短波通信系統發展及關鍵技術綜述*

左 衛

(海軍駐成都地區通信軍事代表室,四川成都610041)

短波通信系統發展及關鍵技術綜述*

左 衛

(海軍駐成都地區通信軍事代表室,四川成都610041)

針對短波通信系統的應用特點,提出了短波通信發展的關鍵性問題,描述了短波通信技術的當前發展趨勢。對國內外短波通信系統的主要標準和技術體制進行了綜述。基于短波通信技術的特點,重點從短波網絡體系結構、中繼路由、鏈路層協議、波形傳輸體制及抗干擾機制的技術特點進行分析,描述了當前短波通信系統的主要技術狀態。同時,針對短波通信發展的關鍵性問題,探討了后續短波通信技術的發展趨勢,對我國建立新一代短波通信系統具有較好的借鑒意義。

短波通信 網絡體系結構 鏈路層協議 波形體制

0 引 言

短波頻率資源有限,通信質量不穩定。但短波是唯一一種可以不依賴于基礎設施和中繼實現遠距離通信的方式。同時,短波設備體積小,機動性強,成本低,以及在特殊環境下能快速展開等特點使其在無線通信中起到非常重要的作用。隨著物理層數字信號處理技術的發展,短波通信傳輸技術為短波通信系統的發展提供了支撐。在民用航空、應急通信領域,短波是不可或缺的通信手段。尤其在軍用領域,短波已經得到長足發展,是衛星遠距離通信的必要補充。

傳統短波點對點通信模式逐步發展為短波組網模式,有效地提升信道利用效率。短波通信由傳統的中心控制的接入網模式逐步發展到具有自組織功能的短波網絡。同時,編碼技術、時域均衡技術、及寬帶波形技術的發展,使得短波傳輸速率明顯提高,從傳統的300 b/s提升到了最高達38.4 kb/s,并且在傳輸性能上更能適應短波信道的變化,提升了短波頻譜的利用效率。本文從分析國內外短波通信系統的發展、應用出發,總結和分析了當前短波通信系統的主要發展趨勢及主要關鍵技術。希望能為我國設計和應用新一代短波通信系統有借鑒意義。

1 短波通信系統發展關鍵問題

針對短波通信傳輸的特點,應用于短波通信系統的通信技術發展的主要關鍵問題:

1)短波通信網絡結構優化及高效組網

當前的短波通信系統主要以傳統點對點傳輸模式為主。點對點模式不能及時反映整個網絡環境的完整態勢信息。因此,短波通信由基本的點對點模式向網絡化發展也是其應用的主要趨勢[1,2]。針對短波有限的數據傳輸速率,實現高效的系統組網,優化網絡結構,提高網絡的運行效率,是短波網絡化的關鍵問題。

2)短波寬帶高速數據傳輸

傳統的短波通信帶寬為3 kHz,在傳輸速率上一般只有300 b/s、600 b/s等低速速率,隨著現在短波通信技術的發展,尤其數字處理能力的提升,傳統的短波速率已經不能滿足應用需求,提升短波的通信容量是后續短波通信發展的關鍵問題。傳統的短波通信信號帶寬為3 kHz,在實現高速數據傳輸時需要采用高階調制,需要很高的信噪比,因此展寬帶寬實現可靠的高速傳輸是有效的技術途徑。

3)短波抗干擾

天波傳播受到電離層變化和多徑傳播的影響而極不穩定。地波傳輸也受到山區和地形的影響導致傳輸不可達等問題。同時短波通信還會受到惡意的外部干擾等,這就決定了短波通信的工作方式以及使用的短波頻率需要隨環境的變化而適時地進行自適應調整[3]。因此,具備抗干擾功能、可靠的信息傳輸是短波通信技術研究的主要課題之一,也是短波通信系統實現可靠應用的重要保障。

4)短波資源動態分配

短波頻段窄,傳輸速率低,短波資源的動態使用可以有效地提高短波通信的運行效率。尤其在特殊通信場景中,特殊性比較高的節點應該具有較高的優先級,占有更多的短波資源。同時,當節點優先級發生變化時,短波資源應該進行實時的動態調整,實現短波網絡化的整體最優。短波資源的分配技術按照時間信息控制方式可以分為同步模式[4,5]和異步模式[6]。

5)互聯互通[7]:

短波網絡與異構網絡的互聯互通是通信系統綜合各種通信手段,提升傳輸能力的重要技術途徑之一。目前異構網絡的互聯以IP(Internet Protocol)協議為主,IP over HF(Internet Protocol over High Frequency)技術需要在短波信道帶寬窄、速率低的情況下支持特定的IP業務。

2 國內外短波發展現狀

我國短波通信網絡技術的研究在軍事領域上得到廣泛應用外,在民用的領域有有限的使用和發展。

在我國軍用領域,超視距通信手段包括衛星和短波通信,但是在緊急狀態下,衛星通信易受到干擾,而短波通信具有較強的抗干擾能力,容易部署,因此短波通信也是我軍超視距通信領域必不可少的手段。在民用方面,由于我國自然災害多發,傳統通信手段容易遭打破壞,而短波通信具有靈活、低廉等特點,在應急通信中得到廣泛應用。但國內傳統短波應用主要以點對點通信為主,尤其是在應急通信中,如災后的信息交互,點對點的短波通信可以有效地將災區信息及時地反饋給災后指揮所。但是點對點的通信不能有效反應災后的態勢信息,而且較低的傳輸速率不能滿足應急通信的需求。民用的短波通信網絡化、寬帶傳輸、可靠傳輸也是我國短波應急通信的主要發展趨勢。

國外已經研制和使用了多種短波通信系統,但是先進的短波技術仍然應用于軍事領域。其中走在前列的有美國海軍的高頻特混編隊內通信網絡(HF ITF,High Frequency Intra-task Force)和短波艦/岸網絡(HFSS,High Frequency Ship and Shore),澳大利亞的LONGFISH網絡,Collins公司的HF MESSENGER網絡,美國GW(Globe Wireless)公司的全球電子郵件系統(Globe Email System)[2]等。

上述幾個國外比較著名的短波網絡從組網體制上看,都屬于短波接入網體制,具有網絡中心節點控制機制,其他節點屬于從屬地位,移動節點之間不能直接通信,所有的信息交互通過中心節點統一調度完成。為了克服具有中心控制的短波接入體制在應用場景中的缺陷,短波自組織網絡技術在國外也得到廣泛研究,尤其在軍事應用領域。美軍國防部在90年代就制定了一系列適應于短波自組織網的通信技術標準,并且隨著數字信號處理技術的發展,短波通信技術標準已經從2代自動鏈路建立(ALE, Automatic Link Establishment)標準(MIL-STD-188-141A)發展到了3代ALE標準(MIL-STD-188-141B)[8],目前正在向第4代ALE標準進行開發與研究。

短波數傳技術也隨著短波通信技術的發展逐步更新換代。在短波傳輸速率上,增加了寬帶短波通信技術,尤其提出了新一代的短波數傳標準MILSTD-188-110C,顯著提升了短波通信系統的性能。由于短波頻段窄,抗干擾體制主要體現為跳頻體制,美軍和北約國家的新一代數據鏈系統LINK22就將短波慢速調頻體制作為該系統的標準配置。

北約短波聯合廣域網(AHFWAN66,Allied High Frequency Wide Area Networking using STANAG 5066)主要應用于海上通信。它采用北約STANAG 5066標準[9],定義了規范的短波通信協議結構,以及針對短波自組織網絡提出了短波令牌環(HFTP, High Frequency Token Protocol)機制,實現海上通信的自組織能力,在短波適應能力方面規范了一套較為完整的速率自適應技術。同時北約的5066標準首次將IP over HF技術進行實用化定義,并依據此標準,北約的短波聯合廣域網(AHFWAN66)已經能支持IP over HF技術,實現短波網絡與有線IP網絡的互聯互通。但北約的5066標準從短波的信號處理技術以及傳輸機制上看,與美國的2代ALE技術屬于同一代技術。為了與美軍的第3代ALE短波通信標準兼容,北約又重新制定了STANAG 4538標準[10],基本上采用了美軍MIL-STD-188-141B協議相同的體系結構,并在此基礎上提出了快速鏈路建立(FLSU,Fast Link Set Up)協議以及相應的鏈路控制協議,保證短波快速建鏈,提高數據的傳輸速率。

綜上所述,相比于我國的短波通信應用,北約和美國的短波通信技術一直走在前列,相繼制定了短波通信體制的協議標準,但是在一些關鍵技術上只建議了技術框架,未描述具體的實現細節。

3 短波通信系統關鍵技術分析

3.1 協議體系結構

短波協議棧結構是短波組網技術的核心內容。定義標準的短波協議棧結構,可以適應不同的組網體制和傳輸機制,兼容不同的短波電臺組網。目前,提出短波通信系統協議體系結構的主要有北約的STANAG 5066標準和美軍的141B標準,但是這兩個標準都沒有從跨層設計角度來考慮協議棧結構。

北約的STANAG 5066標準中最早提出了短波通信系統的協議棧結構。規范了短波通信系統的功能層次與接口。如圖1所示,該協議棧結構主要定義了2層功能實體:鏈路層(link layer)和物理層(physical layer).定義了鏈路層各個子層(子網接口子層、信道接入子層以及數據傳輸子層)的功能以及服務原語等。尤其在子網接口子層中,可以直接支持為業務終端的業務傳輸,同時該子層基于IP over HF技術還能支持特定的IP業務傳輸。

圖1 STANAG 5066規范的協議棧結構Fig.1 Protocol stack structure of STANAG 5066

從圖1中也可以看出,該協議棧結構缺少了標準OSI模型協議棧中定義的2個層次。一是網絡層;另一個是MAC層。因為STANAG 5066標準的早期版本主要以規范短波點對點傳輸模式為主,而忽略了組網模式下的協議棧結構。因此,在5066標準的1.2版本中,短波路由技術以及MAC協議等都沒有進一步明確說明。雖然,STANAG 5066標準的最新2.0版里建議了基于時分多址接入(TDMA,Time Division Multiple Access)、載波偵聽多址接入(CSMA,Carrier Sense Multiple Access)以及短波令牌環(HFTP,High Frequency Token Protocol)等組網機制,但是仍然還處于研究階段,沒有描述具體的技術細節。

針對北約STANAG 5066標準缺少組網協議的描述,美軍的MIL-STD-188-141B標準在2代ALE基礎上發展了3代ALE標準體系。如圖2所示,在該標準中協議棧結構重點定義了鏈路層功能,除了將MAC協議(3G-ALE,Third Generation ALE)與邏輯鏈路子層(HDL/LDL,High rate Data Link Protocol/Low rate Data Link Protocol)并行排列在一個功能層中,還增加了業務管理和線路管理功能。雖然在該協議棧結構中也建議了短波網絡層功能和支持IP over HF技術的框架,但是仍然沒有描述技術細節。

圖2 3代ALE規范的協議棧結構Fig.2 Protocol stack structure of 3G ALE scheme

另一方面,由于短波通信受到帶寬和傳輸速率的限制,IP over HF技術的提出曾經受到了置疑[7]。隨著短波高速波形技術的發展,以及短波應用中網絡互聯的需求,該技術又在短波通信領域也獲得了廣泛研究。STANAG 5066標準首先描述了IP over HF技術可行性,文獻[7]通過半實物仿真方式對短波信道傳輸IP業務進行了性能分析,通過研究指出短波傳輸更適用于面向非連接方式的廣播或組播業務。文獻[11]針對廣播與單播方式規范了IP over HF的處理流程以及IP協議接口等。目前,短波信道對IP業務的支持能力,以及短波自組織網與有線網絡的互通問題仍然是解決IP over HF技術實用化的關鍵。

3.2 短波中繼路由

短波具有傳輸距離遠的優勢,短波路由主要用于保證信息的可靠傳輸,保證通信的可達性。在現有文獻中,設計的短波路由協議大體可以分為3類:靜態路由、源路由和自適應連通性交換路由。靜態路由[12]的生成辦法是在網絡運行前配置一些節點充當中繼節點,將這些節點填入各個節點的路由表中,靜態路由方式適用于網絡拓撲結構相對穩定的網絡。源路由機制[13]借鑒了傳統Ad Hoc網絡中的路由技術,以減少搜尋路由的開銷為目的。源端在發送分組的包頭添加路由信息,中繼節點在接收到分組后解析包頭,若獲知自身是中繼節點,則將其轉發給包頭中記錄的下一個中繼節點,直至到達目標節點。與上述2類短波路由機制相比,連通性交換路由機制更具有自適應優勢。自適應連通性交換路由機制[8]是專門為了適應短波信道的特點而設計的一類路由協議。文獻[14]將優化鏈路狀態路由(OLSR:Optimized Link State Routing)協議應用于短波自組織網的研究,OLSR協議能不斷地監視網絡節點之間的連通性,并且通過中繼子集在整個網絡中泛洪連通性信息,以便更新每個節點的路由表。因此,OLSR路由協議較適用于業務量小的短波網絡。而獲得全網連通性信息的另一種方式[8]是通過對源節點到目的節點的鏈路質量進行探測。通過在節點之間動態交互路由信息的方法來更新路由表。

綜上所述,國內外對短波路由技術的研究相對較少,路由的查詢和路由表的生成總會對有限的短波資源帶來開銷。因此,短波路由協議應盡量減少查詢路由帶來的開銷,以自適應的方式提高短波傳輸的可靠性和可達性。

3.3 媒體接入控制技術

典型的短波自組織網媒體接入控制機制繼承了無線Ad Hoc網絡的MAC技術,主要實現參數的靜態配置,可以歸納為以下4種類型:競爭接入方式、令牌環方式、時分方式以及混合MAC組網方式等。

文獻[15]基于載波偵聽多址接入/沖突避免協議(CSMA/CA,Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance),對短波競爭接入方式的MAC體制進行了研究,提出了短波分布式協作協議(DCHF, Distributed Coordination for High Frequency),該協議與典型的CSMA機制具有類似的網絡性能,在傳輸載荷很重時,信道利用率會急劇下降,導致業務傳輸時延呈指數增加。為了避免競爭協議在網絡規模大時帶來的性能下降,文獻[7]提出了短波令牌環協議(HFTP),該協議繼承了無線令牌環協議(WTRP, Wireless Token Ring Protocol)的優點,在原有的基礎上增加了令牌中繼和令牌合并的機制,提高了短波網絡的可用性,以適應鏈路的變動導致連通性的改變。研究表明,在特定的海平面環境下,HFTP的組網性能比DCHF更具有優勢,因此,在北約STANAG 5066標準2.0版本中,建議使用令牌環的組網體制,并作為附錄L編入了該標準。

如果短波網絡存在一個全局的時鐘,則可以選用TDMA協議[4],和其他隨機協議相比,TDMA機制由于按照時間關系協調了節點占用信道的機會,因此各節點不會發生碰撞,效率得到提高。在STANAG 5066標準2.0版本中,附錄M建議了基于TDMA的短波組網體制,但具體的設計細節在該版本中沒有描述。混合的MAC組網體制的提出就是為了解決單一MAC組網機制下的問題。美軍141B同步組網協議,結合競爭模式和TDMA模式的優點,減少了競爭沖突,增加多信道接收的工作方式,提升了組網的效率和性能。

圖3 典型短波TDMA時幀結構Fig.3 Classic TDMA frame structure of HF

目前,短波MAC機制仍然以靜態的資源分配為主,而動態的資源分配策略更能滿足短波信道帶寬窄、資源有限的情況。為了實現短波資源動態分配,美軍和北約最新研制的22號數據鏈(Link 22)[16-17]使用了動態TDMA技術,增加了動態時隙分配策略,可以有效地保證信息傳輸的時效性。

3.4 短波數傳技術

短波傳輸技術為短波網絡的發展提供了可靠保證。短波波形體制的研究美軍一直處于領先地位。波形傳輸體制標準也由早期的MIL-STD-188-110A,逐步發展到了110C標準。尤其在110C標準中定義了短波寬帶波形體制。傳統的短波通信信號帶寬為3 kHz,在實現高速數據傳輸時需要采用高階調制,需要很高的信噪比(如采用64 AM調制實現了9 600 b/s的傳輸速率,要求信噪比為21 dB),因此展寬帶寬實現可靠的高速傳輸是有效的技術途徑。目前美軍定義的波形體制標準110C帶寬已經從傳統3 kHz提升到了最大24 kHz,傳輸速率在9 600 b/s時,要求的信噪比為5 dB[18]。與傳統3 kHz帶寬性能比較可以看出,擴展帶寬可以實現可靠高速傳輸,但是短波頻段窄,擴展帶寬只是相對而言。

與傳統的短波并行調制解調技術相比,單載波體制采用串行調制解調,相對于多載波體制具有峰均比較小的優點,同時串行體制結合恰當的信道編碼技術,可以有效地提升波形誤碼性能。近年來現代編碼技術已有極大的發展,很多編碼的性能都逼近了香農極限,比如Turbo碼、LDPC碼等。合適的編碼方式可以有效地提升短波通信的糾錯能力。

北約國家的短波數傳技術發展基本與美國同步,如波形傳輸技術標準STANAG 4539與美軍的110B標準同步發展,主要目的在于能實現與美軍短波通信系統的兼容。

3.5 高可靠抗干擾技術

1)短波跳頻與直擴抗干擾

短波跳頻是短波通信抗干擾的主要手段之一。由于短波通信系統受到短波頻段和帶寬的限制,短波跳頻一般以慢速跳頻為主,并且短波跳頻的實現還需要有足夠的短波頻率資源。國外北約組織定義了短波跳頻抗干擾體制標準STANAG 4444,設計了短波慢速調頻體制,跳速為8.89跳/秒,具備一定的抗干擾能力。美軍的Link 22數據鏈系統也采用該跳頻體制。

另一種短波通信抗干擾手段是采用直接擴頻技術,將需要發送的信息展寬到一個很寬的頻帶上,同時也抑制了噪聲對有用信息的影響。但是短波直擴技術由于短波頻段窄,直擴技術占用更多的短波帶寬,影響了短波頻譜的利用效率,所以該技術的實際應用還在進一步研究中。

2)多頻多點接入的空間分集

由于短波信道質量不穩定,不同位置的節點相互通信時,能找到統一的短波頻率進行通信的概率較抵,因此,單一頻率條件下的組網會導致網絡運行失效。而采用多頻接入控制方式,保證當一個頻率不可用時,可以切換另一個使用頻率,大大提高了短波通信的可靠性。采用多頻多點接入技術需要更多的頻率資源。多頻多點接入技術示意圖如圖4所示。

國際民用航空通信公司(ARINC)開發和運營的民用空管GLOBALLINK/HFDL系統[18]的多頻多點接入控制機制,空中飛機根據地面配置的頻率質量自動接入到地面通信站點。在為期30個月的試驗中,采用3個地面站,每個地面站2個頻率,系統的可通率超過了95%,隨著站點和頻率的增加,可通率會更高。

圖4 短波多頻多點接入的空間分集Fig.4 Method of space diversity of HF multi-frequencies and multi-nodes access

3)頻率分集

短波頻率分集技術借鑒了MIMO思想,通過在不同頻率上的同時接收合并,實現短波通信的可靠接收。當固定節點配置多個發射機、移動節點配置多個接收機時,可采用頻率分集提高穩健性。即固定節點的數據信息經數傳調制后將調制信號發給多個信道機,每個信道機在各自不同的載波頻率上進行發射,移動節點上多個接收機在各自載波上進行接收,數傳將多個接收機輸出的基帶信號進行分集合并解調。

頻率分集的仿真結果表明,12 kHz帶寬25.600 b/s速率波形在2個載頻頻率分集比無分集在CCIR中等信道下有13 dB增益,CCIR差信道時下8 dB增益。12 kHz帶寬32 000 b/s速率波形在2個載頻頻率分集比無分集在CCIR中等信道下有13.5 dB增益,CCIR差信道下有8.5 dB增益。因此,通過頻率分集技術可以大大提升短波通信的可靠性。

4)鏈路自適應

短波鏈路自適應技術是短波通信可靠傳輸的保障。鏈路自適應技術能跟蹤短波信道的變化,根據信道環境的好壞動態調整信息的傳輸速率、編碼及調制方式等。通過使用短波鏈路自適應技術,能夠在不同信道條件下的信道利用率大副提高,并能保證短波傳輸有較低的誤碼率。

短波鏈路自適應技術主要分為2種方式,一是速率自適應技術;另一種為頻率自適應技術。北約的STANAG 5066標準提出了在短波傳輸過程中的速率自適應機制[9],由物理層調制解調器周期性地統計和上報當前信道傳輸的誤碼率、誤幀率以及信噪比等,由鏈路控制子層通過速率自適應算法,實現源端與目的端之間的速率以及編碼參數的動態配置。

美軍MIL-STD-188-141B標準的3代ALE協議中,規范了在不同信道條件下的傳輸速率,并且定義了5種突發波形,其中突發波形BW0用于進行臺站之間的鏈路建立,并在建鏈的同時完成信道質量評估,根據估計值確定一個符合當前業務要求的信道進行業務傳輸。BW2和BW3分別用于高速和低速下的業務傳輸。BW1和BW4主要用于對鏈路控制信息的傳輸,保證控制信息傳輸可靠性。

當短波頻率的信道質量很差時,需要對使用的工作頻率進行自適應調整。文獻[19]中提出了一種頻率質量探測技術。在短波業務傳輸過程中,分配一定的時間段對頻率庫中的冗余頻率進行質量探測,并為當前的工作頻率更換做準備。但是該頻率探測技術會帶來探測開銷,影響信道利用效率。

短波信道條件極易受到環境的影響,鏈路自適應技術是短波自組織網中保證信息可靠傳輸的有效途徑之一。

4 結語

短波通信由于傳輸距離遠的優勢,在某些特定環境下,短波通信可以作為衛星遠程無線通信的有效補充。隨著短波通信技術的發展,美國和北約國家的短波通信系統已經走在了前列,并且在民用和軍事領域都廣泛應用和發展,并形成了一系列短波通信系統標準和技術規范。本文對國外短波通信系統的主要標準進行了概述,并且就短波通信的關鍵技術發展進行分析,針對短波通信的特點,對后續技術的發展趨勢進行了探討,對我國建立新一代短波通信系統具有較好的借鑒意義。

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Review on Pivotal Technology And Development of HF Communication System

ZUO Wei
(Naval Military Representative Office in Chengdu,Chengdu Sichuan 610041,China)

Based on the research on the characters of application of high frequency(HF)communication system,this paper provides some pivotal problems which accelerate the development of HF communication system.A few of standards and technologies which are compiled in foreign HF communication systems are summarized in this paper.Aiming at the characters of HF communication application,this paper analyses architectures of protocol system,relay route,protocol in link,waveform technology,and link adaptive scheme and so on.At the same time,it discusses the direction of development about HF communication technologies on the basis of pivotal problems in HF communication systems,thus to lead the direction of HF communication systems in our country.

HF communication,network protocol architecture,link protocol,waveform technology

TN91

A

1002-0802(2014)08-0847-07

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.08.002

2014-06-14;

2014-07-14 Received date：2014-06-14;Revised date：2014-07-14

左 衛(1971—),男,碩士,工程師,主要研究方向為通信工程、網絡協議體系結構、信息安全技術等。

ZUO Wei(1971-),male,M.Sci.,senior engineer,majoring in communication engineering,the network protocol architecture and information security technology,etc.