海洋短波组网通信自动选频

周相成，吉 彬，胡 飞

海洋短波组网通信自动选频

周相成，吉 彬，胡 飞

（中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041）

【】快速、准确地选出海洋短波组网通信的可通频率。在现有信道设备具有全频段信号捕获与接收处理能力的基础上，以实时频率质量探测结果和网络连通性为选频依据，设计一种全网节点参与的短波全频段自动选频方案。通过仿真验证，该方案可以高效地为所有参与组网的节点选出可用的频率。该方案可有效解决海洋短波组网通信系统的选频问题，确保短波通信在船舶远洋航行、海洋石油开采以及海难救灾抢险等工作中能够稳定的发挥信息保障作用。

短波通信；频率探测；自动选频

随着我国对海洋权益的日益重视，海洋运输事业不断发展，数十万中国运输船舶航行于世界各地，日益频繁的海上活动使得海洋通信的需求急剧增加[1]。海洋通信主要手段是短波通信和卫星通信。由于卫星通信前期发射和后期维护等技术要求高、成本大，无法满足大众对海事通信的需求。而短波通信传输距离远、设备简单、机动灵活、抗毁性强，从而常在远洋通信、海难救援以及军事通信等方面发挥重要作用[2-3]。

短波信道条件恶劣，海洋空间环境也复杂多变，导致海洋短波通信可靠性不高[4-5]。而短波组网和频率选择是提高海洋短波通信可靠性的重要手段[6-7]。短波组网方面，各国构建了多种短波网络，包括美国短波全球通信网（HFGCS），海警短波通信网（COTHEN）以及澳大利亚的现代短波通信系统（MHFCS）等[8]。随着短波组网的不断向前发展，短波选频也从之前的点对点选频问题扩展到组网选频问题。早期短波选频主要依靠频率预测、人工选频等手段[9-11]，但这些方法费时费力且准确性不高[12-13]。美军标MIL-STD-188-141B提出一种针对固定频率组进行频率质量探测的实时频率质量探测排序机制[14]，但该方法需要为全网节点规划和下发探测频率集，存在规划时间长、操作复杂、选频效率低、选出可通频率的概率不高等问题[15]。近年，美国继续开展动态频谱接入技术的第4代短波自动链路建立（4G-ALE）标准化工作[16]，实现全频段占用快速检测和感知、全频段信号捕获实现快速建链。短波选频技术体制不断衍进，短波自动选频建链技术也迅速发展[17-19]，但更多是聚焦于点对点选频方面的应用，相比之下，短波组网选频的研究较少。

在现有信道设备具有全频段信号捕获与接收处理能力的基础上，笔者提出一种适用于海洋短波组网通信系统的自动网络选频新技术，选频功能可以在网内自动进行，无需人工干预，使用方便且选频效率较高，同时对其进行仿真验证实验。

1 新型网络选频技术

为解决海洋短波组网通信系统的多节点组网频率选择问题，本研究提出一种新型网络选频技术，其以实时频率质量探测结果和网络连通性为选频依据。网内节点通过周期性探测消息交互，计算频率质量并获知链路状态信息，再基于频率质量和链路状态信息构建路由表；当节点有信息待发送时，通过路由表查找转发节点及可用频率。

基于全频段接收的新型网络选频技术，可在短波频段任意频率上发起选频过程。新型网络选频技术选频所需的探测频率集完全由发起选频命令的节点确定，在实际使用中灵活方便，参与选频的节点无需进行复杂的频率规划和配置，降低了对操作人员的要求。同时发起选频过程的节点还可以根据本地干扰、坐标、当前时间、历史用频信息等先验知识确定本次选频的频率集，以提高选频效率。以下将从选频流程、时序、协议设计等方面对新型网络选频技术进行阐述。

1.1 选频思路

假定一个短波网络中有N个节点进行组网通信，节点网内地址为0~(N-1)。设置其中一个节点为选频过程发起节点（可以是短波网络中的任意节点），其余节点为选频过程参与节点。选频过程由选频发起节点发起，网内其余节点收到选频请求后对接收频率进行探测以估计当前频率的接收质量，假定探测频率集内频率分别为f1, f2, ..., fn。新型网络选频技术的选频流程包括选频请求、选频应答、质量反馈三个部分，当网内所有节点选出达到其它节点的可用频率后停止选频过程。选频流程如图1所示。

图1 短波网络选频流程

1.2 选频时序

选频发起节点根据本地干扰、坐标、时间、历史用频等信息综合确定探测频率集，该频率集中的频率为探测选频的可选频率。选频发起节点收到选频指令后在第一个可选频率上发送选频请求，网内节点收到选频请求后依次发送选频应答，发送完选频应答后各节点根据节点号大小依次发送质量反馈，为了使网络运行过程中紧急业务优先于选频过程执行，在每个频率探测的结尾预留一个可以打断探测的中断时间。第一个频率探测完毕后以相同的流程探测下一个频率，直到网内所有节点形成一跳连通路由或者两跳连通路由。一跳连通路由指网内每个节点都找到了与网内其他各节点的通信频率；两跳连通路由指网内每个节点都找到了与网内其他各节点通过转发节点可通的频率。选频时序如图2所示。

选频发起节点在发送选频探测请求前需要发送一个探测音，使网内其他节点捕获当前频率；网内其他节点接收完探测请求后在当前频率上进行集中调谐，之后按节点号大小顺序进行探测应答和质量反馈的发送。

图2 短波网络选频时序

1.3 选频协议内容

新型短波网络选频技术通过信息的交互选择全网连通频率，设计高效的选频协议可以快速选出全网连通频率。由前述可知，本文设计的选频流程中交互的信息主要有选频请求、选频应答和质量反馈，通过选频请求启动选频流程，通过选频应答估计频率的接收质量，通过质量反馈交互各节点接收其他节点的频率质量信息，各协议内容如表1所示。

表1 协议内容

2 选频技术仿真

2.1 实验内容

仿真网络内各节点配置的频率中当有25%、50%、75%的频率质量较差时，记录网内所有节点选出1条/2跳连通路由时所需要花费的平均用时，通过平均用时来代表选频效率。以8节点组网通信为例，节点编号为0~7，选出各节点到达网内其它节点的可用频率形成一跳/两跳路由，最终的选频结果如图3所示。

图3 节点0选频结果

图3中，节点0通过选频过程选出到达网内1 ~ 7号节点的一跳/两跳路由，其中到达1、3、7、2号节点可以通过频率f1、f3、f3、f2一跳直接到达，到达5、6号节点需要通过3、7号节点用频率f4、f2进行转发，最终形成0号节点到达全网节点的全连通路由。

2.2 实验工具

采用OPNET网络仿真工具[20]进行新型短波网络选频技术仿真，进程模式、节点模型、网络模型构成OPNET的基本仿真要素。进程模型主要是对发送数据进行封包、控制发送时序、解析协议内容、执行路由收敛算法；节点模型是独立的仿真实体，对选频过程中节点无线数据发送、无线数据接收、节点身份定位等行为进行模拟；网络模型是在一定的范围内分布一定数量的节点实体，模拟实际的节点位置关系。

2.3 实验参数

采用OPNET仿真新型短波网络选频技术确定了一些必要的仿真输入参数，具体各参数的输入值如表2所示。

表2 实验参数

2.4 仿真结果

仿真以2.3节的8节点组网通信为例，测量的是网内任一节点到网内其他所有节点的连通性，仿真的选频时间定义为选频发起节点选出到达其他所有节点的可用频率的时间，仿真1 000次，最后取平均选频时间。

（1）设置探测选频频率集中有25%的频率对各节点来说不可用时，即表示有75%的频率可正确接收选频协议信息进行网络选频。实验结果如图4所示。对每次仿真后得到的频率所用时间求统计平均选频时间，经计算约为25 s。

（2）设置探测选频频率集中有50%的频率对各节点来说不可用时，即表示有50%的频率可正确接收选频协议信息进行网络选频。实验结果如图5所示。对每次仿真后得到的频率所用时间求统计平均选频时间，经计算约为47 s。

（3）设置探测选频频率集中有75%的频率对各节点来说不可用时，即表示有25%的频率可正确接收选频协议信息进行网络选频。实验结果如图6所示。对每次仿真后得到的频率所用时间求统计平均选频时间，经计算约为155 s。

3 选频性能分析

根据实验结果可知选频频率集中有25%、50%、75%的频率不可用时，选频时间分别为25 s、47 s、155 s，三种实验条件下选频时间均在3 min以内，对于8节点的短波网络选频来说该时间是可以接受的。网络空闲运行时可以周期性启动选频过程以对路由信息进行周期性维护，当有业务发送时可以在中断时间内中断当前的选频过程优先发送业务数据。选频维护开销可由选频平均用时除以选频周期时间得到。以15 min为周期启动一次选频为例，当选频频率集中有25%、50%、75%的频率不可用时，根据选频维护开销=选频平均用时/选频周期时间，可以得到选频维护开销分别为2.8%、5.2%、17.2%。从结果可以看出维护开销占整个网络运行时间较少。

图4 25%的频率不可用时的选频用时

图5 50%的频率不可用时的选频用时

图6 75%的频率不可用时的选频用时

4 讨论与结论

由于短波通信便捷灵活、价格低廉，使其成为了海洋通信的重要手段，它在远洋船舶通信、海洋石油开采甚至海难救灾抢险等工作中都发挥着重要作用[21-22]。随着短波通信技术的不断发展，短波通信从点对点通信向多节点组网通信的方向发展，但短波选频问题依然有待解决。早期的频率预测、人工选频等手段繁琐复杂，美军标141B的选频方法也存在很大的局限性。为了解决短波组网通信选频问题，在现有信道设备具有全频段信号捕获与接收处理能力的基础上，提出了一种全网节点参与的短波全频段选频方案。经过仿真后表明该方案具有较高的选频效率，可在多数频率质量较差的情况下为各节点选出到达网内其他节点的可用频率，这为短波组网应用的发展提供了一种新型选频技术思路。

[1] 江开勇. 我国海洋渔业安全通信现状及发展对策[J]. 中国水产, 2008(1): 16-19.

[2] 胡中豫. 现代短波通信[M]. 北京: 国防工业出版社, 2003: 2-15.

[3] 董彬虹, 李少谦. 短波通信的现状及发展趋势[J]. 信息与电子工程, 2007(1): 1-5.

[4] 任嘉慧. 如何提高短波频率资源在海上通信中的效率[J]. 中国新通信, 2015, 17(22): 60-61.

[5] 赖曦文. 短波通信在海洋表面的损耗分析[J]. 通信电源技术, 2019, 36(3): 179-180.

[6] 唐艳. 短波通信组网技术研究[J]. 中国无线电, 2015(12): 49-51.

[7] 肖一晖.短波通信组网技术的发展趋势[J]. 电子测试, 2018(2): 63-64.

[8] 鞠茂光, 刘尚麟. 美国空军短波全球通信系统技术分析[J]. 通信技术, 2013, 46(7): 96-98.

[9] International Telecommunication Union. Method for the prediction of the performance of HF circuit. Rec TIU-RP.533-9[S]. 2007: 1-24.

[10] 王斌, 胡中豫, 杨丽芬, 等. 一种短波远程通信选频估计方法[C] // Proceedings of 2011 Asia-Pacific Youth Conference on Communication (2011APYCC) Vol.1, USA: Scientific Research Publishing, 2011: 57-60.

[11] 张春艳, 徐开军, 王书旺, 等. 短波通信实时选频技术研究及其实现[J]. 电子世界, 2012(19): 18-19.

[12] 王金龙. 短波数字通信研究与实践[M]. 北京: 科学出版社, 2013.

[13] 彭地. 基于进化神经网络的短波通信频率选择方法[D]. 西安电子科技大学, 2017.

[14] Military Standard MIL-STD-188-141B,Interoperability and Performance Standards for Medium and High Frequency Radio Systems[S].U.S. Department of Defense, 1999.

[15] 丛蓉, 孙剑平, 李恺. 频率管理系统在短波通信中的应用研究[J]. 系统工程与电子技术, 2003(10): 1236-1238.

[16] Military Standard MIL-STD-188-141C, Interoperability and Performance Standards for Medium and High Frequency Radio Systems[S].U.S.Department of Defense, 2011.

[17] 张春艳, 徐开军, 王书旺, 等. 短波通信实时选频技术研究及其实现[J]. 电子世界, 2012(19): 18-19.

[18] 张军保, 李越, 明月. 短波通信中的动态频率优选技术研究[J]. 信息通信, 2016(2): 214-216.

[19] 杨敏, 周治中. 短波组网协作频谱感知技术研究[J]. 通信技术, 2014, 47(11): 1318-1321.

[20] 陈敏. OPNET网络仿真[M]. 北京: 清华大学出版社, 2004.

[21] 刘熙琦. 数字短波组网及在船岸无线通信中的应用[J].中国新技术新产品, 2013(18): 31.

[22] 龚元元, 孔令捷. 短波通信在海洋石油中的应用[J]. 数字通信世界, 2013(3): 67-68.

Automatic Frequency Selection for Marine HF Networking

ZHOU Xiang-cheng，JI Bin，HU Fei

(,610041,)

To effectively select the passable frequency of marine HF network communication.Based on the existing channel equipment with full frequency signal acquisition and reception processing capabilities, and the real-time frequency quality detection results and network connectivity as the basis for frequency selection, a scheme for frequency selection technique of HF involving all network nodes is designed.Through simulation verification, the scheme can efficiently select available frequencies for all nodes participating in the network.This solution can effectively solve the problem of frequency selection of the marine HF networking communication system, which ensures that HF communication can reliably play a role in the ocean voyage of ships, offshore oil exploration, and disaster relief.

HF communication; frequency detection; automatic frequency selection of HF

TN925

A

1673-9159（2020）02-0089-05

10.3969/j.issn.1673-9159.2020.02.013

2019-11-18

国防科技重点实验室基金项目（9140C02010814C02006）

周相成（1993－），男，硕士研究生，研究方向为短波通信。Email: 714237533@qq.com

周相成，吉彬，胡飞. 海洋短波组网通信自动选频[J]. 广东海洋大学学报，2020，40（2）：89-93.