HF-kommunikasjon i Arktis - analyse basert på målinger

Abstract

For Norges store havområder i nord, der ingen teknisk infrastruktur for kommunikasjon er tilgjengelig og geostasjonær satellittkommunikasjon gir dårlig dekning, forventes langtrekkende HF-radiokommunikasjon å bli en viktig sambandsbærer også i framtiden. På bakgrunn av dette ble CD&E-aktivitet EP 1546 “HF i Arktis” gjennomført i 2015. Prosjekt 1376 “Kommunikasjon i nord” ved FFI har også bidratt til gjennomføringen. Denne aktiviteten gikk ut på å teste ny HFteknologi (bredbånds-HF= 4G) som kan bruke større båndbredde enn 3 kHz og dermed gi større datahastigheter enn tradisjonelt utstyr. Testene skulle måle tilgjengeligheten av HFkanalen og kartlegge hvilke datahastigheter som kan oppnås med den nye teknologien. Målingene ble utført mellom kystvaktskipet Svalbard og landstasjonen Stangnes i løpet av et år. Resultatene viser oss trender for HF-kommunikasjonen i nord. Det statistiske grunnlaget for å trekke konklusjoner er noe svakt, gitt HF-kanalens variasjonssyklus basert på tid på døgnet, sesong og solflekktall. Ut i fra målingene som er gjort, kan vi konkludere følgende: Adaptiv HF der radioutstyret selv tilpasser seg de varierende kanalforholdene, opprettholder sambandet til enhver tid selv om datahastigheten vil variere. Målingene verifiserte at økt tilgjengelig båndbredde med 4G blir tatt ut som gevinst enten i form av økt datahastighet eller som mer robust kommunikasjon med lavere datahastighet. De nye bølgeformene i Mil-Std 188-110C Appendiks D som bruker varierende båndbredde opp til 24 kHz, gir en gjennomsnittlig økt datahastighet i arktiske strøk sammenliknet med tradisjonell 2G/3G HF-teknologi i 3 kHz båndbredde. På en avstand på 1000 km var den målte datahastigheten på fysisk lag cirka 20 kb/s (middelverdi over hele døgnet) på sommerstid og cirka 10 kb/s på vinterstid når ionosfæren var uforstyrret. Litt høyere hastighet oppnås på nattestid enn på dagtid. Variasjoner i målingene forekommer, avhengig av geomagnetiske forhold, absorpsjonsforhold i ionosfæren, støy og interferens. På sommerstid ble jordbølgeutbredelse observert ut til 800 km fra kysten av Norge mot nord. I dette området ble midlere datahastighet målt til cirka 30 kb/s, med maksimum 50 kb/s observert på dagtid. Tilsvarende stort dekningsområde for jordbølgen ble ikke målt på vinterstid. Den største gevinsten med 4G-teknologi kan hentes ut i områder med jordbølgeutbredelse. De høyeste datahastighetene som er teoretisk mulig å oppnå, nås aldri i målingene våre. Det skyldes i stor grad at båndbredden som utstyret velger, er mindre enn 24 kHz, men også at signal-støy-forholdene er dårlige. Målingene har vist at kontinuerlig båndbredde større enn 3 kHz generelt er tilgjengelig. Det anbefales at adaptiv HF implementeres for all punkt-til-punkt-kommunikasjon i Forsvaret, og at 4G vurderes implementert på Forsvarets store sjøplattformer og noder som disse plattformene primært trenger å kommunisere med. De varierende kanalforholdene på HF i nord, avhengig av tid og sted, bør også utnyttes bedre i et nettverk av noder som kan rute trafikken for hverandre.

In the Norwegian Arctic, where no technical infrastructure for communications is available and geostationary satellite communication does not give good coverage, HF radio is expected to be an important communications bearer also in the future. On this background the CD&E activity EP1546 “HF i Arktis” was carried out in 2015. The project 1376 “Communications in the north” at FFI has also contributed to the study. The purpose of the activity was to test new HF radio technology (wideband HF = 4G) that uses larger bandwidths than 3 kHz and thereby offers larger data rates than traditional HF radios. The tests were going to measure the availability of the HF channel and the data rates that can be achieved with the new technology. The measurements were carried out between the coastal guard ship Svalbard and the land station Stangnes over a year. The results give us trends for HF communications at high latitudes. The statistical basis for drawing firm conclusions is somewhat weak, given the HF channel variability depending on time-of-day, season and sunspot number. From the measurements we can conclude as follows: HF technology that adapts to changing channel conditions, maintain the HF connection at all times even though the offered transmission capacity varies. The measurements verified that the increased bandwidth achieved by using 4G is either used to offer larger data rates or to offer increased robustness of the communications. The new waveforms in Mil-Std 188-110C Appendix D that use variable bandwidth up to 24 kHz, give an increased average transmission capacity in the Arctic areas compared to traditional 2G/3G HF in 3 kHz. At a distance of 1000 km the measured transmission capacity at the physical layer was approximately 20 kb/s (median value over 24 hours) in summer time and approximately 10 kb/s in winter time when the ionosphere was not disturbed. Higher values were obtained at night than during day. There are variations of these numbers due to geomagnetic conditions, absorption in the ionosphere, noise and interference. In summer time the ground wave was observed at a distance of 800 km from the Norwegian coast. In this area the median transmission capacity was measured to approximately 30 kb/s, with a maximum of 50 kb/s observed during day time. A corresponding large coverage area was not observed during winter. The largest benefit of 4G technology can be achieved in the areas where ground wave propagation is possible. The highest theoretical data rates are never achieved in our measurements. The reason is to a large extent that the bandwidths selected are less than 24 kHz, but also that the signal-to-noise ratios are too small. The measurements have shown that continuous bandwidth larger than 3 kHz is available. It is recommended that adaptive HF is implemented for all point-to-point communications in the Norwegian Armed Forces, and that 4G HF is considered implemented for the large naval platforms and the nodes they must communicate with.