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，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零天線等。由于選頻和換頻是提高短波通信質量最有效的途徑，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)域內組成頻率管理網(wǎng)格，在短波范圍內對頻率進行快速掃描探測，得到通信質量優(yōu)劣的頻率排序表。然后再根據(jù)需要，統(tǒng)一分配給區(qū)域內各短波通信用戶。其實質是對區(qū)域內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。
?。?） 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)密集型快速高質量的短波通信系統(tǒng)，再一次在世界范圍內引發(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調制解調方式、突發(fā)波BW系列波形傳輸、呼叫信道同步掃描、網(wǎng)內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:
?。?） 波形
3G-ALE鏈路建立和數(shù)據(jù)傳輸采用統(tǒng)一的8PSK調制，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。
（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。
?。?） 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。
?。?） 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，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
[4] 薛松 崔恩吉 《短波通信技術發(fā)展與分析》， 《通信與廣播電視》2004年第4期
[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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