短波通信頻譜管理系統應用及發展探討

李東　李爭　王騏

【摘 要】為了提升遠洋船舶短波通信效率，介紹了短波通信頻譜管理系統，分析了其技術特點及組織應用方式，并在遠洋航行過程中進行了長時間的試驗驗證，試驗結果證明了短波通信頻譜管理系統在短波通信保障中的作用和優勢。最后，對短波頻譜管理技術的發展進行了探討。

【關鍵詞】短波通信 頻管系統 頻率優選

1 引言

隨著工業技術及信息化技術的飛速發展，電子設備及信息化裝備的使用數量成倍地增長，電磁頻譜越來越頻繁地被使用，這使得電磁頻譜資源越發緊張，信息系統間的相互干擾日趨嚴重。為了更好地發揮信息系統的作用，使其服務于工業及信息化建設，需要對頻譜資源進行合理的利用及有效的管理。基于通信頻譜管理系統的短波通信組織方式有別于傳統的短波通信組織方式，為了更好地發揮短波通信保障能力，有必要對短波通信頻譜管理系統的應用及發展進行更加深入的研究。

2 短波通信頻譜管理系統

短波通信頻譜管理系統（以下簡稱頻管系統）是目前短波通信保障的重要系統，它融合了探測、監測及頻譜管理三大技術。頻管系統基于短波傳播的原理[1]，在系統中設置了短波探測信號發送及接收設備，通過不斷的探測來判斷當前短波傳播介質的能力及變化情況。同時，短波段頻段比較窄，短波段的頻率資源有限，加上短波通信裝備數量的不斷增加，造成了短波段內可用頻率資源比較緊張。為了避免短波段內通信設備互相干擾，頻管系統中還設置了短波干擾監測設備，用于監測短波段內哪些頻點或頻段正在被使用，頻管系統為短波通信系統選擇頻率時則主動避開這些正在被使用的頻點或頻段，這樣選出的通信頻率便是當前時間段內最優質的頻率。

2.1 Chirp探測技術[2]

目前，跨地域大范圍內的無線通信手段主要有衛星和短波兩種。衛星通信極其方便，但衛星資源緊張，戰時衛星通信也極易被干擾甚至摧毀，作為遠距離無線通信的重要手段，短波通信是不可或缺的重要資源。遠距離短波通信是依靠電離層反射傳播的，電離層反射能力隨時變化，導致短波通信的可用頻率也要隨時調整。經過國內外多年的研究及驗證，發明了多種電離層的探測手段，其中Chirp探測技術是最適合遠距離探測的技術。

短波電離層Chirp探測的目的是測量短波信道各種傳播模式的時延值和信號能量，并作為頻率的函數，形成電離圖。典型的Chirp探測信號是頻率線性掃描信號，圖1給出了Chirp探測系統測量時延和幅度的原理圖。

若從發射端把Chirp信號傳輸到接收端，中間沒有延遲（即τp=0），則當接收機收到Chirp信號并和機內本振信號混頻后，其輸出將為零頻率的差拍信號。實際上，信號通過信道是有時間延遲（τp）的。例如電波以表面波模式傳播時，τp在掃描的頻段內是固定的。若固定延遲用τp0表示，這樣在掃頻一周內，收發頻率就一直存在一個固定頻率差Δf0，接收機將輸出一個頻率為Δf0的差拍電壓。傳播路徑越長，τp0越大，則收到的Chirp信號掃頻開始的時間越落后于接收機的掃頻開始時間，從而使輸出的差頻越高，如圖1所示。由此可見，只要收發都保證線性掃頻，接收機輸出的基帶信號頻率（Δf）就可用來直接反映信號在信道中傳輸后的時延（τp）。以上是Chirp探測之所以能測得信道電離圖的根據。

但在實際的短波信道上，存在著許多傳輸模式，而且每種模式的時延隨頻率的分布也不再是一條水平線。因此，實際上，探測信號是通過多種電離層反射模式進行傳播（例如1 hop F，2 hop F，1 hop E等）的。各個傳播模式的傳播時延被直接轉換成頻率偏移。在接收端解調出來的音頻信號中就會出現多個分量，代表著多種時延不同的傳輸模式，接收到的電離圖如圖2所示：

2.2 干擾監測技術

頻管系統中干擾頻譜監測功能是對短波通信頻率的信號強度和占有率進行測量和統計分析，而不是干擾信號識別和譜結構分析，由短波干擾頻譜監測儀或短波干擾監測模塊完成，主要測量參數有干擾強度（場強）和頻譜占有率。其測量原理如圖3所示：

2.3 頻譜管理技術[3-4]

頻譜管理通過管理終端軟件來實現，它是頻管系統的大腦，由計算機系統組成，通過運行相關軟件進行頻譜的管理。頻譜管理通過短波實時探測系統收集信道探測數據，通過干擾監測系統收集電磁干擾和信道占有情況數據，通過網管等其他手段收集網絡布局（站點）、網絡情況、設備使用情況數據。頻管終端根據收集到的數據，確定可用頻率資源，并對可用頻率資源進行合理分配和有效使用，為通信系統自動分配頻率資源，為短波通信系統提供服務與支撐。

3 短波頻譜管理技術的應用探討

基于Chirp探測、干擾監測的頻譜管理技術，在實際工作中要發揮作用需要短波通信系統的支持。短波通信鏈路之間建立用于頻管信息交互的通路，其本身也是短波鏈路，在不借助其他無線鏈路的基礎上實現短波自身的保障。

短波通信在船舶遠洋通信中有迫切的需求，它是當前除了衛星通信外的唯一遠洋通信手段。根據試驗及經驗，短波通信效果的好壞與通信雙方的位置（距離）有很大的關系，但也并不是距離越近就越好，有時拉開通信雙方的距離再配合適當的頻率管理反而可以取得更佳的通信效果。

根據短波傳播的這一特點，可以考慮在遠洋船舶位置相對固定（一定時間內）的情況下改變岸基通信側的位置以增強短波通信效果及保障能力。由于岸基通信往往設置在陸地上，隨著互聯網技術的日益成熟，多岸站聯網保障的頻譜管理技術成為了可能。利用有線網絡把多個分散的岸站連接起來，其中任意一個站點建立與遠洋船舶的短波鏈路，則可通過此鏈路轉發岸站的信息和數據[5]，這就提高了遠洋船舶短波保障的通信能力。

頻管系統根據短波傳播原理，在岸站設置了短波Chirp探測發射及管理系統，在船舶上設置了短波Chirp探測接收及管理系統。接收到的信號經過DSP處理后形成反映電離層反射能力的“電離圖”數據，一個探測接收設備可以分時接收多個岸站發射的探測信號，這便形成了一點對多點的電離圖數據。船舶頻管系統可以根據接收到的多個岸站的電離圖數據對先前約定的頻率及頻率組進行評價，并根據評價結果優先選擇最容易接入的岸站建立初始的短波通信鏈路，并在初始鏈路上交互頻管系統的頻管數據，再結合岸船雙方的本地干擾監測數據，對探測優選頻率再次評分，選出雙方通信效果都最佳的通信頻率對初始鏈路進行維護，這樣船岸雙方便形成了最佳的短波通信鏈路。隨著時間的推移，電離層發生變化，探測、監測數據也同步更新，根據頻管系統的選頻算法，再次優選出通信頻率，不斷更新優選頻率庫，并對建立的短波通信鏈路進行實時維護，使其時刻保持在最佳的通信狀態，以提高船岸之間的短波保障能力及效率。

以兩岸站保障一船舶站為例，典型業務流程如下：

（1）兩岸站發射探測信號，同時進行本地干擾監測，船舶站接收岸站發射的探測信號，同時進行本地的干擾監測。

（2）船舶站根據探測監測結果，對約定頻率組進行綜合評估，根據評估結果選擇最容易接入的岸站完成初始鏈路建立。

（3）初始鏈路建立后，根據鏈路質量情況，選擇是否更新鏈路頻率。

（4）通過優質的鏈路傳輸通信業務數據。

（5）在實時探測數據及監測數據的支撐下，對鏈路質量進行監測、維護，使鏈路處于最優狀態。

根據以上分析，在船舶遠洋航行過程中進行了相應的驗證試驗。2015年4月至2015年8月，結合某批次遠洋船舶遠海運輸（中國-也門）的機會，同步開展了短波頻譜管理系統保障短波通信的驗證試驗。

3.1 試驗網絡

此次試驗設置了兩個岸站來保障本次遠洋航行，分別在中國內陸北部天津、南部廣州各設置一個岸站來保障兩艘船組成的運輸編隊，分別為1號船舶站和2號船舶站，試驗站點及網絡示意圖如圖4所示。岸船之間的短波鏈路在5個工作頻率上自適應選擇最佳頻率進行通信。

3.2 試驗情況

（1）優選頻率可用性驗證

在遠洋過程中對頻管系統優選出的頻率進行了實驗驗證，由頻管系統優選出的頻率動態地指配給相應的短波通信系統使用，根據短波通信系統的使用效果進行評價。

“廣州-1號船舶站”鏈路分析結果表明，頻管系統優選出的頻率動態地指配給相應的短波通信鏈路后，無論是以定頻方式聯絡，還是以“自適應”方式聯絡，其中80%～85%的指配頻率LQA（鏈路質量分析）[6-8]均有分值，能建鏈。而且，每一次指配的5個頻率，能夠建立較優質通信鏈路的頻率個數平均有3.5個，占每次所指配頻率的70%，足以保證該通信鏈路的不間斷。這充分說明，頻管系統的優選頻率是完全可用的，其計算的優選頻率結果也是可以采信的。

（2）頻率及功率與通信質量的關系驗證

2015年4至2015年8月，遠洋船舶在阿拉伯海域航行，1號船舶站的短波電臺分別以1 000 W、500 W、400 W、300 W、200 W和100 W的功率工作。廣州岸基短波電臺發信機分別以3 kW、2 kW、750 W的功率工作，以上各種功率的組合使用均能達成“廣州-1號船舶站”鏈路的通信聯絡。其中，1號船舶站短波電臺使用500 W功率工作約1.5個月，使用400 W功率工作約1個月，使用200 W試驗持續13天（64次），使用100 W試驗持續16天（51次）。各種發信功率下的短波通信鏈路LQA分值（滿分百分制，收發各50分）的比較如表1所示。

對試驗數據進行分析發現：

1）經頻管系統優選后，動態地指配給通信系統的通信頻率，其可通頻率都在80%～85%，即優選頻率中80%～85%的頻率都可以建立鏈路。此時，鏈路對發信功率的要求不高，功率大小對鏈路質量影響不明顯。

2）頻管系統依據其Chirp頻率探測本地的干擾監測結果，進行數據分析處理所獲得的優選頻率準確，是可以采信的。

3）只要頻率優選恰當，優質通信鏈路的建立對功率要求不高，此時，功率的大幅增加對鏈路信號傳輸質量的改善并不明顯。

（3）船舶站選擇岸站（聯網）驗證

2015年6月進行了為期一個月的驗證試驗，1號船舶站位于阿拉伯海域，與天津、廣州兩岸臺進行多岸站聯網保障，船舶站主動維護鏈路的試驗。由船舶站根據Chirp實時探測數據選擇容易接入的岸基臺站建立初始鏈路，建鏈成功后，船舶站依據頻管系統實時探選獲得的優選頻率，執行“更頻”即鏈路維護操作，將優選頻率動態地指配給當前鏈路的通信雙方。

試驗中，對初始建鏈頻率的鏈路質量分值（LQA分值）和更新頻率后的鏈路質量分值進行比較，分析其對通信系統質量的影響情況。

1）“天津-1號船舶站”鏈路，“船舶站主動維護鏈路”聯絡對鏈路質量的影響

2015年6月，“天津-1號船舶站”鏈路執行更頻聯絡57次。單個頻率LQA分值進行比較，“船舶站主動維護鏈路”后，更新頻率較原初始建鏈頻率上升39次，上升次數占原初始建鏈頻率的比例為68.42%；整個頻率組5個頻率LQA總分值比較，“船舶站主動維護鏈路”后，更新頻率組較原初始建鏈頻率組上升57次，上升次數占原初始建鏈頻率組的比例為100%。

“天津-1號船舶站”鏈路，“船舶站主動維護鏈路”聯絡對鏈路質量的影響情況如表2、表3所示。

2）“廣州-1號船舶站”鏈路，“船舶站主動維護鏈路”聯絡對鏈路質量的影響

2015年6月，“廣州-1號船舶站”鏈路執行更頻聯絡80次。單個頻率LQA分值比較，“船舶站主動維護鏈路”后，更新頻率較原初始建鏈頻率上升55次，上升次數比例占原初始建鏈頻率的68.75%；整個頻率組5個頻率LQA總分值比較，“船舶站主動維護鏈路”后，更新頻率組較原初始建鏈頻率組上升80次，上升次數占原初始建鏈頻率組的比例為100%。

“廣州-1號船舶站”鏈路，“船舶站主動維護鏈路”聯絡對鏈路質量的影響情況如表4和表5所示。

3）“天津-1號船舶站”與“廣州-1號船舶站”鏈路，“船舶站主動維護鏈路”聯絡效果對比分析

本次試驗數據統計顯示，當鏈路LQA收信與發信分值均大于15分時，該短波鏈路通信質量良好，為優質通信鏈路。

依據頻管系統實時探測優選出的頻率，進行鏈路頻率動態更新后，無論是“天津-1號船舶站”還是“廣州-1號船舶站”鏈路，各個時刻的優質頻率由1個增加為3個左右，這就極大地提高了該通信鏈路適應各種復雜環境的能力，保證了通信鏈路的不間斷。

更頻后，2條鏈路LQA分值的增幅呈現以下特性：初始建鏈時LQA收、發信分值越低，更頻后LQA分值提升幅度越大，信道質量改善的效果越明顯；初始建鏈時LQA收、發分值越高，更頻后LQA分值提升幅度越小，信道質量改善的效果越差。

更頻后，2條鏈路更新頻率平均出分比例相似（天津86.00%-4.3個、廣州88.00%-4.4個），更新頻率平均高分比例不同（天津58.00%-2.9個、廣州70.00%-3.5個）。“天津-1號船舶站”鏈路岸臺收分在20分以下區間的高分頻率比例在提升，在20分以上區間的高分頻率比例在下降；“廣州-1號船舶站”鏈路岸臺收分在40分以下區間的高分頻率比例在提升，在40分以上區間的高分頻率比例在下降。

3.3 試驗結論

在遠距離通信中，岸船短波發信設備功率的增加對鏈路通信質量的影響遠比不上優質頻率對信道質量的影響。也就是說，相對于電離層傳播信道衰減對到達接收點的信號強度影響，發信設備功率的提高對增強信號強度的作用不大，頻率好用才是改善鏈路通信質量的關鍵。所以，在今后的遠距離短波通信保障中，應優先考慮的是如何通過改善頻率探測手段來獲取更佳的通信頻率，而不是片面地增大發信功率[9]。

對試驗數據進行統計表明，在目前的岸船短波通信收發信系統及其天饋線系統條件下，距離為6 700km～7 700 km“天津-1號船舶站”短波通信鏈路，其鏈路LQA單向分值主要集中在1分-20分區間，21分-50分區間極少。距離為6 100 km～7 100 km的“廣州-1號船舶站”短波通信鏈路，其鏈路LQA單向分值主要集中在1分-30分區間，31分-50分區間極少。也就是說，在現有的裝備條件下，對于6 000 km以上通信距離的短波通信，30分以上的單向LQA分值屬于極少出現。所以，此種條件下，短波頻率探測的目標就在于每一時刻為相應的通信鏈路探測出盡可能多的單向LQA分值分布在15分-30分區間的頻率，來滿足信道快速變化時的短波通信鏈路不間斷的需要。從試驗數據的統計結果來看，通過頻管系統的實時頻率探測和干擾監測的頻率動態應用，恰恰能很好地達成此目標，它極大地提升了信道工作頻率出現在15分-30分區間的概率，從而保證了98.70%的有效溝通率并且延長了鏈路不中斷的時間。

3.4 待優化的地方

船舶站頻管系統每次接收到岸站發射的Chirp探測電離圖后，系統結合本地干擾監測數據，按其自身算法標準，對信道質量的優劣進行評分，并按高低分順序，排列出相對優質的頻率。試驗中也發現存在這樣的現象，頻管系統依據其算法標準獲得的最高評分頻率，其鏈路實際LQA分值并不是最高；而評分次高的頻率，其鏈路實際LQA分值反而最高。但整體來看，依據頻管系統算法標準計算、優選、指配的5個高分頻率，其鏈路實際LQA分值也整體趨向于高分。這說明：頻管系統的頻率優選算法仍然是可信的，其指配的頻率也是可用的，但其算法仍有待進一步修正與完善，以求其計算結果與鏈路LQA實際結果更加一致。

目前頻管系統主要的探測手段是Chirp探測，可以考慮適當改善短波頻率探測手段，嘗試多種探測方式。同時，由于條件限制，對多岸站聯網保障的驗證并不多，但多岸站聯網保障效果明顯，需要進一步研究和探索。為了進一步提升遠距離短波保障能力，需要完善短波頻率探測、預報網絡體系，研究多岸站聯網保障等，以進一步提升遠距離短波頻管系統的探選能力。

4 短波頻譜管理技術的發展探討

為了更好地服務短波通信，頻管系統需要不斷完善和創新。現如今，計算機技術發展速度迅猛，大數據、云計算在現代生活中發揮著重要的作用，頻譜管理技術也可以借鑒其他領域成熟的、先進的技術來突破自身的發展。

4.1 基于服務的頻譜管理技術

隨著人們對短波通信優勢的認識，越來越多的短波系統被投入使用，人們對短波應用的需求也越來越廣泛，也越來越具體。但根據自身的應用場景在短波使用的需求上也存在差異，為了滿足不同的用頻需求，頻譜管理技術需要向基于服務的方面發展，把頻譜管理細化成不同的細小的服務，這些細小的服務可以根據用戶的需求任意組合，形成新的服務。在計算機技術、大數據技術、云計算技術不斷發展的時代，基于服務的頻譜管理技術有了堅實的技術基礎。

4.2 基于雙向探測的頻譜管理技術

目前頻管系統主要是單向探測選頻，雖然理論上電波傳播具有可逆性，但由于通信系統及天饋系統的差異性，加之不同的反射介質對電磁波具有不同的吸收性。同時，隨著短波通信組織手段地不斷發展，收發異頻也是一種很好的保障方式。所以，有必要試驗和驗證雙向探測在短波保障中的效果和能力。

4.3 動態頻譜管理技術[10]

隨著各國對短波通信作用的重視，短波的使用越來越頻繁，但短波本身頻段比較窄，資源有限，很容易造成相互干擾，同時，固定分配的頻譜資源也有沒完全得到使用。為了解決短波資源緊張的問題，可以考慮在頻譜管理中使用動態的頻譜管理及頻率分配策略。

4.4 通信設備統一建模技術

頻譜管理的宗旨是更好地服務于通信，通信離不開通信系統及設備，不同的系統、不同的應用其通信設備也有不同的特點。為了提供更好的服務，選擇更加合適的頻率，頻管系統在做好自身頻率探測、選擇的基礎上，也需要對通信設備有比較細致的了解并掌握其用頻特點，這需要在頻管系統中建立通信設備的模型，并在頻率選擇時給予充分的考慮。

5 結束語

頻管系統在短波遠洋通信中的作用是毋庸置疑的，其自身的Chirp探測、干擾監測及頻率管理技術符合短波通信的特點，尤其是在遠距離短波通信中效果更加明顯。由于頻管系統還未被廣泛地使用，其自身還有很大的改善和提高空間，結合快速發展的信息化技術，頻管系統將會在遠距離通信保障中發揮更加重要的作用。

參考文獻：

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