基于頻率重構(gòu)技術(shù)的自優(yōu)化短波電臺設(shè)計

徐 池,郭 誼,韓 東

(海軍大連艦艇學院,遼寧大連 116018)

在衛(wèi)星通信技術(shù)迅猛發(fā)展的當下,短波通信因其利用電離層天然中繼的特點,仍為重要的遠程通信手段之一,軍事領(lǐng)域的應用尤為突出。2017年以來,羅克韋爾·柯林斯公司(Rockwell Collins，簡稱“羅柯公司”)根據(jù)美國空軍研究實驗室(AFRL/RI)授權(quán)的合同,成功進行了多次8000多千米距離的下一代寬帶高頻通信系統(tǒng)(WBHF)的高頻通信能力試驗,在持續(xù)多日的演示過程中,該高頻通信系統(tǒng)快速可靠地傳輸了大小不等的數(shù)據(jù)文件,展示了在沒有衛(wèi)星通信的環(huán)境下遠程通信保障能力。羅柯公司高頻通信系統(tǒng)運用了先進的短波高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)及短波頻率優(yōu)選技術(shù),系統(tǒng)具備根據(jù)外界環(huán)境變化進行自動頻率預測、選擇的能力。具有較強的頻率選擇能力是衡量短波通信設(shè)備性能的重要指標之一。目前,常規(guī)的自適應體制短波電臺只能在有限的頻點選擇通信頻率,預置頻率是否準確,將影響最終的通信效果[1-2]。在自適應選頻的基礎(chǔ)上,基于自優(yōu)化技術(shù)的短波通信設(shè)備出現(xiàn)了。首部自優(yōu)化短波電臺由澳大利亞柯頓公司生產(chǎn),該系列電臺能夠通過記錄位置、時間等與頻率相關(guān)信息以實現(xiàn)頻率的局部自優(yōu)化,但設(shè)備本身缺乏對數(shù)據(jù)的綜合處理分析能力。針對短波通信設(shè)備長期存在的選頻困難、依賴經(jīng)驗、可靠性低的現(xiàn)狀,需要加快研制一種具有頻率自優(yōu)化功能的短波通信設(shè)備,實現(xiàn)短波工作頻率的自我生成、自我更新和自我優(yōu)化,進而最終能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的快速建鏈,提高設(shè)備選頻綜合能力。

1 短波電臺選頻方式分析

按選頻技術(shù)與通信設(shè)備相結(jié)合的程度和選頻組織運用方法的不同,現(xiàn)有常規(guī)短波電臺可以分為兩大類別:一種是將選頻技術(shù)與通信設(shè)備本身相分離,利用專門的頻率管理系統(tǒng)為通信設(shè)備推薦通信用頻,另一種是將選頻技術(shù)直接運到通信設(shè)備中,將兩種結(jié)合,實現(xiàn)選頻與通信相結(jié)合[3]。

1.1 選頻與通信相分離方式

選頻與通信相分離運用方式的基本原理是:利用獨立的短波通信探測系統(tǒng)在短波指定頻段或全頻段掃描探測,在接收端測量衡量短波通信質(zhì)量的典型參數(shù),如信噪比、誤碼率和多徑時延等,通過分析統(tǒng)計上述參數(shù),進而確定實際通信環(huán)境下的短波通信用頻。最后,利用相關(guān)技術(shù)手段實現(xiàn)探測優(yōu)選頻率的分發(fā),為短波通信設(shè)備提供通信用頻。這種獨立于通信設(shè)備本身的選頻系統(tǒng)是最早投入使用的實時選頻系統(tǒng),也稱為自適應頻率管理系統(tǒng)。如美國在20世紀80年代初研制出的第二代戰(zhàn)術(shù)頻率管理系統(tǒng)AN/TRQ-42(V),利用獨立的探測系統(tǒng)組成一定區(qū)域內(nèi)的頻率管理網(wǎng)絡(luò),在短波范圍內(nèi)對頻率進行快速掃描探測,得到通信質(zhì)量優(yōu)劣的頻率排序表,根據(jù)需要,統(tǒng)一分配給本區(qū)域的各個用戶。這種實時選頻系統(tǒng)其實只對區(qū)域內(nèi)的用戶提供實時頻率預報,通信與探測是由彼此獨立的系統(tǒng)分別完成的。

1.2 選頻與通信相結(jié)合方式

隨著微處理器技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)不斷發(fā)展,為克服選頻與通信相分離方式存在的不足,出現(xiàn)了一類將選頻與通信結(jié)為一體設(shè)備:短波自適應通信電臺。該型電臺對短波信道的探測、評估和通信一并完成[5-6]。電臺具備在限定信道上的實時信道估值功能,能對短波信道進行局部頻段或頻點的探測,選擇出部分頻段或頻點中的較佳短波信道進行通信,減少短波信道的時變性、多徑延時和噪聲干擾等對通信的影響,使短波通信頻率隨信道條件變化而自適應地改變。實際應用中,自適應短波電臺的預選頻率需要人工置入,一方面置入頻率數(shù)量有限,另一方面置入頻率的質(zhì)量無法有效保障,如果置入的有限頻率無法實現(xiàn)有效的鏈路質(zhì)量分析,那鏈路的自動建立更無從談起,進而導致自適應電臺始終無法選擇出有效的通信頻率。

自優(yōu)化短波電臺屬于探測與通信相結(jié)合的技術(shù)體制,區(qū)別于現(xiàn)行頻率自適應技術(shù)的關(guān)鍵在于:電臺本身可通過建立綜合考慮地理位置、時間等關(guān)鍵因素的短波頻率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫,積累各區(qū)域的通信頻率數(shù)據(jù),運用先進算法對基于地理位置信息的頻率數(shù)據(jù)進行處理、優(yōu)化,最終為短波電臺通信優(yōu)選工作頻率,使得自優(yōu)化電臺實現(xiàn)無須人工約定頻率,即可進行呼叫建鏈，同時，具有歷史經(jīng)驗功能,可以進行快速建鏈。

2 電臺組成結(jié)構(gòu)及頻率優(yōu)化流程設(shè)計

自優(yōu)化短波電臺的關(guān)鍵在于實現(xiàn)頻率的自優(yōu)化,頻率自優(yōu)化是指在達成通信協(xié)議的條件下,通信雙方根據(jù)設(shè)定條件進行選頻,可在短波頻率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫所記錄的歷史數(shù)據(jù)推薦選擇最優(yōu)工作頻率,進而自動構(gòu)成通信鏈路?；诙滩ㄍㄐ艡C理,需要為歷史頻率數(shù)據(jù)配置通信雙方電臺設(shè)備的識別碼、通信地點、通信時間等關(guān)鍵信息參數(shù),運用頻率數(shù)據(jù)庫的自動存儲、分析處理和按需更新的能力,實現(xiàn)通信系統(tǒng)根據(jù)被叫臺識別碼和開始時間等條件自動調(diào)用可用頻率的功能,進而彌補目前自適應選頻技術(shù)應用過程中預置頻率無法更新的不足。在底層頻率數(shù)據(jù)不足區(qū)域,運用頻率重構(gòu)技術(shù)為短波電臺提供備用頻率。

2.1 自優(yōu)化短波電臺結(jié)構(gòu)組成

結(jié)合現(xiàn)有的通信設(shè)備,短波自優(yōu)化電臺組成框圖如圖1所示。相比較常規(guī)短波電臺,自優(yōu)化短波電臺在設(shè)備組成上增加了北斗模塊、短波頻率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、短波數(shù)據(jù)重構(gòu)模塊等部分。

圖1 自優(yōu)化短波電臺主要模塊組成框圖

1)北斗模塊

北斗模塊提供通信電臺的地理位置和時間信息。位置和時間信息是保證短波頻率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫獲取完整數(shù)據(jù)要素的關(guān)鍵,自優(yōu)化電臺可充分利用北斗模塊定位、授時和短報文功能,為短波自優(yōu)化選頻、日夜頻自動切換提供關(guān)鍵的地理信息和時間等數(shù)據(jù)支撐。

2)短波頻率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫

短波頻率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫用來存儲和管理短波通信頻率所對應的時間、位置和信道質(zhì)量信息。時間和位置信息的重要性體現(xiàn)在電離層統(tǒng)計特性的規(guī)律變化。電離層受太陽及宇宙射線輻射影響,具有一定的日夜變化、季節(jié)變化、隨太陽黑子11年周期變化、隨通信地理位置變化的統(tǒng)計變化規(guī)律。因此,在一個太陽黑子周期內(nèi),同一個季節(jié)和位置,每天的同一時刻的通信信道質(zhì)量情況可能相似。這樣,建立帶有時間、位置信息的鏈路質(zhì)量歷史數(shù)據(jù)就十分有意義。自優(yōu)化短波電臺可為每一個通信頻率增加通信雙方識別碼、時間和位置等標識信息,從而建立一個帶有位置、時間、電臺標識和信道參數(shù)等信息的鏈路質(zhì)量數(shù)據(jù)庫。

3)短波長期頻率預測模塊

短波長期頻率預測模塊可根據(jù)通信收發(fā)雙方的具體通信時間、地理位置等輸入?yún)?shù),實現(xiàn)短波最高可用頻率、最低可用頻率以及可通工作頻段預測,為系統(tǒng)自動線路的建立提供備用頻率資源,形成對短波頻率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的有效底層數(shù)據(jù)支撐和補充。

4)短波數(shù)據(jù)重構(gòu)模塊

基于短波頻率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),依據(jù)短波通信頻率在空間位置上相關(guān)性,利用空間重構(gòu)算法,重構(gòu)出通信雙方未知地理區(qū)域的通信頻率點,對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行有效擴充,進而為自優(yōu)化電臺選頻提供重要的備用手段之一。

5)自動線路建立模塊

自動線路建立是實現(xiàn)短波通信自優(yōu)化的重要步驟之一。自動線路建立功能是指通信雙方根據(jù)短波頻率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫推薦的優(yōu)選頻率,自動實現(xiàn)通信鏈路的建立。當通信鏈路受外界環(huán)境變化或有意干擾而導致質(zhì)量下降或鏈路中斷時,根據(jù)通信協(xié)議,自動向頻率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫申請新的優(yōu)選頻率,重新構(gòu)建通信鏈路。

2.2 自優(yōu)化短波電臺頻率優(yōu)化流程

參考第三代自適應通信流程[5-7],頻率自優(yōu)化的基本流程如圖2所示。依據(jù)通信雙方電臺識別碼、通信時間及位置信息條件,短波頻率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫可篩選出歷史優(yōu)質(zhì)頻率,替換LQA頻率矩陣中的低分頻率數(shù)值,利用ALE信息或北斗模塊短報文更新收發(fā)雙方LQA頻率矩陣,進而實現(xiàn)頻率數(shù)據(jù)的自優(yōu)化;當數(shù)據(jù)庫根據(jù)被叫臺識別碼、地理位置、開始時間等條件無法有效篩選出歷史優(yōu)質(zhì)頻率時,系統(tǒng)調(diào)用數(shù)據(jù)庫其他相關(guān)頻率數(shù)據(jù),運用頻率重構(gòu)技術(shù)給出新的頻率參考推薦值,替換LQA頻率矩陣中的低分頻率數(shù)值,利用ALE信息或北斗模塊短報文更新收發(fā)雙方LQA頻率矩陣,實現(xiàn)頻率數(shù)據(jù)的局部自優(yōu)化。

圖2 頻率自優(yōu)化流程圖

收發(fā)雙方短波頻率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫信息更新可采用兩種更新模式,適用于不同應用背景。離線更新模式即收發(fā)雙方不進行實時的數(shù)據(jù)更新,通信任務執(zhí)行前更新數(shù)據(jù)庫信息,保持收發(fā)雙方數(shù)據(jù)的一致性,通信任務執(zhí)行完成后進行數(shù)據(jù)的離線再更新;在線更新模式借助北斗模塊發(fā)送,將記錄的新的頻率數(shù)據(jù)信息用指定的短報文形式進行收發(fā)雙方短波頻率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的準實時的更新,為避免出現(xiàn)系統(tǒng)對北斗模塊的依賴,切實發(fā)揮短波應急、保底通信的作用,在線更新的準實時模式在信道空閑時選擇使用。

3 自優(yōu)化短波電臺關(guān)鍵技術(shù)

自優(yōu)化短波電臺的設(shè)計涉及短波通信數(shù)據(jù)要素構(gòu)成、短波頻率數(shù)據(jù)重構(gòu)、短波通信頻率中長期預報等關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 短波通信數(shù)據(jù)要素構(gòu)成

短波通信數(shù)據(jù)要素內(nèi)容可劃分為四類:短波通信裝備的屬性要素;通信雙方位置信息要素;短波通信過程關(guān)鍵參數(shù)要素;影響通信環(huán)境要素。

1)短波通信裝備的屬性要素

短波通信裝備的屬性要素是指在短波通信過程中具體采用的短波通信裝備所具有的固有屬性,僅與裝備自身設(shè)置有關(guān)而與外界條件及通信過程無關(guān)。具體的裝備屬性要素范圍廣,例如某型短波通信發(fā)射天線,其相關(guān)數(shù)據(jù)就包括天線長度、天線方向性(全向天線、定向天線)、工作頻率等內(nèi)容。

2)通信雙方位置信息要素

通信雙方位置信息要素是指通信雙方在通信時刻所處位置的相關(guān)信息,主要是位置坐標及通信區(qū)域編號信息。短波通信頻率的選擇與電離層結(jié)構(gòu)密切相關(guān),而電離層的分布又具有一定的區(qū)域特點,地理位置信息則是反映數(shù)據(jù)區(qū)域特點的重要標識。通常地理位置信息要素由通信裝備的北斗定位系統(tǒng)自動記錄。

3)短波通信過程關(guān)鍵數(shù)據(jù)要素

短波通信過程關(guān)鍵數(shù)據(jù)要素是指在利用短波通信裝備進行通信時產(chǎn)生的一些重要的通信參數(shù),此類數(shù)據(jù)要素在通信鏈路質(zhì)量分析、頻譜管理方面起著重要支持作用。

4)通信環(huán)境要素

影響短波通信的通信環(huán)境要素主要是指對短波通信過程產(chǎn)生影響的一些外部因素,這些外部因素主要與通信自然條件、影響電磁波傳播的空間條件及電磁環(huán)境有關(guān)。短波通信相關(guān)數(shù)據(jù)的具體屬性內(nèi)容,如圖3所示。

圖3 短波通信數(shù)據(jù)要素構(gòu)成

根據(jù)數(shù)據(jù)要素確定數(shù)據(jù)庫的表結(jié)構(gòu),主要是明確各要素的屬性、類型、所占空間長度、主鍵及其他特殊存儲要求。通過對各數(shù)據(jù)要素分析得到數(shù)據(jù)庫的表結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 短波通信要素數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)

3.2 短波頻率數(shù)據(jù)的重構(gòu)

短波頻率數(shù)據(jù)的重構(gòu)是指利用頻率數(shù)據(jù)的空間分布相關(guān)度,當某個位置的變量數(shù)據(jù)未知時,利用數(shù)據(jù)空間相關(guān)特性,基于已知數(shù)據(jù)重構(gòu)未知點對應的關(guān)鍵變量。自優(yōu)化短波電臺的短波頻率數(shù)據(jù)重構(gòu)技術(shù)擬采用線性泛克里格方法[8]。重構(gòu)的具體步驟如下:

1)利用短波頻率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫提供的要素完整的樣本數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)包含:通信收發(fā)兩端的地理位置信息、通信時間信息、頻率數(shù)據(jù)信息。

2)運用式(1)計算步驟1)獲得的樣本數(shù)據(jù)之間點對點的電離層距離,個數(shù)為N個。

(1)

其中,(xi,yi)為收信點A的經(jīng)、緯度坐標,(xj,yj)為收信點B的經(jīng)、緯度坐標,SF為尺度因子,根據(jù)重構(gòu)區(qū)域的不同緯度范圍選取尺度因子值,緯度在[0°～20°)范圍內(nèi)時,SF=2.5,緯度在[20°～40°)范圍內(nèi)時,SF=2,緯度在[40°～90°)范圍內(nèi)時,SF=1.5。

3)確定步驟2)中N個電離層距離的最大值dmax,將分離距離區(qū)間h確定為0～2、2～4、4～6、…、2×([dmax/2]-1) ～2×[dmax/2];按照分離距離區(qū)間將N個樣本點的電離層距離分類。

4)計算各分離距離區(qū)間h內(nèi)樣本點的電離層距離的平均距離h′,運用公式(2)計算樣本數(shù)據(jù)的實驗變異函數(shù)值。

(2)

其中，γ*(h′)為實驗變異函數(shù),N(h)是分隔距離為h時樣本點的個數(shù),Z(xi,yi)和Z(xi+1,yi+1)是樣本點在空間位置(xi,yi),(xi+1,yi+1)的短波通信頻率值;由平均距離h′和實驗變異函數(shù)值γ*(h′)構(gòu)成實驗變異函數(shù)點對(h′,γ*(h′))。

5)依據(jù)實驗變異函數(shù)點對(h′,γ*(h′)),對指數(shù)模型變異函數(shù)進行最小二乘法擬合。

(3)

擬合過程中,首先將曲線模型轉(zhuǎn)換成線性模型,再利用最小二乘法原理對模型參數(shù)進行估計,擬合出變異函數(shù)及曲線;刪除嚴重偏離擬合曲線的特異值點,利用新的實驗變異函數(shù)點對進行再次擬合,得到理論指數(shù)變異函數(shù)。

6)選取參與短波頻率數(shù)據(jù)重構(gòu)的樣本點n,計算樣本數(shù)據(jù)點之間及各樣本點與待重構(gòu)點之間的電離層距離,根據(jù)電離層距離計算樣本數(shù)據(jù)點間及待重構(gòu)點與各樣本點間的變異函數(shù)值;

7)由步驟6)中獲得的變異函數(shù)值構(gòu)成空間局部估計矩陣表達式

(4)

其中,γ(wi,wj)為樣本數(shù)據(jù)點wi,wj(i,j=1,2,…,n)之間的變異函數(shù)值,γ(wi,w0)為樣本點wi(i=1,2,…,n)與待重構(gòu)點w0之間的變異函數(shù)值,λi(i=1,2,…,n)為重構(gòu)權(quán)重系數(shù),μ為拉格朗日乘子。

8)求解各樣本點參與數(shù)據(jù)重構(gòu)的權(quán)重系數(shù)λi和μ。

9)利用公式(5)求解待重構(gòu)點在空間局部的頻率值重構(gòu)值

(5)

求出待重構(gòu)點w0在(x0,y0)處的短波通信頻率數(shù)據(jù)Z*(x0,y0);其中,Z(xi,yi)為樣本點wi在空間位置(xi,yi)的短波通信頻率值。

文獻[8]利用某海域在2009年至2012年間采集的短波頻率數(shù)據(jù)對重構(gòu)效果進行了驗證。本文以2010年8月位于某區(qū)域的9個海上短波通信頻率數(shù)據(jù)(A-I)為例。

首先,要獲得符合短波通信頻率數(shù)據(jù)特征的理論變異函數(shù)及根據(jù)電離層距離確定各點對之間的距離,通過理論變異函數(shù)式計算得到對應點對的理論變異函數(shù)值。通過對實際數(shù)據(jù)最小二乘擬合獲得了符合海上短波通信頻率數(shù)據(jù)的理論變異函數(shù)。通過短波通信頻率數(shù)據(jù)記錄的坐標信息利用計算得到點對間的距離,如下表2上三角所示;將點對距離代入理論變異函數(shù)中得到理論變異函數(shù)值,如表2下三角所示。

表2 變異函數(shù)值

其次,通過計算得到式(4)所對應的矩陣,利用式(5)計算得到待估區(qū)域的短波通信頻率數(shù)據(jù)。利用交叉重構(gòu)思路,將9個區(qū)域中每個區(qū)域的頻率數(shù)據(jù)都輪流設(shè)為未知,然后由其他多個樣點區(qū)域的實際頻率數(shù)據(jù)進行重構(gòu)估值。將區(qū)域A短波通信頻率設(shè)為未知,區(qū)域B～I為已知短波通信頻率的實測樣點,利用點B～I數(shù)據(jù)對A點數(shù)據(jù)進行重構(gòu)。由理論變異函數(shù)公式(3)計算分別得到點對距離和理論變異函數(shù)值如表2所示。從而得到方程組矩陣

由樣點區(qū)域短波通信頻率數(shù)據(jù)組成的矩陣為

將以上矩陣代入式(5)中計算得到區(qū)域A短波通信頻率數(shù)據(jù)重構(gòu)值

Z*(x0,y0)=8.6374

根據(jù)以上計算過程分別利用除待估區(qū)域外的8個區(qū)域頻率值對各區(qū)域進行重構(gòu),其實測數(shù)據(jù)及重構(gòu)結(jié)果如表3所示。

表3 已知8個樣點區(qū)域重構(gòu)結(jié)果 單位：MHz

從結(jié)果分析可知,在已知8個樣點條件下,各待估區(qū)域頻率值的估計誤差大部分分布在1 MHz左右,有的甚至僅為0.1410 MHz,誤差百分值最小僅為1.14%,具有較高估值精度,能夠滿足短波通信頻率重構(gòu)過程對數(shù)據(jù)準確度的要求。

4 結(jié)束語

本文對自優(yōu)化短波電臺的功能和關(guān)鍵技術(shù)進行了初步研究,自優(yōu)化短波電臺的關(guān)鍵在于實現(xiàn)頻率的自優(yōu)化,頻率自優(yōu)化技術(shù)即通過為每個信道,建立帶有地理位置、通信距離、通信時間和信道參數(shù)的短波頻率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫,本質(zhì)上就是通過不斷收集整理短波通信位置、時間與質(zhì)量的關(guān)系,從而歸納總結(jié)電離層對短波通信影響的規(guī)律。在達成通信協(xié)議的條件下,通信雙方根據(jù)設(shè)定條件進行選頻,可在短波頻率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫所記錄的歷史數(shù)據(jù)中優(yōu)選出適用于當前通信環(huán)境的可通頻率,進而再實現(xiàn)通信鏈路的自動建立。自優(yōu)化短波電臺能夠充分利用北斗模塊為短波頻率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫提供與通信質(zhì)量密切相關(guān)的通信時間、地理位置等影響參數(shù),綜合運用短波頻率數(shù)據(jù)重構(gòu)、頻率長期預報等多種技術(shù)手段實現(xiàn)短波通信頻率的優(yōu)選,能夠提高短波電臺通信效果。另外,裝載于機動平臺的自優(yōu)化短波電臺還可以為短波通信頻率數(shù)據(jù)的自動采集提供有效的工具和手段,具有良好的應用前景。