一種岸海短波組網(wǎng)通信頻率集自動更新方法

張　浩，周安棟

(海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院 ， 湖北 武漢 430033)

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一種岸海短波組網(wǎng)通信頻率集自動更新方法

張浩，周安棟

(海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院 ， 湖北 武漢 430033)

摘要：在岸海短波組網(wǎng)通信過程中，為使通信頻率集得到及時(shí)更新，提高通信的連續(xù)性和可靠性，提出了一種以門限值為更新依據(jù)的通信頻率集自動更新方法。在分析我國岸海短波通信網(wǎng)的基礎(chǔ)上，闡述了這種頻率集自動更新方法的設(shè)計(jì)思路，重點(diǎn)研究了門限值的設(shè)定算法，將門限值分為基礎(chǔ)值和冗余值兩部分進(jìn)行設(shè)定，并利用MATLAB進(jìn)行了仿真計(jì)算。

關(guān)鍵詞：短波；通信頻率集；自動更新；門限值

0引言

短波自適應(yīng)通信中，完成信道匹配主要有兩種系統(tǒng)。一種是探測與通信二合一的短波自適應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)對短波信道探測、評估和通信一并完成，典型產(chǎn)品有美國Harris公司的RF-7100系列，加拿大RACE公司的AECE系統(tǒng)等。另一種是探測和通信分離的獨(dú)立系統(tǒng)，又稱自適應(yīng)頻率管理系統(tǒng)，它利用獨(dú)立的探測系統(tǒng)篩選出可用頻率范圍并分配給每個(gè)用戶一個(gè)可用頻率集，用戶使用該頻率集完成自適應(yīng)通信。如：美國研制的AN/TRQ-42(V)系統(tǒng)，成功用于海灣戰(zhàn)爭，支持短波通信網(wǎng)，效果良好[1]。

國內(nèi)岸海短波組網(wǎng)通信采用了探測與通信分離的系統(tǒng)，如BF-3200、TCP-724、MSR-8000 等一些短波選頻系統(tǒng)和頻率管理系統(tǒng)已投入使用[2]。岸海短波通信屬于遠(yuǎn)程通信，對選擇好的通信頻率工作要求高，通信頻率集的可用性變化頻繁，為避免通信質(zhì)量嚴(yán)重下降或無通信頻率可用的情況出現(xiàn)，要求對用戶可用頻率集及時(shí)進(jìn)行更新。

本文提出一種岸海短波通信頻率集自動更新方法，使系統(tǒng)在頻率集可用性降低到一定程度時(shí)自動完成更新，保證用戶通信可靠性和連續(xù)性，改善通信體驗(yàn)。

1國內(nèi)岸海短波通信網(wǎng)

我國岸海短波自適應(yīng)通信網(wǎng)獨(dú)立的分為探測網(wǎng)和通信網(wǎng)，結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1短波自適應(yīng)通信網(wǎng)模型

陸上頻率管理系統(tǒng)(頻管系統(tǒng))與陸上通信臺建于同地；海上一定區(qū)域內(nèi)的用戶組成一個(gè)通信組，共用一個(gè)頻率集[3]，并由一只具備海上頻管系統(tǒng)的船擔(dān)任通信節(jié)點(diǎn)。短波通信頻率的探測和分發(fā)全部由頻管系統(tǒng)統(tǒng)一管理。當(dāng)海上用戶需要更新頻率時(shí)，向海上頻管系統(tǒng)申請新頻率集。陸、海頻管系統(tǒng)頻率信息交互工作獨(dú)立運(yùn)作，收到頻率申請請求后，立刻分發(fā)通信頻率集給所管轄的通信臺或者通信組內(nèi)用戶，組內(nèi)用戶收到通信頻率集后完成岸海短波自適應(yīng)通信鏈路建立。

頻率更新方式主要分為：手動更新和定時(shí)更新。手動更新是指用戶發(fā)現(xiàn)初始頻率集不能滿足通信需要時(shí)，人為操作向頻管系統(tǒng)申請新頻率集。定時(shí)更新是指將時(shí)間因素(如：早晚、月份、固定間隔等)設(shè)置為頻率集更新的激活條件，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行完該時(shí)長后進(jìn)行一次頻率集更新。

手動更新與定時(shí)更新的方法容易實(shí)現(xiàn)，但存在一些問題：

(1) 手動更新對用戶通信的連續(xù)性和實(shí)效性影響較大；

(2) 通信頻率集可用性嚴(yán)重下降，但此時(shí)仍未到頻率更新時(shí)間點(diǎn)；

(3) 通信頻率使用良好但在頻率更新時(shí)間點(diǎn)強(qiáng)制更新。

2門限值更新方法

門限值更新是各短波通信臺根據(jù)自身頻率集在網(wǎng)絡(luò)通信中使用情況進(jìn)行調(diào)整。各用戶利用自身短波控制器，對通信過程中頻率集內(nèi)可用頻率進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)可用頻率數(shù)低于某一門限值x時(shí)，系統(tǒng)自動向頻管系統(tǒng)申請更新頻率集，工作流程圖見圖2。

圖2門限值更新流程

這種自動更新方法實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是如何確定門限值x大小。門限值x即頻率集中可用頻率數(shù)量的最小值，受兩方面因素影響：用戶數(shù)量和頻率質(zhì)量。通信組內(nèi)用戶數(shù)越多，需要的頻率數(shù)量必然越多；頻率質(zhì)量越好，需要的頻率數(shù)量必然越少。因此，在配置門限值x時(shí)，將x分為基礎(chǔ)值和冗余值，基礎(chǔ)值受用戶數(shù)量影響，不保證通信質(zhì)量；冗余值建立在基礎(chǔ)值之上，受頻率質(zhì)量影響，提供額外的通信質(zhì)量保證。配置門限值x時(shí)，可以只進(jìn)行基礎(chǔ)值的設(shè)定，為用戶提供最基本的用頻保障；也可以在基礎(chǔ)值的基礎(chǔ)上增加冗余值，不僅保證所有用戶在一定條件下有頻可用，而且能保證建立質(zhì)量較好的通信鏈路。

2.1基礎(chǔ)值的設(shè)定

基礎(chǔ)值是保證所有用戶在一定的時(shí)間內(nèi)或者一定的概率下有頻率可用的最少可用頻率數(shù)量。基礎(chǔ)值的大小不僅與用戶數(shù)量有關(guān)，而且與每個(gè)用戶的通信頻繁程度以及通信時(shí)長有關(guān)系。用戶越多，頻率被占用的可能性就越大；同樣，通信越頻繁、通信時(shí)間越長，其它用戶需要通信時(shí)有頻率可用的可能性也越小。

假設(shè)如下場景一：

(1)有10個(gè)用戶共用一個(gè)頻率集；

(2)每個(gè)用戶通信頻繁程度滿足泊松分布，分布參數(shù)λ0為1次/小時(shí)，即每個(gè)用戶平均1小時(shí)通信1次。將10個(gè)用戶看成一個(gè)整體，在相互無影響的情況下，這個(gè)整體的通信頻繁程度同樣滿足泊松分布，且λ=10×λ0=10次/小時(shí)；

(2)每個(gè)用戶每次通信時(shí)長為0.1小時(shí)；

(3)可用頻率數(shù)為3個(gè)。

我們使用Erlang B公式對基礎(chǔ)值進(jìn)行計(jì)算，如式(1)所示：

(1)

(a)10%呼損率標(biāo)準(zhǔn)下用戶數(shù)與基礎(chǔ)值的關(guān)系

(b)5%呼損率標(biāo)準(zhǔn)下用戶數(shù)與基礎(chǔ)值的關(guān)系

(c)2%呼損率標(biāo)準(zhǔn)下用戶數(shù)與基礎(chǔ)值的關(guān)系

(d)1%呼損率標(biāo)準(zhǔn)下用戶數(shù)與基礎(chǔ)值的關(guān)系

圖3中，10%的呼損率也可以解釋為任一用戶在某時(shí)刻都有90%的概率有通信頻率可用或者任一用戶在90%的時(shí)間里都有頻率可用。我們可以將呼損率作為一種服務(wù)保證標(biāo)準(zhǔn)，呼損率越低，服務(wù)保證標(biāo)準(zhǔn)越高，基礎(chǔ)值越大。

2.2冗余值的設(shè)定

基礎(chǔ)值只能保證用戶“有頻可用”，并不關(guān)注通信頻率質(zhì)量的好壞。例如，假如3個(gè)頻率可以滿足5個(gè)用戶的用頻數(shù)量需求，第一個(gè)用戶可以從3個(gè)頻率中選一個(gè)進(jìn)行通信，建立通信效果良好的鏈路概率很大，隨后的用戶選擇范圍越來越小，通信質(zhì)量也就越來越得不到保障；如果我們用5個(gè)頻率保障5個(gè)用戶，第三個(gè)用戶便可以從3個(gè)頻率中選一個(gè)。上述假設(shè)的例子中，額外增加了2個(gè)頻率，便能提高整體的通信效果保障水平。額外需要頻率數(shù)量的最小值，定義為冗余值。

冗余值設(shè)定與頻率質(zhì)量有關(guān)，我們需要能預(yù)測出通信頻率質(zhì)量的變化情況，并能及時(shí)申請新頻率集保證通信質(zhì)量。對頻率質(zhì)量的預(yù)測除了采用ITS軟件，還可以利用基于數(shù)據(jù)庫的自優(yōu)化技術(shù)思想[4]。每一次通信過程中，通信雙方的短波控制器均對本次通信信道質(zhì)量進(jìn)行評分，每一方滿分50分，以信納德、誤碼率等作為評分依據(jù)，雙方的分值相加即為該頻率在某區(qū)域和某時(shí)刻的通信信道質(zhì)量評分結(jié)果，存入數(shù)據(jù)庫備用。假定只有在通信雙方分值均大于30分時(shí)才能正常通信；無法建鏈通信的頻率均視為0分[5]。則數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)將會以如下形式存在，見表1。

表1　信道質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

假設(shè)如下場景二：有7個(gè)頻率可以用來通信，頻率質(zhì)量見表2。

表2　頻率質(zhì)量表

假定基礎(chǔ)值應(yīng)該設(shè)定為3，如果不考慮冗余值，門限x即為3，當(dāng)頻率集中可用頻率數(shù)量少于3時(shí)，進(jìn)行頻率更新。如果再對通信質(zhì)量提出一定要求，比如建立低質(zhì)量鏈路的概率不小于80%，需要增加冗余值，計(jì)算冗余值大小，也就是計(jì)算額外需要的最少頻率數(shù)量：第三代短波自動鏈路建立系統(tǒng)采用“好頻優(yōu)先選擇”的原則，前兩個(gè)用戶很可能優(yōu)先使用了好的頻率(頻率1和頻率2)。第三個(gè)用戶只能選擇頻率3，為使他建立低質(zhì)量鏈路的概率也不低于80%，我們增加額外頻率，如：頻率4，計(jì)算得出建鏈概率為：[1-(1-0.7)×(1-0.65)]×100%=89.5%。選擇頻率4而不選擇其它目的是使冗余值最小。

依照上述計(jì)算思路，可用頻率數(shù)量和成功建立不同質(zhì)量的鏈路概率關(guān)系見圖4。

圖4　不同質(zhì)量下可用頻率與建鏈概率關(guān)系

由圖4可以得出，建鏈概率與可用頻率數(shù)、鏈路質(zhì)量、頻率質(zhì)量有關(guān)，如果將建鏈概率與鏈路質(zhì)量作為服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)確定下來，那么在不同的頻率質(zhì)量條件下的最少可用頻率數(shù)量，即為冗余值的大小。例如，需要始終為用戶提供有80%概率成功建立低質(zhì)量鏈路的服務(wù)，在場景二假設(shè)的頻率質(zhì)量條件下，需要提供1個(gè)冗余頻率。如果出現(xiàn)所有可用頻率均列入計(jì)算范圍，仍無法滿足建鏈概率要求，則自動增加“虛擬頻率”完成計(jì)算，得出冗余值大小。此時(shí)，冗余值必然大于可用頻率數(shù)量。

此計(jì)算方法的準(zhǔn)確性依賴于信道質(zhì)量數(shù)據(jù)庫的準(zhǔn)確度。數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)量越大預(yù)測越精準(zhǔn)，同時(shí)增加對統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的限制條件，如：天氣狀況、太陽活動狀況等，同樣能夠提高數(shù)據(jù)庫預(yù)測的準(zhǔn)確度。然而，基于數(shù)據(jù)庫的預(yù)測結(jié)果是一種統(tǒng)計(jì)平均的結(jié)果，具有一般性。如果某時(shí)刻某信道通話質(zhì)量良好，而數(shù)據(jù)庫預(yù)測信道質(zhì)量是一般，顯然實(shí)際通話結(jié)果更能反映真實(shí)狀態(tài)。因此，我們可以對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行改進(jìn)，將其分為兩部分：長期數(shù)據(jù)庫和短期數(shù)據(jù)庫[6]。長期數(shù)據(jù)庫即基于長期統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；短期數(shù)據(jù)庫根據(jù)實(shí)時(shí)信道質(zhì)量評估數(shù)據(jù)建立，并不斷動態(tài)變化[7]。當(dāng)進(jìn)行可用頻率監(jiān)測時(shí)，首先使用短期數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，如果沒有相關(guān)數(shù)據(jù)則使用長期數(shù)據(jù)庫。

2.3頻率集自動更新

綜合場景一、場景二，為保證所有用戶在95%的時(shí)間里能夠有80%成功建立低質(zhì)量鏈路的概率，那么應(yīng)將基礎(chǔ)值設(shè)定為3和冗余值設(shè)定為1，門限值x為兩值之和，設(shè)定為4。這里基礎(chǔ)值只能保證所有用戶在95%的時(shí)間里有頻可用，但無法保證建立低質(zhì)量鏈路概率始終大于80%。冗余值反映頻率質(zhì)量與最少頻率數(shù)之間的關(guān)系，額外保證建立低質(zhì)量鏈路概率始終大于80%。

在完成可用頻率集初始分配或上一次更新后，頻管系統(tǒng)分配給任一通信組的可用頻率集中的可用頻率質(zhì)量較好，并且數(shù)量遠(yuǎn)大于更新門限值，所有用戶通信狀況良好。新用戶加入通信組時(shí)需要告知通信節(jié)點(diǎn)，組內(nèi)用戶每次通信結(jié)束后上報(bào)通話時(shí)長信息給通信節(jié)點(diǎn)，通信節(jié)點(diǎn)根據(jù)組內(nèi)用戶數(shù)量、平均通話頻繁程度、平均時(shí)長確定基礎(chǔ)值大小；每艘船的數(shù)據(jù)庫信息實(shí)時(shí)共享，通信節(jié)點(diǎn)通過數(shù)據(jù)庫信息確定冗余值大小。基礎(chǔ)值與冗余值相加得到門限值x，隨著時(shí)間、位置等因素的變化，用戶數(shù)量和頻率質(zhì)量隨之變化，門限值x也動態(tài)調(diào)整，當(dāng)舊頻率集可用頻率數(shù)小于門限值x時(shí)，通信節(jié)點(diǎn)自動向海上頻管系統(tǒng)申請新頻率集，頻管系統(tǒng)收到請求消息后立即下發(fā)新頻率集，完成頻率自動更新。

3結(jié)語

基于門限值x的頻率集自動更新方法，能在通信發(fā)生中斷之前自動完成頻率集更新，保證了用戶通信體驗(yàn)。此方法還可以根據(jù)用戶不同需求動態(tài)設(shè)定呼損率和通信質(zhì)量保障率等參數(shù)，進(jìn)而得出不同保障級別的門限值，緩解頻譜資源緊張和用戶需求之間的矛盾，達(dá)到效能最大化。實(shí)現(xiàn)這種自動更新方法的關(guān)鍵是基于信道質(zhì)量數(shù)據(jù)庫的大數(shù)據(jù)預(yù)測，這將是未來深入研究的重點(diǎn)。

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張浩(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槎滩ㄍㄐ牛?/p>

周安棟(1964—)，男，副教授，主要研究方向?yàn)闊o線通信。

Automatic Updating Method for Frequency Set in Coast-Sea

HF Networking Communication

ZHANG Hao，ZHOU An-dong

(College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan Hubei 430033,China)

Abstract：In order to keep communication frequency set update timely and improve communication continuity and reliability in coast-sea HF network communication,an automatic updating method for communication frequency set in accordance with threshold value is proposed. Based on the analysis of coast-sea HF communication network in China, this paper describes the design idea of frequency set automatic updating method,with focus on the setting algorithm of threshold value.This threshhold value is divided into basic value and redundant value for setting.Additionally,simulation is carried out with MATLAB.

Key words：HF; communication frequency set; automatic updating; threshold value

作者簡介：

中圖分類號：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-0802(2015)12-1427-05

收稿日期：2015-07-16；修回日期：2015-10-29Received date:2015-07-16；Revised date：2015-10-29

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.12.021