基于非線性掃頻的短波實(shí)時(shí)選頻方法研究*

田曉銘，張海勇，歐剛強(qiáng)，徐 池

（1.海軍大連艦艇學(xué)院 信息系統(tǒng)系，遼寧 大連 116018；2.91917部隊(duì)，北京 102401）

0 引 言

短波通信依靠其機(jī)動(dòng)性、頑存性等特點(diǎn)，在軍事指揮和戰(zhàn)術(shù)通信方面具有重要意義。然而，受太陽活動(dòng)、地磁變化、地震形成等多方面自然因素的影響[1-2]，短波信道中普遍存在多普勒頻移、多徑效應(yīng)等影響通信質(zhì)量的傳播干擾[3]，導(dǎo)致通信過程的不穩(wěn)定、不可靠。差錯(cuò)控制技術(shù)、擴(kuò)跳頻技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)手段能在一定程度上提高通信效果，但終究難以克服惡劣信道的致命弱點(diǎn)。因此，頻率選擇和優(yōu)選技術(shù)成為限制短波通信質(zhì)量提升的瓶頸[4]。

現(xiàn)代短波通信中頻率優(yōu)選的方式方法主要依靠中長(zhǎng)期頻率預(yù)測(cè)和實(shí)時(shí)選頻技術(shù)。相較于中長(zhǎng)期的預(yù)報(bào)手段，實(shí)時(shí)選頻技術(shù)在時(shí)效性和準(zhǔn)確性上具有明顯優(yōu)勢(shì)[5]。現(xiàn)有的海軍頻率管理系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)選頻設(shè)備的掃頻模式固化，控制參數(shù)單一，頻點(diǎn)分布均勻，掃頻效率受到制約。若頻點(diǎn)分布密集，精確度高但耗時(shí)長(zhǎng)，加大了目標(biāo)被敵方捕獲的風(fēng)險(xiǎn)；若單純控制掃頻時(shí)間，則無法達(dá)到選頻的實(shí)際作用和應(yīng)用效果。為在應(yīng)用中兼顧選頻精度和選頻效率，本文提出基于非線性掃頻的短波實(shí)時(shí)選頻方法，并利用REC533模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，研究非線性掃頻的控制參數(shù)和輸出掃頻間隔對(duì)實(shí)時(shí)選頻效果的影響，給出了具體的方法構(gòu)建和應(yīng)用過程。

1 實(shí)時(shí)選頻及非線性掃頻

1.1 實(shí)時(shí)選頻技術(shù)

基于短波信道缺陷發(fā)展起來的實(shí)時(shí)選頻技術(shù)，通過評(píng)價(jià)信道質(zhì)量選擇最佳工作頻率，是短波自適應(yīng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。早期實(shí)時(shí)選頻系統(tǒng)的探測(cè)設(shè)備與通信設(shè)備分離，利用獨(dú)立的探測(cè)系統(tǒng)對(duì)短波頻段進(jìn)行掃頻探測(cè)，根據(jù)質(zhì)量排序結(jié)果，將信道統(tǒng)一分配給區(qū)域用戶，也被稱為頻率管理系統(tǒng)[6]。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)通信質(zhì)量要求的提升，通信與探測(cè)合一的自適應(yīng)實(shí)時(shí)選頻技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。由自適應(yīng)實(shí)時(shí)選頻、自適應(yīng)編碼、自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)等技術(shù)組建的高頻自適應(yīng)系統(tǒng)，能夠適應(yīng)并跟蹤電離層變化，實(shí)時(shí)探測(cè)信道質(zhì)量，自動(dòng)搭建通信鏈路，提高了短波通信的有效性和可靠性[7]。

1.2 非線性掃頻模式

現(xiàn)有的短波實(shí)時(shí)選頻設(shè)備在3～30 MHz的范圍內(nèi)利用定頻或掃頻方式獲取信道通信質(zhì)量。定頻僅對(duì)數(shù)個(gè)預(yù)設(shè)頻點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)，為保證短波通信的可靠性，在條件允許的情況下，多采用基于起始頻率、固定步進(jìn)間隔和終止頻率的線性掃頻方式進(jìn)行實(shí)時(shí)選頻。當(dāng)掃頻間隔設(shè)置為0.2 MHz時(shí)，一個(gè)完整的選頻周期則需進(jìn)行100次以上的掃頻探測(cè)[8]。多次探測(cè)不僅造成通信信道的占用和時(shí)間的過度消耗，還增加了暴露發(fā)射站、接收站位置的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在保證選頻精度的同時(shí)，縮減探測(cè)過程，提高探測(cè)效率尤為重要。

常規(guī)線性掃頻模型為：

其中，f0是起始頻率，B是起始頻率與終止頻率間的頻帶寬度，N為探測(cè)區(qū)間數(shù)，n表示第n個(gè)區(qū)間 (n=0,1,2,…N)。

以2018年3月3日世界時(shí)間8時(shí)和20時(shí)北京某地--海南某地的通信為例，基于REC533模型可得掃頻間隔為1 MHz時(shí)頻率-信噪比的分布情況，如圖1所示。8時(shí)電離層特性較好，大部分頻段處于通信質(zhì)量良好狀態(tài)。在進(jìn)行的總計(jì)28次探測(cè)掃頻過程中，信噪比低于85 dB的采樣點(diǎn)次數(shù)為8次，達(dá)到總采樣點(diǎn)的28.57%。20時(shí)電磁環(huán)境較差，僅8個(gè)采樣點(diǎn)的信噪比超過85 dB，低質(zhì)量采樣點(diǎn)高達(dá)71.43%?？梢钥闯?，常規(guī)掃頻模式在通信環(huán)境較好時(shí)應(yīng)用性較好，但并不能適應(yīng)復(fù)雜的通信環(huán)境變化。同時(shí)，掃頻間隔越小，探測(cè)次數(shù)越多，更易加重探測(cè)信道與通信信道沖突情況，暴露收發(fā)站目標(biāo)。

圖1 2018年3月3日北京—海南實(shí)時(shí)選頻

基于上述分析，引入非線性掃頻方法。提高優(yōu)質(zhì)頻段的選頻精度，在劣質(zhì)頻段犧牲一定準(zhǔn)確性以提升選頻速率。非線性掃頻存在多種函數(shù)形式，常見的如指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)和對(duì)數(shù)函數(shù)等。本文選用一種較為簡(jiǎn)單的探測(cè)區(qū)間指數(shù)型的非線性掃頻模型：

其中，α＞0為指數(shù)參數(shù)，決定了掃頻間隔的變化情況。當(dāng)指數(shù)α取值不同時(shí)，掃頻頻點(diǎn)的稀疏程度如圖2所示。

圖2 參數(shù)α對(duì)掃頻點(diǎn)稀疏度的影響

圖2 （a）描述了α取0.5～1.5時(shí)實(shí)時(shí)選頻中的探測(cè)頻率變化曲線。為方便觀察，圖2（b）展現(xiàn)了特殊指數(shù)參數(shù)值下的掃頻點(diǎn)分布情況?？梢钥闯觯?dāng)α=1時(shí)，探測(cè)頻率以穩(wěn)定間隔增長(zhǎng)，頻點(diǎn)均勻分布即為線性等間隔掃頻；當(dāng)0＜α＜1時(shí)，步進(jìn)間隔減小，且下降速率不斷減緩，頻點(diǎn)分布逐漸密集；當(dāng)α＞1時(shí)，步進(jìn)間隔逐漸增大，頻率呈快速上升趨勢(shì)。因此，可通過調(diào)整α取值，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)掃頻間隔，改變探測(cè)頻率分布。

1.3 非線性掃頻模式優(yōu)化

探測(cè)過程中，無法提前預(yù)設(shè)通信質(zhì)量良好的頻段帶寬。因此，在進(jìn)行非線性掃頻時(shí)，以動(dòng)態(tài)間隔為調(diào)節(jié)尺度更為適合，具體表達(dá)形式為：

其中Δfd表示動(dòng)態(tài)掃頻間隔，Δfg表示固定掃頻間隔，M是采樣區(qū)間數(shù)、m為第m個(gè)采樣區(qū)間。當(dāng)Δfg=1 MHz，M=5時(shí)，不同指數(shù)參數(shù)α條件下的Δfd變化如表1所示。

表1 不同指數(shù)參數(shù)α條件下Δfd變化情況

2 非線性掃頻方法研究及仿真分析

2.1 非線性掃頻方法設(shè)計(jì)

由探測(cè)電離圖反演映射出的信噪比、傳輸時(shí)延、多普勒展寬和衰落噪聲等信道信息，可經(jīng)鏈路質(zhì)量分析（LQA）得到直觀體現(xiàn)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，將LQA作為掃頻速率的控制標(biāo)準(zhǔn)。基于反饋機(jī)制，當(dāng)通信質(zhì)量較差時(shí)，輸出穩(wěn)定的掃頻間隔即固定間隔；當(dāng)通信質(zhì)量較好且呈現(xiàn)上升趨勢(shì)時(shí)，控制掃頻間隔逐漸減小，探測(cè)頻率分布密集度增加；當(dāng)通信質(zhì)量較好且呈現(xiàn)下降趨勢(shì)時(shí)，控制掃頻間隔逐漸增大，探測(cè)頻點(diǎn)逐漸稀疏。具體的非線性掃頻模式的流程如圖3所示。

圖3 非線性掃頻模式流程

對(duì)應(yīng)的步驟為：

（1）輸入實(shí)時(shí)選頻初始頻率，以固定間隔進(jìn)行掃頻探測(cè)；

（2）基于信噪比S/N判斷電離層特性的變化趨勢(shì)。探測(cè)信道通信質(zhì)量較差時(shí)，繼續(xù)以固定間隔進(jìn)行掃頻探測(cè)；當(dāng)信道質(zhì)量較好時(shí)，采用動(dòng)態(tài)間隔的掃頻方法；

（3）重復(fù)上述過程（1）和（2），直至探測(cè)到終止頻率。

2.2 仿真驗(yàn)證

REC533模型具有良好的人機(jī)交互頁面，實(shí)現(xiàn)了ITU-R P.533模型和短波天波傳播特性計(jì)算的程序化，避免了以往頻率預(yù)測(cè)過程中的大量運(yùn)算和人為誤差。用戶僅通過輸入收發(fā)站坐標(biāo)信息、時(shí)間及太陽黑子數(shù)等基本信息，即可獲得24 h的通信質(zhì)量分析圖，能夠幫助用戶鎖定最低、最高可用頻率范圍，有利于方便快捷地獲取短波通信的最佳工作頻率?；赗CE533模型自身優(yōu)勢(shì)，利用信噪比作為電離層參數(shù)特性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)基于非線性掃頻方法的短波實(shí)時(shí)選頻技術(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

選取2018年3月3日世界時(shí)間8時(shí)和20時(shí)北京--海南的通信情況，具體的REC533參數(shù)設(shè)置如表2所示。分別采用基于0.2 MHz等間隔掃頻和基于非線性掃頻的實(shí)時(shí)選頻技術(shù)，結(jié)果如圖4、圖5所示。受限于通信設(shè)備精度，當(dāng)動(dòng)態(tài)間隔小于或等于0.2 MHz時(shí)，取0.2 MHz。

表2 REC533模型參數(shù)設(shè)置

圖4 北京—海南世界時(shí)8時(shí)實(shí)時(shí)選頻

圖5 北京—海南世界時(shí)20時(shí)實(shí)時(shí)選頻

為直觀比較兩種掃頻方法特性，驗(yàn)證基于非線性掃頻的實(shí)時(shí)選頻技術(shù)的可靠性，分別計(jì)算了世界時(shí)間8時(shí)、20時(shí)信噪比的絕對(duì)誤差值，如圖6所示。

圖6 北京—海南短波通信的信噪比絕對(duì)誤差

2.3 結(jié)果分析

通過以上仿真驗(yàn)證可以得到如下結(jié)論：

（1）非線性掃頻可以大幅縮減實(shí)時(shí)選頻周期，提高選頻效率。通過對(duì)比等間隔掃頻和非線性掃頻效果可以看出，基于非線性掃頻的實(shí)時(shí)選頻周期更短，節(jié)約了選頻成本，且越是惡劣的通信環(huán)境，非線性掃頻的適用性越強(qiáng)。觀察圖4（a）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用非線性掃頻方法時(shí)，信噪比低于85 dB的探測(cè)過程由39個(gè)頻點(diǎn)減少至8個(gè)，不足原掃頻周期的1/4。在3～15.4 MHz，新掃頻方法用17次探測(cè)選頻代替了原方法63次的探測(cè)選頻。短波全頻段掃頻周期縮減了33.82%。在通信環(huán)境較差的條件下，非線性掃頻的優(yōu)勢(shì)更為明顯。世界時(shí)間20時(shí)北京—海南通信中，信噪比低于85 dB的探測(cè)次數(shù)由96次降至21次，降低了78.35%。短波全頻段掃頻周期由136個(gè)頻點(diǎn)削減為46個(gè)頻點(diǎn)，節(jié)約了66.18%的選頻時(shí)間，減少了信道占用情況，降低了收發(fā)雙方目標(biāo)暴露的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）基于非線性掃頻的實(shí)時(shí)選頻結(jié)果更可靠

由圖4、圖5兩組仿真效果圖對(duì)比可以看出，非線性掃頻法在提高選頻速率的同時(shí)準(zhǔn)確性良好，信道質(zhì)量變化時(shí)各頻點(diǎn)分布清晰，通信質(zhì)量變化趨勢(shì)明顯，與原等間隔掃頻的通信質(zhì)量分析圖差異甚小，具有良好的可靠性。世界時(shí)間8時(shí)，北京—海南通信質(zhì)量較好，信噪比絕對(duì)誤差在頻率4.8 MHz時(shí)達(dá)到峰值-1.18 dB，相對(duì)誤差為1.98%。在通信環(huán)境較差的20時(shí)，信噪比絕對(duì)誤差在15.8 MHz、16.8 MHz和25.6 MHz分別達(dá)到-0.3 dB、0.33 dB和0.32 dB。此時(shí)，全頻段最大相對(duì)誤差0.52%出現(xiàn)在25.6 MHz?；谝陨蠑?shù)值分析可以看出，非線性掃頻法在節(jié)約實(shí)時(shí)選頻周期的同時(shí)，能夠保證掃頻結(jié)果的準(zhǔn)確性，未探測(cè)頻段的通信效果可由探測(cè)分析圖進(jìn)行推導(dǎo)。

3 結(jié) 語

本文結(jié)合電離層傳輸特性，分析了基于等間隔掃頻的實(shí)時(shí)選頻技術(shù)的不足，提出了一種基于非線性掃頻的實(shí)時(shí)選頻技術(shù)，并驗(yàn)證了該方法的有效性和可靠性。在通信環(huán)境較好時(shí)，提高掃頻次數(shù)以致盡可能多地尋找優(yōu)質(zhì)通信信道；在劣質(zhì)通信環(huán)境下，可犧牲精度提高掃頻速率，達(dá)到同時(shí)兼顧實(shí)時(shí)選頻效率和精度的目的。實(shí)際應(yīng)用中，面對(duì)自然干擾、人為干擾等復(fù)雜環(huán)境變化，需選擇合適的動(dòng)態(tài)間隔，以保證選頻的準(zhǔn)確性。因此，可進(jìn)一步研究動(dòng)態(tài)間隔尺度問題，用于完善基于非線性掃頻的實(shí)時(shí)選頻技術(shù)。