短波多址接入協議在信道誤碼下的性能研究*

劉慶剛

0 引言

隨著現代軍事領域中各戰車、艦船、戰機之間超視距遠距離話音、數據通信業務的日益增多，短波通信由于通信距離遠、造價低，越來越受到重視。為提高短波信道利用率、提高短波通信吞吐量，短波通信網絡化發展的需求更加迫切，對短波組網能力提出了更高的要求。

短波信道存在無線電噪聲干擾嚴重、信道質量差、傳輸速率低等弱點，無線傳播中固有的多徑時延、多徑衰落、多普勒頻移、頻移擴散等現象在短波信道中更加明顯。目前應用比較普遍的移動通信無線信道接入技術，不能適應短波信道的特點，不能直接將此類無線網網絡結構及組網技術應用于短波網絡。因此，研究適合于短波信道的短波多址接入協議是短波組網研究［1－3］的難點和關鍵技術之一。

目前短波組網研究領域有三個短波多址接入協議得到廣泛關注和應用，分別是北約STANAG 5066(以下簡稱S5066)標準的短波令牌環協議(HFTRP:High Frequency Toking Ring Protocol))［4－5］、美軍MIL － STD －188 －14lB［6－7］(以下簡稱 141B)標準的第三代自動鏈路建立協議(3G ALE:3G Automatic Link Establishment)、以及北約 STANAG 4538［8－9］(以下簡稱S4538)標準的快速建鏈協議(FLSU:Fast Link Set－ Up)。

S5066提出的HFTRP是無競爭組網協議，提高了短波信道利用率。HFTRP機制在同一時刻只能有一個節點交換信息，當網絡規模增大時，HFTRP能避免由于競爭沖突帶來的性能下降，性能仍可保持穩定。

美軍標制定的短波通信標準141B，提出第三代自動鏈路建立(3G ALE)組網協議。該協議結合競爭模式和時分多址接入(TDMA，Time Division Multiple Access)模式的優點，減少了競爭沖突，增加多信道接收的工作方式，實現了快速鏈路建立，提升了組網的效率和性能，提供了支持數據密集型短波網絡的能力。

北約組織制定的S4538標準，在141B標準基礎上對3G ALE機制進行改進，提出了快速建鏈機制FLSU。與美軍3G ALE機制相比，該機制融合了呼叫鏈路與業務鏈路，采用同步頻率探測掃描技術，提高了建鏈成功率，達到了短波點對點快速建鏈的目的。

目前在無信道誤碼條件下對短波多址接入協議的研究相對較多，信道誤碼對3G ALE、FLSU以及HFTRP性能有何影響，還需要進一步研究。針對上述問題，本文在詳細研究 3G ALE、FLSU以及HFTRP的基礎上，建立了信道誤碼下的仿真模型，通過仿真結果進行性能對比分析。

1 短波多址接入協議

1． 1 短波令牌環協議(HFTRP)

為了避免競爭協議在網絡規模大時性能下降的弱點，文獻［4］提出了短波令牌環協議(HFTRP)，該協議繼承了無線令牌環協議(WTRP，Wireless Token Ring Protocol)的優點，增加了令牌中繼和令牌合并［10］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。

HFTRP是非競爭型協議，只有擁有令牌的站才允許發送數據，同一時刻只能有一個節點傳輸信息。為了提高每個節點對信道訪問的公平性，每個節點只能將令牌擁有一段時間，之后它必須將令牌傳送給下一個節點。如果接收到令牌的節點沒有信息傳送，它會立刻將令牌傳送給下一個節點。令牌傳遞都在一個邏輯的環上傳遞，在令牌環結構中，信息隨著令牌進行傳送［10］。短波令牌的丟失需要有令牌回復策略。

1． 2 第三代自動鏈路建立(3G ALE)協議

若提供全局同步時鐘，短波網絡可以選用TDMA協議［6］。通過全網同步技術，各節點通信不會發生碰撞，提高了網絡整體效率。但隨著網絡規模增大，網絡內業務傳輸時延也會相應增大，會嚴重影響TDMA機制的性能。

為解決單一TDMA組網機制下的問題，141B提出了3G ALE。3G ALE吸取了TDMA的優點，在呼叫信道上同步競爭呼叫，完成呼叫建鏈后再開始進行業務建鏈。3G ALE協議規定slot1～slot5采用呼叫競爭方式，實現節點的建鏈過程。slot0也用于監控業務鏈路信道質量。基本的呼叫信道時隙結構如下圖所示。

圖1 3G ALE呼叫鏈路時隙Fig．1 Call－ channel slot of 3G ALE

在業務建鏈過程完成業務傳輸類型，速率等的協商，保證在一定信道條件下的業務傳輸可靠性。則轉移到協商好的業務鏈路上進行業務傳輸。呼叫建鏈與業務建鏈過程分步完成，會增加建鏈的時間。

1． 3 快速建鏈(FLSU)協議

為減少3G ALE呼叫建鏈過程中的沖突，北約S4538標準FLSU機制基于同步技術，并通過呼叫/響應方式解決短波信道是否可用的問題，實現快速建鏈。

FLSU機制主要具備如下特點:

1)短波網內全局時鐘同步，基于同步技術保證快速可靠建鏈。

2)通過2次握手，同時完成呼叫建鏈與業務建鏈過程，減少了建鏈時間，提高了建鏈成功率，提高了建鏈效率。

3)直接利用呼叫鏈路進行通信，融合呼叫鏈路與業務鏈路，可降低3G ALE機制中的業務鏈路不可靠的概率。

4)提高探測掃描速度，每個駐留頻率上的掃描時間減少為1．35 s，而3G ALE每個駐留頻率上的掃描時間為5．4 s。

2 基于短波信道誤碼的仿真系統

針對短波子網寬帶波形組網體制進行仿真建模，擬采用通信網絡專用仿真工具OPNET Modeler，版本為14．5。通過建立網絡設備模型、鏈路和協議模型，模擬網絡業務、協議的處理過程，獲得網絡設計或優化所需要的網絡性能數據。

信道加誤碼情況下各網絡性能仿真試驗:網絡加載幾個量級的誤碼率，改變業務加載的平均間隔時間、數據傳輸速率，測試網絡的業務成功率、時延等統計量，進行各多址接入協議的組網性能對比。

對比的3個多址接入協議為:

1)FLSU

2)3G－ALE同步模式

3)HFTRP

2． 1 仿真系統構成

仿真環境依據實際網絡、設備和協議進行建模，以便更精確地模擬實際系統的功能。仿真網絡包括網絡拓撲結構，及在應用層上所需要的業務模型等。即產生什么樣的業務能體現協議性能差別。設備模型主要體現為節點模型設計，短波通信節點包括協議處理模塊，及相關的收發信機處理模塊等。協議模型根據不同的多址接入協議完成性能分析，尤其考慮在仿真中體現出短波信道的特點。

圖2 仿真系統結構Fig．2 Structure of simulation system

2． 2 短波信道模型

對于無線系統和有線網絡最大的區別是無線信道的廣播和時變特性。無線信道建模的內容涉及廣泛，包括無線信道的頻率、功率、視距及信道干擾等。對于每個發射信道和接收信道對來說，它們之間的整個無線傳輸過程可以用一系列功能單一的傳輸階段來描述。在OPNET仿真時，采用14個管道階段來盡量接近真實地模仿數據在信道中的傳輸。

由于物理層是短波信道，因此將針對短波信道特征進行抽象，通過不同速率、不同等級的信道誤碼率、信噪比來表征信道。信道誤碼率等級分別為1e－5、1e－4、1e－3、1e－2。仿真設置如下圖所示。

圖3 仿真短波信道模型參數設置Fig．3 Reference configuration of simulation HF channel model

2． 3 業務模型

為了更能比較不同協議之間的性能，則需要在相同業務條件下，設計相同的業務處理模型。設計的業務長度按照一定的比列產生，更能模擬真實短波環境。業務模型參數如下表所示。

表1 仿真輸入與輸出參數Table 1 Input and output parameters of simulation

2． 4 仿真輸出參數定義

仿真輸出參數包括業務傳輸成功率及業務傳輸時延。業務傳輸成功率和時延可以判斷出不同協議在相同業務條件、網絡拓撲結構、信道誤碼條件下的對比分析。

業務傳輸成功率:在確定時間段內，全網成功發出業務的個數與全網產生業務總數之比。

業務傳輸時延:發送節點成功發出業務與接收節點成功接收到該業務的時間差。

3 仿真結果分析

信道誤碼仿真時，由于3個多址接入協議的業務傳輸受誤碼影響效果是一樣的，因此只對信令傳輸進行誤碼仿真。

在信道誤碼條件下，3個多址接入協議3G ALE、FLSU及HFTRP的傳輸性能如圖4－7所示。

圖4 業務間隔300 s時的傳輸成功率Fig．4 Success ratio of transmission under business interval of 300 s

圖5 業務間隔150 s時的傳輸成功率Fig．5 Successful ratio of transmission under business interval of 150 s

在1e－3以下信道誤碼率時，三個多址接入協議傳輸成功率均下降不明顯;在1e－2的信道誤碼率時，HFTRP已不能正常組網，FLSU、3G ALE傳輸成功率也有所下降，由于FLSU呼叫建鏈與業務建鏈同時完成，因此成功率仍優于3G ALE。

圖6 業務間隔300s時的傳輸時延Fig．6 Transfer Delay under business interval of 300 s

圖7 業務間隔150s時的傳輸時延Fig．7 Transfer Delay under business interval of 150 s

在1e－4以下信道誤碼率時，三個多址接入協議傳輸時延均無明顯上升;在1e－3的信道誤碼率時，HFTRP的傳輸時延有明顯增加，而 FLSU、3G ALE變化不大;在1e－2的信道誤碼率時，HFTRP已不能正常組網，3G ALE的時延有明顯增加，而FLSU在呼叫建鏈后利用呼叫信道發送業務報文，實現了呼叫信道與業務信道的合并，降低了業務信道不可靠的概率，故在時延上有明顯優勢。

由以上仿真可知，多址接入協議在信道誤碼影響下，FLSU最穩健，3G ALE穩健性次之，HFTRP由于存在令牌丟失風險，受信道誤碼影響較大。

4 結語

北約S4538標準的FLSU、美軍141B標準的3G ALE是比較實用的短波多址接入協議，FLSU在3G ALE的基礎上融合了呼叫建鏈和業務建鏈過程，并且將呼叫信道與業務信道合并，提升了建鏈效率和業務傳輸效率。

仿真結果表明，在一定信道誤碼條件下，FLSU、3G ALE以及HFTRP性能基本一致;在高信道誤碼率條件下，HFTRP受到信道誤碼的影響比較明顯，FLSU在性能上有明顯優勢;在信道誤碼影響下，FLSU最穩健，3G ALE次之，HFTRP受信道誤碼影響最大。

因此，小規模短波組網時，從性能考慮應優先采用FLSU機制。大規模短波組網時，由于競爭沖突的影響，需在后續工作中進行FLSU與3G ALE性能的研究對比，而HFTRP由于其性能受信道誤碼的影響很大，還需在后續研究中進一步完善改進。

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