短波通信发展趋势及策略

短波通信发展趋势及策略 摘 要：短波通信在通信领域具有其它通信手段无法替代的地位。本文分析了信息化时代对短波通信提出的需求及其发展趋势，针对目前短波通信存在的问题，提出了相应的解决思路。 关键词：短波通信 发展需求 发展趋势 发展策略 短波通信是指利用波长为100m～10m(频率为3～30MHz)的电磁波进行的无线电通信。它主要是利用电离层反射进行数千乃至上万公里的远距离通信。由于电离层是一种典型的时变传输媒介，存在着瑞利衰落、多径效应、多普勒频移等复杂时变因素,使接收端的码元在时间上展宽，包络发生畸变，严重地影响短波通信的质量，甚至会造成通信中断。以这样的信道条件进行数据通信，为了保证对误码率的要求，其传输速率必然有限。在很长一段时期内，短波信道数据传输速率不超过200ｂ/ｓ。同时，短波信道是带宽受限的信道，射频频谱非常拥挤，信道间互相干扰严重。上世纪六十年代卫星通信问世后，短波通信一度处于发展低潮［1］。八十年代以后，短波通信在电波传播研究、频率自适应通信、中高速数据通信、组网通信、自适应跳频及近垂直入射天波通信等方面都取得了重大突破，短波通信方式存在的许多问题和缺点得到克服和改进；随着微型计算机、移动通信和微电子技术的迅猛发展，人们利用微处理器、数字信号处理（DSP），不断提高短波通信的质量和数据传输速率，使现代短波通信重新焕发青春。世界各国近年来又加紧了对短波通信技术的研究，竞相推出和装备各种短波自适应和跳频电台，我国也研制出了短波自适应通信系统、频率管理预报系统、跳频系列电台。 本文从信息时代对短波通信的需求入手，结合短波通信发展的现状及趋势，对我国的短波通信发展策略提出相应的建议。 一、未来信息时代对短波通信发展提出了新的需求 现代通信的特点是高度信息化。信息化对通信系统提出了越来越高的要求。新型通信设备总的发展趋势是集成化、数字化、一体化与网络化，数据和图像将发展成为未来通信的主要业务。无线电通信业务的飞速发展、电磁环境将进一步恶化，作为无线电通信重要手段之一的短波通信，至少应该满足以下几个方面的需求： （一）远距离通信。正是由于短波通信仅需较小的功率就可以实现远距通信，而且设备简单，成本低廉，建立迅速，机动灵活，更重要的是因为它有不易被摧毁的“中继站”——电离层，所以它比卫星通信等其它通信方式能更好地满足某些业务对远距离通信的需求。但是，由于电磁密度的增加，使得远距离通信对电台功率的要求越来越大，而此举又使得电磁环境进一步恶化。在人为电磁干扰日益增大的今天，以较少代价实现远距离和超远距离的通信是短波通信的优势，也是它要解决的问题。 （二）可靠通信。由于电离层反射、多径衰落、传播损耗、可用频率范围、电离层不规则性、电离层骚动、电离层倾斜、波导传播和散射传播等方面随机特性的存在，获得可靠的通信质量一直是短波通信追求的目标。 （三）大容量/高速通信。传统短波通信难以崛起的一个重要原因,就是短波信道容量小,其电报速率很低(不超过200波特b／s）。这不仅无法传送数字语音和数字图像,就是传报也远远满足不了实际需求。为了适应数据通信业务及数字保密话迅速增长的需求，在短波通信的新近发展中，采取了一些有效抗衰落和抗多径(通常指抗码元串扰) 的技术措施，使系统的误码率可达10－5～10－6。 （四）组网通信。采用网络式通信，一方面可增加通信链路的抗毁性及顽存性；另一方面，可在网内选用最佳链路，克服由于电离层随经纬度变化而使单条链路质量很差的影响。组网通信已成为短波通信克服信道不稳定的又一种有效技术。此外,计算机网络的迅速蔓延,必将使短波信道成为其无线传输媒体之一。由于高性能的短波电台、Modem和网络入口设备的应用,在网络无处不在的新世纪,短波将与卫星、激光等无线信道同光纤等有线信道一起在计算机网络四通八达的通信子网中扮演重要角色。 （五）抗干扰通信。由于短波通信保密(或隐蔽)性不强，抗干扰能力差，以及现代电磁环境的特点和规律，短波通信应该具有在不同电磁环境中的生存能力，以及抗干扰等能力。 二、短波通信新技术发展趋势 近年来短波通信的发展势头非常迅猛，短波通信在技术上已相继取得了一系列的突破和进展。可以说，迄今为止影响短波通信的主要难题大部分已得到解决，短波通信质量已赶上有线、微波、卫星通信的性能指标［2］。其发展趋势表现为以下几个方面： （一）由单一自适应技术向全自适应技术方向发展。短波通信存在着短波信道的时变色散特性和高电平干扰的弱点。因此，为了提高短波通信的质量，最根本的途径是“实时地避开干扰，找出具有良好传播条件的无噪声信道”。完成这一任务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，使系统能自行适应环境的变化和抵御人为干扰。因此，短波自适应的含义很广。现已发展的自适应技术有：自适应选频与信道建立技术、功率自适应技术、传输速率自适应技术、自适应调制解调技术、自适应分集技术、自适应信道均衡及辨识技术、自适应编码技术、自适应调零天线技术。除上述技术外，尚有自适应时隙利用、自动转信技术等。 传统意义上的自适应主要是指频率自适应，是以实时信道估值为基础，采用自动链路建立和链路质量分析技术，因此也称之为实时选频技术。在未来信息时代，网络数据通信将成为主要的通信方式，但是单一的频率自适应还无法满足网络数据通信的要求，由于短波通信中各种新技术的出现，特别是分组交换和各种自适应短波通信技术的发展，为短波数据网的发展打下了基础，频率自适应技术可与其它自适应功能综合构成全自适应短波通信系统。未来通信的需求促进了短波自适应通信系统正在向全自适应技术的方向发展。 （二）短波抗干扰技术体制正逐步实现由窄带低速数据通信技术向宽带高速数据通信技术发展。针对短波通信存在的保密(或隐蔽)性不强、抗干扰能力差的弱点，以及电磁环境的特点和规律，为了提高短波通信抗干扰等能力，发展起来了短波通信电子防御技术［3］。这类技术以短波扩频（扩展频谱）通信技术为主体，包括短波跳频和自适应跳频技术、短波直接序列扩频技术等。 传统的绝大多数短波跳频电台都是传输模拟话音的模拟跳频电台,此类短波跳频电台在技术上存在话音质量差、通信距离短、跳速低(通常为几十跳)等问题，而且几乎都是窄带跳频。为提高抗干扰能力，一方面必须提高跳频速率；另一方面可以增加信号带宽，使信号淹没于噪声之中。通常采取纠错、交织、加密等措施，但与此同时，又会使信息的有效传输速率降低。为了提高信息的有效传输速率，也必须增加频率和信道带宽。也就是说高速、宽带已成为短波通信增强抗干扰能力的焦点。如美国近年来研制的短波跳频电台跳速已达5000跳/秒以上（跳频带宽2MHz、信息传输速率19.2kb/s）。 （三）短波终端技术向自适应调制解调技术发展。现代短波通信终端技术，主要是针对短波通信存在着严重的电磁干扰的特点，为了满足人们对数据业务，特别是高速数据业务的需求，围绕着提高数据传输的可靠性和数据传输速率而发展起来的。主要包括语音编码技术、数字调制技术、短波调制解调器技术，差错控制技术等。 传统的短波通信工作方式主要是“话”和“低速报”，无法满足数据通信的需要。在短波信道上传输数据话音和其他数据信号必须要有短波Modem，调制解调器就成为实现短波数据通信的关键部件。由于短波信道是一个典型的时变信道，多种反射模式并存，不仅存在衰落而且存在多径时散，绝大多数多径时延在2～5ms范围内。同时，由于信息时代严重的电磁干扰，为了保证网络传输信息的可靠性，调制解调方式必须具有抗干扰、抗多径和抗衰落的能力，保证快速准确地传递信息。因此，短波自适应抗多径调制解调技术成为现代短波通信研究的重要方面[4]。 （四）短波通信系统由数字化向软件化发展。短波通信数字化主要包括两个方面的内容，一是语音数字化通信，二是数据通信业务，特别是高速数据业务。因此，在短波信道条件下高速率的可靠数字信号传输，低误码率的话音编码，以及数字信号处理等技术，是实现短波数字化的关键技术。微电子技术的发展，促进了大规模集成电路以及微处理机在短波通信设备中的广泛应用，短波通信设备集成化、小型化、通用化程度大大加强，技术性能显著提高。目前短波通信主要在自适应技术、电子对抗技术、计算机组网技术等三个主流方向发展。但是，传统的短波通信设备在结构上存在很大的限制，实现不同的业务需要接入不同类型的终端。另外，上述三个技术在现有系统中实现面临着很大的困难，从而迫使人们寻找一种有效的解决方案。软件无线电是近年来国际上兴起的一项新技术，被称为是自模拟通信过渡到数字通信之后，无线通信领域的又一场革命，代表了当今通信技术的重要发展方向和未来通信产业的增长点，已成为第三代移动通信系统的技术基础和解决协同通信难题的主要技术手段，具有广阔的军用和民用前景［5］。软件无线电技术的兴起不仅为新一代短波通信设备提供了最佳的解决方案，并且为短波通信体制的突破发展提供了有利的研究基础。同时，也为软件无线电的研究提供了一个良好的研究平台。 （五）短波通信系统网络向第三代全自适应网络方向发展。通信数字化、通信系统网络化、通信业务综合化是短波通信发展的必然趋势，系统兼容、网络互通，以及高可靠性、有效性、强抗毁性，成了通信系统建设的基本要求。为增强短波通信系统与设备的自动化、智能化，以及综合业务能力，短波通信正经历由第二代通信设备向第三代通信设备的过渡。第三代短波通信的主要技术特征是数字化、网络化，其主体或关键技术包括：第三代自动链路建立技术(3G-ALE)、新型高速短波跳频技术，以及短波组网通信技术等。随着对短波通信网的网络容量、传输速度、抗干扰能力要求的不断提高，世界各国进入了第三代数字化短波通信系统网的研究阶段。这种短波通信网是一种远程综合业务数据网，它能作为各级指挥系统的重要手段，可将TCP/IP网络和程控电话网拓展到边远地区的纵深，使各移动平台上的综合业务通过短波信道安全无缝的接入各种业务数据网、电话网和TCP/IP网络。 （六）新型短波天线向自适应、智能化方向发展。无线电系统都需要天线，它是实现电路电磁能量正反变换的器件。在变换过程中，有三个功能和性能：获得或送出更多的功率－阻抗匹配；高效率变换－效率及衰减；聚集的发射或选择接收－方向性。在这些性能中，方向性更受人重视。传统的方法多系给定权集，选定阵列形状和尺寸，基于此，人们发明成百上千种天线，很难选择。自适应天线技术是高频自适应技术中的一种，它是在天线技术、信号处理技术、自动控制理论等多学科基础上综合发展而成的一门技术。自适应天线阵能够自动适应环境变化，增强系统对有用信号的检测能力，优化天线的方向图，并能有效跟踪有用信号，抑制和消除干扰及噪声而保持系统对某种准则而言是最佳的。它通常由天线阵列组成，故又称为自适应阵列天线。由于自适应天线能自适应地调整阵列单元的幅度和相位，使该阵列特性（如方向图、极化特性和阻抗特性等）处于某种最佳状态，因而它是一种目前十分引人注目的天线型式。特别是它能自适应地调整波瓣图的零点位置使之对准干扰源方向，改变方向特性，而且能提高信号增益，降低电波相互交叉引起的干扰，从而大大提高抗干扰能力。 三、我国短波通信设备存在的主要问题及发展战略 在未来，短波无线电通信仍将是一种无线电通信手段。当前，就我国短波通信设备而言，还存在许多问题：短波新老设备并存，种类比较多，型号比较繁杂，各通信公司自成体系，电台的程式和体制不够统一，协同通信成为难以解决的问题；传统的短波单边带电台大多为人工调谐，调谐速度慢，手续复杂，且要求有熟练的操作人员，远远不能适应未来信息时代对通信的要求；从通信防御上考虑，我国目前已有的电台制式单一，还不能满足信息条件下对短波通信提出的抗干扰的要求；天线种类多，自适应能力差；从信息一体化考虑，短波电台组网能力、自适应能力、网络管理和控制功能相当弱。基于未来信息时代对通信业务的需求，在短波通信的发展上应采取以下策略： （一）进一步发展和完善频率管理系统。在短波通信中，提高通信质量和可靠性的最有效图径是根据通信条件的变化，及时地进行选频和换频，使通信线路始终工作在传输条件良好的无噪声信道上。我们所说的频率自适应，就是指通过实时地对信道进行探测和估值（即RTCE技术）来确定最佳工作频率的。目前，我国在某一区域内频率管理系统已经形成网络，能够为网内各条通信线路提供实时频率资源信息，所以，可以设想，能否在区域内的短波通信也以网络的形式进行组织，在这样的区域内，既有由若干条探测电路组成的频率网络，又有以基地站为中心所构成的通信网络，并使频率控制中心和短波通信的基地站合并成一个区域中心，这样的结构，可以解决目前频率管理系统和通信线路互相独立的弱点。 （二）电台的程式和体制必须做到规范化、标准化、系列化。短波电台应超越系统的界限，成为通用的通信设备。美国于上世纪80年代经过多次实验，利用自适应调制解调技术，对30多种系列短波电台进行改造，不仅统一了地面、机载、舰载无线电通信系统的技术体制，而且实现了美国同北约盟国不同程式电台的互通。我国短波通信设备也应向这个方向发展，实现规范化、标准化、系列化，以减少系统、网络间接口障碍，提高兼容性，实现通信资源共享。同时，要加大对新设备的投入，逐步淘汰部分老旧设备，