短波通信技術發展及分析

■ 陳安全 何山 石海洋

引言

短波通信又稱為高頻通信，覆蓋3-30 MHz 的頻率范圍，是一種重要的無線通信模式，可通過電離層反射的天波提供超視距的傳播，甚至數千公里的全球通信。短波通信是一種有效的遠程無線通信模式，其可避免衛星通信相對較高的成本和戰時易摧毀的問題。短波通信已廣泛應用于軍事行動、災區救災、超視距的船舶通信、及缺乏其他有效通信手段的偏遠地區。短波無線電的獨特之處在于可以使用簡單廉價的設備在國內外提供遠距離通信。適用于通信基礎設施不存在或因自然災害、軍事沖突而無法進入的偏遠地區，在不需要中繼設施的情況下實現遠距離鏈接的實用手段。隨著衛星通信的出現，提供了更高的數據速率，短波在遠程通信中的使用減少了。然而并非所有情況都能使用衛星通信，隨著短波通信更高的數據速率變得可用，其使用率也在增加，從而使傳輸信息具有較低的成本。隨著短波通信的技術發展，隨之而來的是更高的要求，需要更高的數據速率、更低的鏈路建立延遲和智能抗干擾的能力等[1-5]。

本文主要圍繞短波信道的特殊性；短波通信技術發展；短波通信技術存在的問題及研究方向介紹短波通信的發展歷程及未來趨勢。

1 短波信道的特殊性

無線電頻率的短波頻段，其獨特的特性是它被電離層反射。低于這一頻段的無線電信號往往不會被充分反射回地球，而高于這一頻段的信號往往更容易被大氣吸收，對有效的遠程通信來說，信號衰減太大，該頻段允許在不需要建設基礎設施的情況下進行遠程無線電通信[6]。電離層是地球大氣的一個電離區域，受太陽高能輻射以及宇宙線的激勵而電離的大氣高層。在這個區域，大氣受到太陽輻射的強烈電離，在電離過程中射出的電子可以自由存在相當長的時間，然后再被離子吸收。這些高電子密度區域具有將入射無線電信號反射回地球的效果，其允許在與短波相關的頻帶內進行遠距離超視距無線電通信。電離層是不均勻的，并且一直在運動。其性質也是不斷變化的，每日和季節變化以及太陽活動的變化導致電離層的電子密度及其高度發生顯著變化，再加上它的多層結構，會導致許多不同形式的失真，包括多普勒頻移和擴展、多徑和衰落。

同時短波信道中傳輸也會受到噪聲的干擾。高頻信道中的噪聲來自多種來源，可大致分為高斯噪聲源、窄帶干擾源和脈沖源。高斯噪聲源既包括人為噪聲源，也包括自然噪聲源，例如來自電子硬件內部產生的熱噪聲，這些熱噪聲是其溫度和人為噪聲的函數。窄帶干擾通常是在類似頻率下嘗試其他無線電傳輸的結果，觀測到的窄帶噪聲的大小取決于地理位置和一天中的時間，因為許多用戶試圖同時使用高頻信道。在接收信號中觀察到的瑞利衰落和多徑失真會降低許多無線電接收機的性能，因為相位失真會導致符號被錯誤解碼，而幅度衰減會導致信噪比急劇下降。為了補償這些影響，無線電接收機使用信道均衡，該技術旨在使用信號和信道特性的先驗知識來校正接收信號的相位和振幅，這可能是在發射機處對信號使用的編碼方案中固有的，或者通過與傳輸的未知數據一起發送的已知訓練數據[7]。為了幫助校正深度振幅衰減，這會導致信噪比下降到很低的水平，從而使衰減期間傳輸的有效的任何數據不可恢復，克服這個問題可以使用編碼器和交織器的組合。交織器的作用是在更長的傳輸長度上均勻地傳播由深度衰落產生的突發錯誤，這樣有更大的機會還原原始數據。

實現短波無線電通信潛力的關鍵在于理解和利用短波信道的基本物理特性。短波無線電信號主要有三種傳播模式：視距傳播、地波傳播和天波傳播。在地波傳播中，短波信號由于吸收和反射，在接收端產生衰減、延遲的傳輸信號。為了實現超視距甚至數千公里的全球通信，短波天波傳播被認為是通過電離層反射實現的一種很有前景的模式。短波發射機向天空發射信號，信號與電離層相互作用，并返回到遠遠超出視距的地球。短波天波信道是復雜的無線信道之一，短波天波信道幾乎在任何時間尺度上都是非平穩的。任何通過這種路徑發送數據的嘗試都必須在短波發送和接收系統的適當位置仔細處理該信道的時變和色散特性。

2 短波通信的發展歷程

無線通信可以追溯到麥克斯韋1873年發表的關于電和磁的論文。它創立了現代電磁傳播理論；然而直到1888 年，赫茲才有效地探測到無線電波，并通過實驗證明了麥克斯韋理論。前人的研究啟發了馬可尼，其開始試驗無線電報。直到1901 年，一個三千公里長的跨大西洋電報信號被檢測出來，打破了任何無線通信都需要視距才能傳播的理論[8]。20世紀初，隨著無線電數量的迅速增長，為避免相互干擾對窄帶短波無線電的需求吸引了大量的研究，那時短波頻段的頻譜通常分配在3-kHz信道中。幾十年來，短波天波通信一直被用作提供遠程通信服務的主要方法，其中一個關鍵問題是找到一個可用頻率，以支持所需的話音服務，因為可用頻率隨時間、季節、空間、天氣而變化。在早期的短波通信系統中，可用頻率由熟練的無線電操作員手動選擇，其并不能提供全時長期的可靠性。

在20 世紀60 年代，衛星作為超視距通信的替代品被引入，這種通信更加可靠，能夠在更寬帶寬的微波波段上提供更高的數據速率。當時衛星通信逐漸主導了超視距通信，并取代了短波無線電通信的大部分服務。然而在衛星領域，衛星通信也存在一些弱項，衛星地面站在災難降臨時易損壞性、緊急情況下室內接收困難還需要具備視野無遮擋，并且投資和維護成本高等等[9]。在20 世紀80 年代，能夠攻擊和摧毀衛星武器的出現使短波無線電通信的獨特優勢更加凸顯出來，優勢主要有作為信道的電離層不可破壞，設備小巧部署靈活，成本相對較低，以及無中繼的遠程點對點通信等。電離層高度多變的特性使得在給定路徑上依靠單一指定頻率進行可靠通信變得不可能，鏈路建立基本上包含在一組不同的頻率上測試通信，然后選擇鏈路質量最高的頻率[10]。在短波無線電通信操作自動化方面引入微處理器之后，并隨著數字信號處理技術的發展，從模擬通信過渡到了數字通信，通信技術的提高使得短波通信質量有所提高。微處理器不僅能提供強大的計算能力，還能控制尋找可用的短波頻率，也就是自動鏈路建立，自動鏈路建立的基本流程包括選擇性呼叫、鏈路質量分析以及信道選擇、掃描和確認，從鏈路質量分析表中自動選擇最佳信道，每個站點都有鏈路質量分析表，該表根據誤碼率和信噪比存儲指定的信道參數，在連接到得分最高的信道之前，站點會執行監測，該技術的運用使得短波無線電通信更加便捷[11]。

進入21 世紀后，對短波技術提出了更高的要求，建立鏈路時需要更低的信噪比，承載更多的通信量，這就促使短波研究人員重新設計自動鏈路建立技術，經過改進可以實現高性能數據傳輸，通過有效聯網支持更大的網絡，并提供綜合服務，支持語音和數據通信。在過去十年中，人工智能和機器學習的發展正在改變通信系統的傳統設計，見證了認知無線電技術的巨大研究成果，其關鍵思想是使一臺具有類似人類大腦的無線電能夠觀察、計劃、決定和行動。另外對更高的數據吞吐量和圖像及視頻的需求促使研究人員考慮使用比3kHz 更寬帶寬的短波頻譜，新標準可以支持寬達24 kHz 的短波信道。

3 短波通信存在問題及下步研究方向

3.1 存在問題

一是期望短波進行多媒體傳輸的需求越來越大。短波通信一直被認為是一種遠距離通信方式，可以提供信道帶寬不超過3kHz 的語音和低速數據傳輸。與此同時來自微波頻段的競爭對手衛星通信可以提供具有相對較高數據速率的超視距無線傳輸。目前與衛星通信相比，短波通信仍有其獨特的價值，因為其成本相對較低，部署具有靈活性，以及擁有無中繼的遠程通信。然而，在大多數情況下，其僅被視為遠程語音和低速數據傳輸的保底手段，而不是圖像視頻等多媒體傳輸的首選。通過短波鏈路傳輸監控視頻或大的數據資料變得比較迫切。這樣當衛星通信出現故障時，確保短波無線通信能及時補缺。

二是大量終端的遠程鏈接需求越來越多。一直以來點對點或點對多點遠程通信一直是短波系統的主導模式，然而隨著短波通信在世界范圍內的軍事和民用領域得到越來越多的應用，越來越多的短波無線電裝備在船舶、飛機、車輛等各種設備上。同時短波連接的數量將急劇增加，即大規模遠程訪問。大規模指的是大量的同時鏈接，遠程指的是短波收發器之間的距離非常遠。在大量的遠程訪問中，訪問延遲和干擾控制顯得尤為重要。對于大多數現有的接入方式，短波無線電的平均接入延遲隨著短波同時連接數的增加而增加。并且短波頻段的有限頻譜與越來越多的短波同時連接之間的矛盾變得越來越嚴重，因此需要在時間、頻率或空間域進行頻譜復用，而如何有效地避免相互干擾是頻譜復用的關鍵。

三是各方面的電磁干擾越來越強。對于短波通信來說，最重要且被廣泛關注的問題是如何在短波收發器之間建立可靠的鏈接。自然環境中復雜且不可預測的因素會導致短波頻段的信道條件顯著波動。特別是電離層反射率的不斷變化會導致不同的可用頻率。由于來自不同系統的用戶不協調地使用短波頻段，無意干擾正在惡化短波電磁環境。幾十年前，具有數十瓦發射功率的短波發射機可以成功實現長達數千公里的遠程無線通信，然而如今具有更高發射功率和更先進技術的短波發射機無法實現相同距離的可靠通信。在現代電磁頻譜戰爭中，出于惡意目的或軍事行動而實施的故意干擾應該受到重視。故意干擾信號的強度通常非常高，用于中斷正常的短波鏈接。

3.2 研究方向

一是將短波通信技術融入數據鏈通信技術。現在戰爭已不再是單一軍種和單一裝備之間的作戰，戰爭維度向陸海空等領域多維一體作戰，為了實現戰爭信息實時共享，需要信息戰中各型武器裝備能夠做到互聯互通與信息共享[12]。隨著數據鏈技術的應用，短波通信將同其他頻段一起融入到數據鏈技術中，通過發揮各自不同的通信特點來實現實時的通信指揮，這樣短波通信就能根據自身特點融入到網絡通信。

二是能夠實現網絡化的通信。由于點對點通信是遠程乃至全球短波通信的主要使用模式，但短波電臺組網的研究相對較少。多個空間分散的短波接收機的分布式網絡，可以通過利用分集組合提高通信可靠性。短波通信、衛星通信、軍事網絡和民用蜂窩通信可組成通信網絡，以實現海陸空一體化的空間通信網絡。

三是結合人工智能技術提高短波通信能力。短波無線電研究和發展趨勢的一個關鍵特征是提高其對不斷變化的環境的自適應能力。人工智能的崛起，尤其是機器學習和深度學習，提供了一個強大的工具箱，可以將其運用到短波通信，并使未來的短波無線電更加智能化。與此同時還可以利用各種機器學習方法來實現智能抗干擾。隨著人工智能融入下一代通信系統設計的趨勢，干擾和抗干擾都將變得智能化，干擾行為變得動態和智能化，這就需要及時估計干擾模式和參數。同時采用先進的軟件無線電技術，可以通過通用軟件無線電平臺（USRP 等）以編程方式實現多樣的功能。

四是研究短波寬帶通信用以實現高速率的多媒體傳輸。寬帶短波將繼續是未來提高數據速率的主要方向，用以支持圖像視頻傳輸等多種服務。在短波頻段大多數信道僅分配3kHz。可以利用當前分配的帶寬設計新的波形。也可以使用多個連續或非連續通道的多通道方法。還可以通過使用更寬的連續帶寬波形來提高數據速率。連續帶寬的寬度可以是預先確定的，也可以是自適應的，其取決于實際的短波頻譜使用模式和方案實現的復雜性。

4 結語

本文給出了短波通信應用背景及現實需要。首先簡要介紹短波通信的獨有特性及不可替代性的體現。然后對短波信道和短波通信系統的發展歷程進行了簡要的回顧和分析。最后，總結了短波通信技術存在的一些問題：期望短波進行多媒體傳輸的需求越來越大；大量終端的遠程鏈接需求越來越多；各方面的電磁干擾越來越強。并給出了研究發展方向：將短波通信技術融入數據鏈通信技術；實現網絡化的通信；結合人工智能技術提高短波通信能力；研究短波寬帶通信用以實現高速率的多媒體傳輸。