周相成，吉 彬，胡 飛

海洋短波組網(wǎng)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(wǎng)通信的可通頻率。在現(xiàn)有信道設(shè)備具有全頻段信號捕獲與接收處理能力的基礎(chǔ)上，以實時頻率質(zhì)量探測結(jié)果和網(wǎng)絡(luò)連通性為選頻依據(jù)，設(shè)計一種全網(wǎng)節(jié)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(wǎng)的節(jié)點選出可用的頻率。該方案可有效解決海洋短波組網(wǎng)通信系統(tǒng)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(zāi)搶險等工作中能夠穩(wěn)定的發(fā)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(quán)益的日益重視，海洋運輸事業(yè)不斷發(fā)展，數(shù)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(wèi)星通信。由于衛(wèi)星通信前期發(fā)射和后期維護等技術(shù)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(shè)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(fā)揮重要作用[2-3]。

短波信道條件惡劣，海洋空間環(huán)境也復(fù)雜多變，導(dǎo)致海洋短波通信可靠性不高[4-5]。而短波組網(wǎng)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(wǎng)方面，各國構(gòu)建了多種短波網(wǎng)絡(luò)，包括美國短波全球通信網(wǎng)（HFGCS），海警短波通信網(wǎng)（COTHEN）以及澳大利亞的現(xiàn)代短波通信系統(tǒng)（MHFCS）等[8]。隨著短波組網(wǎng)的不斷向前發(fā)展，短波選頻也從之前的點對點選頻問題擴展到組網(wǎng)選頻問題。早期短波選頻主要依靠頻率預(yù)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(zhì)量探測的實時頻率質(zhì)量探測排序機制[14]，但該方法需要為全網(wǎng)節(jié)點規(guī)劃和下發(fā)探測頻率集，存在規(guī)劃時間長、操作復(fù)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(xù)開展動態(tài)頻譜接入技術(shù)的第4代短波自動鏈路建立（4G-ALE）標準化工作[16]，實現(xiàn)全頻段占用快速檢測和感知、全頻段信號捕獲實現(xiàn)快速建鏈。短波選頻技術(shù)體制不斷衍進，短波自動選頻建鏈技術(shù)也迅速發(fā)展[17-19]，但更多是聚焦于點對點選頻方面的應(yīng)用，相比之下，短波組網(wǎng)選頻的研究較少。

在現(xiàn)有信道設(shè)備具有全頻段信號捕獲與接收處理能力的基礎(chǔ)上，筆者提出一種適用于海洋短波組網(wǎng)通信系統(tǒng)的自動網(wǎng)絡(luò)選頻新技術(shù)，選頻功能可以在網(wǎng)內(nèi)自動進行，無需人工干預(yù)，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(wǎng)絡(luò)選頻技術(shù)

為解決海洋短波組網(wǎng)通信系統(tǒng)的多節(jié)點組網(wǎng)頻率選擇問題，本研究提出一種新型網(wǎng)絡(luò)選頻技術(shù)，其以實時頻率質(zhì)量探測結(jié)果和網(wǎng)絡(luò)連通性為選頻依據(jù)。網(wǎng)內(nèi)節(jié)點通過周期性探測消息交互，計算頻率質(zhì)量并獲知鏈路狀態(tài)信息，再基于頻率質(zhì)量和鏈路狀態(tài)信息構(gòu)建路由表；當(dāng)節(jié)點有信息待發(fā)送時，通過路由表查找轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點及可用頻率。

基于全頻段接收的新型網(wǎng)絡(luò)選頻技術(shù)，可在短波頻段任意頻率上發(fā)起選頻過程。新型網(wǎng)絡(luò)選頻技術(shù)選頻所需的探測頻率集完全由發(fā)起選頻命令的節(jié)點確定，在實際使用中靈活方便，參與選頻的節(jié)點無需進行復(fù)雜的頻率規(guī)劃和配置，降低了對操作人員的要求。同時發(fā)起選頻過程的節(jié)點還可以根據(jù)本地干擾、坐標、當(dāng)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(xié)議設(shè)計等方面對新型網(wǎng)絡(luò)選頻技術(shù)進行闡述。

1.1 選頻思路

假定一個短波網(wǎng)絡(luò)中有N個節(jié)點進行組網(wǎng)通信，節(jié)點網(wǎng)內(nèi)地址為0~(N-1)。設(shè)置其中一個節(jié)點為選頻過程發(fā)起節(jié)點（可以是短波網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點），其余節(jié)點為選頻過程參與節(jié)點。選頻過程由選頻發(fā)起節(jié)點發(fā)起，網(wǎng)內(nèi)其余節(jié)點收到選頻請求后對接收頻率進行探測以估計當(dāng)前頻率的接收質(zhì)量，假定探測頻率集內(nèi)頻率分別為f1, f2, ..., fn。新型網(wǎng)絡(luò)選頻技術(shù)的選頻流程包括選頻請求、選頻應(yīng)答、質(zhì)量反饋三個部分，當(dāng)網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點選出達到其它節(jié)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(wǎng)絡(luò)選頻流程

1.2 選頻時序

選頻發(fā)起節(jié)點根據(jù)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(fā)起節(jié)點收到選頻指令后在第一個可選頻率上發(fā)送選頻請求，網(wǎng)內(nèi)節(jié)點收到選頻請求后依次發(fā)送選頻應(yīng)答，發(fā)送完選頻應(yīng)答后各節(jié)點根據(jù)節(jié)點號大小依次發(fā)送質(zhì)量反饋，為了使網(wǎng)絡(luò)運行過程中緊急業(yè)務(wù)優(yōu)先于選頻過程執(zhí)行，在每個頻率探測的結(jié)尾預(yù)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(wǎng)內(nèi)所有節(jié)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(wǎng)內(nèi)每個節(jié)點都找到了與網(wǎng)內(nèi)其他各節(jié)點的通信頻率；兩跳連通路由指網(wǎng)內(nèi)每個節(jié)點都找到了與網(wǎng)內(nèi)其他各節(jié)點通過轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點可通的頻率。選頻時序如圖2所示。

選頻發(fā)起節(jié)點在發(fā)送選頻探測請求前需要發(fā)送一個探測音，使網(wǎng)內(nèi)其他節(jié)點捕獲當(dāng)前頻率；網(wǎng)內(nèi)其他節(jié)點接收完探測請求后在當(dāng)前頻率上進行集中調(diào)諧，之后按節(jié)點號大小順序進行探測應(yīng)答和質(zhì)量反饋的發(fā)送。

圖2 短波網(wǎng)絡(luò)選頻時序

1.3 選頻協(xié)議內(nèi)容

新型短波網(wǎng)絡(luò)選頻技術(shù)通過信息的交互選擇全網(wǎng)連通頻率，設(shè)計高效的選頻協(xié)議可以快速選出全網(wǎng)連通頻率。由前述可知，本文設(shè)計的選頻流程中交互的信息主要有選頻請求、選頻應(yīng)答和質(zhì)量反饋，通過選頻請求啟動選頻流程，通過選頻應(yīng)答估計頻率的接收質(zhì)量，通過質(zhì)量反饋交互各節(jié)點接收其他節(jié)點的頻率質(zhì)量信息，各協(xié)議內(nèi)容如表1所示。

表1 協(xié)議內(nèi)容

2 選頻技術(shù)仿真

2.1 實驗內(nèi)容

仿真網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點配置的頻率中當(dāng)有25%、50%、75%的頻率質(zhì)量較差時，記錄網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)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(jié)點組網(wǎng)通信為例，節(jié)點編號為0~7，選出各節(jié)點到達網(wǎng)內(nèi)其它節(jié)點的可用頻率形成一跳/兩跳路由，最終的選頻結(jié)果如圖3所示。

圖3 節(jié)點0選頻結(jié)果

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

2.2 實驗工具

采用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真工具[20]進行新型短波網(wǎng)絡(luò)選頻技術(shù)仿真，進程模式、節(jié)點模型、網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)成OPNET的基本仿真要素。進程模型主要是對發(fā)送數(shù)據(jù)進行封包、控制發(fā)送時序、解析協(xié)議內(nèi)容、執(zhí)行路由收斂算法；節(jié)點模型是獨立的仿真實體，對選頻過程中節(jié)點無線數(shù)據(jù)發(fā)送、無線數(shù)據(jù)接收、節(jié)點身份定位等行為進行模擬；網(wǎng)絡(luò)模型是在一定的范圍內(nèi)分布一定數(shù)量的節(jié)點實體，模擬實際的節(jié)點位置關(guān)系。

2.3 實驗參數(shù)

采用OPNET仿真新型短波網(wǎng)絡(luò)選頻技術(shù)確定了一些必要的仿真輸入?yún)?shù)，具體各參數(shù)的輸入值如表2所示。

表2 實驗參數(shù)

2.4 仿真結(jié)果

仿真以2.3節(jié)的8節(jié)點組網(wǎng)通信為例，測量的是網(wǎng)內(nèi)任一節(jié)點到網(wǎng)內(nèi)其他所有節(jié)點的連通性，仿真的選頻時間定義為選頻發(fā)起節(jié)點選出到達其他所有節(jié)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(shè)置探測選頻頻率集中有25%的頻率對各節(jié)點來說不可用時，即表示有75%的頻率可正確接收選頻協(xié)議信息進行網(wǎng)絡(luò)選頻。實驗結(jié)果如圖4所示。對每次仿真后得到的頻率所用時間求統(tǒng)計平均選頻時間，經(jīng)計算約為25 s。

（2）設(shè)置探測選頻頻率集中有50%的頻率對各節(jié)點來說不可用時，即表示有50%的頻率可正確接收選頻協(xié)議信息進行網(wǎng)絡(luò)選頻。實驗結(jié)果如圖5所示。對每次仿真后得到的頻率所用時間求統(tǒng)計平均選頻時間，經(jīng)計算約為47 s。

（3）設(shè)置探測選頻頻率集中有75%的頻率對各節(jié)點來說不可用時，即表示有25%的頻率可正確接收選頻協(xié)議信息進行網(wǎng)絡(luò)選頻。實驗結(jié)果如圖6所示。對每次仿真后得到的頻率所用時間求統(tǒng)計平均選頻時間，經(jīng)計算約為155 s。

3 選頻性能分析

根據(jù)實驗結(jié)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(nèi)，對于8節(jié)點的短波網(wǎng)絡(luò)選頻來說該時間是可以接受的。網(wǎng)絡(luò)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(dāng)有業(yè)務(wù)發(fā)送時可以在中斷時間內(nèi)中斷當(dāng)前的選頻過程優(yōu)先發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。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(dāng)選頻頻率集中有25%、50%、75%的頻率不可用時，根據(jù)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(jié)果可以看出維護開銷占整個網(wǎng)絡(luò)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(jié)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(zāi)搶險等工作中都發(fā)揮著重要作用[21-22]。隨著短波通信技術(shù)的不斷發(fā)展，短波通信從點對點通信向多節(jié)點組網(wǎng)通信的方向發(fā)展，但短波選頻問題依然有待解決。早期的頻率預(yù)測、人工選頻等手段繁瑣復(fù)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(wǎng)通信選頻問題，在現(xiàn)有信道設(shè)備具有全頻段信號捕獲與接收處理能力的基礎(chǔ)上，提出了一種全網(wǎng)節(jié)點參與的短波全頻段選頻方案。經(jīng)過仿真后表明該方案具有較高的選頻效率，可在多數(shù)頻率質(zhì)量較差的情況下為各節(jié)點選出到達網(wǎng)內(nèi)其他節(jié)點的可用頻率，這為短波組網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展提供了一種新型選頻技術(shù)思路。

[1] 江開勇. 我國海洋漁業(yè)安全通信現(xiàn)狀及發(fā)展對策[J]. 中國水產(chǎn), 2008(1): 16-19.

[2] 胡中豫. 現(xiàn)代短波通信[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2003: 2-15.

[3] 董彬虹, 李少謙. 短波通信的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 信息與電子工程, 2007(1): 1-5.

[4] 任嘉慧. 如何提高短波頻率資源在海上通信中的效率[J]. 中國新通信, 2015, 17(22): 60-61.

[5] 賴曦文. 短波通信在海洋表面的損耗分析[J]. 通信電源技術(shù), 2019, 36(3): 179-180.

[6] 唐艷. 短波通信組網(wǎng)技術(shù)研究[J]. 中國無線電, 2015(12): 49-51.

[7] 肖一暉.短波通信組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢[J]. 電子測試, 2018(2): 63-64.

[8] 鞠茂光, 劉尚麟. 美國空軍短波全球通信系統(tǒng)技術(shù)分析[J]. 通信技術(shù), 2013, 46(7): 96-98.

[9] International Telecommunication Union. Method for the prediction of the performance of HF circuit. Rec TIU-RP.533-9[S]. 2007: 1-24.

[10] 王斌, 胡中豫, 楊麗芬, 等. 一種短波遠程通信選頻估計方法[C] // Proceedings of 2011 Asia-Pacific Youth Conference on Communication (2011APYCC) Vol.1, USA: Scientific Research Publishing, 2011: 57-60.

[11] 張春艷, 徐開軍, 王書旺, 等. 短波通信實時選頻技術(shù)研究及其實現(xiàn)[J]. 電子世界, 2012(19): 18-19.

[12] 王金龍. 短波數(shù)字通信研究與實踐[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2013.

[13] 彭地. 基于進化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的短波通信頻率選擇方法[D]. 西安電子科技大學(xué), 2017.

[14] Military Standard MIL-STD-188-141B,Interoperability and Performance Standards for Medium and High Frequency Radio Systems[S].U.S. Department of Defense, 1999.

[15] 叢蓉, 孫劍平, 李愷. 頻率管理系統(tǒng)在短波通信中的應(yīng)用研究[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2003(10): 1236-1238.

[16] Military Standard MIL-STD-188-141C, Interoperability and Performance Standards for Medium and High Frequency Radio Systems[S].U.S.Department of Defense, 2011.

[17] 張春艷, 徐開軍, 王書旺, 等. 短波通信實時選頻技術(shù)研究及其實現(xiàn)[J]. 電子世界, 2012(19): 18-19.

[18] 張軍保, 李越, 明月. 短波通信中的動態(tài)頻率優(yōu)選技術(shù)研究[J]. 信息通信, 2016(2): 214-216.

[19] 楊敏, 周治中. 短波組網(wǎng)協(xié)作頻譜感知技術(shù)研究[J]. 通信技術(shù), 2014, 47(11): 1318-1321.

[20] 陳敏. OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2004.

[21] 劉熙琦. 數(shù)字短波組網(wǎng)及在船岸無線通信中的應(yīng)用[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品, 2013(18): 31.

[22] 龔元元, 孔令捷. 短波通信在海洋石油中的應(yīng)用[J]. 數(shù)字通信世界, 2013(3): 67-68.

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(wǎng)通信自動選頻[J]. 廣東海洋大學(xué)學(xué)報，2020，40（2）：89-93.