短波頻率自適應通信的發(fā)展及信號監(jiān)測
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概要介紹了短波自適應通信產(chǎn)生和發(fā)展的三個主要階段，關鍵信號生成的原理及其監(jiān)測與識別，詳細論述了正在發(fā)展的第三代短波自適應通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡功能和技術特點。
引言
短波通信是一種歷史悠久的遠距離通信方式，通過電離層反射實現(xiàn)遠距離通信。由于電離層的性能隨時間、空間和電波頻率變化，引起信號的幅度衰落、相位起伏等，會嚴重影響短波通信質(zhì)量;同時天波反射存在嚴重的多徑效應，也造成頻率選擇性衰落和多徑時延，成為短波鏈路數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕拗?。另外，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)無線電噪聲干擾嚴重，也大大限制了短波通信的發(fā)展。20世紀60年代以來，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，取代了許多原屬于短波的重要業(yè)務。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現(xiàn)遠距離通信，具有自身的特點，比如建設周期短，維護費用低；設備簡單，容易隱蔽;使用靈活，電路調(diào)度容易，臨時組網(wǎng)便捷，抗毀能力強等。這些顯著的優(yōu)點，是其他通信手段不可比擬的。事實證明，曾經(jīng)設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80年代起，出于對衛(wèi)星安全等方面的考慮，短波通信重新受到重視，許多國家加大了對短波通信技術的研究與開發(fā)。
近年來，由于電子技術的迅猛發(fā)展，促進了短波通信技術和裝備的更新?lián)Q代，原有的缺點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、新體制，短波通信正走向復興。這其中，最重要和顯著的技術進步，就是短波自適應技術。
短波自適應通信的概念
短波通信主要依靠天波進行，而電離層反射信道是一種時變色散信道，其特點是路徑損耗、時延散布、噪聲和干擾等都隨頻率、地點、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。在相當長的時間內(nèi)，短波通信頻率的選擇是根據(jù)頻率預測資料來確定的[1]。但是，電離層的特性每天變化很大，頻率預測資料是根據(jù)長期觀測統(tǒng)計得出的，不能實時反映實際通信時信道參數(shù)，而且，長期預報也沒有考慮多徑效應和電臺干擾等因素，造成實際短波通信質(zhì)量不能令人滿意。
統(tǒng)計表明，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，實時避開干擾，找出具有良好傳播條件的無噪聲信道是提高短波通信質(zhì)量的主要途徑。實現(xiàn)這一目標的關鍵是采用自適應技術。
所謂自適應，就是能夠連續(xù)測量信號和系統(tǒng)變化，自動改變系統(tǒng)結構和參數(shù)，使系統(tǒng)能自行適應通信條件的變化和抵御人為干擾。廣義地講，短波自適應包括頻率自適應、功率自適應、傳輸速率自適應、分集自適應、自適應均衡及自適應調(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，所以通常所說的短波自適應通信就是指頻率自適應。
短波自適應通信經(jīng)歷了短波頻率管理、2G-ALE兩個成熟階段，正向3G-ALE發(fā)展。
頻率管理系統(tǒng)
短波自適應系統(tǒng)必須完成實時探測信道特性和干擾分布情況的雙重任務，系統(tǒng)提供的最佳工作頻率是測量和分析這兩方面數(shù)據(jù)的結果，完成這一任務所采用的技術稱為實時信道估值“RTCE”技術。實現(xiàn)短波自適應的基本方法就是利用RTCE(Real Time Channel Evaluation)技術來測量和分析各種信道參數(shù)，根據(jù)綜合分析和計算結果，建立工作在最佳頻率上的通信鏈路。
獨立的信道探測系統(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)對頻率進行快速掃描探測，得到通信質(zhì)量優(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。其實質(zhì)是對區(qū)域內(nèi)的用戶提供實時頻率預報。美國CURTS系統(tǒng)和我國研制的實時選頻系統(tǒng)都可以做到每10分鐘向用戶提供一份頻率表[3]，由用戶在實際通信時選擇最佳的通信頻率。
根據(jù)所采用的技術不同，RTCE可分為電離層脈沖探測、電離層調(diào)頻連續(xù)波探測(Chirp)、導頻探測、8FSK信號探測等，其中8FSK探測，是目前自適應電臺使用最廣泛的信號格式。
CURTS系統(tǒng)是最早的實時選頻系統(tǒng)，可以測量5種信道參數(shù)。它采用電離層脈沖探測，由于探測脈沖功率高達30kW，因而會造成嚴重的干擾，只能用于大區(qū)戰(zhàn)略通信系統(tǒng)。20世紀70年代中期，美國Barry公司采用Chirp探測方式研制出AN/TRQ-35(V)實時選頻戰(zhàn)術頻率管理系統(tǒng)，后又升級為AN/TRQ-42(V)，在90年代初期的海灣戰(zhàn)爭中，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)揮了關鍵的通信保障作用。
短波頻率管理系統(tǒng)探測結果可以反映整個短波頻段的頻率資源情況，已經(jīng)制成商業(yè)軟件出售。有些無線電監(jiān)測站的短波單站定位功能，也是利用這些探測結果，再通過計算來實現(xiàn)的。頻率管理系統(tǒng)的特點是通信與探測分離，探測設備昂貴，這一發(fā)展過程也稱為短波自適應技術的1G-ALE階段。
2G-ALE通信系統(tǒng)
隨著微處理器和數(shù)字信號處理技術的不斷發(fā)展，20世紀80年代中期，出現(xiàn)了在通信系統(tǒng)中直接采用RTCE技術，對短波信道進行探測、評估和通信一并完成的短波自適應電臺。這種電臺能夠實時選擇出最佳的短波通信信道，減少了短波信道的時變、多徑和噪聲等對通信的影響，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)量最佳的信道上進行。由于采用了高速DSP芯片，RTCE作為通信設備的一個嵌入式部件，使得成本大大降低，操作也變得非常方便。
為了使短波自適應電臺互通和組網(wǎng)，1988年10月，美國軍方頒布了短波自適應通信的軍用標準MIL-STD-188/141A;1990年，對應的聯(lián)邦標準FED-STD-1045協(xié)議也正式出臺，該協(xié)議又簡稱1045協(xié)議，已成為事實上的國際標準。符合1045協(xié)議的短波自適應電臺一般稱為2G-ALE產(chǎn)品。2G-ALE產(chǎn)品型號很多，完成的功能大同小異，典型設備有美國RF-3200、7100系列，德國的 ALIS電臺等。
2G-ALE自適應通信系統(tǒng)具有以下四種基本功能。
?。?） RTCE功能
RTCE功能在短波自適應通信系統(tǒng)中稱為鏈路質(zhì)量分析LQA (Link Quality Analysis)。為了簡化設備，降低成本，一般LQA都是在通信前或間隙中進行的，并且只在有限短波信道上進行，通常有10～20個。所獲得的數(shù)據(jù)存儲在LQA矩陣中，實際通信時，系統(tǒng)根據(jù)LQA矩陣中個信道的排列次序，擇優(yōu)選取工作頻率。
?。?） 自動掃描接收功能
為了接收選擇呼叫和進行LQA試驗，網(wǎng)中所有電臺都具有自動掃描接收功能，可在預先規(guī)定的若干信道上循環(huán)掃描，等候呼叫信號或者LQA探測信號。
（3） 自動建立鏈路功能
根據(jù)LQA矩陣，系統(tǒng)應能全自動建立通信鏈路，這一功能稱為自動鏈路建立ALE(Automatic Link Establishment)的功能。這是短波自適應通信最終要解決的問題，它是基于接受自動掃描、選擇呼叫和LQA綜合運用的結果。這是2G-ALE與1G-ALE系統(tǒng)的最大區(qū)別。
?。?） 信道自動切換功能
短波信道存在的隨機干擾、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，短波自適應通信系統(tǒng)一般具有信道自動切換功能。即在通信過程中，遇到電波傳播條件變壞或嚴重干擾，自適應系統(tǒng)可以切換信道，使通信頻率自動調(diào)到LQA矩陣中次佳頻率上。
短波日常監(jiān)測中常見的8FSK是2G-ALE產(chǎn)品中使用最為廣泛的一種信號格式，是信道中的LQA探測信號。由于2G-ALE系統(tǒng)的廣泛應用，因此在進行監(jiān)測時8FSK信號出現(xiàn)的次數(shù)也最多，如有些臺站很長時間一直發(fā)射8FSK信號，就可以初步判定是一個很大的短波通信網(wǎng)的通信中樞在進行LQA探測。
2G-ALE規(guī)程規(guī)定，8FSK每個單音代表3bit的二進制數(shù)據(jù)(格雷碼)，其對應關系如表1所示。
按照2G-ALE規(guī)程的要求，當電臺收到命令或數(shù)據(jù)信息后，首先將其轉換為基本ALE字組成的原始幀，再進行分組、格雷編碼、交織和三倍冗余，最后進行8FSK調(diào)制，信號以每秒125個單音的速度發(fā)出，因此，發(fā)送信息速率375bit/s，符號速率125Baud/s。各單音之間相位連續(xù)，過渡應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占用頻帶最窄，能量更集中。實際監(jiān)測解調(diào)后的8FSK信號波形見圖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。但隨著技術和網(wǎng)絡發(fā)展，1045協(xié)議也暴露出一些不足，主要是無法提供有效的鏈路接入機制;不支持Internet協(xié)議及應用;LQA測量參數(shù)只有兩個，傳輸速率大于2400 bit/s時精度不夠;ALE信號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全自動通信網(wǎng)絡標準的3G-ALE軍標(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)絡的前提下，該標準有效地支持大規(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)了對短波通信的研究高潮。在我國，相關的研究工作也已經(jīng)起步。
3G-ALE全自動短波網(wǎng)絡實質(zhì)上是一種無線分組交換網(wǎng)絡，采用OSI的七層結構模型，其下三層的定義和含義如表2所示。
相對于2G-ALE系統(tǒng)，3G-ALE系統(tǒng)進行了大量的改進:鏈路建立協(xié)議管理(3G-ALE)與數(shù)據(jù)鏈路業(yè)務管理(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，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)電臺劃分為不同的駐留組、信道分離、時隙訪問方式、載波偵聽機制等。3G-ALE系統(tǒng)的主要技術特點有:
（1） 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，不同的用途對應不同的信號格式，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，幀總長度為1472個碼元，其中幀前導序列長度為640個碼元的八進制序列，原始信息字段26bit經(jīng)過碼率1/2 FEC編碼、交織、Walsh擴頻，然后再與固定的PN碼序列模8相加，形成長度為832個碼元的信息八進制序列，與前導碼共同組成3G-ALE幀。
從表3可以看出，3G-ALE采用了正交Walsh函數(shù)進行擴頻，通過采用Rake接收技術，實現(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前向糾錯碼，從而大大簡化了自適應算法，提高了信道通過率。在LDL情況下，可以選用增強型ARQ協(xié)議，保障最低限度的通信能力。
?。?） 信道分離
3G-ALE系統(tǒng)將呼叫信道與數(shù)據(jù)流信道分離，并保持數(shù)據(jù)信道與呼叫信道相鄰，以使它們在傳輸特性上保持一致，這樣有利于對傳輸信道的監(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，延時更小，更能反映3G-ALE的特點。這種方式下，呼叫方發(fā)出呼叫，被呼叫方接到呼叫后發(fā)出應答信號，呼叫方在規(guī)定時間內(nèi)收到應答信號則雙方建立連接，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)絡中所有電臺劃分成多個組，同一時間，統(tǒng)一駐留組內(nèi)的電臺工作在同一信道上，而不同組的電臺則工作在不同的信道上，這樣可以大大降低系統(tǒng)擁塞。而呼叫電臺清楚地知道目的電臺所在的信道，減少電臺的信道駐留時間。
（5） 劃分時隙
為減少信道擁擠，3G-ALE還采取了劃分時隙技術。3G-ALE電臺在一個信道上的駐留時間為4s，3G-ALE將其劃分為5個時隙，每時隙800ms。其中第一個時隙用于調(diào)諧和監(jiān)聽，判斷是否有通信流量，方便下一步進行通信時使用;其余四個時隙統(tǒng)稱為呼叫及應答時隙，用于協(xié)議數(shù)據(jù)單元的傳送。
3G-ALE全自動短波網(wǎng)絡設備包括電臺、ALE控制器與ALEModem、數(shù)據(jù)控制器與數(shù)據(jù)Modem、網(wǎng)絡控制器HFNC等。由于技術上的突出特點，使得其性能有了很大的提高，可以實現(xiàn):快速鏈路建立，最快可達到1.6s，一次成功建立鏈路僅需完成雙向傳輸，大大減少了建鏈時間及ALE信息在空中暴露的時間;可靠的最低限度通信能力，極低速的建鏈能力，可以達到-20 dB，最低限度通信的數(shù)據(jù)包正確接受率可以達到95%[4]，而且具有抗連續(xù)波、抗突發(fā)干擾能力;全網(wǎng)絡同步工作，支持多達1920個站點和更大信息量，有優(yōu)先級信道訪問和防碰撞措施;支持Internet協(xié)議及應用。
由于3G-ALE電臺空中信號全部采用了8PSK，使得對8PSK信號的監(jiān)測和分析十分重要。但是由于對PSK信號的識別與分析比FSK信號要復雜得多，目前多數(shù)監(jiān)測設備雖然可以對PSK信號進行解調(diào)，但后期分析和處理軟件不夠直觀和成熟。因此，對3G-ALE電臺的監(jiān)測還只能采用傳統(tǒng)的方法進行。
結束語
頻率自適應通信技術是現(xiàn)代短波通信的基礎，許多短波通信新技術都與頻率自適應有關。伴隨著3G-ALE的應用，現(xiàn)代短波通信系統(tǒng)采用了更多的新技術，性能更優(yōu)越[5]。在信道技術方面，頻率自適應技術還在不斷發(fā)展，擴頻、跳頻等技術已經(jīng)進入實用化階段，跳速可達5000H/s的CHESS系統(tǒng)正在開發(fā);在終端技術方面，OFDM技術可在短波信道上實現(xiàn)16 kbit/s～64 kbit/s的傳輸速率;軟件無線電技術將使得短波通信具有更加開放的結構和靈活的性能。所有這些都表明，短波通信與其他信息技術一樣，進入了快速發(fā)展時期，成為信息社會的重要技術支撐手段。
短波通信的快速發(fā)展，給無線電管理和監(jiān)測部門提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。我國無線電短波監(jiān)測網(wǎng)建設只有幾年時間，設備性能和數(shù)量還遠遠不能滿足需要，人員的經(jīng)驗和水平亟待提高[6]。面對短波通信發(fā)展的新形勢，必須奮起直追，才能出色完成國家賦予的各項任務。
參考文獻
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[2] 沈淇淇 朱德生編著 《短波通信》P234 西安電子科技大學出版社1989年12月第一版
[3] 張乃通等著 《短波通信》P33 黑龍江科學技術出版社1985年12月第一版
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[5] 胡中豫主編 《現(xiàn)代短波通信》國防工業(yè)出版社2003年10月第一版
[6] 無線電管理“十一五”規(guī)劃前期研究課題《全國短波無線電監(jiān)測網(wǎng)發(fā)展研究》
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