基于動態頻譜接入的短波數據傳輸協議的設計與實現

摘 要：針對短波信道質量變化大的實際，提出了將動態頻率預選、自適應變幀長及基于動態信道接入的數傳技術應用于短波數據通信，實現在復雜的短波信道條件下數據高效、可靠傳輸的新思路。設計了可根據信道質量的變化自適應調整參數的數據傳輸協議，闡述了協議的具體實現方式，給出了動態頻率預選、自適應變幀長及基于動態信道接入的數據傳輸等技術的軟件實現流程和計算機仿真結論。

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關鍵詞：短波通信；動態頻譜接入；數據傳輸協議；自適應變幀長

Design and Realization of HF Data Transmission Protocol Based on Dynamic Spectrum Access

HAN Yan，HU Zhongyu，LIU Zhenhao

(Chongqing Communication Institute，Chongqing，400035，China)

Abstract：In view of the instability of HF channel，a reliable and efficient protocol used for HF data transmission is designed and realized in the paper.The protocol functions and its application to improve the efficiency and reliability of data transmission on complex HF channel are discussed.The method to realize dynamic frequency preelection is explained，changing frame length adaptively and transmitting data based on dynamic channel access，the program design processes and computer simulations are given in the end.

Keywords：HF communication;dynamic spectrum access;data transmission protocol adaptive;adaptive change frame length

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1 引 言

短波通信一直是遠程戰略通信和戰術通信的主要手段。盡管衛星通信出現以后某些短波通信業務被衛星通信所取代，但是，因為短波通信既適用于近距離移動通信，也可作為遠距離固定通信，而且其設備簡單、成本低廉、機動靈活、傳輸距離遠，加上戰爭期間，短波通信設備具有抗毀性，使短波通信將與衛星通信長期并存發展。特別是在中遠程軍事通信中，短波通信將占有極其重要的地位。

然而短波信道為時變衰落色散信道，在短波信道上傳輸數據信號，遇到的主要障礙是多徑效應引起的信道參數隨機快速變化。而多徑時延又與通信距離、工作頻率和通信時間密切相關，其中工作頻率對其的影響最大。當數據傳輸過程中信道條件突然惡化時，目前的短波通信系統一般是采用增大功率、降低波特率、使用糾錯能力強的編碼、增大冗余和交織深度、利用ARQ協議多次重傳等方式保持低速率通信；當數據傳輸過程中鏈路突然中斷時，只能是建鏈后從頭重新發送數據，極大地影響了數據傳輸的有效性和可靠性。鑒于此，我們一是借鑒認知無線電中動態頻譜接入的思想，采用動態頻率預選技術，動態、實時地為短波用戶提供有效的工作頻率集；二是借鑒TCP/IP協議思想，將數據分組傳輸、自適應變幀長及動態信道接入等技術應用于短波數據通信，實現了面向無連接的高效自適應數據傳輸。仿真和實驗結果表明，該方式能大大提高短波數據傳輸的可靠性及有效性，可較好地改善短波通信系統的效能。

2 動態頻譜接入

頻譜接入也稱頻率接入、無線電信道接入等，是無線電接入技術的基礎。

動態頻譜接入是相對于靜態頻譜接入而言的。靜態頻譜接入是指通信系統只能在頻率管理部門事先指配的頻率或頻段上工作，這樣做的優點是管理規范，能夠確保各系統有序可靠地運行，但同時也存在著頻譜資源利用率低的缺點。而動態頻譜接入廣義的概念是把整個無線電頻譜作為可利用的信道資源，實時地感知、識別，有效地加以利用。狹義的動態頻譜接入是指在較寬的頻率或頻段上，對頻譜進行實時感知、識別和利用。

與其他通信頻段相比，短波動態頻譜接入具有以下特點：

(1) 具有有效頻率實時感知的特點；

(2) 短波最佳工作頻率與通信時間、通信距離的關系，具有明顯的統計規律性。

將動態頻譜接入的思想引入短波通信，不僅可以更加有效地利用寶貴的短波頻譜資源，大大提高短波頻譜的利用率，而且還可以為短波數據傳輸提供合適的傳輸信道，進一步提高短波數據傳輸的有效性和可靠性。

3 協議設計的基本思想和采用的關鍵技術

協議設計的基本思想是：通信前，首先根據通信雙方的地理位置信息、時間和距離等參數產生有效工作頻率集，同步建鏈后在短波信道上進行數據分組傳輸，在通信過程中實時檢測信道質量，根據信道質量自適應選擇所發送數據幀的幀長。若信道質量不滿足要求，即最小幀長下數據傳輸的誤碼率超過設定的門限時，系統根據動態頻率預選結果，控制系統自動切換到另一有效信道上恢復鏈路，并從數據中斷處開始繼續進行傳輸，直至數據傳輸完畢。

3.1 動態頻率預選技術

傳統的短波通信在實際運用中，由于工作頻率的選取缺乏必要的技術手段支持和較強的專業理論指導，往往只能依據戰術要求和工作經驗來確定，實際選擇的頻率通常并非當前的有效工作頻率，結果造成通信溝通率低，通信質量差。為盡可能地克服短波選頻的盲目性，我們把短波頻率的預報、預測，以及自適應選頻有機地結合起來，按照頻率預選-實時監測-實時更換的方式來實現。

首先根據長期統計預報的經驗數據和大量試驗數據統計分析得到最高可用頻率MUF，構建以時間、距離為參量的MUF數據庫；采用量化估值、數字建模的方法，以通信時間和距離為參數，構建基于計算機應用平臺的短波有效工作頻率自動選頻系統，實現有效工作頻率集的自動生成和自動設置，為實時頻率監測提供頻率段范圍。然后在有效工作頻率集自動預選的基礎上，在通信過程中通過對信道干擾的實時監測，對誤碼率的實時測量，實時選擇和調整工作頻率，確保鏈路自動建立、通信工作在有效信道上，以實現實時選頻功能。其過程如圖1所示。

3.2 數據分組傳輸技術

由于短波信道的時變性，數據傳輸時易發生隨機和突發錯誤，尤其是突發錯誤會造成長串誤碼，使用一般的反饋重傳機制會導致大量數據的頻繁重傳，造成通信效率的低下。我們在數據傳輸前，先將所有待發送數據進行分組，然后組成數據幀來發送，每個數據幀的大小可根據信道質量自適應調整。數據傳送過程中，采用的是SW-ARQ模式，發送一幀數據后，等待接收回執，回執正確，則發送下一個數據幀；若回執不正確或超時，則重新發送該數據幀。數據的分組傳輸，為靈活利用信道質量檢測情況進行自適應變幀長打下了基礎，有利于將碼元的隨機和突發錯誤控制在較小的范圍內，減少了數據重傳次數和重傳數據量，提高了數據傳輸效率。

3.3 自適應變幀長技術

短波信道質量變化較快，為盡可能地提高數據傳輸效率和傳輸可靠性，數據幀的長度不能長期保持固定，必須根據信道質量自適應調整，以與信道質量相匹配的幀長傳輸數據。我們設計的分組傳輸方式中在連續三次數據幀傳輸失敗的情況下，適當降低數據幀長度；五次連續傳輸成功則適當增加數據幀長度。自適應變幀長數據傳輸方式根據短波信道質量相應地調整數據幀長度，可較好地適應短波信道質量變化較快的實際，有效地提高短波數據傳輸的效率、增加數據通信的可靠性。

3.4 基于動態信道接入的數據傳輸技術

短波信道頻帶窄、傳播特性不穩定、突發干擾嚴重，即使鏈路已經建立，在通信過程中經常會出現信道條件突然惡化現象，造成通信中斷。傳統的短波數據傳輸過程中若信道條件惡化而造成通信中斷時，只能是重新建鏈、從頭重新發送數據，若在即將傳送結束時發生中斷也必須全部重傳，極大地影響了數據傳輸的效率?；趧討B信道接入的數據傳輸技術著眼于短波數據傳輸的可靠性，改變了傳統的基于單信道的數傳模式，以及通信過程中出現干擾中斷，重新建立通信的處理模式，實現了以工作頻率組群作為完成一次數據業務傳輸的路由通道，動態地監測控制信道，完成數據傳輸。具體來講就是在數據傳輸過程中不追求單個信道的一次性通信成功，而是在信道實時監測的基礎上，將數據分成多個數據幀，在一次通信過程中根據信道的質量動態地切換信道，保證系統始終工作在可靠的信道上。使系統的抗干擾能力，尤其是抗突發式干擾、瞄準式干擾和跟蹤式人為干擾的能力得到大大提升，有效解決了短波數據通信有效性低、可靠性差的技術難題，實現了數據的有效傳輸。

基于動態信道接入的數據傳輸技術是對調制解調器FEC和ARQ功能的補充。與傳統的短波ARQ方式不同之處在于：一般短波通信中若接收到的數據誤碼較多、超出了FEC的糾錯范圍時，將利用ARQ協議重傳整個數據域。我們提出的方法僅僅需要重傳當前傳送失敗的這一幀數據而無需重傳全部數據。基于動態信道接入的數據傳輸技術實現的關鍵在于:首先系統能夠自動產生有效工作頻率集并進行實時地監測，若當前信道質量突然變差時能夠及時切換信道繼續通信，其次數據幀中含有幀號標識信息，在切換信道重新建鏈后，能夠確定需要從哪個數據幀開始重傳。

4 協議的設計與實現

4.1 幀結構的設計

數據幀的結構如圖2所示。

分組后的數據幀包含了幀長和當前發送的幀號信息。對于發送方，數據在發送前先取其最前面的N個字節作為一幀(N可取為512 B，256 B，128 B，64 B，32 B五個等級，默認值為128 B)，填寫幀長及幀號信息。最后一幀的幀號信息要與中間幀區分開，以提示接收方數據幀已全部發送完畢。若發送方要發送的總數據長度小于N個字節，即只有一幀數據，則幀號填寫與多幀傳輸時的最后一幀相同。分組格式的幀長可根據信道質量自動調整，當信道質量較好需要增加幀長時，增加幀中數據部分的長度到256 B，512 B；當信道質量變差需要減少幀長時，減少其數據部分的長度至64 B或32 B。若傳輸過程中信道質量變化需要調整幀長，只需在分組時改變所取的幀長N的值，幀號部分按上次正確發送幀號遞增即可。

為避免傳輸時數據幀中的關鍵比特錯誤而導致數據的錯誤接收，在協議設計時，要充分考慮分組后數據幀關鍵比特的保護問題。在實際實現時，我們采取對關鍵比特進行三倍冗余發送的方法，確保了關鍵比特正確接收的可靠性。4.2 動態信道接入機制

首先建立動態信道控制模型，如圖3所示。在t₁時刻，系統工作在1信道，已經成功傳輸了前n個數據幀，此時信道質量變差無法進行有效的數據通信，則系統根據實時監測結果自動切換到下一有效信道繼續傳輸剩下的數據幀，直至所有的數據幀都傳輸完畢，在整個過程中數據傳輸始終保持連續性和完整性。

對于短波通信而言，電臺的收發切換時間較長，ARQ的回傳往往需要較長的時間。而且實際短波通信中經常使用調制解調器的長交織功能，一次回傳就需要十幾秒，此時如果像有線信道一樣回送接收方的己收幀號后再進行數據傳輸勢必影響數據傳輸效率，必須采用其他方法。

在實現基于動態信道接入的數據傳輸時，我們對發送方進行了特別處理，使其在數據傳輸意外中斷時，能夠在本方記錄最后一次正確發送的幀號。由于ARQ協議中發送方在收到正確的回傳信息后才確認接收方已經正確收到所發送的信息，因此可以確定發送方記錄的號數就是接收方正確收到的幀號。再次重發時，發送方從下一幀開始發送，就可以繼續進行數據的傳輸，以避免傳統短波通信信道條件快速變化造成的大量數據重傳，從而實現較高的數據傳輸效率。

4.3 協議軟件模塊的實現

軟件實現的流程如圖4所示。

系統數據鏈路建立成功后，首先進行數據分組，即先取全部待發送數據的前128 B打包組幀(初始的默認包長為128 B)。組幀結束后，發送第一幀數據，等待接收回執，若回執正確，則從整個數據中刪除已發送成功的一幀，按相同的方法讀取下一幀數據發送，若此時信道質量下降，組幀時自動減少數據幀長。若數據幀長依次減少至32 B(即定義的最小幀長)仍不能成功發送，則切換至下一信道建鏈。每發送成功一幀數據，幀號遞增1。若數據發送過程中鏈路中斷或發送過程中有切換信道過程，重新建鏈后發方先檢查上次數據是否發送完畢，若無，從當前記錄的幀號處續傳數據。

5 仿真試驗及結論

我們對采用傳統SR-ARQ的數傳方式與文中的基于動態信道接入的自適應變幀長傳輸方式進行了仿真分析，仿真結果如圖5所示。圖6是兩種SNR條件下實際測試得到的不同數據幀長與吞吐率的關系，圖中的SNR由電離層預測軟件VOCAP獲得。

由圖5可見，在信道質量較好的情況下(SNR>10 dB)，文中提出的基于動態信道接入的自適應變幀長傳輸方式的吞吐率略低于通常意義上的SR-ARQ協議，這是由于信道質量較好時，即使在傳輸無誤碼的情況下，分組傳輸仍需要多次地等待反饋確認的到來，這在一定程度上增加了傳輸的時間，從而降低了數據傳輸效率。而當信道質量較差時(SNR<5 dB)，傳統SR-ARQ數傳方式由于重傳數據量較大而使得有效吞吐率

急劇降低，而本文設計的協議由于采用了動態信道接入機制，能夠及時地切換信道繼續傳輸數據，從而避免了反復地重傳，不僅提高了信道利用率而且吞吐率仍然維持在較好的狀態?？梢娀趧討B信道接入的自適應變幀長數據傳輸方式在惡劣信道及信道質量變化較快的情況下能夠得到較好的性能。圖6表明在信道條件較好時，一次發送的數據幀越長，有效吞吐率越大，數據傳輸效率越高；而在信道條件較差時，增加數據幀的長度反而會因頻繁的重傳造成有效吞吐率的下降。這就提示我們要根據信道質量選擇合適的數據幀長度，在信道質量滿足要求的情況下盡可能地增加數據幀的長度，這也正符合了本文中根據信道質量的變化自適應調整數據幀長的設計思路。

6 結 語

短波信道的特點對數據傳輸的可靠性及傳輸效率提出了較高的要求，本文闡述了一種應用于無線短波通信的數據傳輸協議，并在軟件平臺上實現了數據分組傳輸、自適應變幀長及基于動態信道接入的數據傳輸技術。仿真結果表明本文所設計的短波數據傳輸協議能夠很好地提高短波數據傳輸的可靠性及有效性，尤其是在信道變化較快、需多次切換信道反饋重傳的條件下，能夠大大提高短波通信的數據傳輸效率。文中提出的數據分組傳輸、自適應變幀長及基于動態信道接入的數據傳輸技術同樣適合于其他無線信道，具有較高的應用價值。

參 考 文 獻

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作者簡介 韓 艷 女，1984年出生，在讀研究生。主要從事短波通信方向的研究。