短波3G ALE高速數(shù)據(jù)鏈路(HDL)協(xié)議改進*

姜 艷

(91404部隊，河北秦皇島 066001)

短波3G ALE高速數(shù)據(jù)鏈路(HDL)協(xié)議改進*

姜 艷

(91404部隊，河北秦皇島 066001)

短波通信是實現(xiàn)超視距軍事通信的重要手段之一，美軍標MIL-STD-188-141B定義了第三代短波自動鏈路建立(3G-ALE)技術體制。高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議(HDL)是3G-ALE系統(tǒng)中為一對短波終端或節(jié)點之間提供無差錯數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖詣诱埱笾匕l(fā)(ARQ)協(xié)議。詳細闡述了短波3G-ALE系統(tǒng)中的HDL協(xié)議，介紹了其原理，分析了其優(yōu)缺點，提出了改進措施，并將改進措施與原協(xié)議在吞吐量上進行了比較，理論分析及仿真結果直觀顯現(xiàn)了改進措施的有效性。

高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議；3G ALE；HARQ

0 引 言

隨著電子技術的飛速發(fā)展，短波通信由單一化向數(shù)字化、網(wǎng)絡化發(fā)展。采用短波組網(wǎng)技術體制，一方面可以增加通信鏈路的抗毀性和頑存性，另一方面，可以在網(wǎng)內(nèi)自動選擇最優(yōu)鏈路，克服由于電離層條件變化對單條無線鏈路質(zhì)量造成的影響[1]。美軍標MIL-STD-188-141B[2]是中高頻無線電系統(tǒng)互通性能標準，定義了第三代自動鏈路建立(3G ALE)技術體制，在實現(xiàn)快速鏈路建立、通信組網(wǎng)能力、信息吞吐量的改善上有很大提高。其中，高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議(HDL)是為3G ALE系統(tǒng)提供無差錯數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖詣诱埱笾匕l(fā)(ARQ)協(xié)議。

1 HDL簡介

1.1 3G-ALE概述

美軍標MIL-STD-188-141B標準定義了的第三代短波通信系統(tǒng)實質(zhì)上是一種無線分組交換網(wǎng)絡，核心部分包含4層結構模型：短波子網(wǎng)網(wǎng)絡層和更高層、會話管理層、數(shù)據(jù)鏈路層及物理層。

短波子網(wǎng)層和更高層主要完成路由選擇、鏈路選擇、拓撲監(jiān)視、信息傳輸和中繼等功能。會話管理層主要完成自動鏈路維護等功能。物理層主要完成5種突發(fā)波形的調(diào)制解調(diào)。數(shù)據(jù)鏈路層包括自動鏈路建立(ALE)協(xié)議、業(yè)務管理(TM)協(xié)議、數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議(xDL)和電路連接管理(CLC)協(xié)議。其中數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議xDL又分為高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議(HDL)與低速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議(LDL)。

圖1 3G-ALE協(xié)議示意

1.2 HDL協(xié)議

MIL-STD-188-141B在ALE及ARQ過程中使用一些非常健壯的突發(fā)波形。在通過ALE建立鏈路及業(yè)務管理(TM)成功握手后，數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議才開始工作[3]。

HDL協(xié)議的特點是采用雙向突發(fā)握手模式確認通信意圖并解決鏈路兩端時間與頻率不確定性問題。

HDL有多個正向分組數(shù)據(jù)(DATA)及一個健壯的反向確認(ACK)組成。如圖2所示。其正向發(fā)送可以是3、6、12或24個大小為233用戶字節(jié)的分組。按照每次收發(fā)切換正向發(fā)送的分組數(shù)據(jù)包數(shù)NumPKTs，HDL可分為HDL-3、HDL-6、HDL-12、HDL-24四種。

圖2 HDL協(xié)議示意

HDL正向DATA采用突發(fā)波形2(BW2)進行傳輸。

BW2波形結構如圖3所示。BW2波形由發(fā)前保護、發(fā)后保護、發(fā)射信號三部分組成。發(fā)射信號又分為TLC/AGC、同步頭、數(shù)據(jù)三部分。其中，TLC/AGC用于電臺發(fā)端TLC及收端AGC處理，為100 ms；同步頭用于符號定時及初始信道估計，為26.67 ms；數(shù)據(jù)部分攜帶業(yè)務數(shù)據(jù)，為NumPKTs×400 ms。

圖3 BW2突發(fā)波形結構示意

數(shù)據(jù)部分由NumPKTs個分組幀組成。每個分組幀為400 ms，又分為20個均衡塊。每個均衡塊由一個13.33 ms的未知符號塊與一個6.67 ms的已知符號塊組成。

BW2波形的發(fā)射信號均采用8PSK調(diào)制方式，符號率為2 400 Hz，并經(jīng)成型濾波后調(diào)制得到中心頻率為1 800 Hz的音頻基帶信號。

BW2波形的糾錯編碼如圖4所示。

圖4 BW2的糾錯編碼示意

BW2采用約束長度為8的卷積碼作為前向糾錯編碼。卷積碼采用4路1/1碼率的編碼，每路均可獨立譯碼，也可和其他任意一路合并譯碼。HDL每次發(fā)送時均采用1/1碼率的編碼。重傳時根據(jù)重傳次數(shù)支持接收端進行1/1、1/2、1/3、1/4碼率的合并譯碼。

HDL反向ACK采用突發(fā)波形1(BW1)進行傳輸。BW1采用帶內(nèi)直接序列擴頻及1/3碼率的卷積編碼。數(shù)據(jù)速率為50 b/s。BW1波形極具健壯性，可在信噪比(SNR)低于-10 dB時進行傳輸。

1.3 HDL優(yōu)缺點

HDL正向DATA采用了碼合并技術，在誤包重傳時可將當前包與以前誤碼包合并譯碼，傳送的能量實際都沒有因分組接收和譯碼錯誤而浪費。實際速率隨著重傳次數(shù)而降低，因此，HDL支持根據(jù)當前信道質(zhì)量動態(tài)調(diào)整傳輸速率，即具備速率自適應功能。

另外，HDL為同步協(xié)議，主呼臺站及被呼臺站在TM握手成功后均各自定時，并分別在對應的時間進行收發(fā)切換的狀態(tài)轉換。當信令丟失后，主呼臺站及被呼臺站的狀態(tài)均不會混亂。另外，反向ACK傳輸采用較穩(wěn)健的BW1波形，使得由于信令丟失而導致協(xié)議混亂的概率最小化。

但是HDL存在以下不足：HDL正向DATA采用1/1糾錯編碼，碼率太高，沒有編碼增益，抗噪聲及抗突發(fā)干擾能力較低。因此首次傳輸對信道質(zhì)量要求很高，只有靠重傳才能降低對信道質(zhì)量要求，影響了其數(shù)據(jù)傳輸效果。

2 HDL協(xié)議改進

針對HDL的不足，可將HDL的BW2波形糾錯編碼碼率由1/1改為3/4，另外，參考MIL-STD-188-110C標準[4]中的4 800 b/s波形格式，將已知符號與未知符號之比由16/32改為32/256。波形格式如圖5所示。

圖5 BW2波形及其改進示意

對BW2波形的信號格式進行優(yōu)化，降低已知符號的開銷，并將糾錯編碼碼率降低，使得其單次發(fā)送的速率不變，但是抗噪聲能力更強，因此其數(shù)據(jù)傳輸能力有所提高。

由于BW2改進波形中未知符號占所有符號的比例比原BW2波形有所提高，導致BW2改進波形的解調(diào)處理運算量相較于原BW2波形增加了約30%，對現(xiàn)有數(shù)字信號處理器件水平而言，完全具備可實現(xiàn)性。因此，雖然BW2改進波形運算量有所增加，但工程實現(xiàn)不存在問題。

2.1 理論分析

HDL采用基于碼合并的type III HARQ技術。文獻[5]中對type III HARQ在AWGN信道下的性能進行了分析。

對于平均信噪比為μ的AWGN信道，第次重傳時的信道容量(單位：bit/symbol)為

(1)

單次編碼碼率為ρ，發(fā)送成功所需的重傳次數(shù)為

(2)

則type III HARQ的理論歸一化吞吐量為

(3)

而BW2改進波形中，雖然糾錯編碼碼率相對于原BW2波形有所降低，但波形格式中承載用戶數(shù)據(jù)的未知數(shù)據(jù)比重增加，因此BW2改進波形實際速率仍為4 800 b/s。設HDL反向ACK傳輸所需時間為Tback，BW2波形數(shù)據(jù)部分時間為Tdata，BW2同步頭(含收發(fā)切換等開銷)為Tpre。HDL及HDL改進協(xié)議的理論吞吐量(單位：b/s)為

(4)

由上式可知，AWGN信道下，在SNR相同時，ρ越大則吞吐量越小。因此，HDL改進協(xié)議的吞吐量優(yōu)于原HDL協(xié)議。

由于改進的BW2波形每個均衡塊(即1個未知符號塊+1個已知符號塊)長度比原BW2波形的均衡塊要長，導致其在衰落信道下性能惡化比原BW2波形明顯。因此，在衰落信道下，改進的HDL協(xié)議相對于原HDL協(xié)議的性能提升沒有在AWGN信道下明顯。

2.2 仿真對比

對HDL及其改進的性能進行了仿真對比。仿真具體參數(shù)為：報文總長度為5 000字節(jié)，HDL及其改進每次發(fā)送12包分組數(shù)據(jù)，每包數(shù)據(jù)長度為233字節(jié)，最大重傳次數(shù)為8次。

在AWGN信道下及衰落信道下均進行了仿真對比。衰落信道采用ITU-Poor信道，具體參數(shù)為：多徑時延為2 ms，多普勒擴展為1 Hz。衰落信道下的信道模型采用Watterson模型[6]。仿真結果如圖6所示。

圖6 HDL及其改進吞吐量對比

由圖6可知，改進的HDL協(xié)議相對于原HDL在AWGN信道下吞吐量在500～1 500 b/s之間時有2 dB左右的增益，吞吐量在1 500～3 000 b/s之間時有5 dB左右的增益；在ITU-Poor信道下也有1～2 dB的增益。

3 結 語

文中研究了短波3G ALE的HDL協(xié)議，針對其單次正向傳輸時糾錯編碼碼率過高而無編碼增益的缺點，提出了降低糾錯編碼碼率的改進措施，并參考MIL-STD-188-110C標準中波形信號格式對HDL信號格式進行了優(yōu)化。對改進措施的有效性進行了理論分析，并在AWGN信道及衰落信道下進行了仿真對比。理論研究及仿真對比表明，改進的HDL協(xié)議相對于原HDL協(xié)議，在吞吐量性能指標上有顯著提升。改進后的HDL協(xié)議可很方便地應用到短波3G-ALE通信系統(tǒng)中，以提升無差錯數(shù)據(jù)傳輸時的通信效能。

[1] 王志文.短波3G ALE同步組網(wǎng)技術研究及仿真[J]. 通信技術,2013,46(09): 64-67. WANG Zhi-wen. Simulation of High Frquency 3G-ALE Synchronization Mode[J]. Communications Technology, 2013,46(09): 64-67.

[2] MIL-STD-188-141B, Mil. Std., Interoperability and Performance Standards for Data Modems [S], Draft Version Revised March 2000.

[3] Chamberlain M, Furman W. HF Data Link Protocol RF Simulator Performance based on Stanag 4538 and Stanag 4539[J].IEEE 2003, 387-392.

[4] MIL-STD-188-110C，Mil. Std., Interoperability and Performance Standards for Data Modems [S], Draft Version Revised March 2000.

[5] 王亞峰,楊鴻文,楊大成. 采用Turbo碼的type Ⅲ HARQ性能分析 [J]. 通信學報,2004,25 (06):139-146. WANG Ya-feng, YANG Hong-wen, YANG Da-cheng. Performance Analysis of Type Ⅲ HARQ with Turbo Codes[J].Journal of China Institute of Communications, 2004, 25(06):139-146.

[6] Watterson C, Juroshek J, Bensema W. Experimental Confirmation of an HF Channel Model[J]. IEEE Transactions on Communication Technology. Dec. 1970, 81 (6):792-803.

Modification of High-Frequency 3G ALE HDL Protocol

JIANG Yan

(Unit 91404 of PLA,Qinghuangdao Hebei 066001,China)

HF (High-Frequency) communication is one of the important measures for beyond-visiual range military communication. MIL-STD-188-141B defines the 3G HF automatic link and establishes (3G-ALE) technical system. HDL (High-Rate Data Link) protocol is an ARQ protocol in 3G-ALE system, providing error-free data transfer to a pair of HF terminals or nodes. Meanwhile, HDL procotol in 3G-ALE system is described in detail,including its principle, advantages and disadvantages,and some suggestions for its modification are proposed.In addition,the throughput capacity of between the modified and the original protocal is also compared. Theoretical analysis and simulation results intuitively indicate the effectiveness of this modified measure.

HDL; 3G ALE; HARQ

date:2014-10-21；Revised date：2015-02-17

TN915

A

1002-0802(2015)04-0410-04

姜 艷(1969—)，女，學士，高級工程師，主要研究方向為無線通信。

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.04.007

2014-10-21；

2015-02-17