面向短波快速建链的智能频率选择算法研究

皮明峰，王一印

(广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510670)

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]。由于太阳辐射不规则，所以电离层的电子密度和高度将随季节、一天中的不同时间以及太阳黑子活跃性的变化而有较大的变化。此外，太阳黑子常出现耀斑爆发，引起电离层强烈的短时间骚动[2]。电离层的特性决定了短波通信电波传播的特点：多径传播、衰落、多普勒频移以及多普勒扩展和干扰。多径效应引起信道的时间色散，可能会造成信道频率选择性衰落，而多普勒效应引起信道的频率色散，会造成信道时间选择性衰落，即信道的时变性[3]。

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、本地噪声情况等一系列因素相关[4]，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。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。现有技术通常采用以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[5]的过程中通过扫描整个可用频段获得最佳频段。但该技术通过人工输入参数到预测模型输出可用频段，实时性差且需要人工操作，扫描频段则需要一定时延，因此影响建链成功率。综上所述，现有技术存在频率选择时间长、建链效率低的问题。本文提出一种智能频率选择算法，自动最优频点快速建链以及链路维持，用以解决现有技术中频率选择时间长、建链效率低的问题。

1 自动频率选择流程设计

本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；可根据信道情况自适应选择传输速率、自动请求重发等手段来提高短波数据通信的可靠性。短波频谱决策是根据电离层特性参量的时空变化规律和通信质量与电离层信道参数的关系，在电离层探测历史资料或实测资料的基础上，对短波通信信道当前可用信道作出的决策，它是电离层电波传播理论、最佳信道匹配理论和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、优选频率建链和链路保持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，更新模型。

首先根据长期预测结果获得确定可用频段。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月中值所做出的一种预先推断。它可以提前1个月、3个月或更长时间预报出短波的传播模式、接收点信号场强和短波通信电路最高可用频率等参数的月中值。对于预定的通信电路而言，长期预测给出的最高可用频率只是一个预测值，它是依据电离层监测站所提供的电离层参数的小时月中值而确定的，只能保证通信时间50%的利用率。为了提高通信时间的利用率，需要选用最佳工作频率，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、季节和不同时间而变化。由此可见，短波天波通信工作频率的选取应在电路的最佳工作频率附近考虑，尽量不要高于最佳可用频率，绝对不能超过电路的最高可用频率。频率窗口初选流程如图1所示。

图1 频率窗口初选

ITS软件设置的参数如表1所示。

表1 ITS主要设置参数

从短波传播的角度来看，理论上介于最佳工作频率和最低可用频率之间的任何频率都能用于通信[6]。但是，由于最佳工作频率和最低可用频率存在着昼夜变化，每小时的频率值都不尽相同。因此，实际选择通信频率时还必须照顾到不同工作时间带来的约束。

1.2 频率探测

此时主呼、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。如收到子网内其他用户的呼叫信息，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，主台在可通过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所选频段内的实时探测质量，形成可作为评判建链频率的信道质量表。频率探测信息如表2所示。

表2 频率探测信息

频率探测具体过程如下：

在全频段(2～30 M)内并行进行N(例如32)路宽带信道频谱感知[7]，将N路宽带信号按照检测性能从大到小进行排序。

(1)将N路宽带信号(带宽24 kHz)中的每一路进行FFT变换，其中FFT点数K取1 024；截取长度为K的信号，加窗，FFT变换到频域，并计算其功率谱[7]。

(2)将信号功率谱分割为8段3 kHz的频段F1～F8，并计算F1～F8对应的能量S1～S8。

(3)设置底噪门限TH，通常认为短波的底噪功率为-110～-90 dbm，所以可设置TH=-100 dbm。将S1～S8中大于TH的值，记为集合R；S1～S8中小于TH的值，记为集合U；可根据实际情况，按照时间段和频段来调整TH的值，具体值需要对全频段、全天候24小时电磁环境数据采集分析后来确定。

(4)将集合R中各值对应的频段判为0(不可用)；集合U中各值对应的频段判为1(可用)；统计 24 k宽带信道中最大连续3 k子信道可用数。

(5)按照连续可用子信道个数大小进行从大到小排序，优先选择前面的信道。

在实际应用中，可以根据扫频时间，将连续一段时间内信号功率谱进行合并，这样可以使计算出的能量更加准确，从而使频谱感知更加准确。

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[8]，被呼台收到后应答，进入建链阶段，主台收到从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。

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

链路维持具体过程如下：

(1)设置一个业务维持时间T；

(2)到达时间T之前，若业务被中断(由于受到干扰或链路质量差)，则重新选择一个最佳频点进行建链；

(3)计时器到业务维持时间T时，判断业务是否空闲，若是，则进入下一步骤，否则重启计时器；

(4)主台发送链路维护信令，若收到了从台的应答，返回步骤1，若未收到从台应答，则重新选择一个最佳频点进行建链。

因此，短波智能选频采用的方案是首先通过中长期预报确定可用频段，在此基础上生成历史频率数据库，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。智能频率选择流程如图 3所示。

图3 智能频率选择

总的来说，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。该算法不需要依赖人工操作，实时自动更新各频点信道质量信息，方便快速选频，提高建链效率。

2 结语

本文通过频率预测和N路并行频谱感知获得可用频段，在可用频段内选择最优历史频点建链，并持续进行频率预测和频谱感知以进行链路维持。该智能频率选择算法能够快速高效地选择频率建链，并且频率预测模块内置于主叫台，可以实时调整可用频段，提高建链效率。