CN114301557A - 基于预测数据和历史数据结合的短波选频方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于预测数据和历史数据结合的短波选频方法及系统。该方法包括：将选频转化为分值高低的选取，给出了历史数据的两级筛选机制和折算方式；采用三种不同的选频策略相结合的方式；对于历史数据不足的频点，给出了一种有效利用其历史数据的方式，将历史数据分值与预测分值进行融合作为选频的依据。本发明提升了历史数据的利用率，提高了短波选频的合理性。

Description

基于预测数据和历史数据结合的短波选频方法及系统

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种基于预测数据和历史数据结合的短波选频方法及系统。

背景技术

短波通信是一种利用频率为2-30MHz的电磁波为信息载体的通信手段。短波通信主要通过利用电离层反射的天波进行信息传输，因此具有传播距离远，抗摧毁性强等优点，被广泛应用于军事通信、应急救灾、海洋气象等领域。同时，由于电离层的电子密度与太阳活动，季节，时间等因素相关，短波信道的可通频率并不稳定。考虑到短波信道的带宽有限，时变等特点，短波通信的频率选择是否合理对通信质量和信道利用是非常关键的。

常用的选频方式有长期频率预报，基于历史数据的频率预报，链路质量探测选频等。仅使用链路质量探测具有一定的盲目性，且过多的探测会造成频谱资源的浪费，因此在实际应用中，常使用频率预报进行选频，然后对选择的频率进行链路探测以获得准确的信道质量。如何将基于长期频率预报数据的选频方法和基于历史数据的选频方法结合起来以克服两种方法自身的缺陷，现有技术中主要有两类。其中一类，是根据历史数据是否充足而单独使用两种方法中的某一种，在这类方法中，当历史数据不足以选出满足需求数量的频点时，所有频点的历史数据中包含的信息量都将被浪费。另一类是在历史数据不足以选出满足需求数量的频点时，将历史数据充足的频点和历史数据不足的频点分开来处理，历史数据充足的频点会依据历史数据进行选频，而历史数据不足的频点则直接采用长期预报进行选频，这样会导致历史数据不足的频点所提供的历史数据中包含的信息直接被浪费。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于预测数据和历史数据结合的短波选频方法及系统，提升了历史数据的利用率，提高了短波系统选频的合理性。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于预测数据和历史数据结合的短波选频方法，包括步骤：

S1，获取站点对接收到的链路质量探测信号的打分并存储为历史数据；

S2，基于站点和时间筛选历史数据，获得第一历史数据集合，对第一历史数据集合中的打分依据选频时间与探测时间的差值进行折算，依据折算后的分值从第一历史数据集合中筛选频点；

S3，若经过S2筛选获得的频点少于预设值，则基于探测站点与选频站点的空间距离以及时间筛选历史数据，获得第二历史数据集合，对第二历史数据集合中的打分依据选频时间与探测时间的差值、以及选频站点与探测站点空间的差值进行折算，依据折算后的分值从第二历史数据集合中筛选频点；

S4，若经过S2和S3筛选获得的频点少于预设值，则获取剩余未选中频点的预测分值，将剩余未选中频点的预测分值和其历史分值进行融合，根据融合后的分值筛选频点；

S5，将S2、S3、S4筛选获得的频点共同作为短波通信的频点。

进一步地，所存储的历史数据包括发送站点及其经纬度、接收站点及其经纬度、探测时间、探测频率、发送分值和接收分值。

进一步地，站点对接收到的链路质量探测信号打分包括步骤：

若站点处于空闲的接收状态并有效接收到了收方地址与自身地址不符的链路质量探测信号，根据该信号中确定接收分值，对于发送分值采用基于历史数据的填充方法或基于接收分值的填充方法确定；

基于历史数据的填充方法是：从近K天的历史数据中筛选该站点且探测时间在预设范围内的有效历史数据，将发送分值取平均后作为本次探测的发送分值；

若采用基于历史数据的填充方法时无法筛选出足够的有效历史数据，则采用基于接收分值的填充方法，基于接收分值的填充方法是基于接收分值计算本次探测的发送分值。

进一步地，在进行异频建链时，所述S2、S3、S4中筛选发射频点是基于发射分值的，所述S2、S3、S4中筛选接收频点是基于接收分值的；

在进行同频建链时，所述S2、S3、S4中筛选发射接收频点时，先将接收分值和发射分值换算成综合分值，基于综合分值筛选发射接收频点，换算方式为：

S_co＝υmax(S_t,S_r)+(1-υ)min(S_t,S_r)。

其中，S_co为综合分值，0.1<υ<0.3，S_t为发送分值，S_r为接收分值。

进一步地，依据选频时间与探测时间的差值进行折算的计算公式为：

其中，S′为时间折算后的分值，S为时间折算前的分值，α为大于0的实数，t为历史数据中记录的探测时间，t_e分别为选频时间，单位为分钟。

进一步地，依据选频站点与探测站点空间的差值进行折算的计算公式为：

其中，S″为空间差值折算后的分值，β₁和β₂为大于0的实数，λ_t和λ_r分别为历史数据中发射站和接收站的经度，θ_t和θ_r分别为历史数据中发射站和接收站的纬度，λ_te和λ_re分别为当前选频的发射站和接收站的经度，θ_te和θ_re分别为当前选频的发射站和接收站的纬度。

进一步地，获取剩余未选中频点的预测分值包括步骤：

预测剩余未选中频点的场强中值、信噪比和电路可靠度；

对第一历史数据集合中的历史数据进行线性拟合，确定频点的分值与频点的场强中值、信噪比和电路可靠度的线性关系；

根据预测的剩余未选中频点的场强中值、信噪比和电路可靠度，计算剩余未选中频点的预测分值。

进一步地，频点的分值与频点的场强中值、信噪比和电路可靠度的线性关系满足：

S″′＝aE+bG+cR+d

其中，S″′为频点的预测分值，系数a、b、c、d为求解的拟合系数，E为频点的场强中值，G为频点的信噪比，R为频点的电路可靠度。

进一步地，对于历史数据条数少于预设值M的频点，将未选中频点的预测分值和其历史分值进行融合的计算公式为：

其中，S″″表示融合后的分值，S^w表示第w条历史数据的分值，S″′为当前频点的预测分值，W为频点的历史数据条数。

按照本发明的第二方面，提供了一种基于预测数据和历史数据结合的短波选频系统，包括：

存储模块，用于获取站点对接收到的链路质量探测信号的打分并存储为历史数据；

第一选频模块，用于基于站点和时间筛选历史数据，获得第一历史数据集合，对第一历史数据集合中的打分依据选频时间与探测时间的差值进行折算，依据折算后的分值从第一历史数据集合中筛选频点；

第二选频模块，用于若经过第一选频模块筛选获得的频点少于预设值，则基于探测站点与选频站点的空间距离以及时间筛选历史数据，获得第二历史数据集合，对第二历史数据集合中的打分依据选频时间与探测时间的差值、以及选频站点与探测站点空间的差值进行折算，依据折算后的分值从第二历史数据集合中筛选频点；

第三选频模块，用于若经过第一选频模块和第二选频模块筛选获得的频点少于预设值，则获取剩余未选中频点的预测分值，将剩余未选中频点的预测分值和其历史分值进行融合，根据融合后的分值筛选频点；

输出模块，将第一选频模块、第二选频模块、第三选频模块筛选获得的频点共同作为短波通信的频点。

总体而言，本发明与现有技术相比，具有有益效果：

(1)本发明的创新之一给出了历史数据的两级筛选机制和折算方式，采用三种不同的选频策略相结合的方式；对于历史数据不足的频点，给出了一种有效利用其历史数据的方式，将历史数据分值与预测分值进行融合作为选频的依据，提升了历史数据的利用率，提高了短波选频的合理性。

(2)本发明的创新之二在于提出利用最小方差拟合长期预测所得到的参数，效果是实现了长期预测参数向分值的合理转换。

(3)本发明的创新之三在于有效利用长期预测参数向分值的转换，并在融合分值时考虑历史数据的数据量，效果是实现了长期预测分值与历史数据分值的有效融合。

附图说明

图1是本发明实施例的基于预测数据和历史数据结合的短波选频方法的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例的一种基于预测数据和历史数据结合的短波选频方法，包括步骤S1至S5。

S1，获取站点对接收到的链路质量探测信号的打分并存储为历史数据。

通信双方站点通过对接收到的链路质量探测信号进行打分，来进行通信链路质量的探测。

进一步地，所存储的历史数据包括发送站点及其经纬度、接收站点及其经纬度、探测时间、探测频率、发送分值和接收分值。

进一步地，站点对接收到的链路质量探测信号打分包括步骤：若站点处于空闲的接收状态并有效接收到了收方地址与自身地址不符的链路质量探测信号，根据该信号中确定接收分值，对于发送分值采用基于历史数据的填充方法或基于接收分值的填充方法确定。

单向探测、双向探测的从站以及接收到与自身站点地址不符的探测信号的站点，从探测信号中只能评估接收分值。

为了确定发送分值，采用基于历史数据的填充方法或基于接收分值的填充方法。

基于历史数据的填充方法是：从近K天的历史数据中筛选该站点且探测时间在预设范围内的有效历史数据，将发送分值取平均后作为本次探测的发送分值；

若采用基于历史数据的填充方法时无法筛选出足够的有效历史数据，则采用基于接收分值的填充方法，基于接收分值的填充方法是基于接收分值计算本次探测的发送分值。

基于接收分值计算本次探测的发送分值的计算公式为：

S_t＝τS_r。

其中，S_t为发送分值，S_r为接收分值，0<τ<1。

进一步地，由于历史数据区分为发送分值和接收分值，在进行异频建链时，站点选频时会依据收发分值分别选取收发频率，即后续S2、S3、S4中筛选发射频点是基于发射分值的，折算及排序筛选等都是基于发射分值的，后续S2、S3、S4中筛选接收频点是基于接收分值的，折算及排序筛选等都是基于接收分值的。在进行同频建链时，后续S2、S3、S4中筛选发射接收频点时，先将接收分值和发射分值换算成综合分值，折算及排序筛选等都是基于综合分值进行的。

将接收分值和发射分值换算成综合分值的计算公式为：

S_co＝υmax(S_t,S_r)+(1-υ)min(S_t,S_r)。

其中，S_co为综合分值，0.1<υ<0.3，S_t为发送分值，S_r为接收分值。

υ的取值范围是为了让收发分值中较低的一项占有更大比重，就能使得选取的频率在收发中较差的一方也有足够的信道质量。

S2，基于站点和时间筛选历史数据，获得第一历史数据集合，对第一历史数据集合中的打分依据选频时间与探测时间的差值进行折算，依据折算后的分值从第一历史数据集合中筛选频点。

下面具体说明S2的优选实现方式，S2包括子步骤：

S21，进行选频时，进行站点过滤，即选取数据中记录的收发站点与当前选频收发站点完全一致的历史数据，筛选出存储的数据后，进行时间过滤，提取前K天内所有与当前选频时刻时间差不超过T分钟的历史数据。

S22，将步骤S21中得到的历史数据分值依据选频时间与探测时间的差值进行折算。具体如下：

其中，S′为时间折算后的分值，α为大于0的实数，t_e分别为选频时间，单位为分钟，单位为分钟。

计算时间差值时，天数的差距不计入时间差，例如，历史数据的记录时间为1月1日12点，选频时间为1月2日12点05分，则时间差为5分钟。

S23，筛选历史数据个数超过M的频点，并将每个频点折算后的历史分值求平均。设所需要选取的频率个数为N，若平均分值超过S_Th分的频点数有N个以上，则本步骤中筛选出的频点按照平均分进行排序，将分值最高的N个频点作为选频结果进行输出。若平均分值超过S_Th的频点不足N个，则进入步骤S3。

S3，若经过S2筛选获得的频点少于预设值，则基于探测站点与选频站点的空间距离以及时间筛选历史数据，获得第二历史数据集合，对第二历史数据集合中的打分依据选频时间与探测时间的差值、以及选频站点与探测站点空间的差值进行折算，依据折算后的分值从第二历史数据集合中筛选频点。

下面具体说明S3的优选实现方式，S3包括子步骤：

S31，将S1中积累的历史数据进行空间过滤，提取通信双方台站位于选频双方台站经纬度正负X度范围内的数据，然后进行时间过滤，提取前K天内所有与当前选频时刻时间差不超过T分钟的历史数据。

筛选的历史数据会存在两种情况，一种是数据中的通信发射站经纬度位于当前选频发射站的正负X度范围内，通信接收站站经纬度位于当前选频接收站的正负X度范围内；另一种是数据中的通信发射站经纬度位于当前选频接收站的正负X度范围内，通信接收站经纬度位于当前选频发射站的正负X度范围内。若筛选的历史数据符合第二种情况，则在后续步骤的计算中，应将该历史数据中的发分值与收分值交换。

S32，将步骤S31中得到的历史数据先依据时间差值折算，再依据空间差值进行折算。具体如下：

其中，S″为空间差值折算后的分值，β₁和β₂为大于0的实数，λ_t和λ_r分别为历史数据中发射站和接收站的经度，θ_t和θ_r分别为历史数据中发射站和接收站的纬度，λ_te和λ_re分别为当前选频的发射站和接收站的经度，θ_te和θ_re分别为当前选频的发射站和接收站的纬度。由于电离层的离子密度与纬度的相关性更高，因而，经度的偏差对数据的可参考性影响较小，参数β₂应小于β₁。

S33，具体实现和步骤S23类似，筛选历史数据个数超过M的频点，并将每个频点折算后的历史分值求平均。设所需要选取的频率个数为N，若平均分值超过S_Th分的频点数有N个以上，则本步骤中筛选出的频点按照平均分进行排序，将分值最高的N个频点作为选频结果进行输出。若平均分值超过S_Th的频点仍不足N个，则进入步骤S4。

S4，若经过S2和S3筛选获得的频点仍少于预设值，则获取剩余未选中频点的预测分值，将剩余未选中频点的预测分值和其历史分值进行融合，根据融合后的分值筛选频点。

下面具体说明S4的优选实现方式，S4包括子步骤：

S41，预测剩余未选中频点的场强中值、信噪比和电路可靠度。

进一步地，利用长期预测方法，计算当前选频的短波收发站所有可以使用的离散频点的场强中值E，信噪比G，电路可靠度R。长期预测方法可以采用ITU-R、CCIR等标准，或使用REC533、VOACAP软件。

S42，对第一历史数据集合中的历史数据进行线性拟合，确定频点的分值与频点的场强中值、信噪比和电路可靠度的线性关系。

采用最小方差准则，通过利用步骤S2中基于站点和时间筛选的历史数据，对E、G、R和分值S的关系进行拟合。具体如下：

采用线性拟合，设定S与E、G、R的关系满足：

S″′＝aE+bG+cR+d

其中，S″′为频点的预测分值，系数a、b、c、d为求解的拟合系数，E为频点的场强中值，G为频点的信噪比，R为频点的电路可靠度。

假定在步骤S2中基于站点和时间筛选的历史数据中，有历史数据的频点共P个，分别为f₁,f₂,…,f_p,…,f_P，P个频点分别有W₁,W₂,…,W_p,…,W_P条历史数据，则根据最小方差准则，系数a、b、c、d应满足：

其中，

为频点f_p的长期预测分值，即

分别为频点f_p的通过长期预测得到的场强中值，信噪比和电路可靠度；

为频点f_p的第w条历史数据中的分值。

依据最小方差准则，系数a、b、c、d可计算为：

C＝(G^TG)^-1GS

其中，C＝[a,b,c,d]^T

考虑到矩阵G的结构特点，可以简化G^TG的计算方式以减少乘法计算次数，简化计算方式如下：

S43，根据预测的剩余未选中频点的场强中值、信噪比和电路可靠度，计算剩余未选中频点的预测分值，即求解得到的拟合系数将步骤S41中的结果转化成分值。

S44，根据融合后的分值筛选频点。

优先选取步骤S2、S3中已满足历史数据量和分值的频点。其余频点根据历史数据量将历史数据的分值和长期预测方法得到的分值进行融合得到最终分值，融合方法如下：

对于某个历史数据有W条的频点，其融合分值为：

其中，S″″表示融合后的分值，S^w表示第w条历史数据的分值，S″′为当前频点的预测分值，W为频点的历史数据条数。

然后选取最终分值最高的频点补充步骤S2、S3中选频数量的不足。

S5，将S2、S3、S4筛选获得的频点共同作为短波通信的频点。

本发明实施例的一种基于预测数据和历史数据结合的短波选频系统，包括：

存储模块，用于获取站点对接收到的链路质量探测信号的打分并存储为历史数据；

第一选频模块，用于基于站点和时间筛选历史数据，获得第一历史数据集合，对第一历史数据集合中的打分依据选频时间与探测时间的差值进行折算，依据折算后的分值从第一历史数据集合中筛选频点；

第二选频模块，用于若经过第一选频模块筛选获得的频点少于预设值，则基于探测站点与选频站点的空间距离以及时间筛选历史数据，获得第二历史数据集合，对第二历史数据集合中的打分依据选频时间与探测时间的差值、以及选频站点与探测站点空间的差值进行折算，依据折算后的分值从第二历史数据集合中筛选频点；

第三选频模块，用于若经过第一选频模块和第二选频模块筛选获得的频点少于预设值，则获取剩余未选中频点的预测分值，将剩余未选中频点的预测分值和其历史分值进行融合，根据融合后的分值筛选频点；

输出模块，将第一选频模块、第二选频模块、第三选频模块筛选获得的频点共同作为短波通信的频点。

系统的实现原理、技术效果与上述方法类似，此处不再赘述。

必须说明的是，上述任一实施例中，方法并不必然按照序号顺序依次执行，只要从执行逻辑中不能推定必然按某一顺序执行，则意味着可以以其他任何可能的顺序执行。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于预测数据和历史数据结合的短波选频方法，其特征在于，包括步骤：

S1，获取站点对接收到的链路质量探测信号的打分并存储为历史数据；

S2，基于站点和时间筛选历史数据，获得第一历史数据集合，对第一历史数据集合中的打分依据选频时间与探测时间的差值进行折算，依据折算后的分值从第一历史数据集合中筛选频点；

S3，若经过S2筛选获得的频点少于预设值，则基于探测站点与选频站点的空间距离以及时间筛选历史数据，获得第二历史数据集合，对第二历史数据集合中的打分依据选频时间与探测时间的差值、以及选频站点与探测站点空间的差值进行折算，依据折算后的分值从第二历史数据集合中筛选频点；

S4，若经过S2和S3筛选获得的频点少于预设值，则获取剩余未选中频点的预测分值，将剩余未选中频点的预测分值和其历史分值进行融合，根据融合后的分值筛选频点；

S5，将S2、S3、S4筛选获得的频点共同作为短波通信的频点。

2.如权利要求1所述的一种基于预测数据和历史数据结合的短波选频方法，其特征在于，所存储的历史数据包括发送站点及其经纬度、接收站点及其经纬度、探测时间、探测频率、发送分值和接收分值。

3.如权利要求2所述的一种基于预测数据和历史数据结合的短波选频方法，其特征在于，站点对接收到的链路质量探测信号打分包括步骤：

若站点处于空闲的接收状态并有效接收到了收方地址与自身地址不符的链路质量探测信号，根据该信号中确定接收分值，对于发送分值采用基于历史数据的填充方法或基于接收分值的填充方法确定；

基于历史数据的填充方法是：从近K天的历史数据中筛选该站点且探测时间在预设范围内的有效历史数据，将发送分值取平均后作为本次探测的发送分值；

若采用基于历史数据的填充方法时无法筛选出足够的有效历史数据，则采用基于接收分值的填充方法，基于接收分值的填充方法是基于接收分值计算本次探测的发送分值。

4.如权利要求2所述的一种基于预测数据和历史数据结合的短波选频方法，其特征在于，在进行异频建链时，所述S2、S3、S4中筛选发射频点是基于发射分值的，所述S2、S3、S4中筛选接收频点是基于接收分值的；

在进行同频建链时，所述S2、S3、S4中筛选发射接收频点时，先将接收分值和发射分值换算成综合分值，基于综合分值筛选发射接收频点，换算方式为：

S_co＝υmax(S_t,S_r)+(1-υ)min(S_t,S_r)。

其中，S_co为综合分值，0.1<υ<0.3，S_t为发送分值，S_r为接收分值。

5.如权利要求2所述的一种基于预测数据和历史数据结合的短波选频方法，其特征在于，依据选频时间与探测时间的差值进行折算的计算公式为：

其中，S′为时间折算后的分值，S为时间折算前的分值，α为大于0的实数，t为历史数据中记录的探测时间，t_e分别为选频时间，单位为分钟。

6.如权利要求5所述的一种基于预测数据和历史数据结合的短波选频方法，其特征在于，依据选频站点与探测站点空间的差值进行折算的计算公式为：

其中，S″为空间差值折算后的分值，β₁和β₂为大于0的实数，λ_t和λ_r分别为历史数据中发射站和接收站的经度，θ_t和θ_r分别为历史数据中发射站和接收站的纬度，λ_te和λ_re分别为当前选频的发射站和接收站的经度，θ_te和θ_re分别为当前选频的发射站和接收站的纬度。

7.如权利要求1所述的一种基于预测数据和历史数据结合的短波选频方法，其特征在于，获取剩余未选中频点的预测分值包括步骤：

预测剩余未选中频点的场强中值、信噪比和电路可靠度；

对第一历史数据集合中的历史数据进行线性拟合，确定频点的分值与频点的场强中值、信噪比和电路可靠度的线性关系；

根据预测的剩余未选中频点的场强中值、信噪比和电路可靠度，计算剩余未选中频点的预测分值。

8.如权利要求7所述的一种基于预测数据和历史数据结合的短波选频方法，其特征在于，频点的分值与频点的场强中值、信噪比和电路可靠度的线性关系满足：

S″′＝aE+bG+cR+d

其中，S″′为频点的预测分值，系数a、b、c、d为求解的拟合系数，E为频点的场强中值，G为频点的信噪比，R为频点的电路可靠度。

9.如权利要求1所述的一种基于预测数据和历史数据结合的短波选频方法，其特征在于，对于历史数据条数少于预设值M的频点，将未选中频点的预测分值和其历史分值进行融合的计算公式为：

其中，S″″表示融合后的分值，S^w表示第w条历史数据的分值，S″′为当前频点的预测分值，W为频点的历史数据条数。

10.一种基于预测数据和历史数据结合的短波选频系统，其特征在于，包括：

存储模块，用于获取站点对接收到的链路质量探测信号的打分并存储为历史数据；

第一选频模块，用于基于站点和时间筛选历史数据，获得第一历史数据集合，对第一历史数据集合中的打分依据选频时间与探测时间的差值进行折算，依据折算后的分值从第一历史数据集合中筛选频点；

第二选频模块，用于若经过第一选频模块筛选获得的频点少于预设值，则基于探测站点与选频站点的空间距离以及时间筛选历史数据，获得第二历史数据集合，对第二历史数据集合中的打分依据选频时间与探测时间的差值、以及选频站点与探测站点空间的差值进行折算，依据折算后的分值从第二历史数据集合中筛选频点；

第三选频模块，用于若经过第一选频模块和第二选频模块筛选获得的频点少于预设值，则获取剩余未选中频点的预测分值，将剩余未选中频点的预测分值和其历史分值进行融合，根据融合后的分值筛选频点；

输出模块，将第一选频模块、第二选频模块、第三选频模块筛选获得的频点共同作为短波通信的频点。

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