学术：干货综述：短波电磁环境问题研究——对认知无线电等通信技术再认识

Original 2016-11-28 ☞ 信息与电子前沿

今日荐文

今日荐文的作者为南京电讯技术研究所专家姚富强，刘忠英，赵杭生。本篇节选自论文《短波电磁环境问题研究——对认知无线电等通信技术再认识》，发表于《中国电子科学研究院学报》第10卷第2期。下面和小编一起开始学习吧~

1、问题的提出

众所周知，短波既可以利用地波实现近距离通信，更能在无需有源中继的条件下，利用电离层实现天波中、远程通信，是人类发明和使用最早的无线电通信手段，设备廉价，使用方便，抗毁性好，至今仍然不可或缺，在全球军民各领域应用广泛。但从通信效果来看，近在几十年前，一部几瓦、十几瓦发射功率的简单电子管短波电台就可以实现几百公里甚至几千公里的通信，而在短波频率预测预报技术、器件技术和通信技术迅速发展的今天，几百瓦甚至上千瓦的短波电台却反而处于“离不了，通不好”的尴尬境地，这是非常令人困惑的事实。

实际上，短波天波通信效果通常取决于两个外部因素：一是时变的电离层能否反射当前工作频率，有无大的衰落；二是该工作频率在接收方是否存在本地干扰（包括电台干扰、工业干扰和天电干扰等），或该工作频率上的信干噪比是否足够。本文将完全由第一种因素决定的短波单个频率可通率定义为“自然”可通率P₁，一般只有40％～80％；将由第一和第二种因素共同决定的短波可通率定义为“实际”可通率P₂，即短波电台实际可以获得的可通率。如果接收方存在本地干扰，则P₂＜P₁，可通率进一步下降。

人们常说短波通信“靠天吃饭”，然而，电离层还是原来的电离层，其受太阳黑子影响的规律和信道参数随时间变化的规律仍然没有改变，但短波电磁环境却日趋恶化，严重影响了短波可通率。因此，人们不禁要问，除了人为有意干扰以外，短波电磁环境恶化的原因是什么？与社会的经济和工业发展有关吗？现有短波通信技术和新出现的认知无线电技术能解决短波电磁环境恶化问题吗？有无办法建立背景干扰小、用频有序、频谱利用率高的短波生态电磁环境？如果不能针对性地采取有效措施，短波这一经典的通信手段将难以继续生存。本文从ITU《无线电规则》关于短波业务的规则条款和国内外相关标准及其可能存在的问题出发，通过实测短波频段电磁环境，试图探讨、分析和回答以上问题，希望能从新的视角，对改善短波电磁环境、提高短波可通率有所裨益。

2、ITU《无线电规则》中短波主要规则条款

基于短波通信覆盖全球的特点，ITU作为一个权威的国际组织，多年来潜心研究，在《无线电规则》中先后颁布了一系列关于全球短波业务使用的规则条款与建议。

短波业务的主要参数是频率和功率。为便于划分频率，ITU将世界分为一区、二区和三区3个区域（每个区域包含多个不同的国家和地区），并对不同区域、不同短波业务的频率和功率等作了相应规定。为了便于后续的分析，将其主要规则条款及内容列表如表1所示。

表1 ITU《无线电规则》中主要短波业务规则条款及其内容一览表

3、短波电磁环境现状实测结果

根据ITU-R P.372-10建议书，短波背景干扰的来源主要有天电干扰和工业干扰两种类型，天电干扰源主要有：雷电辐射、大气和水象辐射和天体无线电辐射等；工业干扰源主要有：电气机械、电气和电子设备、电力传输线路或外燃引擎点火等无意辐射。

考虑到天电干扰多数来源于人类不可控因素，且已有专门研究和预测、防范措施，本文重点关注“过去没有、现在有，过去少、现在多”的高铁、高压输电线、大型电子屏幕、电焊机等工业干扰源以及短波大功率台（站）对短波电磁环境的影响。

2014年7月，我们使用RSA5106A频谱监测仪和短波2.4米鞭状天线，分别测试了以上各种工业干扰源单独对短波电磁环境的影响以及城市与郊区各辐射源的综合影响，得出了如下结论。

高铁对短波电磁环境的影响：在距离高铁铁路线10米的平坦开阔地上，先后测试了有、无高铁经过时10kHz～50MHz频段的背景干扰电平，记录VRMS（Volts Root Mean Square）值及其曲线。测试表明，当有、无高铁经过时，短波频段（1.5MHz～30MHz）的VRMS值均保持在-95dBm左右，未见明显变化。在27MHz～33MHz附近VRMS值约有3dBm突起，在一天的测试中，其出现概率约为30％。可见，单个高铁经过时对短波电磁环境基本无影响。

高压输电线对短波电磁环境的影响：分别在距离高压输电线20m和4km的平坦开阔地上，先后测试了短波频段的背景干扰电平。测试表明，两处的短波频段VRMS值均保持在-100dBm左右，未见明显变化。可见，单独高压输电线设施对短波电磁环境基本无影响。

大型电子屏幕对短波电磁环境的影响：在距离大型电子屏幕10米处，先后测试了电子屏幕关闭和开启两种情况下10kHz～37MHz和10kHz～300MHz频段的背景干扰电平。测试表明，两种情况下10kHz～37MHz频段的VRMS值均保持在-88dBm左右，未见明显变化。大型电子屏幕开启后在160MHz～210MHz附近固定出现约2dBm的突起，但符合中国相应国家标准中对大型电子屏幕的要求。可见，单独大型电子屏幕开启时，对短波电磁环境基本无影响。

电焊机对短波电磁环境的影响：在距离电焊机3米处，先后测试了电焊机关电和作业两种情况下短波频段的背景干扰电平。测试表明，两种情况下，短波频段VRMS值均保持在-88dBm左右，未见明显变化。可见，单独电焊机作业时对短波电磁环境基本无影响。

短波中、大功率通信台（站）对短波电磁环境的影响：在直线距离一个有多台短波发射机（1000W和400W）台（站）约13公里的平坦开阔地上，测试了短波频段背景干扰电平。测试表明，在某一频段内密集分布了多个发射频率信号，工作频率、带外域和杂散域无用发射同时存在；在无发射信号的频段内，存在周期性的约5dBm左右的谐波。可见，短波通信工作频率附近的无用发射分量可通过地波和直射波传输到发射场附近区域，无疑也可通过天波传输到较远区域，从而对短波电磁环境产生明显影响。

城市和郊区短波电磁环境综合测试：先后在南京市区和郊区测试了短波频段的综合背景干扰电平。测试表明，市区的短波频段VRMS值约在-90dBm左右，郊区的相应VRMS值约在-95dBm左右，与ITU-R P.372-10建议书中给出的相应数值和图表符合。可见，市区电气机械、电气和电子设备、外燃引擎点火等频繁、密集的人类活动引起的集合无意辐射对短波电磁环境有一定的影响。

4、影响短波频段电磁环境原因分析

影响短波频段电磁环境的因素是多方面的，需要结合ITU关于短波业务的用频规则条款和国内外的相关标准，在短波电磁环境测试的基础上，分析短波电磁环境恶化的原因，找出主要原因。

4.1短波频段工业干扰分析

本文所述调查测试的结果表明，高铁、高压输电线、大型电子屏幕和电焊机等典型工业因素各自单独对短波频段背景干扰的影响不大，或不明显。其原因可能是这些设施都遵守各自相关的电磁兼容规范或对应的国际标准。但是，市区的短波综合背景干扰电平比郊区约高5dB左右，说明了当多种人类活动因素集中到一起时，综合作用的结果使得短波频段背景干扰电平升高，其它频段可能也是如此，即：人类有目的的密集、频繁活动引起的集合无意辐射是短波背景干扰电平升高的原因之一。

4.2 短波通信互扰来源分析

短波通信互扰的来源可能与国内外关于短波业务的用频规则和无用发射标准不尽完善有关，主要原因和产生的问题主要有以下两个方面：

一是缺乏短波天波频率共用与协调机制，势必引起中、大功率台（站）工作频率（或称中心频率）之间的互扰。ITU已有短波业务用频规则条款，考虑了很多因素，对全球短波业务发展和使用发挥了重要作用。但这些业务规则条款主要是对不同类型短波业务和台（站），进行了固定频率划分，有的是单频点，有的是频段范围，有些相同频段和频率同时分配给多种不同业务，如表1所示，使得合法移动用户或固定用户在某些区域使用相同工作频率时难免会出现直接冲突，这对于短波远程通信方式尤为突出。然而，ITU或其他国际组织至今对短波台（站）尤其中、大功率短波台（站）天波频率共用的协调机制还没有做出任何规定，在目前全球经济不断发展、短波用户不断增加的条件下，当某一频段范围内用户数远大于可用频率信道数时，合法用户之间的用频冲突更为严重，成为短波通信的主要干扰源。也正因为如此，当今的短波天波通信实际上已成为全球唯一的非合作竞争用频的通信方式。

二是国内外关于无线电设备带外域和杂散域无用发射限值的规定不尽完善，势必引起短波台（站）间的互扰。相关国际组织和我国制定的关于无线电设备带外域和杂散域无用发射的功率限值及测量方法等系列标准，对无线电设备的发展和使用发挥了重要作用。然而，这些标准可能存在一个共性问题，即：没有很好地体现设备发射功率越大对无用发射要求越高的原则，虽然有些条款规定了无用发射对于天线传输处平均功率或峰包功率的相对衰减值，但又可以不考虑总发射功率大小，仅取某一固定的衰减值或杂散功率限值，更没有对短波中、大功率台（站）的无用发射功率限值做出特别规定。实际中，尽管短波单个台（站）无用发射功率限值满足相应规定要求，但无用发射功率的绝对值随着台（站）发射功率的增加而增加，只要其落在短波频段，对其它短波接收机就是干扰和噪声，从而对短波电磁环境构成污染。所以，短波中、大功率台（站）带外域和杂散域无用发射也是短波人为背景干扰的重要来源之一。

以上两个方面的原因都会导致短波频段的人为无意干扰增加，并难以利用地域隔离或空域隔离方法来削减其相互干扰，直接影响到短波通信效果。可见，目前短波资源有限与需求无限的矛盾更为突出，国内外已有关于短波业务的用频规则条款和相关标准难以适应短波中、大功率台（站）业务和用户日益增长的需要。

5、现有短波通信技术及其问题分析

为了提高短波通信质量，传统的短波通信技术主要有两大类：一是采用短波自适应链路建立（Adaptive Link Establish，ALE）技术，以选择更好的频率信道；二是增加发射功率，以提高通信频率的信干噪比。当今，人们又希望采用认知无线电技术，进一步提高短波通信质量。

5.1短波ALE技术及其问题分析

在短波用户不太拥挤的情况下，经过几代发展的短波ALE技术对于提高短波通信可通率发挥了重要作用。然而，当前ALE技术是关于自身收发信机之间的自适应选频技术，只解决用户自身选频，而无法顾及相同地域内其他同频段用户的选频。当短波用户数小于相同频段内可用短波频率信道数时，在固定频率分配的框架下，短波用户采用ALE技术自适应搜索选频，多用户间的用频冲突和互扰不明显。但是，当短波用户数大于相同频段内可用短波频率信道数时，各短波用户即便采用现有ALE技术，多个用户同时搜索时，会产生用频冲突，使得多个用户不仅很难搜索到期望的可用频率，而且多用户间的同频互扰难以避免，同时也降低了频谱使用效率，这对于本来可用频率资源非常有限的短波通信十分不利。

5.2增大短波发射功率方法及其问题分析

在遇到信道条件不理想时（例如遇到干扰），短波用户为了提高自己的通信质量，通常采用增大发射功率的方法。然而，增大发射功率不仅对其它同频用户工作频率直接造成干扰，而且将增加其无用发射，对短波频段其它异频用户势必造成干扰。以此类推，其它用户也需增加发射功率，结果是：发射功率越来越大，背景干扰逐年增加，形成恶性循环。从整体效果看，增大发射功率的方法不仅不能改善短波通信质量，而且使更多用户通不好、甚至通不了。

5.3认知无线电技术及其问题分析

自从国际上提出认知无线电概念以来，国内外已取得了不少研究成果。认知无线电的基本出发点是通过对周围电磁环境的感知、理解和学习，实时调整系统配置(如：工作频率、发射功率、调制方式、访问协议和路由等)，以适应外部电磁环境的变化，尤其通过搜索空闲频率和机会频谱接入，以期提高频谱利用率，成为无线通信发展的重要方向。然而，从目前的研究成果看，在不要求无线电静默和频繁开机的短距离点对点通信场合，认知无线电技术对于提高系统自身的通信效果不失为一种很好的技术途径，但在短波中、大功率天波通信场合，与ALE技术面临的问题类似，也是由于缺乏不同系统间的频率共用协同机制，且因短波天波传输覆盖地域广，认知无线电技术仍然会引起不同系统间的同频冲突。

5.4现有短波通信技术的共性问题

在顶层的规则、标准等频谱政策不尽完善的条件下，现有短波通信技术都遵循了一个“只顾自己，不顾他人”的“外部不经济”原则，在适应电磁环境，提高自身通信效果的同时，又污染了短波电磁环境，即：要么在没有天波频率共享机制下，各自独立搜索空闲频率，形成频率竞争；要么在没有无用发射特别约束条件下，各自增加发射功率，形成功率竞争，其结果是频率竞争伴随功率竞争，使得本来空闲的频率反而变为不空闲，无益于解决短波电磁环境恶化问题。

6.解决问题的应对策略与技术途径

综上所述，短波事实上已成为全球唯一的非合作竞争用频方式，现有的规则标准和短波通信技术都难以解决短波电磁环境日益恶化的问题，需要寻求解决问题的应对策略和技术途径。

6.1应对策略

由于建立短波生态电磁环境是一个国际性问题，仅凭一个国家、一个部门都难以协调解决，寄希望于依靠ITU这个权威的国际组织和平台，对短波天波用频和无用发射作出更新、更全面的规定。鉴于此，2014年10月本文作者代表中国首次向ITU提交了一项关于改善全球短波电磁环境的自主课题提案，在2014年11月日内瓦ITU-R 5C会议上，得到美、俄等与会国家代表的认可并被ITU接受和公布，引起了国际上的高度重视。然而，后续研究任务重、难度大、涉及面广，需要联合多国和我国相关部门共同研究与讨论，通过从国际到国内的途径，促进短波天波通信频率共用与协调机制和短波生态电磁环境的形成。

6.2技术途径

根据以上调查和分析，影响短波电磁环境的因素很多，应着力抓住和解决主要矛盾，即：降低短波同频干扰和无用发射两个基本点，其主要技术途径建议如下：

（1）短波天波传输多边或区域协调机制可行性论证；

（2）短波天波频率共用与协作竞争用频技术手段和交互协议研究；

（3）进一步分析短波中、大功率台（站）无用发射对短波电磁环境的影响；

（4）进一步完善短波中、大功率台（站）无用发射功率限值标准。

对于降低工业干扰以及短波以下频段的谐波对短波通信影响等问题，涉及更广的范围，本文难以涉及。

结论

规则上，目前短波业务只有固定频率划分，缺乏短波天波系统间频率共享与协调机制、规则和方法，同时短波无用发射功率限值的标准不完善。

技术上，越来越多的短波台（站）各自采用以自身感受为主的非合作方式进行频率竞争和功率竞争，使得系统间同频干扰和无用发射干扰严重。

客观上，短波频段较低，且天波覆盖范围广，传输距离远，天线方向性弱，难以用地域隔离和空间隔离方法来削减系统间的相互干扰及其影响。

希望借助ITU平台，通过国际、国内的共同努力，从建立共同遵守的协调机制和突破所需关键技术两个方面，实现全球合作共赢，共建和共享短波生态电磁环境，在发展短波通信技术的基础上，进一步提高短波通信质量。