相对于发射信号在时间上延迟了?t,即位置在频率上偏移了?f,其中,?f=(df/dt)×?t。因此接收信号的频移与时延成正比,如果从接收信号中减去发射信号的频率,那么不同时延的信号在频率上就变成了一个音频,此音频与时延成正比,用一个音频频谱分析仪就能分开这些音频,从而确定传播模式的数量,形成所需要的电离图。典型探测电离图如图2所示,通过信号处理可以形成直观的可通段、LUF(Lowest Usable Frequency,最低可用频率)、MUF(Max Usable Frequency,最高可用频率)、多径延时及信号能量分布等,为选频及管理提供依据。 
  干扰监测的目的是监测本地短波电磁环境的噪声,并作为频率选择的重要依据,监测参数主要有干扰信号强度和信道占有率。干扰监测采用宽带多信道扫频接收技术和数字信号处理技术相结合,同时对多个短波信道进行干扰测量,实现快速(500个信道/s)干扰频谱监测,分析终端对干扰测量结果进行统计数据处理和分析得到干扰信号强度和信道占有率。典型的干扰频谱监测图如图3所示。 
  探测选频系统主要功能就是结合实时探测数据及干扰监测数据进行频率优选,优选的频率经过通信系统验证,可靠性(可通率)高达90%。 
  图3 典型的频谱监测图 
  (3)选频算法 
  选频算法主要是根据探测接收数据和干扰监测数据完成用户或程序设置所要求的各种频率或频段排序,最常使用的是全频段排序,即根据探测、监测数据再结合长期预报等对短波2MHz至30MHz全频段进行频率质量排序,并根据用频需求优选用于短波通信的频率。 
  传统的选频算法主要根据频率质量从高到底的顺序选择需要的频率个数,有时会出现选出的频率过于集中于某一小段的情况,选出的频率前后间隔经常是3KHz或者6KHz,有时出现整个频率表都集中于很窄的带宽中(甚至在200KHz至300KHz的带宽内),而频段其它部分质量很好的频点则未被选用。由于频率过于集中、覆盖范围小,极大增加了选出的频率使用效果不理想和使用时长短的风险。 
  优选频率表选择过程是把频段按能量高低进行分段,如:对能量分值2分以上且频率连续的的划为一段,使全频段划成若干小段,按质量高低和频率高低排序。如果频段数大于10,则取前10段,每段取4个频点,如果频段数小于10个则平均取相同个数频点组成整个频率表(假设为40个频点)集合,其取频点过程为每段内取第一个符合在监测频点上的频率,而后每隔一个监测点取一个频率,计算其质量并存入所选的频率集合直到取够整个频率表为止。如此,在频段划分时就已经存在隐患,即如果电离图正常的情况,在可通段内探测信号的能量分值大于2分的概率很高,因此就常常出现划分的频段数很少、频段的带宽非常大的情况,甚至在能接收到的探测信号部分就1个频段或者2个频段,出现3分、4分、5分、6分、7分的频段都同属于一个频段。在频段划分时频段数不多,且其长度比较长时,选出的频率常常集中在每段开始的一小带宽内。 
  为了降低风险系数,保障通信的效果,需要对频段划分机制进行调整,同时应该分散选取频点。主要从以下3个方面综合考虑:调整频段划分机制,这是选频的基础,只有调整了频段划分才能为分散选频创造适合的条件;参考各频段的长度动态调整各频点间隔及选取频点数量;循环选取频点,直到满足用频需求。 
  1)调整频段划分机制 
  频段划分时不以2分以上连续为一段,而是以能量分值相等且连续的划为一段,并对频段进行排序,其规则为:频段能量分值高的排前,如果频段能量分值相同,频率值大的排前。 
  2)参考各频段的长度动态调整选取各频点间隔及频点数量 
  选取频点时参考所在频段的长度,不同频段带宽长度选取不同的频点数,具体如表1所示: 
  每段选取频点时按照该段应取频点数的多少把该频段等额划分为numi小段,每段所占带宽为△Li/numi,设为S1,S2,……,Si,并从S1,S2,……,Si中各取一个该段内所剩资源中质量最高的频点(设为fj)作为Sj的代表频率,最终以所有频段的代表频率作为整个频率表。
  3)循环选取频点 
  基于当前的频段划分前提,从每段内循环取频点,其过程如下:假设有N段,从1段开始,每段先取一个频点,直到频点数40个为止,如果一次循环无法达到40个频点,则进行第2次循环,第3次循环……直到取满40个频率。每个频点从频段高端开始选取,即该段内最接近高端的监测频点,第i次循环的频点较第1次循环的频点相隔i×2k。选出的频点顺序为后来的频点顺序。例如有10个段,分别记为F0,F1,F2,F3,F4,F5,F6,F7,F8,F9,其中,fi,j为第i段中的第j个频率,则整张频率表顺序为: 
  f0,0,f1,0,f2,0,f3,0,f4,0,f5,0,f6,0,f7,0,f8,0,f9,0; f0,1,f1,1,f2,1,f3,1,f4,1,f5,1,f6,1,f7,1,f8,1,f9,1; 
  f0,2,f1,2,f2,2,f3,2,f4,2,f5,2,f6,2,f7,2,f8,2,f9,2; 
  f0,3,f1,3,f2,3,f3,3,f4,3,f5,3,f6,3,f7,3,f8,3,f9,3; 
  不改变所属各频段的频率顺序主要是为了在电离图变化较大时,避免某段内频点不可用,而该段的频点却又集中在一起,导致排在前面的频点都不可用的情况出现。而把各段的频点顺序循环插序,各段都有了频点在前面,即使第1段不可通,有可能第2段,第3段……频点可通,这样便可以分散风险。 
  3.2 动态管控 
  随着短波通信的广泛运用,相应的管控、保障手段也不断增加,比如,美军标141A/B通过预先预置多个多组频点,再利用电台的自适应功能进行LQA。这是一种很好的短波保障手段,但其最大的缺点是频率集长期固定,不能根据电离层的变化及周围电磁环境的改变而灵活调整,而基于实时探测监测选频的动态管控保障模式则可以很好弥补这个缺点。 
  在LQA的过程中,可以知道目前使用频率组内频率的质量状况,当频率组内频率不能满足预先设置的质量标准时(比如,1组5个频率中只有2个频率可通时),则自动或人工进行频率质量调整。更新的频率则来源于探测选频系统实时选择的频率,更频时保留1个当前使用效果最佳的频率,以保障链路的连续性和降低更频失败的风险,更频后再次对最新的频点进行LQA,并选择与当前通信系统(及天馈系统)最佳匹配的频率点进行话音通信或数据传输,以实现通信链路的实时动态管控。 
  现系统在链路成功建立后工作在5个频率上,系统中可设置最低可用频率数,系统在数据传输过程中会LQA,并根据LQA结果自动进行频率更换,从而使系统通信链路保持在最佳状态。有人员值守时,也可进行人工更频维护链路。 
  如果已有的链路实在难以维持,当已有的通信链路断开时,可以依托联网的多岸站,利用岸基站点地理位置分散的特点,根据实时探测电离图信息自动选择容易接入的岸基站点再次建立链路。 
  3.3 多岸站联网保障 
  短波通信效果与距离及经纬度等诸多因素有关,同样的系统前提下,有时距离远比距离近反而通信效果更好,这跟短波传播介质有关。 
  基于这些因素,可以考虑使用多个联网的岸基站点来保障海上移动船只的短波通信。岸基站都分布在相对固定的陆地上,可以通过发达的有线网络进行连接,以实现数据共享和信息交互,这给多岸站联网的网络化保障提供了基础。目前的探测选频系统可以分时接收多个岸基站发射的探测信号,以形成来自不同岸基站点的探测选频数据,根据这些数据,移动船只上的探测选频系统则可以自动判断当前状态下与哪一个岸基站点通信更加容易接入和通信质量更高,从而通过接入一个岸基站点而实现了岸船之间无线联络和业务传输。通过多岸站联网保障,大大提高短波的能力和效率。 
  4 验证试验情况 
  4.1 陆上验证试验情况 
  以岸站A、岸站B作为岸基站点,并搭建了2个试验站点站C、站D进行验证试验。站C、站D通信距离几十公里,岸A、岸B通信距离一千公里左右;站C/D至岸站A通信距离两千公里左右,站C/D至岸B通信距离一千公里左右。整个试验期间,站C/D均用小功率短波设备保持了与岸站的2条链路不中断,传输报文多次,最小报文几百字节,最大报文上万字节,传输速率不低于600bit/s。 
  4.2 远洋航行验证试验情况 
  在某船远洋航行期间进行了同步验证试验,岸基保障站点南北分散,该船同时接收多个岸基站点的探测信号,使用中小功率短波设备,最远可达距离超过六千公里,主要验证链路保持情况及数据传输情况。试验总时间624h,链路保持沟通状态624h,试验可通率100%。 
  4.3 试验总结 
  试验结果证明,使用实时探测与动态调整的短波通信保障模式,小功率短波通信系统即使使用全向天线,也能保障上千公里的短波通信链路24h不间断,并以较高的速率传输业务数据。如果使用中大功率的短波通信系统和船用鞭天线,保障几千公里内的短波通信,链路保持概率在90%以上,大大提高了短波通信保障能力。 
  通过多次实际使用环境的验证试验,证明了实时探测与动态调整的短波通信保障模式的可行与可靠性,证明了综合探测选频系统和短波选频终端的保障方式在充分发挥探测选频、链路保持、数据传输优势的基础上,能更好地发挥现有短波通信系统的作用,提升短波通信的能力和效率。 
  5 结束语 
  经过实际使用环境的验证,实时探测与动态调整的短波通信保障模式提升了短波通信通信保障效率,但短波通信效果受信道、天馈、频率及策略等多方面因素的影响,为了进一步提升未来短波通信保障的效能,还需要从以下几个方面进一步开展工作: 
  (1)长期收集探测数据,为短波用频提供参考,进一步完善短波通信保障策略; 
  (2)船上选用窄带发射天线、大功率发射机,岸站选用大功率、高效方向性天线,并定期检查、测试; 
  (3)岸基保障站点灵活布设,缩短通信距离,减少传输损耗,提高保障效率; 
  (4)进一步完善多岸站联网保障方式,利用多岸站联网探测,自动选择优先保障站点,提高保障效率; 
  (5)利用通信系统维护和试验过程,记录船用系统的信道、天馈特性(馈线损耗、不可调谐点等),建立用频系统电子指纹库,在频率选用时综合考虑这些因素,进一步提升选频的可靠性。 
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