海洋短波組網通信自動選頻

周相成，吉 彬，胡 飛

海洋短波組網通信自動選頻

周相成，吉 彬，胡 飛

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

【】快速、準確地選出海洋短波組網通信的可通頻率。在現有信道設備具有全頻段信號捕獲與接收處理能力的基礎上，以實時頻率質量探測結果和網絡連通性為選頻依據，設計一種全網節點參與的短波全頻段自動選頻方案。通過仿真驗證，該方案可以高效地為所有參與組網的節點選出可用的頻率。該方案可有效解決海洋短波組網通信系統的選頻問題，確保短波通信在船舶遠洋航行、海洋石油開采以及海難救災搶險等工作中能夠穩定的發揮信息保障作用。

短波通信；頻率探測；自動選頻

隨著我國對海洋權益的日益重視，海洋運輸事業不斷發展，數十萬中國運輸船舶航行于世界各地，日益頻繁的海上活動使得海洋通信的需求急劇增加[1]。海洋通信主要手段是短波通信和衛星通信。由于衛星通信前期發射和后期維護等技術要求高、成本大，無法滿足大眾對海事通信的需求。而短波通信傳輸距離遠、設備簡單、機動靈活、抗毀性強，從而常在遠洋通信、海難救援以及軍事通信等方面發揮重要作用[2-3]。

短波信道條件惡劣，海洋空間環境也復雜多變，導致海洋短波通信可靠性不高[4-5]。而短波組網和頻率選擇是提高海洋短波通信可靠性的重要手段[6-7]。短波組網方面，各國構建了多種短波網絡，包括美國短波全球通信網（HFGCS），海警短波通信網（COTHEN）以及澳大利亞的現代短波通信系統（MHFCS）等[8]。隨著短波組網的不斷向前發展，短波選頻也從之前的點對點選頻問題擴展到組網選頻問題。早期短波選頻主要依靠頻率預測、人工選頻等手段[9-11]，但這些方法費時費力且準確性不高[12-13]。美軍標MIL-STD-188-141B提出一種針對固定頻率組進行頻率質量探測的實時頻率質量探測排序機制[14]，但該方法需要為全網節點規劃和下發探測頻率集，存在規劃時間長、操作復雜、選頻效率低、選出可通頻率的概率不高等問題[15]。近年，美國繼續開展動態頻譜接入技術的第4代短波自動鏈路建立（4G-ALE）標準化工作[16]，實現全頻段占用快速檢測和感知、全頻段信號捕獲實現快速建鏈。短波選頻技術體制不斷衍進，短波自動選頻建鏈技術也迅速發展[17-19]，但更多是聚焦于點對點選頻方面的應用，相比之下，短波組網選頻的研究較少。

在現有信道設備具有全頻段信號捕獲與接收處理能力的基礎上，筆者提出一種適用于海洋短波組網通信系統的自動網絡選頻新技術，選頻功能可以在網內自動進行，無需人工干預，使用方便且選頻效率較高，同時對其進行仿真驗證實驗。

1 新型網絡選頻技術

為解決海洋短波組網通信系統的多節點組網頻率選擇問題，本研究提出一種新型網絡選頻技術，其以實時頻率質量探測結果和網絡連通性為選頻依據。網內節點通過周期性探測消息交互，計算頻率質量并獲知鏈路狀態信息，再基于頻率質量和鏈路狀態信息構建路由表；當節點有信息待發送時，通過路由表查找轉發節點及可用頻率。

基于全頻段接收的新型網絡選頻技術，可在短波頻段任意頻率上發起選頻過程。新型網絡選頻技術選頻所需的探測頻率集完全由發起選頻命令的節點確定，在實際使用中靈活方便，參與選頻的節點無需進行復雜的頻率規劃和配置，降低了對操作人員的要求。同時發起選頻過程的節點還可以根據本地干擾、坐標、當前時間、歷史用頻信息等先驗知識確定本次選頻的頻率集，以提高選頻效率。以下將從選頻流程、時序、協議設計等方面對新型網絡選頻技術進行闡述。

1.1 選頻思路

假定一個短波網絡中有N個節點進行組網通信，節點網內地址為0~(N-1)。設置其中一個節點為選頻過程發起節點（可以是短波網絡中的任意節點），其余節點為選頻過程參與節點。選頻過程由選頻發起節點發起，網內其余節點收到選頻請求后對接收頻率進行探測以估計當前頻率的接收質量，假定探測頻率集內頻率分別為f1, f2, ..., fn。新型網絡選頻技術的選頻流程包括選頻請求、選頻應答、質量反饋三個部分，當網內所有節點選出達到其它節點的可用頻率后停止選頻過程。選頻流程如圖1所示。

圖1 短波網絡選頻流程

1.2 選頻時序

選頻發起節點根據本地干擾、坐標、時間、歷史用頻等信息綜合確定探測頻率集，該頻率集中的頻率為探測選頻的可選頻率。選頻發起節點收到選頻指令后在第一個可選頻率上發送選頻請求，網內節點收到選頻請求后依次發送選頻應答，發送完選頻應答后各節點根據節點號大小依次發送質量反饋，為了使網絡運行過程中緊急業務優先于選頻過程執行，在每個頻率探測的結尾預留一個可以打斷探測的中斷時間。第一個頻率探測完畢后以相同的流程探測下一個頻率，直到網內所有節點形成一跳連通路由或者兩跳連通路由。一跳連通路由指網內每個節點都找到了與網內其他各節點的通信頻率；兩跳連通路由指網內每個節點都找到了與網內其他各節點通過轉發節點可通的頻率。選頻時序如圖2所示。

選頻發起節點在發送選頻探測請求前需要發送一個探測音，使網內其他節點捕獲當前頻率；網內其他節點接收完探測請求后在當前頻率上進行集中調諧，之后按節點號大小順序進行探測應答和質量反饋的發送。

圖2 短波網絡選頻時序

1.3 選頻協議內容

新型短波網絡選頻技術通過信息的交互選擇全網連通頻率，設計高效的選頻協議可以快速選出全網連通頻率。由前述可知，本文設計的選頻流程中交互的信息主要有選頻請求、選頻應答和質量反饋，通過選頻請求啟動選頻流程，通過選頻應答估計頻率的接收質量，通過質量反饋交互各節點接收其他節點的頻率質量信息，各協議內容如表1所示。

表1 協議內容

2 選頻技術仿真

2.1 實驗內容

仿真網絡內各節點配置的頻率中當有25%、50%、75%的頻率質量較差時，記錄網內所有節點選出1條/2跳連通路由時所需要花費的平均用時，通過平均用時來代表選頻效率。以8節點組網通信為例，節點編號為0~7，選出各節點到達網內其它節點的可用頻率形成一跳/兩跳路由，最終的選頻結果如圖3所示。

圖3 節點0選頻結果

圖3中，節點0通過選頻過程選出到達網內1 ~ 7號節點的一跳/兩跳路由，其中到達1、3、7、2號節點可以通過頻率f1、f3、f3、f2一跳直接到達，到達5、6號節點需要通過3、7號節點用頻率f4、f2進行轉發，最終形成0號節點到達全網節點的全連通路由。

2.2 實驗工具

采用OPNET網絡仿真工具[20]進行新型短波網絡選頻技術仿真，進程模式、節點模型、網絡模型構成OPNET的基本仿真要素。進程模型主要是對發送數據進行封包、控制發送時序、解析協議內容、執行路由收斂算法；節點模型是獨立的仿真實體，對選頻過程中節點無線數據發送、無線數據接收、節點身份定位等行為進行模擬；網絡模型是在一定的范圍內分布一定數量的節點實體，模擬實際的節點位置關系。

2.3 實驗參數

采用OPNET仿真新型短波網絡選頻技術確定了一些必要的仿真輸入參數，具體各參數的輸入值如表2所示。

表2 實驗參數

2.4 仿真結果

仿真以2.3節的8節點組網通信為例，測量的是網內任一節點到網內其他所有節點的連通性，仿真的選頻時間定義為選頻發起節點選出到達其他所有節點的可用頻率的時間，仿真1 000次，最后取平均選頻時間。

（1）設置探測選頻頻率集中有25%的頻率對各節點來說不可用時，即表示有75%的頻率可正確接收選頻協議信息進行網絡選頻。實驗結果如圖4所示。對每次仿真后得到的頻率所用時間求統計平均選頻時間，經計算約為25 s。

（2）設置探測選頻頻率集中有50%的頻率對各節點來說不可用時，即表示有50%的頻率可正確接收選頻協議信息進行網絡選頻。實驗結果如圖5所示。對每次仿真后得到的頻率所用時間求統計平均選頻時間，經計算約為47 s。

（3）設置探測選頻頻率集中有75%的頻率對各節點來說不可用時，即表示有25%的頻率可正確接收選頻協議信息進行網絡選頻。實驗結果如圖6所示。對每次仿真后得到的頻率所用時間求統計平均選頻時間，經計算約為155 s。

3 選頻性能分析

根據實驗結果可知選頻頻率集中有25%、50%、75%的頻率不可用時，選頻時間分別為25 s、47 s、155 s，三種實驗條件下選頻時間均在3 min以內，對于8節點的短波網絡選頻來說該時間是可以接受的。網絡空閑運行時可以周期性啟動選頻過程以對路由信息進行周期性維護，當有業務發送時可以在中斷時間內中斷當前的選頻過程優先發送業務數據。選頻維護開銷可由選頻平均用時除以選頻周期時間得到。以15 min為周期啟動一次選頻為例，當選頻頻率集中有25%、50%、75%的頻率不可用時，根據選頻維護開銷=選頻平均用時/選頻周期時間，可以得到選頻維護開銷分別為2.8%、5.2%、17.2%。從結果可以看出維護開銷占整個網絡運行時間較少。

圖4 25%的頻率不可用時的選頻用時

圖5 50%的頻率不可用時的選頻用時

圖6 75%的頻率不可用時的選頻用時

4 討論與結論

由于短波通信便捷靈活、價格低廉，使其成為了海洋通信的重要手段，它在遠洋船舶通信、海洋石油開采甚至海難救災搶險等工作中都發揮著重要作用[21-22]。隨著短波通信技術的不斷發展，短波通信從點對點通信向多節點組網通信的方向發展，但短波選頻問題依然有待解決。早期的頻率預測、人工選頻等手段繁瑣復雜，美軍標141B的選頻方法也存在很大的局限性。為了解決短波組網通信選頻問題，在現有信道設備具有全頻段信號捕獲與接收處理能力的基礎上，提出了一種全網節點參與的短波全頻段選頻方案。經過仿真后表明該方案具有較高的選頻效率，可在多數頻率質量較差的情況下為各節點選出到達網內其他節點的可用頻率，這為短波組網應用的發展提供了一種新型選頻技術思路。

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Automatic Frequency Selection for Marine HF Networking

ZHOU Xiang-cheng，JI Bin，HU Fei

(,610041,)

To effectively select the passable frequency of marine HF network communication.Based on the existing channel equipment with full frequency signal acquisition and reception processing capabilities, and the real-time frequency quality detection results and network connectivity as the basis for frequency selection, a scheme for frequency selection technique of HF involving all network nodes is designed.Through simulation verification, the scheme can efficiently select available frequencies for all nodes participating in the network.This solution can effectively solve the problem of frequency selection of the marine HF networking communication system, which ensures that HF communication can reliably play a role in the ocean voyage of ships, offshore oil exploration, and disaster relief.

HF communication; frequency detection; automatic frequency selection of HF

TN925

A

1673-9159（2020）02-0089-05

10.3969/j.issn.1673-9159.2020.02.013

2019-11-18

國防科技重點實驗室基金項目（9140C02010814C02006）

周相成（1993－），男，碩士研究生，研究方向為短波通信。Email: 714237533@qq.com

周相成，吉彬，胡飛. 海洋短波組網通信自動選頻[J]. 廣東海洋大學學報，2020，40（2）：89-93.