短波频率自适应通信的发展及信号监测
概要介绍了短波自适应通信产生和发展的三个主要阶段，关键信号生成的原理及其监测与识别，详细论述了正在发展的第三代短波自适应通信系统的网络功能和技术特点。
引言
短波通信是一种历史悠久的远距离通信方式，通过电离层反射实现远距离通信。由于电离层的性能随时间、空间和电波频率变化，引起信号的幅度衰落、相位起伏等，会严重影响短波通信质量;同时天波反射存在严重的多径效应，也造成频率选择性衰落和多径时延，成为短波链路数据传输的主要限制。另外，短波频段可供使用的频带比较窄，通信容量小，大气和工业无线电噪声干扰严重，也大大限制了短波通信的发展。20世纪60年代以来，卫星通信以其信道稳定、通信质量好、容量大等优势，取代了许多原属于短波的重要业务。短波通信的投入急剧减少，其地位大为降低。
然而，与卫星通信、光缆等通信手段相比，短波通信不需要建立中继站即可实现远距离通信，具有自身的特点，比如建设周期短，维护费用低；设备简单，容易隐蔽;使用灵活，电路调度容易，临时组网便捷，抗毁能力强等。这些显著的优点，是其他通信手段不可比拟的。事实证明，曾经设想取代短波通信的卫星通信，并不能满足所有情况下的用户需求。20世纪80年代起，出于对卫星安全等方面的考虑，短波通信重新受到重视，许多国家加大了对短波通信技术的研究与开发。
近年来，由于电子技术的迅猛发展，促进了短波通信技术和装备的更新换代，原有的缺点得到了不同程度的克服，通信质量大大提高，形成了现代短波通信新技术、新体制，短波通信正走向复兴。这其中，最重要和显著的技术进步，就是短波自适应技术。
短波自适应通信的概念
短波通信主要依靠天波进行，而电离层反射信道是一种时变色散信道，其特点是路径损耗、时延散布、噪声和干扰等都随频率、地点、季节、昼夜的变化不断变化，因此，短波通信中工作频率是不能任意选择的。在相当长的时间内，短波通信频率的选择是根据频率预测资料来确定的[1]。但是，电离层的特性每天变化很大，频率预测资料是根据长期观测统计得出的，不能实时反映实际通信时信道参数，而且，长期预报也没有考虑多径效应和电台干扰等因素，造成实际短波通信质量不能令人满意。
统计表明，即使在夜间通信环境最坏的情况下，短波频段也有4%左右的无噪声信道，而中午约有27%的信道干扰很小或不存在干扰[2]。所以，实时避开干扰，找出具有良好传播条件的无噪声信道是提高短波通信质量的主要途径。实现这一目标的关键是采用自适应技术。
所谓自适应，就是能够连续测量信号和系统变化，自动改变系统结构和参数，使系统能自行适应通信条件的变化和抵御人为干扰。广义地讲，短波自适应包括频率自适应、功率自适应、传输速率自适应、分集自适应、自适应均衡及自适应调零天线等。由于选频和换频是提高短波通信质量最有效的途径，所以通常所说的短波自适应通信就是指频率自适应。
短波自适应通信经历了短波频率管理、2G-ALE两个成熟阶段，正向3G-ALE发展。
频率管理系统
短波自适应系统必须完成实时探测信道特性和干扰分布情况的双重任务，系统提供的最佳工作频率是测量和分析这两方面数据的结果，完成这一任务所采用的技术称为实时信道估值“RTCE”技术。实现短波自适应的基本方法就是利用RTCE(Real Time Channel Evaluation)技术来测量和分析各种信道参数，根据综合分析和计算结果，建立工作在最佳频率上的通信链路。
独立的信道探测系统可在一定区域内组成频率管理网格，在短波范围内对频率进行快速扫描探测，得到通信质量优劣的频率排序表。然后再根据需要，统一分配给区域内各短波通信用户。其实质是对区域内的用户提供实时频率预报。美国CURTS系统和我国研制的实时选频系统都可以做到每10分钟向用户提供一份频率表[3]，由用户在实际通信时选择最佳的通信频率。
根据所采用的技术不同，RTCE可分为电离层脉冲探测、电离层调频连续波探测(Chirp)、导频探测、8FSK信号探测等，其中8FSK探测，是目前自适应电台使用最广泛的信号格式。
CURTS系统是最早的实时选频系统，可以测量5种信道参数。它采用电离层脉冲探测，由于探测脉冲功率高达30kW，因而会造成严重的干扰，只能用于大区战略通信系统。20世纪70年代中期，美国Barry公司采用Chirp探测方式研制出AN/TRQ-35(V)实时选频战术频率管理系统，后又升级为AN/TRQ-42(V)，在90年代初期的海湾战争中，这两套频率管理系统成功地支撑了短波通信网，为盟军的胜利发挥了关键的通信保障作用。
短波频率管理系统探测结果可以反映整个短波频段的频率资源情况，已经制成商业软件出售。有些无线电监测站的短波单站定位功能，也是利用这些探测结果，再通过计算来实现的。频率管理系统的特点是通信与探测分离，探测设备昂贵，这一发展过程也称为短波自适应技术的1G-ALE阶段。
2G-ALE通信系统
随着微处理器和数字信号处理技术的不断发展，20世纪80年代中期，出现了在通信系统中直接采用RTCE技术，对短波信道进行探测、评估和通信一并完成的短波自适应电台。这种电台能够实时选择出最佳的短波通信信道，减少了短波信道的时变、多径和噪声等对通信的影响，使得短波通信频率随信道条件变化而改变，从而确保通信始终在质量最佳的信道上进行。由于采用了高速DSP芯片，RTCE作为通信设备的一个嵌入式部件，使得成本大大降低，操作也变得非常方便。
为了使短波自适应电台互通和组网，1988年10月，美国军方颁布了短波自适应通信的军用标准MIL-STD-188/141A;1990年，对应的联邦标准FED-STD-1045协议也正式出台，该协议又简称1045协议，已成为事实上的国际标准。符合1045协议的短波自适应电台一般称为2G-ALE产品。2G-ALE产品型号很多，完成的功能大同小异，典型设备有美国RF-3200、7100系列，德国的 ALIS电台等。
2G-ALE自适应通信系统具有以下四种基本功能。
（1） RTCE功能
RTCE功能在短波自适应通信系统中称为链路质量分析LQA (Link Quality Analysis)。为了简化设备，降低成本，一般LQA都是在通信前或间隙中进行的，并且只在有限短波信道上进行，通常有10～20个。所获得的数据存储在LQA矩阵中，实际通信时，系统根据LQA矩阵中个信道的排列次序，择优选取工作频率。
（2） 自动扫描接收功能
为了接收选择呼叫和进行LQA试验，网中所有电台都具有自动扫描接收功能，可在预先规定的若干信道上循环扫描，等候呼叫信号或者LQA探测信号。
（3） 自动建立链路功能
根据LQA矩阵，系统应能全自动建立通信链路，这一功能称为自动链路建立ALE(Automatic Link Establishment)的功能。这是短波自适应通信最终要解决的问题，它是基于接受自动扫描、选择呼叫和LQA综合运用的结果。这是2G-ALE与1G-ALE系统的最大区别。
（4） 信道自动切换功能
短波信道存在的随机干扰、选择性衰落、多径等都有可能使已建立的信道质量恶化，甚至可能使通信中断。因此，短波自适应通信系统一般具有信道自动切换功能。即在通信过程中，遇到电波传播条件变坏或严重干扰，自适应系统可以切换信道，使通信频率自动调到LQA矩阵中次佳频率上。
短波日常监测中常见的8FSK是2G-ALE产品中使用最为广泛的一种信号格式，是信道中的LQA探测信号。由于2G-ALE系统的广泛应用，因此在进行监测时8FSK信号出现的次数也最多，如有些台站很长时间一直发射8FSK信号，就可以初步判定是一个很大的短波通信网的通信中枢在进行LQA探测。
2G-ALE规程规定，8FSK每个单音代表3bit的二进制数据(格雷码)，其对应关系如表1所示。
按照2G-ALE规程的要求，当电台收到命令或数据信息后，首先将其转换为基本ALE字组成的原始帧，再进行分组、格雷编码、交织和三倍冗余，最后进行8FSK调制，信号以每秒125个单音的速度发出，因此，发送信息速率375bit/s，符号速率125Baud/s。各单音之间相位连续，过渡应在波形最大或最小处（斜率为零），这样可以保证基带音频信号占用频带最窄，能量更集中。实际监测解调后的8FSK信号波形见图1。
3G-ALE通信系统
由1045协议所定义??短波通信系统，初步满足了用户需求。但随着技术和网络发展，1045协议也暴露出一些不足，主要是无法提供有效的链路接入机制;不支持Internet协议及应用;LQA测量参数只有两个，传输速率大于2400 bit/s时精度不够;ALE信号需三次握手才能建立链路，连接速度较慢。
1999年，美军颁布了短波自适应全自动通信网络标准的3G-ALE军标(MIL-STD-188/141B)。在全面支持第二代协议规定的话音通信和小型网络的前提下，该标准有效地支持大规模、数据密集型快速高质量的短波通信系统，再一次在世界范围内引发了对短波通信的研究高潮。在我国，相关的研究工作也已经起步。
3G-ALE全自动短波网络实质上是一种无线分组交换网络，采用OSI的七层结构模型，其下三层的定义和含义如表2所示。
相对于2G-ALE系统，3G-ALE系统进行了大量的改进:链路建立协议管理(3G-ALE)与数据链路业务管理(TM)、高速数据链路管理(HDL)、低速数据链路管理(LDL)、电路连接管理(CLM)等诸协议形成一个相互依赖的3G-ALE协议族，形成比较完整的短波通信新体制。3G-ALE还采用了许多新技术，主要是数字PSK调制解调方式、突发波BW系列波形传输、呼叫信道同步扫描、网内电台划分为不同的驻留组、信道分离、时隙访问方式、载波侦听机制等。3G-ALE系统的主要技术特点有:
（1） 波形
3G-ALE链路建立和数据传输采用统一的8PSK调制，载频为1800Hz，信令速率2400B，不同的用途对应不同的信号格式，并且使用突发波BW（Burst Waveform），从而提高了系统灵活性。3G-ALE共定义了五种突发波，如表3所列。
BW0是3G-ALE数据协议单元，作用类似于2G-ALE系统的8FSK，帧总长度为1472个码元，其中帧前导序列长度为640个码元的八进制序列，原始信息字段26bit经过码率1/2 FEC编码、交织、Walsh扩频，然后再与固定的PN码序列模8相加，形成长度为832个码元的信息八进制序列，与前导码共同组成3G-ALE帧。
从表3可以看出，3G-ALE采用了正交Walsh函数进行扩频，通过采用Rake接收技术，实现了多径分集，从而大大提高了抗干扰和抗衰落性能。除LDL所用的BW4外，所有波形都采用FEC前向纠错码，从而大大简化了自适应算法，提高了信道通过率。在LDL情况下，可以选用增强型ARQ协议，保障最低限度的通信能力。
（2） 信道分离
3G-ALE系统将呼叫信道与数据流信道分离，并保持数据信道与呼叫信道相邻，以使它们在传输特性上保持一致，这样有利于对传输信道的监听，可以保证信息传送的高效率和链路建立的快速性。
（3） 同步链路
3G-ALE提供了异步和同步两种链路建立方式，特别是同步模式，延时更小，更能反映3G-ALE的特点。这种方式下，呼叫方发出呼叫，被呼叫方接到呼叫后发出应答信号，呼叫方在规定时间内收到应答信号则双方建立连接，否则本次链路建立尝试失败。
（4） 驻留组划分
3G-ALE系统中引入驻留组(Dwell Group)概念，将网络中所有电台划分成多个组，同一时间，统一驻留组内的电台工作在同一信道上，而不同组的电台则工作在不同的信道上，这样可以大大降低系统拥塞。而呼叫电台清楚地知道目的电台所在的信道，减少电台的信道驻留时间。
（5） 划分时隙
为减少信道拥挤，3G-ALE还采取了划分时隙技术。3G-ALE电台在一个信道上的驻留时间为4s，3G-ALE将其划分为5个时隙，每时隙800ms。其中第一个时隙用于调谐和监听，判断是否有通信流量，方便下一步进行通信时使用;其余四个时隙统称为呼叫及应答时隙，用于协议数据单元的传送。
3G-ALE全自动短波网络设备包括电台、ALE控制器与ALEModem、数据控制器与数据Modem、网络控制器HFNC等。由于技术上的突出特点，使得其性能有了很大的提高，可以实现:快速链路建立，最快可达到1.6s，一次成功建立链路仅需完成双向传输，大大减少了建链时间及ALE信息在空中暴露的时间;可靠的最低限度通信能力，极低速的建链能力，可以达到-20 dB，最低限度通信的数据包正确接受率可以达到95%[4]，而且具有抗连续波、抗突发干扰能力;全网络同步工作，支持多达1920个站点和更大信息量，有优先级信道访问和防碰撞措施;支持Internet协议及应用。
由于3G-ALE电台空中信号全部采用了8PSK，使得对8PSK信号的监测和分析十分重要。但是由于对PSK信号的识别与分析比FSK信号要复杂得多，目前多数监测设备虽然可以对PSK信号进行解调，但后期分析和处理软件不够直观和成熟。因此，对3G-ALE电台的监测还只能采用传统的方法进行。
结束语
频率自适应通信技术是现代短波通信的基础，许多短波通信新技术都与频率自适应有关。伴随着3G-ALE的应用，现代短波通信系统采用了更多的新技术，性能更优越[5]。在信道技术方面，频率自适应技术还在不断发展，扩频、跳频等技术已经进入实用化阶段，跳速可达5000H/s的CHESS系统正在开发;在终端技术方面，OFDM技术可在短波信道上实现16 kbit/s～64 kbit/s的传输速率;软件无线电技术将使得短波通信具有更加开放的结构和灵活的性能。所有这些都表明，短波通信与其他信息技术一样，进入了快速发展时期，成为信息社会的重要技术支撑手段。
短波通信的快速发展，给无线电管理和监测部门提出了严峻的挑战。我国无线电短波监测网建设只有几年时间，设备性能和数量还远远不能满足需要，人员的经验和水平亟待提高[6]。面对短波通信发展的新形势，必须奋起直追，才能出色完成国家赋予的各项任务。
参考文献
[1] 《电信工程设计手册·短波通信》P98 邮电部北京设计院 上海邮电设计院编 人民邮电出版社1991年12月第一版
[2] 沈淇淇 朱德生编著 《短波通信》P234 西安电子科技大学出版社1989年12月第一版
[3] 张乃通等著 《短波通信》P33 黑龙江科学技术出版社1985年12月第一版
[4] 薛松 崔恩吉 《短波通信技术发展与分析》， 《通信与广播电视》2004年第4期
[5] 胡中豫主编 《现代短波通信》国防工业出版社2003年10月第一版
[6] 无线电管理“十一五”规划前期研究课题《全国短波无线电监测网发展研究》
评论