一种短波系统的智能频率选择算法

2021-09-23罗亚军

通信电源技术 2021年9期

罗亚军

（广州海格通信集团股份有限公司，广东广州 510000）

0 引言

短波通信依靠电离层反射进行通信，而电离层具有不稳定的多层结构，导致多径分布具有时变性，同时电离层的快速变化会导致多普勒频移和多普勒扩展[1]。由于太阳辐射强度的不规则性，电离层的电子密度和高度将随季节和每天的时间有较大的变化。此外太阳黑子的耀斑爆发会引起电离层的短时间强烈骚动[2]。电离层的特性决定了短波通信具备多径传播、衰落以及多普勒频移等特性。多径效应造成信道的频率选择性衰落，而多普勒效应引起信道的频率色散会造成信道的时间选择性衰落，即信道的时变性[3,4]。

短波频率的选择与天波电离层的电离子浓度、双方通信距离、通信时间、通信季节以及本地噪声情况等一系列因素相关，现役电台各功能模式使用的通信频率大多都依赖操作人员的工作经验与专业素质[5]。再加上短波链路的传输时效低，从而影响了短波通信的使用体验，制约了短波通信的广泛应用。现有技术通常基于ITS软件为基础的预测模型，通过人工输入参数得到可用频段。在频谱感知的过程中，通过扫描整个可用频段获得最佳频段。但该技术需通过人工输入参数到预测模型输出可用频段，实时性差且扫描频段需要一定时延，因此影响建链成功率[6]。本文提出一种智能频率选择算法，自动选择最优频点快速建链，用以解决现有技术中频率选择时间长和建链效率低的问题。

1 自动频率选择流程设计

智能频率选择算法采用短波智能选频技术进行选频通信时无需人工干预，可在工作频段内快速扫描本地电磁环境，双向探测信道质量，实时选择可通频率，即选即用。还可根据信道情况自适应选择传输速率和自动请求重发等手段来提高短波数据通信的可靠性。

短波通信频谱决策是根据电离层特性的时空变化规律以及通信质量与电离层信道参数的关系，以电离层信道预估模型和实时探测数据为基础，结合本地频谱扫描特性，对短波通信当前可用信道作出的决策。它是电离层短波传播理论、最佳信道匹配理论以及计算机数据处理三者相结合的一种技术。短波智能选频策略具体包括频率窗口初选、可通段内的频率探测、优选频率建链以及链路维持4个阶段。

1.1 频率窗口初选

频率窗口初选可基于ITS软件为基础的预测模型，在通信和维护的过程中，结合对通信中频率应用数据的智能学习，以更新模型[7]。

根据长期预测结果获得可用频段，长期预测是依据电离层特性参数的时空变化规律和太阳活动性指数的预报值，即依据日地关系和以往的观察资料，对正常状态电离层的传播参数所做出的一种预估推断。它主要依据通信双方的地理位置经纬度、通信时间、太阳黑子活动情况、本地噪声大小以及通信功率值等参数预报出在不同短波频率上的可通概率。对于特定的通信电路而言，长期预测可以给出最高可用频率和最佳可用频率，最高可用频率是该条短波电路可以通信的最大频率，如果超过该频率，则认为将不可通，因此实际通信时通常选用最佳工作频率，一般为0.85倍的最高可用频率，它随电路的地理位置、太阳的活动性以及季节和不同时间而变化。由此可见，短波天波通信频率的选取，应在电路的最佳工作频率附近考虑，不应超过电路的最高可用频率[8]。

从短波传播的角度来看，理论上介于最低可用频率和最高可用频率之间的任何频率都能用于通信，从而形成一个通信的频率窗口。该窗口存在着昼夜变化，每小时都不尽相同。因此，实际选择通信频率时须要照顾到不同工作时间带来的约束。频率窗口初选如图1所示。

图1 频率窗口初选

1.2 频率探测

此时主呼和被呼双方默认处于扫描状态，实时在每个信道频率上捕获信号，监测本地噪声。收到子网内其他用户的呼叫信息时，不论是否为对本址的呼叫，均记录对端地址及呼叫信号质量评估参数。探测阶段，主台在初选可通频段优选频率发起呼叫，从台收到后在此频率应答，随后呼叫台再进行应答，完成对当前单个信道的探测过程。通过逐步聚焦的探测后，通信双方即可交互完成初选可通频段内的信道实时探测，形成可作为评判建链频率的信道质量表。

1.3 优选频率建链

探测结束后，主台探测阶段记录的双方通信信道质量表，决定优选建立频率的排序，并在最优建链频率发送建链通知，被呼台收到后应答后进入建链阶段，建链完成后同时呼叫台申请当前信道使用的业务，建立业务通信链路。若此频率建链失败，呼叫台在下一个建链频率尝试建链，若所有建链频率尝试都失败，则建链失败。每一次建链，无论成功或失败，都将建联过程中获得的探测信息更新到建链频率信道质量表中，作为对频点列表的维护[9,10]。

1.4 链路维持

主台发送链路维护信令，从台收到后发送应答，完成一次维护过程，等到下一个时间间隔后重复上述维护过程，如此不断重复。若主台没有收到应答，则主台自动启动重建链过程，其流程与单呼建链流程一致，如图2所示。

图2 链路维持

短波智能选频采用的方案首先通过长期预测确定初始可用频段，然后通过实时频率探测与背景噪声感知进行频率校正，从而实现最佳可用频率的动态更新。智能频率选择流程图如图3所示。

图3 智能频率选择

总结来说，本文提出的智能频率选择算法基于ITS软件获取长期预测的可用频段，然后在可用频段范围内依次探测各频点的信道质量，建立各频点信道质量表。选择列表中第一个最优频点进行建链，后续在链路维持和重新建链的过程中实时更新维护频点信道质量表。该算法不依赖人工操作，实时自动更新各频点信道质量信息，从而实现快速选频，提高建链效率。