中国指挥与控制学会会刊 
1 短波数据链选频
短波数据链系统是在传统短波通信的基础上发展而来的,短波数据链通过采用数字技术和网络结构,有效提高了短波通信的传输速率、可靠性和灵活性,是短波通信领域的重要发展方向。目前,按照频率选择方式的不同,短波数据链建链方式主要分为定频建链和选频建链两种。
1.1 定频建链
定频建链通常采用人工选频的方式进行,但由于短波数据链通信会受到如图1 所示的众多因素的影响,因此,需要操作人员根据通信双方所在的地理位置、通信距离以及双方之间的电磁天气环境等条件综合考虑选取最合适的频率进行建链。该方式通常需要多方协调配合且对操作人员水平经验要求较高,常常会出现选频困难和建链时效性差的问题。近年来,虽然也有部分自动选频设备出现,但实际应用效果并不理想。此外,短波通信链路极易受到天气、昼夜等环境因素的影响,而定频通信无法有效根据通信环境的变化进行动态调整,因此,定频建链还存在建链稳定性差的问题。最后,短波数据链作为一种重要的军事通信手段,在军事对抗过程中难免会遭遇敌方的侦察干扰,定频建链方式长期保持单一固定频率,极易被敌方侦获干扰,战场生存能力较弱。
1.2 选频建链
区别于定频建链利用固定频率进行建链,选频建链通常按照一定的原则给出一组或多组频率集合,短波数据链系统利用选频建链功能对频率集合中的频率进行快速遍历,选取当前建链效果最好的频率作为当前工作频率进行建链。当选取的工作频率因环境变化等因素导致通信质量下降时,系统则重新对频率集进行遍历验证,更换适合当下环境的频率继续进行建链,从而有效保证链路的通信质量。因此,选频建链方式相较于定频建链,可有效解决选频困难、建链时效性低的问题,提高了通信链路的稳定性。两种短波数据链选频方式的流程对比如图2 所示。
2 多域正交选频多用户算法
通过对选频建链方式原理的分析我们不难发现,选频建链方式能否有效发挥效能的核心在于所提供的频率集合质量的高低。为有效发挥选频建链效能,提供有效频率集合,本文提出一种基于多域正交选频的多用户短波数据链算法。算法的主要思想是结合多用户同时进行短波建链的需求,采用多域正交规划选频的方法选出多个有效频率集合进行建链,从而实现各用户间的有效信息互通和数据传递。
2.1 参数确认
在频率选择之前,人们首先需要明确多用户同时建链的各项参数。参数定义为:同时建立短波数据链的用户数目为n;进行选频时频率选择区间为[f0,fmax],其中,f0为初始选频频率,fmax为最大选频频率;不同用户间用频频率间隔为Δf;单个用户自身用频频率间隔为Δk,考虑多用户同时建链且相邻用户间不产生频率互扰,参数需要分别满足:
Δf≥Δmin
Δk≥nΔf
其中,Δmin表示短波数据链建链可用最小频率间隔。
若定义单个用户可用选频频点数目为m,则根据上述公式,参数需要满足:
f0+mΔk≤fmax
由式(3)可得单个用户可用选频频点数目m的范围为
m≤
2.2 频带分割
在对相关参数进行确认后,算法需要对选频区间[f0,fmax]进行分割。考虑单个用户间、用户与用户间用频频率不得产生重叠和干扰且所有频率均需在选频区间内产生,因此,算法利用多域正交的思想,同时考虑单个用户内选频和不同用户间选频,区分用户域和频点域两个维度相互正交,可得频点分割集合为
其中,横向分别表示用户1至用户n的用户域,纵向分别表示频点1至频点m的频点域。
2.3 频率集获取
按照多域正交的规则对选频区间进行分割后,即可得到各用户的可用频点集合。其中,用户1、用户2和用户n的可用频点集合F1、F2、Fn分别为:
F1={f0,f0+Δk,…,f0+(m-1)Δk}
F2={f0+Δf,f0+Δf+Δk,…,f0+Δf+(m-1)Δk}
Fn={f0+(n-1)Δf,f0+(n-1)Δf+Δk,…,f0+(n-1)Δf+(m-1)Δk}
需要注意的是,此时获得的可用频点集合还不能作为最终的选频集合进行使用,因为在短波数据链实际使用中,依据不同国家和地区的无线电管理规定,根据军事、气象、科学研究等不同用途,某些特定频点或者频段的保护频率是不可被随意使用的,这些频点或频段被称为禁用频率。此外,为进一步加强所得频点集合的抗侦测性和抗干扰性,在去除禁用频率的基础上,还可对频点集合内的频点进行选择性的删减。假设禁用频率的集合为RF,删减频点集合为D,则可用于最终选频建链的各用户频点集合分别为:
F'1=F1-F1∩RF-F1∩D
F'2=F2-F2∩RF-F2∩D
F'n=Fn-Fn∩RF-Fn∩D
其中,A∩B表示集合A与集合B的交集,A-B表示从集合A中去除集合B中的元素所得到的差集。
3 算法实现
本文所提算法主要包括以下几个步骤:
步骤1 根据短波数据链建链需求,明确建链用户数n、选频范围[f0,fmax]、用户间用频间隔Δf、用户自身用频间隔Δk等相关参数。
此处需要注意的是,选频范围[f0,fmax]的选取是否合适会直接影响最终得到的频率集合的可用性。若[f0,fmax]范围过大,则会导致集合内频点数m过多,若[f0,fmax]范围过小,甚至未能覆盖有效频率区间,则会降低所选出频率集合的可用性和环境适应性。因此,在实际使用中,需要综合考虑任务需求和任务持续期间环境等条件的变化,合理确定选频范围。
步骤2 区分用户域和频点域,利用多域正交的方法对选频区间[f0,fmax]进行分割,得到分割后各用户对应的初始频率集合F1, F2,…,Fn。
步骤3 根据保护频率表,确定禁用频率集合RF和删减频点集合D,将各初始频率集合F1, F2,…,Fn中包含相关频率的频点去除后,得到用于选频建链的各用户频率集合F'1, F'2,…,F'n。
步骤4 将各用户频率集合F'1, F'2,…,F'n进行配置,利用系统选频建链功能自动对各频率集合内的频点进行遍历,选取合适的频率为各用户建立短波链路。
步骤5 当受到环境变化等因素影响造成链路质量下降或链路中断时,系统重新对频率集合内的频点进行遍历,更换新的通信质量较好的频率进行建链,以维持链路的稳定性。
4 仿真分析
假设需要同时对3个用户建立短波数据链, 即n=3, 设定频率选择区间[f0, fmax]为[4.125, 11.875]MHz, 单个用户自身用频频率间隔Δk=200 kHz, 不同用户间用频频率间隔Δf=66 kHz, 令禁用频率集合RF={4.991, 5.325, [5.800, 5.900], 6.725, [6.800, 7.200], 7.591, 8.925, [9.650, 9.750], 10.725, 11.257}MHz, D={4.657, 5.791, 8.057, 8.125, 8.391, 9.057, 9.591, 10.591}MHz。
根据式(4)约束条件可得单个用户可用选频频点数目m≤38,根据式(8)可得各用户对应的初始频率集合分别为:
F1= MHz
F2= MHz
F3= MHz
进一步根据式(11)得到去除禁用频率RF和删减频点D后的各用户最终选频建链频点集合为:
F'1= MHz
F'2= MHz
F'3= MHz
将最终得到的频点集合进行绘图,可得到各用户用频分布和所有用户总体用频分布情况如图3 所示。
由图3 频率分布图可知,本文算法可有效实现在所规定的选频范围为多用户同时选取建链频率集合,所选频率集合分布合理,不同用户频率集合之间无用频冲突,且可有效避开禁用频率和主动删减频点。
为进一步验证所选频率集合的有效性,利用得到的频点集合为3个用户同时建立短波数据链,经仿真验证,得到本文算法与定频建链方法建链性能结果如表1 所示。
表1 短波数据链建链效能Tab.1 Shortwave data link building efficiency |
| 能力指标 | 初始建链用时/min | 成员在网率/% |
|---|---|---|
| 定频建链 | 37.6 | 83.36 |
| 本文方法 | 5.8 | 98.74 |
通过仿真结果可知,本文算法较当前定频建链方法可有效提高短波数据链的建链时效性和成员在网率,增强了短波数据链的建链效能。
上述仿真主要针对日常短波建链中较为典型的用户数n=3的场景进行了分析验证,当n>3时,即随着同时建链用户数的增多,在满足式(1)和式(2)约束条件的前提下,可以采取适当减小不同用户间用频频率间隔Δf,增大单个用户自身用频频率间隔Δk等方式对算法进行调整。但需要指出的是,随着同时建链用户数的增多,势必会导致单个用户选频间隔的增大和选出频点集合中可用频点数目的减少,从而导致算法性能的下降。因此在运用本文算法时,需要操作人员根据选频区间和同时建链用户数,合理选择用户间和用户自身用频频率间隔,以有效发挥本文算法效能。
5 结束语
本文研究了多用户条件下的短波数据链建链问题,提出了一种基于多域正交选频的多用户短波数据链算法,仿真结果表明,本文算法可有效解决多用户同时建立短波数据链的问题,且较定频建链方法可有效提高建链效能。