陳安全 何山 石海洋

摘要：短波通信目前依然是不可替代的有效通信方式，其在災(zāi)區(qū)應(yīng)急、航海遠(yuǎn)程通信、軍事通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文簡要概述了短波通信的發(fā)展歷程，并給出了存在的問題和未來發(fā)展方向的預(yù)測。

關(guān)鍵詞：短波通信；電離層；超視距通信；高速率通信；寬帶通信

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(shù)千公里的全球通信。短波通信是一種有效的遠(yuǎn)程無線通信模式，其可避免衛(wèi)星通信相對較高的成本和戰(zhàn)時(shí)易摧毀的問題。短波通信已廣泛應(yīng)用于軍事行動、災(zāi)區(qū)救災(zāi)、超視距的船舶通信、及缺乏其他有效通信手段的偏遠(yuǎn)地區(qū)。短波無線電的獨(dú)特之處在于可以使用簡單廉價(jià)的設(shè)備在國內(nèi)外提供遠(yuǎn)距離通信。適用于通信基礎(chǔ)設(shè)施不存在或因自然災(zāi)害、軍事沖突而無法進(jìn)入的偏遠(yuǎn)地區(qū)，在不需要中繼設(shè)施的情況下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離鏈接的實(shí)用手段。隨著衛(wèi)星通信的出現(xiàn)，提供了更高的數(shù)據(jù)速率，短波在遠(yuǎn)程通信中的使用減少了。然而并非所有情況都能使用衛(wèi)星通信，隨著短波通信更高的數(shù)據(jù)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(shù)發(fā)展，隨之而來的是更高的要求，需要更高的數(shù)據(jù)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(shù)發(fā)展；短波通信技術(shù)存在的問題及研究方向介紹短波通信的發(fā)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(dú)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(yuǎn)程通信來說，信號衰減太大，該頻段允許在不需要建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施的情況下進(jìn)行遠(yuǎn)程無線電通信[ 6 ]。電離層是地球大氣的一個(gè)電離區(qū)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(gè)區(qū)域，大氣受到太陽輻射的強(qiáng)烈電離，在電離過程中射出的電子可以自由存在相當(dāng)長的時(shí)間，然后再被離子吸收。這些高電子密度區(qū)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(guān)的頻帶內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)距離超視距無線電通信。電離層是不均勻的，并且一直在運(yùn)動。其性質(zhì)也是不斷變化的，每日和季節(jié)變化以及太陽活動的變化導(dǎo)致電離層的電子密度及其高度發(fā)生顯著變化，再加上它的多層結(jié)構(gòu)，會導(dǎo)致許多不同形式的失真，包括多普勒頻移和擴(kuò)展、多徑和衰落。

同時(shí)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(nèi)部產(chǎn)生的熱噪聲，這些熱噪聲是其溫度和人為噪聲的函數(shù)。窄帶干擾通常是在類似頻率下嘗試其他無線電傳輸?shù)慕Y(jié)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(shí)間，因?yàn)樵S多用戶試圖同時(shí)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(jī)的性能，因?yàn)橄辔皇д鏁?dǎo)致符號被錯(cuò)誤解碼，而幅度衰減會導(dǎo)致信噪比急劇下降。為了補(bǔ)償這些影響，無線電接收機(jī)使用信道均衡，該技術(shù)旨在使用信號和信道特性的先驗(yàn)知識來校正接收信號的相位和振幅，這可能是在發(fā)射機(jī)處對信號使用的編碼方案中固有的，或者通過與傳輸?shù)奈粗獢?shù)據(jù)一起發(fā)送的已知訓(xùn)練數(shù)據(jù)[ 7 ]。為了幫助校正深度振幅衰減，這會導(dǎo)致信噪比下降到很低的水平，從而使衰減期間傳輸?shù)挠行У娜魏螖?shù)據(jù)不可恢復(fù)，克服這個(gè)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(chǎn)生的突發(fā)錯(cuò)誤，這樣有更大的機(jī)會還原原始數(shù)據(jù)。

實(shí)現(xiàn)短波無線電通信潛力的關(guān)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(chǎn)生衰減、延遲的傳輸信號。為了實(shí)現(xiàn)超視距甚至數(shù)千公里的全球通信，短波天波傳播被認(rèn)為是通過電離層反射實(shí)現(xiàn)的一種很有前景的模式。短波發(fā)射機(jī)向天空發(fā)射信號，信號與電離層相互作用，并返回到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出視距的地球。短波天波信道是復(fù)雜的無線信道之一，短波天波信道幾乎在任何時(shí)間尺度上都是非平穩(wěn)的。任何通過這種路徑發(fā)送數(shù)據(jù)的嘗試都必須在短波發(fā)送和接收系統(tǒng)的適當(dāng)位置仔細(xì)處理該信道的時(shí)變和色散特性。

2 短波通信的發(fā)展歷程

無線通信可以追溯到麥克斯韋1873年發(fā)表的關(guān)于電和磁的論文。它創(chuàng)立了現(xiàn)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(shí)驗(yàn)證明了麥克斯韋理論。前人的研究啟發(fā)了馬可尼，其開始試驗(yàn)無線電報(bào)。直到1901年，一個(gè)三千公里長的跨大西洋電報(bào)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(jì)初，隨著無線電數(shù)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(shí)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(yuǎn)程通信服務(wù)的主要方法，其中一個(gè)關(guān)鍵問題是找到一個(gè)可用頻率，以支持所需的話音服務(wù)，因?yàn)榭捎妙l率隨時(shí)間、季節(jié)、空間、天氣而變化。在早期的短波通信系統(tǒng)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(shí)長期的可靠性。

在20世紀(jì)60年代，衛(wèi)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(shù)據(jù)速率。當(dāng)時(shí)衛(wèi)星通信逐漸主導(dǎo)了超視距通信，并取代了短波無線電通信的大部分服務(wù)。然而在衛(wèi)星領(lǐng)域，衛(wèi)星通信也存在一些弱項(xiàng)，衛(wèi)星地面站在災(zāi)難降臨時(shí)易損壞性、緊急情況下室內(nèi)接收困難還需要具備視野無遮擋，并且投資和維護(hù)成本高等等[9]。在20世紀(jì)80年代，能夠攻擊和摧毀衛(wèi)星武器的出現(xiàn)使短波無線電通信的獨(dú)特優(yōu)勢更加凸顯出來，優(yōu)勢主要有作為信道的電離層不可破壞，設(shè)備小巧部署靈活，成本相對較低，以及無中繼的遠(yuǎn)程點(diǎn)對點(diǎn)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(jìn)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(zhì)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(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，從模擬通信過渡到了數(shù)字通信，通信技術(shù)的提高使得短波通信質(zhì)量有所提高。微處理器不僅能提供強(qiáng)大的計(jì)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(zhì)量分析以及信道選擇、掃描和確認(rèn)，從鏈路質(zhì)量分析表中自動選擇最佳信道，每個(gè)站點(diǎn)都有鏈路質(zhì)量分析表，該表根據(jù)誤碼率和信噪比存儲指定的信道參數(shù)，在連接到得分最高的信道之前，站點(diǎn)會執(zhí)行監(jiān)測，該技術(shù)的運(yùn)用使得短波無線電通信更加便捷[ 1 1 ]。

進(jìn)入21世紀(jì)后，對短波技術(shù)提出了更高的要求，建立鏈路時(shí)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(shè)計(jì)自動鏈路建立技術(shù)，經(jīng)過改進(jìn)可以實(shí)現(xiàn)高性能數(shù)據(jù)傳輸，通過有效聯(lián)網(wǎng)支持更大的網(wǎng)絡(luò)，并提供綜合服務(wù)，支持語音和數(shù)據(jù)通信。在過去十年中，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展正在改變通信系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，見證了認(rèn)知無線電技術(shù)的巨大研究成果，其關(guān)鍵思想是使一臺具有類似人類大腦的無線電能夠觀察、計(jì)劃、決定和行動。另外對更高的數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)可以支持寬達(dá)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(jìn)行多媒體傳輸?shù)男枨笤絹碓酱?。短波通信一直被認(rèn)為是一種遠(yuǎn)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(shù)據(jù)傳輸。與此同時(shí)來自微波頻段的競爭對手衛(wèi)星通信可以提供具有相對較高數(shù)據(jù)速率的超視距無線傳輸。目前與衛(wèi)星通信相比，短波通信仍有其獨(dú)特的價(jià)值，因?yàn)槠涑杀鞠鄬^低，部署具有靈活性，以及擁有無中繼的遠(yuǎn)程通信。然而，在大多數(shù)情況下，其僅被視為遠(yuǎn)程語音和低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋５资侄危皇菆D像視頻等多媒體傳輸?shù)氖走x。通過短波鏈路傳輸監(jiān)控視頻或大的數(shù)據(jù)資料變得比較迫切。這樣當(dāng)衛(wèi)星通信出現(xiàn)故障時(shí)，確保短波無線通信能及時(shí)補(bǔ)缺。

二是大量終端的遠(yuǎn)程鏈接需求越來越多。一直以來點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)遠(yuǎn)程通信一直是短波系統(tǒng)的主導(dǎo)模式，然而隨著短波通信在世界范圍內(nèi)的軍事和民用領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用，越來越多的短波無線電裝備在船舶、飛機(jī)、車輛等各種設(shè)備上。同時(shí)短波連接的數(shù)量將急劇增加，即大規(guī)模遠(yuǎn)程訪問。大規(guī)模指的是大量的同時(shí)鏈接，遠(yuǎn)程指的是短波收發(fā)器之間的距離非常遠(yuǎn)。在大量的遠(yuǎn)程訪問中，訪問延遲和干擾控制顯得尤為重要。對于大多數(shù)現(xiàn)有的接入方式，短波無線電的平均接入延遲隨著短波同時(shí)連接數(shù)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(shí)連接之間的矛盾變得越來越嚴(yán)重，因此需要在時(shí)間、頻率或空間域進(jìn)行頻譜復(fù)用，而如何有效地避免相互干擾是頻譜復(fù)用的關(guān)鍵。

三是各方面的電磁干擾越來越強(qiáng)。對于短波通信來說，最重要且被廣泛關(guān)注的問題是如何在短波收發(fā)器之間建立可靠的鏈接。自然環(huán)境中復(fù)雜且不可預(yù)測的因素會導(dǎo)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(dǎo)致不同的可用頻率。由于來自不同系統(tǒng)的用戶不協(xié)調(diào)地使用短波頻段，無意干擾正在惡化短波電磁環(huán)境。幾十年前，具有數(shù)十瓦發(fā)射功率的短波發(fā)射機(jī)可以成功實(shí)現(xiàn)長達(dá)數(shù)千公里的遠(yuǎn)程無線通信，然而如今具有更高發(fā)射功率和更先進(jìn)技術(shù)的短波發(fā)射機(jī)無法實(shí)現(xiàn)相同距離的可靠通信。在現(xiàn)代電磁頻譜戰(zhàn)爭中，出于惡意目的或軍事行動而實(shí)施的故意干擾應(yīng)該受到重視。故意干擾信號的強(qiáng)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(shù)融入數(shù)據(jù)鏈通信技術(shù)?，F(xiàn)在戰(zhàn)爭已不再是單一軍種和單一裝備之間的作戰(zhàn)，戰(zhàn)爭維度向陸?？盏阮I(lǐng)域多維一體作戰(zhàn)，為了實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)爭信息實(shí)時(shí)共享，需要信息戰(zhàn)中各型武器裝備能夠做到互聯(lián)互通與信息共享[ 1 2 ]。隨著數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的應(yīng)用，短波通信將同其他頻段一起融入到數(shù)據(jù)鏈技術(shù)中，通過發(fā)揮各自不同的通信特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的通信指揮，這樣短波通信就能根據(jù)自身特點(diǎn)融入到網(wǎng)絡(luò)通信。

二是能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的通信。由于點(diǎn)對點(diǎn)通信是遠(yuǎn)程乃至全球短波通信的主要使用模式，但短波電臺組網(wǎng)的研究相對較少。多個(gè)空間分散的短波接收機(jī)的分布式網(wǎng)絡(luò)，可以通過利用分集組合提高通信可靠性。短波通信、衛(wèi)星通信、軍事網(wǎng)絡(luò)和民用蜂窩通信可組成通信網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)海陸空一體化的空間通信網(wǎng)絡(luò)。

三是結(jié)合人工智能技術(shù)提高短波通信能力。短波無線電研究和發(fā)展趨勢的一個(gè)關(guān)鍵特征是提高其對不斷變化的環(huán)境的自適應(yīng)能力。人工智能的崛起，尤其是機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)，提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具箱，可以將其運(yùn)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(shí)還可以利用各種機(jī)器學(xué)習(xí)方法來實(shí)現(xiàn)智能抗干擾。隨著人工智能融入下一代通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的趨勢，干擾和抗干擾都將變得智能化，干擾行為變得動態(tài)和智能化，這就需要及時(shí)估計(jì)干擾模式和參數(shù)。同時(shí)采用先進(jìn)的軟件無線電技術(shù)，可以通過通用軟件無線電平臺（USRP等）以編程方式實(shí)現(xiàn)多樣的功能。

四是研究短波寬帶通信用以實(shí)現(xiàn)高速率的多媒體傳輸。寬帶短波將繼續(xù)是未來提高數(shù)據(jù)速率的主要方向，用以支持圖像視頻傳輸?shù)榷喾N服務(wù)。在短波頻段大多數(shù)信道僅分配3kHz?？梢岳卯?dāng)前分配的帶寬設(shè)計(jì)新的波形。也可以使用多個(gè)連續(xù)或非連續(xù)通道的多通道方法。還可以通過使用更寬的連續(xù)帶寬波形來提高數(shù)據(jù)速率。連續(xù)帶寬的寬度可以是預(yù)先確定的，也可以是自適應(yīng)的，其取決于實(shí)際的短波頻譜使用模式和方案實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性。

4 結(jié)語

本文給出了短波通信應(yīng)用背景及現(xiàn)實(shí)需要。首先簡要介紹短波通信的獨(dú)有特性及不可替代性的體現(xiàn)。然后對短波信道和短波通信系統(tǒng)的發(fā)展歷程進(jìn)行了簡要的回顧和分析。最后，總結(jié)了短波通信技術(shù)存在的一些問題：期望短波進(jìn)行多媒體傳輸?shù)男枨笤絹碓酱螅淮罅拷K端的遠(yuǎn)程鏈接需求越來越多；各方面的電磁干擾越來越強(qiáng)。并給出了研究發(fā)展方向：將短波通信技術(shù)融入數(shù)據(jù)鏈通信技術(shù)；實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的通信；結(jié)合人工智能技術(shù)提高短波通信能力；研究短波寬帶通信用以實(shí)現(xiàn)高速率的多媒體傳輸。

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（作者簡介：陳安全，助教，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槎滩ㄍㄐ牛缓紊?，助教，本科學(xué)士， 主要研究方向?yàn)闊o線通信）（工作單位：海軍士官學(xué)校）