短波通信频率自优化技术分析研究*

徐 池，邱楚楚

（海军大连舰艇学院，辽宁 大连 116018）

0 引 言

卫星通信是当前实现中远程通信的主要手段。卫星通信具有诸多优点，也存在卫星中继暴露于空间易被干扰、受损后恢复难度大等不足。而短波通信具有灵活简便的实现方案、通过电离层达成远距离通信的低廉成本以及在特殊环境条件下保持通信的顽存能力。特别是在军事通信领域，短波通信始终占有重要地位，不可替代。

受电离层传播机理的客观影响，短波通信在实际应用中的“用户体验”不十分理想，逐渐陷入一个“不好用”而“不愿用”的恶性循环。但是，作为一种重要的中远程无线通信手段，不应忽视或降低它的作用及地位。以短波通信在军事领域中的应用为例，在复杂激烈的电磁对抗空间中，任何一种单一的通信手段都无法满足军事通信保障“迅速、准备、保密、不间断”的要求，因此必须综合运用多种通信手段，保障通信的畅通。世界各军事强国依然在不断深入研究短波通信新技术和装备。

美国罗克韦尔·柯林斯公司根据美国空军授权合同，近几年连续多次开展了下一代宽带高频通信系统（Wide-band High Frequncey System，WBHF）的高频通信能力试验，2017 年上半年成功实现了8 046 km 距离的通信演示。在持续30 多天的演示过程中，该通信系统快速可靠地传输了大量大小不等的数据文件，充分显示了美军在无卫星通信环境下的通信作战保障能力。

由于短波中远程通信是经电离层的反射而达成的，而电离层本身是一种典型的时变传输媒介，存在着多径干扰、时间选择性衰落、频率选择性衰落、多普勒频移等复杂因素，导致短波信号起伏变化大，传输可靠性较差[1-2]。另外，随着无线通信的快速发展，短波频段面临的电磁环境也在不断恶化。因此，如何全面提高短波通信的整体效果，成为当前短波通信技术及装备发展所面临的重要难题。在长期的研究和应用中总结发现，短波通信频率的优选是制约短波通信效果的关键因素之一。通过优选短波通信频率，并结合先进的调制解调技术和差错控制技术，最终可以有效提升短波通信效果。

1 短波通信自优化技术的提出

短波通信自优化技术的概念在2000 年被首次提出，最早应用于澳大利亚柯顿（CODAN）公司推出的NGT 系列自优化短波电台。柯顿智能自动链路管 理（Codan Automatic Link Management，CALM）是NGT 系列电台能够实现自优化的核心技术。该技术是在美国联邦标准FED-STD-1045 自适应协议（简称1045 协议）的基础上发展起来的，并与之兼容。目前，1045 自适应协议已成为事实上的国际标准。符合1045 协议的短波自适应电台，一般称为2G-ALE（2G-Automatic Link Establishment）产品。该产品也可以选配美军短波自适应全自动通信网络标准3G-ALE 军标（MIL-STD-188/141B），与军用电台实现互联互通。自优化技术的应用使得短波通信设备保留了传统ALE 的优点，同时又克服了一些传统ALE 的固有缺点。例如，无需频繁发送链路探测呼叫信号，缩短了探测时间；构建了基于历史频率数据的三维链路质量分析（Link Quality Analysis，LQA）矩阵，有效增大了联通概率，显著提高了建链速度。

柯顿NGT 系列电台已于2017 年全面停产，取而代之的是通信频率自优化、数字语音编码等功能得到全面升级的Envoy 系列电台和Sentry-H 战术系列电台。从公开资料的分析可知，柯顿自优化电台中运用的智能自动链路管理CALM 技术的核心和关键，在于构建了包含通信双方识别码、通信时间、通信地点等标识信息的历史频率数据库。通信过程中不断记录、更新频率，通信的时间越长，数据库质量也就越高，得到优质频率的概率就越大。本质上，该技术应用的要点是通过不断收集整理短波通信时间、地点等与频率质量相关的数据，从而得到短期内电离层对短波通信影响的规律，为通信用频提供参考，因此也往往被称为基于数据库的自优化技术。目前，短波通信自优化技术集中体现在对短波通信频率的自优化。当然，短波通信频率自优化技术不仅是对短波频率相关数据的简单记录和积累，还涉及频率数据的处理及交换。

当前，对于短波通信自优化并没有统一的定义，国内对短波通信自优化技术的研究和效果验证相对较少。除了受目前“轻短波、重卫星”和“过于依赖卫星通信手段”的整体应用环境影响外，还与未对短波通信自优化形成较为系统的认识有关。短波通信自优化技术是在自适应技术的基础上提出的，而所谓自适应是指连续测量信号和系统变化，自动改变系统结构和参数，使系统能够自行适应通信条件的变化和抵御人为干扰。广义地讲，短波自适应包括频率自适应、功率自适应、传输速率自适应、分集自适应、自适应均衡和自适应调零天线等。选频和换频是提高短波通信质量最有效的途径，因此通常所说的短波自适应通信一般是指频率的自适应。对照自适应通信的概念，短波通信自优化的核心和关键也在于短波通信频率的自优化。分析自适应通信的内涵，它的实现要求对信号和系统变化进行连续测量，实际往往无法完全满足该条件，实际应用的短波自适应电台只在有限的频点上实现自适应，是导致短波自适应电台通信效果打折扣的主要原因。短波通信自优化技术的提出和应用，更多的价值是在工程应用层面上对自适应实现了改进、完善。

随着通信技术的发展和通信需求的变化，自优化的内涵也在不断延伸，通信技术领域陆续出现了通信网络自优化[3]、通信频段传输自优化等技术。针对短波通信而言，短波通信频率自优化技术就是指要通过频率数据的自我生成、自我更新、自我优化、自我管理，实现短波通信优质频率的选择，即重点完成对初始通信频率数据的生成、数据的存储、数据的优选以及数据的重构。这一内涵与应用于柯顿自优化电台中的智能自动链路管理CALM 技术相比，更加突出对频率数据的重构处理，而不仅仅是数据的存储积累，更加适用于固定站台与移动平台、移动平台与移动平台之间的中远程短波通信。

2 频率优选方法分类及分析比较

针对不同的应用需求，出现了多种短波通信频率优选方法。例如，有学者提出了基于深度强化学习的信息聚合短波选频方法、基于实测数据的短波可用频率资源自动检测方法、基于模糊小波神经网络的短波频率预测方法等[4-5]。在未形成统一分类方式的情况下，很难对这些具体的短波通信频率优选方法进行明确分类。根据各类方法实现的基本原理的不同，可以将频率优选方法分为频率预测和频率探测两大类别，如图1 所示。按照组织运用方法的不同分类，可以分为频率预测、频率探测、频率预测及探测相结合等3 类。

图1 短波频率优选方法的典型分类

2.1 频率预测

频率预测一般是指通过构建电离层特性参数模型或利用频率相关历史数据，运用数学分析、推导演算的方式对短波通信频率进行预测估算。这类方法是早期频率选择的主要方法，运用广泛。按照预测频率对时间、位置参数的侧重不同，预测方法可以分为时间维度上的预测和空间维度上的重构。无论是时间维预测还是空间维重构，利用的底层频率数据都与时间、地理位置强相关。两者相互关联，相互影响，这是由短波通信的基本原理决定的。时间维的频率预测侧重在时间序列上的预测估算，即利用本地的频率相关历史数据，对指定区域内在未来时间的通信用频进行预测。而空间维的频率重构则侧重在空间位置上的预测估算，即利用已知区域的同一时期的频率相关历史数据，预测未知区域的通信频率数据。该方法更加适用于在积累历史样本数据较少的区域实施频率预测。

按照预测的时效性分类，时间维的频率预测可划分为中长期预测和短期/实时预测。中长期频率预测利用的是电离层活动的中长期预报数据，可实现对指定区域和指定时段的可用频率资源作出中长期预报。短期/实时预测利用的电离层数据实时性更强，可实现指定通信链路和指定时段作出实时或短期频率预报[6]。

按照重构方法原理的不同分类，空间维的频率重构有多种具体方法，如包括距离倒数加权重构方法、区域衰减因子重构方法、地理位置加权重构方法、人工神经网络重构方法以及克里格重构方法[7-8]等。不同方法重构的结果有所不同，如有些方法重构的直接结果为电离层F2 层临界频率[9]，但最终的目的是预测估算出短波通信可用频率。

频率预测方法一般都是通过统计模型实现频率的预测估算，实时性较低。由于电离层的随变特性，实时性与预测精度密切相关，直接导致预测结果精度有限。频率预测方法适用于频率的初步筛选和规划应用，在军事领域应用得仍然广泛，主要是由相对静态的通信组织决定的。

2.2 频率探测

频率探测一般是指利用电离层探测设备发射探测信号，测量影响短波信道的电离层相关参数，实时掌握电离层变化规律，以便较为准确地预报电离层对通信链路的影响。无论探测获取的电离层相关参数是电子密度、临界频率这样的中间参数，还是直接探测可用频率，探测的最终目的是获得通信优质频率，提高实际通信链路的频率优选能力。

频率探测与频率预测密切相关。频率探测为频率预测构建模型提供了所需的大量底层数据，因此频率探测是频率预测的前提和基础。与频率预测相较而言，频率探测的实时性更强，对特定链路间的频率优选精度更高，特别是固定站点间的通信。当前，基于频率探测的频率优选方法主要有两种：独立探测方法（或称通信探测相分离方法）和通信探测相结合方法。

按照实施探测的原理不同，独立探测方法可分为垂直探测、斜向探测、斜向返回探测、啁啾（Chirp）探测等方法。常用的探测方法中，垂直探测、斜向探测和斜向返回探测获取的是电离层特性参数，依托这些数据外推电离层的空间分布，最终获得短波通信用频。这类探测的实施需要构建体积较大的探测接收设备，一般不适用移动平台。啁啾探测目前在岸海短波通信中得到了较广泛应用，本质上属于斜向探测的一种，利用收、发同步的线性频率扫描信号探测电离层的状态信息，通过电离层图等参数可直接获取短波通信可用频率[10]。

随着通信需求的提升和装备技术的发展，在独立探测方法的基础上出现了通信探测结合的频率优选方法，广泛应用于各类短波通信设备。这一结合既保证了频率优选的精度和时效性，又克服了独立探测方法存在频率分发难度大、恶化通信环境等固有缺点。频率自适应是一种广泛应用的探测通信相结合的频率优选技术，它的实现建立在链路质量分析LQA、自动链路建立ALE 和链路自动切换的基础上。短波自适应电台能够在预置的频率上实现自适应，根据外部环境的改变自动切换通信频率[11]。预置频率的数量和质量直接影响自适应电台的选频性能，但实际应用往往会出现预置频率可通率不高，自适应陷入死循环的情况。要使设备跳出死循环，仍需要人工置入新频率。为弥补自适应通信设备的不足，在自适应技术的基础上出现了短波频率自优化，在柯顿短波自优化电台中首先得到应用。频率自优化的目的是使短波通信设备无须人工约定频率，即可进行呼叫建链；具有历史经验功能，可以进行快速建链。频率自优化综合运用了多种频率优选技术，建立在频率预测和探测的基础上。就工程技术的实际应用和发展而言，频率自优化是频率优选技术在短波通信装备实际应用的发展趋势，是广义自适应技术进一步工程化和实用化的体现。

3 短波通信频率自优化的关键技术

柯顿NGT 系列电台中的智能自动链路管理CALM是短波通信自优化技术的初期应用尝试。智能自动链路管理CALM 缺乏对通信用频的优化管理，数据分析处理能力还有欠缺。因此，要使频率自优化成为频率优选技术体系中的重要组成，特别是在短波中远程通信中发挥重要作用，还要在自适应技术的基础上重点研究数据要素、频率重构以及链路建立协议等关键问题。

3.1 数据要素选取

短波通信频率自优化技术相较自适应技术的重要区别，在于要构建包含通信双方识别码、通信时间、通信地点等标识信息的历史频率数据库。存储积累的历史数据的相关要素是否合理全面，直接决定了数据质量，而数据要素也将决定数据库的表结构。从全面性的角度出发，短波通信数据要素内容可大致划分为4 类：短波通信设备的属性要素，通信双方位置信息要素，短波通信过程关键参数要素，影响通信环境要素。其中，短波通信设备的属性要素是指在短波通信过程中具体采用的短波通信设备所具有的固有属性，仅与设备自身设置有关而与外界条件及通信过程无关。通信双方位置信息要素是指通信双方在通信时刻所处位置的相关信息，主要是位置坐标和通信区域编号信息。短波通信过程关键数据要素是指在一些短波信道参数，此类数据要素在通信链路质量分析中起着重要的支持作用。影响短波通信的通信环境要素主要是指对短波通信过程产生影响的一些外部因素。这些外部因素主要与通信自然条件、影响电磁波传播的空间条件及电磁环境有关。根据实际需求合理选取数据要素显得至关重要，既要避免数据要素过于繁杂，又要保证所选取的数据要素能够较全面地反映频率数据质量，为后期数据的处理提供关键底层数据支撑。

3.2 频率数据重构

早期的短波自优化电台多为基地式，在固定站点或局部区域的频率优选能力已得到验证，效果显著。面对军事应用等特定背景，当某区域积累的数据有限时，由于缺少对底层数据的重构处理，设备无法实现频率的自优化功能。频率数据的重构要充分利用图1 中提到空间维的频率重构。根据电离层参数的局部连续性及其变化规律，频率重构是借助于频率数据之间的相关性，当某个测量变量的数据漏测或丢失时，根据数据特性采用适当的算法利用已知的正确测量数据对其进行重构，从而得到较准确的推测结果。前面提到，频率重构的方法有很多，如距离倒数加权重构方法、人工神经网络重构方法、克里格重构方法等。其中，克里格重构方法能够基于采样数据反映区域化变量的结构信息，根据待估点有限区域内的采样点数据，考虑样本点的空间相互位置关系、与待估点的空间位置关系，对待估点进行一种无偏最优估计，在岸海短波通信频率重构精度和适应性方面得到了一定验证[8-9]。短波自优化电台中运用的频率数据重构要突出方法的可工程化，在保证重构精度的前提下，对参数输入条件不能过于苛刻，即能够在小样本输入参数条件下重构出频率数据。

3.3 链路建立协议

短波自优化通信系统的链路建立相关功能由链路协议提供，因此链路建立协议是实现自优化通信联络的关键。自优化链路建立协议应当包括链路质量分析、链路建立、链路释放以及时间同步等内容。链路建立协议属于数据链路层，其实体形式为帧。链路建立协议的设计在总体上可参考《短波自适应通信系统自动线路建立规程等》相关标准。短波通信自优化链路建立过程中，需要重点研究和解决的问题主要包括：一是历史频率筛选算法规则的确定，即预置频率的选取；二是频率数据重构的发起时机和程序确定。呼叫台和被呼台间的建链流程大致如下：被呼台根据历史频率数据库的识别码和开始时间等基本条件筛选出历史优质频率，替换三维链路质量分析LQA 矩阵中的低分频率数值，利用自动链路建立信息更新呼叫台和被呼台双方的三维频率矩阵，进而确定预置频率数据的构成。但是，当被呼台底层样本数据少无法根据电台识别码和开始时间等条件有效筛选出历史优质频率时，系统运用频率重构技术，通过调用历史频率数据库中的相关数据，重构出未知区域的频率参考数值，进而替换三维链路质量分析LQA 矩阵中的低分频率数值，同样再利用自动链路建立信息更新收发双方频率矩阵，最终实现频率数据的自优化。

4 结 语

短波通信具有通信距离远、机动灵活、网络重构便捷等诸多优点，是军事通信和应急通信的重要手段。由于依靠电离层反射进行电波传播，短波信道具有多径传播、时变色散、衰落严重等特点，要实现可靠的短波通信，在技术上更复杂、难度更大[2]。目前，无卫星条件下的远程通信保障需求日益迫切，短波频段面临的电磁环境更加复杂。频率优选问题一直是制约短波通信效果和短波通信设备性能提升的难点。适用于不同应用背景条件下的短波频率优选方法不断被提出、验证和应用，建立在频率重构、自适应通信基础上的自优化技术是频率优选方法的重要发展方向之一。

短波通信频率自优化技术通过记录积累短波通信设备间的实际链路建立信息，构建三维链路质量分析LQA矩阵，运用频率数据重构等数据处理方法，不断完善频率数据信息，从而达到不断优化的目的。短波通信频率自优化技术的提出和应用，一定程度上弥补了广泛应用于短波通信设备中的传统自适应通信技术的不足，具有现实意义和实用价值。但需要强调的是，在当前应用背景条件下，尤其是在军事通信领域，自优化技术的提出并非要完全取代诸如自适应等其他短波频率优选方法，需综合运用多种选频技术手段，将短波通信频率自优化技术与其他技术手段并举，最终提高短波通信选频的综合能力。