短波頻率自適應(yīng)通信的發(fā)展及信號(hào)監(jiān)測(cè)
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概要介紹了短波自適應(yīng)通信產(chǎn)生和發(fā)展的三個(gè)主要階段，關(guān)鍵信號(hào)生成的原理及其監(jiān)測(cè)與識(shí)別，詳細(xì)論述了正在發(fā)展的第三代短波自適應(yīng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能和技術(shù)特點(diǎn)。
引言
短波通信是一種歷史悠久的遠(yuǎn)距離通信方式，通過(guò)電離層反射實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。由于電離層的性能隨時(shí)間、空間和電波頻率變化，引起信號(hào)的幅度衰落、相位起伏等，會(huì)嚴(yán)重影響短波通信質(zhì)量;同時(shí)天波反射存在嚴(yán)重的多徑效應(yīng)，也造成頻率選擇性衰落和多徑時(shí)延，成為短波鏈路數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕拗啤Ａ硗?，短波頻段可供使用的頻帶比較窄，通信容量小，大氣和工業(yè)無(wú)線電噪聲干擾嚴(yán)重，也大大限制了短波通信的發(fā)展。20世紀(jì)60年代以來(lái)，衛(wèi)星通信以其信道穩(wěn)定、通信質(zhì)量好、容量大等優(yōu)勢(shì)，取代了許多原屬于短波的重要業(yè)務(wù)。短波通信的投入急劇減少，其地位大為降低。
然而，與衛(wèi)星通信、光纜等通信手段相比，短波通信不需要建立中繼站即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，具有自身的特點(diǎn)，比如建設(shè)周期短，維護(hù)費(fèi)用低；設(shè)備簡(jiǎn)單，容易隱蔽;使用靈活，電路調(diào)度容易，臨時(shí)組網(wǎng)便捷，抗毀能力強(qiáng)等。這些顯著的優(yōu)點(diǎn)，是其他通信手段不可比擬的。事實(shí)證明，曾經(jīng)設(shè)想取代短波通信的衛(wèi)星通信，并不能滿足所有情況下的用戶需求。20世紀(jì)80年代起，出于對(duì)衛(wèi)星安全等方面的考慮，短波通信重新受到重視，許多國(guó)家加大了對(duì)短波通信技術(shù)的研究與開發(fā)。
近年來(lái)，由于電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，促進(jìn)了短波通信技術(shù)和裝備的更新?lián)Q代，原有的缺點(diǎn)得到了不同程度的克服，通信質(zhì)量大大提高，形成了現(xiàn)代短波通信新技術(shù)、新體制，短波通信正走向復(fù)興。這其中，最重要和顯著的技術(shù)進(jìn)步，就是短波自適應(yīng)技術(shù)。
短波自適應(yīng)通信的概念
短波通信主要依靠天波進(jìn)行，而電離層反射信道是一種時(shí)變色散信道，其特點(diǎn)是路徑損耗、時(shí)延散布、噪聲和干擾等都隨頻率、地點(diǎn)、季節(jié)、晝夜的變化不斷變化，因此，短波通信中工作頻率是不能任意選擇的。在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，短波通信頻率的選擇是根據(jù)頻率預(yù)測(cè)資料來(lái)確定的[1]。但是，電離層的特性每天變化很大，頻率預(yù)測(cè)資料是根據(jù)長(zhǎng)期觀測(cè)統(tǒng)計(jì)得出的，不能實(shí)時(shí)反映實(shí)際通信時(shí)信道參數(shù)，而且，長(zhǎng)期預(yù)報(bào)也沒有考慮多徑效應(yīng)和電臺(tái)干擾等因素，造成實(shí)際短波通信質(zhì)量不能令人滿意。
統(tǒng)計(jì)表明，即使在夜間通信環(huán)境最壞的情況下，短波頻段也有4%左右的無(wú)噪聲信道，而中午約有27%的信道干擾很小或不存在干擾[2]。所以，實(shí)時(shí)避開干擾，找出具有良好傳播條件的無(wú)噪聲信道是提高短波通信質(zhì)量的主要途徑。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵是采用自適應(yīng)技術(shù)。
所謂自適應(yīng)，就是能夠連續(xù)測(cè)量信號(hào)和系統(tǒng)變化，自動(dòng)改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使系統(tǒng)能自行適應(yīng)通信條件的變化和抵御人為干擾。廣義地講，短波自適應(yīng)包括頻率自適應(yīng)、功率自適應(yīng)、傳輸速率自適應(yīng)、分集自適應(yīng)、自適應(yīng)均衡及自適應(yīng)調(diào)零天線等。由于選頻和換頻是提高短波通信質(zhì)量最有效的途徑，所以通常所說(shuō)的短波自適應(yīng)通信就是指頻率自適應(yīng)。
短波自適應(yīng)通信經(jīng)歷了短波頻率管理、2G-ALE兩個(gè)成熟階段，正向3G-ALE發(fā)展。
頻率管理系統(tǒng)
短波自適應(yīng)系統(tǒng)必須完成實(shí)時(shí)探測(cè)信道特性和干擾分布情況的雙重任務(wù)，系統(tǒng)提供的最佳工作頻率是測(cè)量和分析這兩方面數(shù)據(jù)的結(jié)果，完成這一任務(wù)所采用的技術(shù)稱為實(shí)時(shí)信道估值“RTCE”技術(shù)。實(shí)現(xiàn)短波自適應(yīng)的基本方法就是利用RTCE(Real Time Channel Evaluation)技術(shù)來(lái)測(cè)量和分析各種信道參數(shù)，根據(jù)綜合分析和計(jì)算結(jié)果，建立工作在最佳頻率上的通信鏈路。
獨(dú)立的信道探測(cè)系統(tǒng)可在一定區(qū)域內(nèi)組成頻率管理網(wǎng)格，在短波范圍內(nèi)對(duì)頻率進(jìn)行快速掃描探測(cè)，得到通信質(zhì)量?jī)?yōu)劣的頻率排序表。然后再根據(jù)需要，統(tǒng)一分配給區(qū)域內(nèi)各短波通信用戶。其實(shí)質(zhì)是對(duì)區(qū)域內(nèi)的用戶提供實(shí)時(shí)頻率預(yù)報(bào)。美國(guó)CURTS系統(tǒng)和我國(guó)研制的實(shí)時(shí)選頻系統(tǒng)都可以做到每10分鐘向用戶提供一份頻率表[3]，由用戶在實(shí)際通信時(shí)選擇最佳的通信頻率。
根據(jù)所采用的技術(shù)不同，RTCE可分為電離層脈沖探測(cè)、電離層調(diào)頻連續(xù)波探測(cè)(Chirp)、導(dǎo)頻探測(cè)、8FSK信號(hào)探測(cè)等，其中8FSK探測(cè)，是目前自適應(yīng)電臺(tái)使用最廣泛的信號(hào)格式。
CURTS系統(tǒng)是最早的實(shí)時(shí)選頻系統(tǒng)，可以測(cè)量5種信道參數(shù)。它采用電離層脈沖探測(cè)，由于探測(cè)脈沖功率高達(dá)30kW，因而會(huì)造成嚴(yán)重的干擾，只能用于大區(qū)戰(zhàn)略通信系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代中期，美國(guó)Barry公司采用Chirp探測(cè)方式研制出AN/TRQ-35(V)實(shí)時(shí)選頻戰(zhàn)術(shù)頻率管理系統(tǒng)，后又升級(jí)為AN/TRQ-42(V)，在90年代初期的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，這兩套頻率管理系統(tǒng)成功地支撐了短波通信網(wǎng)，為盟軍的勝利發(fā)揮了關(guān)鍵的通信保障作用。
短波頻率管理系統(tǒng)探測(cè)結(jié)果可以反映整個(gè)短波頻段的頻率資源情況，已經(jīng)制成商業(yè)軟件出售。有些無(wú)線電監(jiān)測(cè)站的短波單站定位功能，也是利用這些探測(cè)結(jié)果，再通過(guò)計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)的。頻率管理系統(tǒng)的特點(diǎn)是通信與探測(cè)分離，探測(cè)設(shè)備昂貴，這一發(fā)展過(guò)程也稱為短波自適應(yīng)技術(shù)的1G-ALE階段。
2G-ALE通信系統(tǒng)
隨著微處理器和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，20世紀(jì)80年代中期，出現(xiàn)了在通信系統(tǒng)中直接采用RTCE技術(shù)，對(duì)短波信道進(jìn)行探測(cè)、評(píng)估和通信一并完成的短波自適應(yīng)電臺(tái)。這種電臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)選擇出最佳的短波通信信道，減少了短波信道的時(shí)變、多徑和噪聲等對(duì)通信的影響，使得短波通信頻率隨信道條件變化而改變，從而確保通信始終在質(zhì)量最佳的信道上進(jìn)行。由于采用了高速DSP芯片，RTCE作為通信設(shè)備的一個(gè)嵌入式部件，使得成本大大降低，操作也變得非常方便。
為了使短波自適應(yīng)電臺(tái)互通和組網(wǎng)，1988年10月，美國(guó)軍方頒布了短波自適應(yīng)通信的軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-188/141A;1990年，對(duì)應(yīng)的聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)FED-STD-1045協(xié)議也正式出臺(tái)，該協(xié)議又簡(jiǎn)稱1045協(xié)議，已成為事實(shí)上的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。符合1045協(xié)議的短波自適應(yīng)電臺(tái)一般稱為2G-ALE產(chǎn)品。2G-ALE產(chǎn)品型號(hào)很多，完成的功能大同小異，典型設(shè)備有美國(guó)RF-3200、7100系列，德國(guó)的 ALIS電臺(tái)等。
2G-ALE自適應(yīng)通信系統(tǒng)具有以下四種基本功能。
?。?） RTCE功能
RTCE功能在短波自適應(yīng)通信系統(tǒng)中稱為鏈路質(zhì)量分析LQA (Link Quality Analysis)。為了簡(jiǎn)化設(shè)備，降低成本，一般LQA都是在通信前或間隙中進(jìn)行的，并且只在有限短波信道上進(jìn)行，通常有10～20個(gè)。所獲得的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在LQA矩陣中，實(shí)際通信時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)LQA矩陣中個(gè)信道的排列次序，擇優(yōu)選取工作頻率。
?。?） 自動(dòng)掃描接收功能
為了接收選擇呼叫和進(jìn)行LQA試驗(yàn)，網(wǎng)中所有電臺(tái)都具有自動(dòng)掃描接收功能，可在預(yù)先規(guī)定的若干信道上循環(huán)掃描，等候呼叫信號(hào)或者LQA探測(cè)信號(hào)。
（3） 自動(dòng)建立鏈路功能
根據(jù)LQA矩陣，系統(tǒng)應(yīng)能全自動(dòng)建立通信鏈路，這一功能稱為自動(dòng)鏈路建立ALE(Automatic Link Establishment)的功能。這是短波自適應(yīng)通信最終要解決的問(wèn)題，它是基于接受自動(dòng)掃描、選擇呼叫和LQA綜合運(yùn)用的結(jié)果。這是2G-ALE與1G-ALE系統(tǒng)的最大區(qū)別。
?。?） 信道自動(dòng)切換功能
短波信道存在的隨機(jī)干擾、選擇性衰落、多徑等都有可能使已建立的信道質(zhì)量惡化，甚至可能使通信中斷。因此，短波自適應(yīng)通信系統(tǒng)一般具有信道自動(dòng)切換功能。即在通信過(guò)程中，遇到電波傳播條件變壞或嚴(yán)重干擾，自適應(yīng)系統(tǒng)可以切換信道，使通信頻率自動(dòng)調(diào)到LQA矩陣中次佳頻率上。
短波日常監(jiān)測(cè)中常見的8FSK是2G-ALE產(chǎn)品中使用最為廣泛的一種信號(hào)格式，是信道中的LQA探測(cè)信號(hào)。由于2G-ALE系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，因此在進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)8FSK信號(hào)出現(xiàn)的次數(shù)也最多，如有些臺(tái)站很長(zhǎng)時(shí)間一直發(fā)射8FSK信號(hào)，就可以初步判定是一個(gè)很大的短波通信網(wǎng)的通信中樞在進(jìn)行LQA探測(cè)。
2G-ALE規(guī)程規(guī)定，8FSK每個(gè)單音代表3bit的二進(jìn)制數(shù)據(jù)(格雷碼)，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。
按照2G-ALE規(guī)程的要求，當(dāng)電臺(tái)收到命令或數(shù)據(jù)信息后，首先將其轉(zhuǎn)換為基本ALE字組成的原始幀，再進(jìn)行分組、格雷編碼、交織和三倍冗余，最后進(jìn)行8FSK調(diào)制，信號(hào)以每秒125個(gè)單音的速度發(fā)出，因此，發(fā)送信息速率375bit/s，符號(hào)速率125Baud/s。各單音之間相位連續(xù)，過(guò)渡應(yīng)在波形最大或最小處（斜率為零），這樣可以保證基帶音頻信號(hào)占用頻帶最窄，能量更集中。實(shí)際監(jiān)測(cè)解調(diào)后的8FSK信號(hào)波形見圖1。
3G-ALE通信系統(tǒng)
由1045協(xié)議所定義??短波通信系統(tǒng)，初步滿足了用戶需求。但隨著技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，1045協(xié)議也暴露出一些不足，主要是無(wú)法提供有效的鏈路接入機(jī)制;不支持Internet協(xié)議及應(yīng)用;LQA測(cè)量參數(shù)只有兩個(gè)，傳輸速率大于2400 bit/s時(shí)精度不夠;ALE信號(hào)需三次握手才能建立鏈路，連接速度較慢。
1999年，美軍頒布了短波自適應(yīng)全自動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的3G-ALE軍標(biāo)(MIL-STD-188/141B)。在全面支持第二代協(xié)議規(guī)定的話音通信和小型網(wǎng)絡(luò)的前提下，該標(biāo)準(zhǔn)有效地支持大規(guī)模、數(shù)據(jù)密集型快速高質(zhì)量的短波通信系統(tǒng)，再一次在世界范圍內(nèi)引發(fā)了對(duì)短波通信的研究高潮。在我國(guó)，相關(guān)的研究工作也已經(jīng)起步。
3G-ALE全自動(dòng)短波網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)上是一種無(wú)線分組交換網(wǎng)絡(luò)，采用OSI的七層結(jié)構(gòu)模型，其下三層的定義和含義如表2所示。
相對(duì)于2G-ALE系統(tǒng)，3G-ALE系統(tǒng)進(jìn)行了大量的改進(jìn):鏈路建立協(xié)議管理(3G-ALE)與數(shù)據(jù)鏈路業(yè)務(wù)管理(TM)、高速數(shù)據(jù)鏈路管理(HDL)、低速數(shù)據(jù)鏈路管理(LDL)、電路連接管理(CLM)等諸協(xié)議形成一個(gè)相互依賴的3G-ALE協(xié)議族，形成比較完整的短波通信新體制。3G-ALE還采用了許多新技術(shù)，主要是數(shù)字PSK調(diào)制解調(diào)方式、突發(fā)波BW系列波形傳輸、呼叫信道同步掃描、網(wǎng)內(nèi)電臺(tái)劃分為不同的駐留組、信道分離、時(shí)隙訪問(wèn)方式、載波偵聽機(jī)制等。3G-ALE系統(tǒng)的主要技術(shù)特點(diǎn)有:
?。?） 波形
3G-ALE鏈路建立和數(shù)據(jù)傳輸采用統(tǒng)一的8PSK調(diào)制，載頻為1800Hz，信令速率2400B，不同的用途對(duì)應(yīng)不同的信號(hào)格式，并且使用突發(fā)波BW（Burst Waveform），從而提高了系統(tǒng)靈活性。3G-ALE共定義了五種突發(fā)波，如表3所列。
BW0是3G-ALE數(shù)據(jù)協(xié)議單元，作用類似于2G-ALE系統(tǒng)的8FSK，幀總長(zhǎng)度為1472個(gè)碼元，其中幀前導(dǎo)序列長(zhǎng)度為640個(gè)碼元的八進(jìn)制序列，原始信息字段26bit經(jīng)過(guò)碼率1/2 FEC編碼、交織、Walsh擴(kuò)頻，然后再與固定的PN碼序列模8相加，形成長(zhǎng)度為832個(gè)碼元的信息八進(jìn)制序列，與前導(dǎo)碼共同組成3G-ALE幀。
從表3可以看出，3G-ALE采用了正交Walsh函數(shù)進(jìn)行擴(kuò)頻，通過(guò)采用Rake接收技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多徑分集，從而大大提高了抗干擾和抗衰落性能。除LDL所用的BW4外，所有波形都采用FEC前向糾錯(cuò)碼，從而大大簡(jiǎn)化了自適應(yīng)算法，提高了信道通過(guò)率。在LDL情況下，可以選用增強(qiáng)型ARQ協(xié)議，保障最低限度的通信能力。
（2） 信道分離
3G-ALE系統(tǒng)將呼叫信道與數(shù)據(jù)流信道分離，并保持?jǐn)?shù)據(jù)信道與呼叫信道相鄰，以使它們?cè)趥鬏斕匦陨媳３忠恢?，這樣有利于對(duì)傳輸信道的監(jiān)聽，可以保證信息傳送的高效率和鏈路建立的快速性。
（3） 同步鏈路
3G-ALE提供了異步和同步兩種鏈路建立方式，特別是同步模式，延時(shí)更小，更能反映3G-ALE的特點(diǎn)。這種方式下，呼叫方發(fā)出呼叫，被呼叫方接到呼叫后發(fā)出應(yīng)答信號(hào)，呼叫方在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收到應(yīng)答信號(hào)則雙方建立連接，否則本次鏈路建立嘗試失敗。
?。?） 駐留組劃分
3G-ALE系統(tǒng)中引入駐留組(Dwell Group)概念，將網(wǎng)絡(luò)中所有電臺(tái)劃分成多個(gè)組，同一時(shí)間，統(tǒng)一駐留組內(nèi)的電臺(tái)工作在同一信道上，而不同組的電臺(tái)則工作在不同的信道上，這樣可以大大降低系統(tǒng)擁塞。而呼叫電臺(tái)清楚地知道目的電臺(tái)所在的信道，減少電臺(tái)的信道駐留時(shí)間。
?。?） 劃分時(shí)隙
為減少信道擁擠，3G-ALE還采取了劃分時(shí)隙技術(shù)。3G-ALE電臺(tái)在一個(gè)信道上的駐留時(shí)間為4s，3G-ALE將其劃分為5個(gè)時(shí)隙，每時(shí)隙800ms。其中第一個(gè)時(shí)隙用于調(diào)諧和監(jiān)聽，判斷是否有通信流量，方便下一步進(jìn)行通信時(shí)使用;其余四個(gè)時(shí)隙統(tǒng)稱為呼叫及應(yīng)答時(shí)隙，用于協(xié)議數(shù)據(jù)單元的傳送。
3G-ALE全自動(dòng)短波網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括電臺(tái)、ALE控制器與ALEModem、數(shù)據(jù)控制器與數(shù)據(jù)Modem、網(wǎng)絡(luò)控制器HFNC等。由于技術(shù)上的突出特點(diǎn)，使得其性能有了很大的提高，可以實(shí)現(xiàn):快速鏈路建立，最快可達(dá)到1.6s，一次成功建立鏈路僅需完成雙向傳輸，大大減少了建鏈時(shí)間及ALE信息在空中暴露的時(shí)間;可靠的最低限度通信能力，極低速的建鏈能力，可以達(dá)到-20 dB，最低限度通信的數(shù)據(jù)包正確接受率可以達(dá)到95%[4]，而且具有抗連續(xù)波、抗突發(fā)干擾能力;全網(wǎng)絡(luò)同步工作，支持多達(dá)1920個(gè)站點(diǎn)和更大信息量，有優(yōu)先級(jí)信道訪問(wèn)和防碰撞措施;支持Internet協(xié)議及應(yīng)用。
由于3G-ALE電臺(tái)空中信號(hào)全部采用了8PSK，使得對(duì)8PSK信號(hào)的監(jiān)測(cè)和分析十分重要。但是由于對(duì)PSK信號(hào)的識(shí)別與分析比FSK信號(hào)要復(fù)雜得多，目前多數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備雖然可以對(duì)PSK信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，但后期分析和處理軟件不夠直觀和成熟。因此，對(duì)3G-ALE電臺(tái)的監(jiān)測(cè)還只能采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行。
結(jié)束語(yǔ)
頻率自適應(yīng)通信技術(shù)是現(xiàn)代短波通信的基礎(chǔ)，許多短波通信新技術(shù)都與頻率自適應(yīng)有關(guān)。伴隨著3G-ALE的應(yīng)用，現(xiàn)代短波通信系統(tǒng)采用了更多的新技術(shù)，性能更優(yōu)越[5]。在信道技術(shù)方面，頻率自適應(yīng)技術(shù)還在不斷發(fā)展，擴(kuò)頻、跳頻等技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段，跳速可達(dá)5000H/s的CHESS系統(tǒng)正在開發(fā);在終端技術(shù)方面，OFDM技術(shù)可在短波信道上實(shí)現(xiàn)16 kbit/s～64 kbit/s的傳輸速率;軟件無(wú)線電技術(shù)將使得短波通信具有更加開放的結(jié)構(gòu)和靈活的性能。所有這些都表明，短波通信與其他信息技術(shù)一樣，進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期，成為信息社會(huì)的重要技術(shù)支撐手段。
短波通信的快速發(fā)展，給無(wú)線電管理和監(jiān)測(cè)部門提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。我國(guó)無(wú)線電短波監(jiān)測(cè)網(wǎng)建設(shè)只有幾年時(shí)間，設(shè)備性能和數(shù)量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要，人員的經(jīng)驗(yàn)和水平亟待提高[6]。面對(duì)短波通信發(fā)展的新形勢(shì)，必須奮起直追，才能出色完成國(guó)家賦予的各項(xiàng)任務(wù)。
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評(píng)論