Increasing robustness of HF communications at high latitudes - utilizing ionospheric data and space diversity

Abstract

HF-radio provides long range, infrastructure-independent communications to the Norwegian Armed Forces in the Arctic. This is important in an area with increasing activity and where satellite communications is less available. The high latitude HF-channel experiences large variations in time and space depending on the space weather, and HF communications must therefore make use of robust waveform- and network designs, adaptivity and real-time channel assessments in order to achieve optimum communications. In 2017–2018, measurements of HF communications were conducted in a network of stations at high latitudes. The primary aim of the study was to investigate how much the availability of HF communications at high latitudes can be improved by exploiting space diversity. If various geographical paths exhibit very different channel characteristics, modern HF-networking radios are able to exploit this, and robustness of the HF communications can be gained. The idea was first explored in previous work conducted at FFI [4]. A secondary aim of this study was to investigate the correlation between the performance of modern HF communications and certain ionospheric parameters measured by ionospheric instruments. Real-time space situational awareness will enable the HF-operators to make optimum choices for their communications. A final aim of this report was to summarize the factors of importance to HF communications at high latitudes for educational purposes. The study has confirmed that HF-networks that utilize space diversity, increase robustness and improve availability of HF communications. In a network of 20 W radios, space diversity gains of 10–30 % were achieved by including a node positioned further south at a distance of ~400 km from the transmitter. In a network of 400 W radios, space diversity gains of 10–50 % were achieved by a southern node at a distance of ~1300 km. The gains were largest during ionospherically disturbed periods. Our comparison of the HF-measurements with ionospheric data has shown that using the latter may give useful insight in the prevailing propagation conditions, and give guidance for making favourable choices for the communication networks. Real-time ionograms in combination with riometer measurements were found particularly useful. In particular, for the short measurement paths in northern Norway with close proximity to riometer measurements in Abisko in Sweden, absorption levels above 0.2 dB (measured at 30 MHz) gave generally decreasing linking probability with hardly no linking at an absorption level of 1 dB. The long paths towards the south were also affected by the absorption measured in Abisko, but to a lesser extent. The absorption can be counteracted by the HF-operator by avoiding the area of increased absorption (utilizing space diversity) or increasing the transmit power, if that is an option. Further work should include examination of space weather data sources available on the Internet, including radio amateur tools, for relevance to high latitudes and HF communications. Real-time data from relevant sources could be included in a software application tool, tailormade for the HF-operator. The application, together with modern networking radios and smart ways of exploiting the high latitude ionosphere, would improve HF communications and thereby information exchange for the Norwegian Armed Forces. The results of this report can provide a basis for such further work.

HF-radio gir kommunikasjon over lange avstander uten bruk av fast infrastruktur for norske militære styrker i nordområdene. Dette er viktig i et område med økt aktivitet, og hvor satellittkommunikasjon er mindre tilgjengelig. Ionosfærekanalen for HF på høye breddegrader opplever store variasjoner i tid og rom avhengig av romværet, og HF-kommunikasjon bør derfor benytte robuste bølgeformer, adaptivitet og sanntidsinformasjon om ionosfærekanalen for å gi optimal kommunikasjon. I 2017-2018 ble det gjort målinger av HF-kommunikasjon i et nettverk av stasjoner på høye breddegrader. Hovedmålet med studien var å finne ut hvor mye tilgjengeligheten av HF-kommunikasjon kan økes ved å utnytte romlig diversitet. Dersom forskjellige geografiske radiostrekk har svært forskjellig kanalkarakteristikk, kan moderne HF-radioer med nettverksfunksjonalitet utnytte dette til å øke robustheten av kommunikasjonen. Konseptet ble først lansert i et tidligere arbeid ved FFI [4]. Et annet mål med studien var å undersøke graden av korrelasjon mellom ytelsen av moderne HF-radioer og visse ionosfæreparametere som måles av ionosfæriske måleinstrumenter. Situasjonsbevissthet om kanalforholdene vil være nyttig for HF-operatørene og gir dem mulighet til å gjøre optimale valg for kommunikasjonen. Et siste mål med denne rapporten var å oppsummere kjent kunnskap om faktorer som påvirker HF-kommunikasjon på høye breddegrader. Denne studien har bekreftet at HF-nettverk som utnytter romlig diversitet, kan gi økt robusthet og bedre tilgjengelighet av HF-kommunikasjon. I et nettverk av 20 W radioer ble det oppnådd 10–30 % økt sannsynlighet for å oppnå linking ved å inkludere et punkt i en avstand ~400 km lengre sør. I et nettverk av 400 W radioer ble det oppnådd 10–50 % økt linkesannsynlighet ved å inkludere et punkt ~1300 km lengere sør. Den største gevinsten ble oppnådd under ionosfærisk forstyrrede perioder. Våre sammenligninger av HF-målingene med andre ionosfæremålinger har vist at de siste gir god innsikt i de rådende kanalforholdene, og kan gi grunnlag for gode valg for kommunikasjonsnettverket. Sanntids ionogrammer kombinert med riometer-målinger ble funnet spesielt nyttig. Mer konkret, for korte radiostrekk i Nord-Norge med nærhet til absorpsjonsmålingene i Abisko, ga målte absorpsjonsnivåer over 0,2 dB (målt på 30 MHz) minkende linkesannsynlighet, med svært liten linkesannsynlighet når absorpsjonen ble målt til 1 dB. De lange radiostrekkene mot sør ble også berørt av økt absorpsjon målt i Abisko, men i mindre grad. Absorpsjon av radiosignalet kan omgås ved å unngå den delen av ionosfæren som har høy absorpsjon (utnytte romlig diversitet), eller øke sende-effekten, hvis det er en mulighet. I videre arbeid bør romværsinformasjon på Internett, inkludert radioamatørkilder, vurderes for relevans for HF-kommunikasjon. Sanntidsdata fra relevante datakilder som ionogrammer og riometer absorpsjon bør inkluderes i en programvareapplikasjon som skreddersys for HFoperatøren. En slik applikasjon, sammen med moderne HF-radioer og smarte måter å utnytte ionosfæren på høy breddegrad, vil gi Forsvaret bedre HF-kommunikasjon og vil derfor kunne understøtte informasjonsutveksling bedre. Resultatene i denne rapporten kan utgjøre et grunnlag for et slikt videre arbeid.