結(jié)合大數(shù)據(jù)的短波廣域分集技術(shù)*

劉青龍，董家山

(1. 華南理工大學(xué) 電信學(xué)院， 廣東 廣州 510640； 2. 廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司, 廣東 廣州 510663)

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結(jié)合大數(shù)據(jù)的短波廣域分集技術(shù)*

劉青龍1,2，董家山2

(1. 華南理工大學(xué) 電信學(xué)院， 廣東 廣州 510640； 2. 廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司, 廣東 廣州 510663)

為了提高短波通信保障能力，提出了一種結(jié)合大數(shù)據(jù)的短波廣域分集技術(shù)，充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)在短波選頻中的輔助決策功能以及天線陣在短波頻段的分集接收功能，有效降低單個(gè)接收信道質(zhì)量惡化對(duì)短波通信造成的不利影響，顯著提高短波機(jī)動(dòng)用戶接入地面有線通信網(wǎng)的可通率和通信質(zhì)量。該技術(shù)架構(gòu)和設(shè)計(jì)可以為下一代短波接入技術(shù)提供參考。

短波通信；分集；天線陣；大數(shù)據(jù)

0 引言

短波通信是軍事通信中的重要通信手段。由于短波天波通信依賴于不穩(wěn)定的大氣電離層反射，導(dǎo)致短波通信的可通率和可靠性較差[1]。為了進(jìn)一步提升短波通信效能，短波廣域分集技術(shù)和智能選頻技術(shù)是兩個(gè)重要的研究方向。

短波廣域分集技術(shù)是將分布在各地的、經(jīng)有線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的多個(gè)短波站點(diǎn)接收到的、經(jīng)由不同傳播路徑的同一短波信號(hào)進(jìn)行合并處理，從而有效降低單個(gè)接收信道質(zhì)量惡化對(duì)短波通信造成的不利影響，顯著提高短波機(jī)動(dòng)用戶接入地面有線通信網(wǎng)的可通率和通信質(zhì)量[2]。在短波廣域分集系統(tǒng)的應(yīng)用中，上行信道(移動(dòng)臺(tái)→短波站點(diǎn))主要采用空間分集，將不同短波站點(diǎn)解調(diào)后的軟信息進(jìn)行時(shí)延校正和合并處理；下行信道(短波站點(diǎn)→移動(dòng)臺(tái))同樣也可以采用頻率分集，多個(gè)短波站點(diǎn)采用不同頻率發(fā)射信號(hào)，移動(dòng)臺(tái)通過(guò)多信道接收機(jī)并行接收，并將解調(diào)后的軟信息作時(shí)延校正和合并處理。由于移動(dòng)臺(tái)受到發(fā)射功率和場(chǎng)地空間的限制，短波通信上行信號(hào)傳輸成為制約通信聯(lián)絡(luò)的主要障礙，本文主要討論上行信道的短波廣域分集接收技術(shù)。

由于短波信道具有明顯的窗口效應(yīng)和時(shí)變特性，其可用頻率窗口會(huì)隨時(shí)間而發(fā)生改變。目前國(guó)內(nèi)已構(gòu)建的短波廣域分集系統(tǒng)僅僅從被動(dòng)接收的角度來(lái)對(duì)短波信號(hào)進(jìn)行分集合并，而沒有將智能選頻納入短波廣域分集系統(tǒng)來(lái)最大化系統(tǒng)分集增益。由此導(dǎo)致的一個(gè)問題是，在定頻發(fā)射條件下，短波廣域分集系統(tǒng)的系統(tǒng)性能會(huì)隨著時(shí)間的推移而不斷下降。

為了實(shí)現(xiàn)短波頻率的優(yōu)選，可通過(guò)短波頻率預(yù)測(cè)、短波頻率探測(cè)或二者相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。國(guó)內(nèi)外研究人員在短波頻率優(yōu)選方面已經(jīng)積累了大量的經(jīng)驗(yàn)和研究成果，極大地推動(dòng)了短波通信的發(fā)展[3-6]。短波頻率預(yù)測(cè)主要是對(duì)電離層的部分特征參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，通過(guò)理論分析來(lái)選擇最佳的短波通信頻率。國(guó)外公開的典型短波頻率預(yù)測(cè)軟件有IONCAP、VOACAP、ITS、W6ELProp等，已在美軍和民航領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[7]。然而，由于國(guó)際電聯(lián)提出的ITU-R電離層參考模型應(yīng)用于中國(guó)周邊區(qū)域時(shí)，短波頻率預(yù)測(cè)存在較大偏差，中國(guó)電波傳播研究所改進(jìn)并提出了新的亞大方法，有效提高了我國(guó)及周邊區(qū)域短波頻率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。短波頻率探測(cè)是一種主動(dòng)頻率優(yōu)選手段，如Chirp探測(cè)等，通過(guò)獲取短波信道通信質(zhì)量的參數(shù)來(lái)達(dá)到頻率優(yōu)選的目的[8-9]。盡管基于探測(cè)的短波選頻技術(shù)具有即時(shí)、準(zhǔn)確等特點(diǎn)，但由于基于主動(dòng)探測(cè)的選頻技術(shù)容易暴露目標(biāo)和遭到敵方的干擾和打擊，無(wú)法滿足軍事短波通信的需要。

本文提出了一種結(jié)合大數(shù)據(jù)的短波廣域分集技術(shù)，將智能選頻納入短波廣域分集系統(tǒng)，以最大化系統(tǒng)分集增益，從而有效提高短波通信系統(tǒng)性能。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及功能設(shè)計(jì)

短波廣域分集典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由移動(dòng)臺(tái)(飛機(jī)、車輛等)和短波地面站點(diǎn)組成。結(jié)合大數(shù)據(jù)的短波廣域分集操作分兩個(gè)階段完成，如圖2所示。在第一個(gè)階段中，在機(jī)動(dòng)用戶側(cè)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過(guò)輸入的通信狀態(tài)數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)和天文數(shù)據(jù)，獲得移動(dòng)臺(tái)到各短波站點(diǎn)k的可用頻率窗口Ak，k=1,…,N，其中N為短波站點(diǎn)數(shù)量。在第二個(gè)階段中，從獲得的所有可用頻率中，選擇能最大化系統(tǒng)分集接收效用的短波通信頻率。移動(dòng)臺(tái)發(fā)射的短波信號(hào)經(jīng)地域上相隔較遠(yuǎn)的短波臺(tái)站并行接收后，由短波分集接收從站將解調(diào)后的軟值信息經(jīng)有線網(wǎng)絡(luò)傳輸至短波分集接收主站合并，恢復(fù)出原始信號(hào)，從而大大提高短波通信的可靠性和可通率。

圖1 短波廣域分集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2 結(jié)合大數(shù)據(jù)的短波廣域分集技術(shù)框構(gòu)

該系統(tǒng)區(qū)別于以往的定頻短波廣域分集接收系統(tǒng)，充分利用大數(shù)據(jù)技術(shù)挖掘了影響短波通信效能的通信狀態(tài)數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)和天文數(shù)據(jù)，既包含了對(duì)短波電離層的統(tǒng)計(jì)特性，也考慮了對(duì)電離層發(fā)生突發(fā)、非周期變化的預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了可以依據(jù)短波廣域分集系統(tǒng)上行短波多信道特性的變化實(shí)時(shí)切換工作頻率，從而最大化系統(tǒng)整體分集接收性能。

2 基于大數(shù)據(jù)的短波頻率預(yù)測(cè)

2.1 功能設(shè)計(jì)

基于大數(shù)據(jù)的短波頻率預(yù)測(cè)技術(shù)架構(gòu)主要由數(shù)據(jù)來(lái)源層、數(shù)據(jù)獲取層、預(yù)處理層、存儲(chǔ)層、分析層、應(yīng)用層等組成，如圖3所示。以下將對(duì)各層的主要功能做詳細(xì)介紹。

圖3 短波頻率預(yù)測(cè)技術(shù)架構(gòu)

(1)數(shù)據(jù)來(lái)源層

該層包含實(shí)施短波頻率預(yù)測(cè)所有必要的數(shù)據(jù)源，包括結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。典型數(shù)據(jù)來(lái)源分為通信狀態(tài)數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、天文數(shù)據(jù)等三大類。

①通信狀態(tài)數(shù)據(jù)：包括短波通信頻率、天線尺寸、天線仰角、電臺(tái)功率、年、月、日、季節(jié)、晝夜等狀態(tài)數(shù)據(jù)；

②地理信息數(shù)據(jù)：包括收發(fā)點(diǎn)經(jīng)緯度、電離層厚度、電離層密度、太陽(yáng)天頂角、收發(fā)點(diǎn)間大圓距離、短波單跳最大地面距離等信息數(shù)據(jù)；

③天文數(shù)據(jù)：包括太陽(yáng)黑子數(shù)、太陽(yáng)活動(dòng)性指數(shù)、太陽(yáng)黑子活動(dòng)周期、太陽(yáng)黑子大小、耀斑周期、太陽(yáng)風(fēng)周期等天文信息數(shù)據(jù)。

(2)數(shù)據(jù)獲取層

將所獲取的通信狀態(tài)數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、天文數(shù)據(jù)等傳送至數(shù)據(jù)處理或存儲(chǔ)于指定位置中。該層可通過(guò)智能算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)判斷。

(3)數(shù)據(jù)預(yù)處理層

該層將對(duì)下層所遞交的數(shù)據(jù)作清洗等過(guò)濾操作，提高數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果的質(zhì)量，縮短數(shù)據(jù)挖掘時(shí)間。

(4)存儲(chǔ)層

該層主要提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，同時(shí)也提供對(duì)處理模型的存儲(chǔ)。

(5)分析層

該層既可利用Spark SQL實(shí)現(xiàn)對(duì)短波頻率預(yù)測(cè)的實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)查詢，也可利用短波頻率使用的歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，獲得短波頻率預(yù)測(cè)模型。同時(shí)，通過(guò)不斷獲取的、新的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用算法庫(kù)進(jìn)一步修正和優(yōu)化短波頻率預(yù)測(cè)模型，從而更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)短波可用頻率。

(6)應(yīng)用層

該部分使用分析層所提供的頻率預(yù)測(cè)模型，做出對(duì)短波頻率選擇的判斷。

2.2 功能流程

基于大數(shù)據(jù)的短波通信頻率預(yù)測(cè)分析流程如圖4所示。

圖4 大數(shù)據(jù)分析流程

由于短波天波通信依賴于電離層的反射，因此需要根據(jù)電離層和通信狀態(tài)等因素獲得移動(dòng)臺(tái)到各短波站點(diǎn)k的可用頻率窗口Ak，包括最高可用頻率(MUF)和最低可用頻率(LUF)。基于大數(shù)據(jù)的短波頻率預(yù)測(cè)系統(tǒng)首先從外部系統(tǒng)獲取與各短波站點(diǎn)間的通信狀態(tài)數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、天文數(shù)據(jù)等，通過(guò)大數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理技術(shù)，獲得訓(xùn)練樣本與特征數(shù)據(jù)；同時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、篩選、去重、增強(qiáng)等操作，提取出特征數(shù)據(jù)。然后，利用統(tǒng)計(jì)運(yùn)算、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)手段，通過(guò)不斷迭代對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練，得到短波選頻模型，并對(duì)模型進(jìn)行評(píng)估及多次迭代調(diào)優(yōu)，最后將模型應(yīng)用于短波通信頻率預(yù)測(cè)，從而得到移動(dòng)臺(tái)到各短波站點(diǎn)k的可用頻率窗口Ak。

3 基于最大分集接收效用的短波頻率選擇

3.1 基于最大分集接收效用的短波選頻模型

在短波廣域分集接收系統(tǒng)中主要采用的分集合并技術(shù)包括選擇合并、等增益合并和最大比值合并等，本文以下主要討論能取得最佳合并性能的最大比值合并來(lái)提升短波通信效能。

短波分集接收從站將并行接收的信號(hào)經(jīng)有線網(wǎng)絡(luò)匯聚至短波分集接收主站合并接收時(shí)，需要合理選取各分支的加權(quán)系數(shù)，使得合并后信號(hào)的信噪比最大，且其最大輸出信噪比為各支路信噪比之和[10]。因此，選擇短波頻率來(lái)最大化分集接收效用可轉(zhuǎn)化為使得合并后信號(hào)的輸出信噪比最大問題。

(1)

則最大化分集接收效用的短波選頻問題歸結(jié)為求解式(2)。

(2)

最優(yōu)可用短波頻率為：

(3)

由于該問題的求解復(fù)雜度主要與搜索空間A有關(guān)。為了加快該問題的求解，減少遍歷搜索時(shí)間，工程實(shí)施上可以考慮合理縮小搜索空間A，尋找近似最優(yōu)解。

3.2 頻率選擇流程

圖5 短波頻率選擇流程

在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以搜索出除最優(yōu)工作頻率外的多個(gè)次優(yōu)工作頻率作為備選頻率，以確保最佳的短波語(yǔ)音質(zhì)量和通信效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種結(jié)合大數(shù)據(jù)的短波廣域分集技術(shù)，以充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)在短波選頻中的輔助決策功能以及單極性天線陣在短波頻段廣域分集接收功能。實(shí)驗(yàn)表明，該技術(shù)可顯著提高短波機(jī)動(dòng)用戶接入地面有線通信網(wǎng)的可通率和通信質(zhì)量。未來(lái)，本公司將繼續(xù)開展短波頻段小型異構(gòu)天線陣在短波廣域分集接收系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，以進(jìn)一步提高短波通信效能。

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HF wide area diversity technology combined with big data

Liu Qinglong1,2, Dong Jiashan2

(1. School of Electronic and Information Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China; 2. Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company, Guangzhou 510663, China)

In order to enhance the support capability for HF (High Frequency) communication, this paper proposes the HF wide area diversity technology combined with big data, which fully exploits the decision assistant function played by big data in HF frequency prediction and the function of diversity in HF band played by antenna arrays. The proposed HF wide area diversity technology effectively reduces the adverse effects on HF communications caused by the deterioration of the quality of a single receiving channel and thus greatly improves the transmissibility and quality of HF communications for the access of HF mobile users to the ground wired communication networks. The proposed technical architecture and design may be as a reference for the next generation of HF access technology.

HF communication; diversity; antenna array; big data

“廣州市企業(yè)博士后研究人員國(guó)際培養(yǎng)計(jì)劃”資助

TN926+.2

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.13.021

劉青龍，董家山.結(jié)合大數(shù)據(jù)的短波廣域分集技術(shù)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(13)：70-72，75.

2017-02-07)

劉青龍，通信作者，男，博士，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師，主要研究方向：無(wú)線通信、網(wǎng)絡(luò)編碼、網(wǎng)絡(luò)安全、短波通信等。E-mail: qq350653765@163.com。