短波信道改進(jìn)型快速建鏈技術(shù)研究

田 甜，田 杰

（西安烽火電子科技有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000）

0 引 言

短波通信技術(shù)屬于中遠(yuǎn)程無線通信技術(shù)，在短波通信過程中，由于信道之間存在競(jìng)爭(zhēng)特性和時(shí)變特性，因此在進(jìn)行業(yè)務(wù)通信前需要對(duì)待選信道進(jìn)行探測(cè)和建鏈。對(duì)可用信道集合進(jìn)行依次探測(cè)和評(píng)估，其過程消耗的時(shí)間在整體建鏈過程中占較高的比例，不僅降低了短波通信效率，而且還降低了信道質(zhì)量參數(shù)輸出的實(shí)時(shí)性[1]。本文針對(duì)短波通信建鏈問題，改進(jìn)短波通信建鏈方案，提出了一種改進(jìn)型的快速建鏈方案，以提升短波通信效率和信道質(zhì)量參數(shù)的實(shí)時(shí)性。

1 短波鏈路建立流程

第三代短波通信的鏈路建立過程分為系統(tǒng)空閑和建鏈兩個(gè)階段。在系統(tǒng)空閑階段對(duì)信道進(jìn)行探測(cè)，篩選出所有可用的頻率，構(gòu)成可用頻率集合，在建立鏈路時(shí)從可用頻率集中選取適當(dāng)?shù)念l率進(jìn)行建鏈和通信。該設(shè)計(jì)未能充分考慮信道間的競(jìng)爭(zhēng)和信道的時(shí)變特性，短波信道之間存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，會(huì)導(dǎo)致信道質(zhì)量降低，另外由于信道的時(shí)變特性要求，需要實(shí)時(shí)刷新信道的探測(cè)結(jié)果，以保證信道質(zhì)量探測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)性。頻率探測(cè)和建鏈?zhǔn)欠至⑦M(jìn)行的，這會(huì)導(dǎo)致原來可用的頻率段變成不可用，第三代短波通信技術(shù)對(duì)該問題了進(jìn)行了一定的改進(jìn)，增加了建鏈前探測(cè)，即在進(jìn)行建立鏈路之前，先對(duì)備選的頻率點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)，利用提前探測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)信道質(zhì)量評(píng)估，篩選出進(jìn)行建鏈的最優(yōu)頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信道實(shí)時(shí)性的改善[2]。

短波傳統(tǒng)建鏈流程中，主呼叫方先依次探測(cè)可用的頻率集合，一般頻率集合可設(shè)定為64個(gè)頻率點(diǎn)。探測(cè)選定頻率點(diǎn)附近3 kHz的帶寬，若檢測(cè)結(jié)果表明該信道為繁忙狀態(tài)，則進(jìn)行對(duì)下個(gè)頻率點(diǎn)的探測(cè)，若檢測(cè)到當(dāng)前信道為空閑狀態(tài)，則發(fā)送后續(xù)響應(yīng)的探測(cè)信號(hào)。發(fā)送探測(cè)信號(hào)后若能夠收到應(yīng)答信號(hào)，則可依據(jù)應(yīng)答信號(hào)中的SNR信息和應(yīng)答信號(hào)強(qiáng)度，對(duì)信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行綜合估計(jì)。當(dāng)完成全部信道探測(cè)后，依據(jù)鏈路質(zhì)量分析算法，對(duì)信道質(zhì)量進(jìn)行綜合篩選，依據(jù)信道質(zhì)量對(duì)信道順序進(jìn)行降序排列，選出質(zhì)量最優(yōu)的信道。選擇在最優(yōu)信道上進(jìn)行呼叫，如果能夠收到握手信號(hào)，則表示成功完成鏈路建立，即可轉(zhuǎn)入正常的業(yè)務(wù)通信。

2 改進(jìn)型快速建鏈技術(shù)

傳統(tǒng)建立鏈路過程需要對(duì)可用頻率集合依次進(jìn)行探測(cè)，該方法存在以下兩方面的問題。一方面是該探測(cè)過程會(huì)增加建鏈所需時(shí)間，頻率間的切換和對(duì)信道狀態(tài)的探測(cè)花費(fèi)了建鏈的大部分時(shí)間，降低了通信效率。另一方面是該過程無法完全保障信道質(zhì)量參數(shù)的實(shí)時(shí)性，由于短波信道具有快速時(shí)變性，信道質(zhì)量有可能在很短時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化，因此探測(cè)獲得的信道質(zhì)量估計(jì)值可能具有滯后。改進(jìn)快速建鏈技術(shù)的目的是提升建鏈速度，通過建鏈速度的提升可以提高通信效率和信道質(zhì)量評(píng)估的實(shí)時(shí)性，同時(shí)需要保證建鏈的快速性和穩(wěn)定性，在傳統(tǒng)建鏈流程的基礎(chǔ)上對(duì)建鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)[3]。改進(jìn)型快速建鏈流程如圖1所示。

圖1 改進(jìn)型快速建鏈流程

改進(jìn)型快速建鏈技術(shù)在對(duì)頻率集合探測(cè)前加入頻譜預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)，通過頻譜預(yù)測(cè)可以獲得信道閑忙狀態(tài)的預(yù)測(cè)值，根據(jù)信道狀態(tài)的預(yù)測(cè)結(jié)果判斷是否可以建鏈。利用頻率預(yù)測(cè)減少了探測(cè)過程中頻率間的切換過程和信道感知，降低了這兩個(gè)過程的時(shí)間消耗。頻譜預(yù)測(cè)存在一定的預(yù)測(cè)誤差，有可能導(dǎo)致對(duì)信道狀態(tài)的誤判，但預(yù)測(cè)誤差出現(xiàn)的概率很小，僅造成了很小的性能損失，卻能夠?qū)崿F(xiàn)建鏈速度的大幅度提升。另外改進(jìn)了LQA算法，新型LQA算法不僅將信道信噪比作為主要考察因素，同時(shí)將信道連續(xù)空閑時(shí)長(zhǎng)和空閑概率作為考察因素。通過引入連續(xù)空閑時(shí)長(zhǎng)，增加連續(xù)空閑時(shí)長(zhǎng)因素的權(quán)重，會(huì)將連續(xù)空閑較長(zhǎng)的信道靠前排序，從而使得空閑信道會(huì)被優(yōu)先探測(cè)，降低信道切換的次數(shù)，提高信道探測(cè)效率。此外，通過引入信道空閑概率可以排除出一些特殊狀況，例如對(duì)某信道的下一時(shí)刻預(yù)測(cè)狀態(tài)為閑且其連續(xù)空閑時(shí)間也較長(zhǎng)，但實(shí)際情況是該信道下一時(shí)刻為繁忙且其時(shí)間空閑率也較低，通過信道空閑概率判斷，可篩選出此類錯(cuò)誤預(yù)判情況。

3 信號(hào)收發(fā)方案設(shè)計(jì)

信號(hào)建鏈過程中涉及到信號(hào)的發(fā)送和接收，信號(hào)的收發(fā)對(duì)信道探測(cè)和信道質(zhì)量評(píng)估具有重要影響，因此需分別分析信號(hào)的發(fā)送方案和接收方案。

3.1 信號(hào)發(fā)送方案

信號(hào)的發(fā)送過程主要包括生成發(fā)送序列、生成波形以及調(diào)制載波。首先需要解決的問題是生成發(fā)送序列，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理、保護(hù)序列、同步報(bào)頭序列、PDU信息處理以及合并等操作，將協(xié)議數(shù)據(jù)的信息轉(zhuǎn)換為待發(fā)送的序列。待發(fā)送序列生成流程圖如圖2所示，描述了從協(xié)議數(shù)據(jù)到待發(fā)送序列之間經(jīng)過的處理環(huán)節(jié)和處理過程[4]。

圖2 待發(fā)送序列生成流程

生成待發(fā)送序列后，需要生成波形。待發(fā)送序列屬于符號(hào)值序列，對(duì)其進(jìn)行處理后轉(zhuǎn)換為連續(xù)的波形，轉(zhuǎn)變標(biāo)準(zhǔn)需選用GJB和MIL協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，選用8PSK對(duì)發(fā)送序列實(shí)施調(diào)制映射，通過映射將待發(fā)序列劃分為I和Q兩路，通過濾波獲得基帶信號(hào)的連續(xù)波形，基帶波形生成流程如圖3所示。最后是完成載波調(diào)制，分別將I和Q基帶波形與各調(diào)制信號(hào)進(jìn)行相乘，然后將兩路信號(hào)合并為一路信號(hào)，將最終的信號(hào)通過射頻輸出發(fā)送信號(hào)。

圖3 基帶波形生成流程

3.2 信號(hào)接收方案

信號(hào)接收處理流程如圖4所示，接收信號(hào)通過信道接收機(jī)被接收到系統(tǒng)中進(jìn)行帶通濾波。帶通濾波器的中心頻率設(shè)計(jì)為1 800 Hz，帶寬設(shè)計(jì)為3 kHz。信號(hào)經(jīng)過帶通濾波后，再進(jìn)行希爾伯特變換去除頻譜中的負(fù)頻率部分，以便之后進(jìn)行的去載波和參數(shù)估計(jì)處理環(huán)節(jié)。緊接著是對(duì)信號(hào)的下采樣，采樣頻率與發(fā)送濾波器的中心頻率相一致，下采樣之后進(jìn)行去載波處理，信號(hào)經(jīng)過去載波處理后，即可獲取到發(fā)送信號(hào)濾波后輸出的基帶信號(hào)。之后即可對(duì)獲得的信號(hào)進(jìn)行分析處理，估計(jì)信道參數(shù)，如實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)延和信噪比等參數(shù)的估計(jì)。通過參數(shù)的估計(jì)值即可評(píng)價(jià)建立的鏈路質(zhì)量，另外可利用信道參數(shù)校正信道。最后提取信號(hào)中的信息，其過程基本就是發(fā)送流程的逆過程，利用信息提取即可獲得最終所需要的協(xié)議數(shù)據(jù)信息。

圖4 信號(hào)接收處理流程

4 結(jié) 論

本文在第三代短波通信探測(cè)和鏈路建立技術(shù)的基礎(chǔ)上改進(jìn)鏈路建立過程，提出了一種改進(jìn)型快速建鏈方案，提高鏈路建立的快速性和穩(wěn)定可靠性，以解決現(xiàn)有探測(cè)和建鏈技術(shù)效率低和時(shí)效性差的問題。短波信道具有短時(shí)間內(nèi)發(fā)生時(shí)變的特性，開發(fā)更為快速的探測(cè)和建鏈技術(shù)在短波通信中具有較強(qiáng)的需求，因此快速建鏈技術(shù)是短波通信中關(guān)鍵研究技術(shù)。