一種新型短波寬帶傳輸技術

王　磊，張桂祥，康弘俊

(海軍駐北京地區通信軍事代表室，天津 300211)

Received date:2015-01-06；Revised date：2015-04-19

摘　要：3G-ALE提高了短波通信系統的可通率和可靠性。隨著應用的發展，現有短波傳輸技術很難滿足可靠高速的通信要求，由此短波寬帶傳輸技術成為研究熱點之一。詳細闡述了短波傳輸技術發展現狀和發展趨勢，引入一種新的寬帶傳輸方式，并根據寬帶傳輸特性改進3G-ALE建鏈方式，形成適合短波寬帶傳輸的鏈路建立方法。這種短波寬帶傳輸技術可以提高短波通信的可通率、縮短鏈路建立時間。

關鍵詞：寬帶；3G ALE；可通率

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.009

一種新型短波寬帶傳輸技術

王磊，張桂祥，康弘俊

(海軍駐北京地區通信軍事代表室，天津 300211)

Received date:2015-01-06；Revised date：2015-04-19

摘要：3G-ALE提高了短波通信系統的可通率和可靠性。隨著應用的發展，現有短波傳輸技術很難滿足可靠高速的通信要求，由此短波寬帶傳輸技術成為研究熱點之一。詳細闡述了短波傳輸技術發展現狀和發展趨勢，引入一種新的寬帶傳輸方式，并根據寬帶傳輸特性改進3G-ALE建鏈方式，形成適合短波寬帶傳輸的鏈路建立方法。這種短波寬帶傳輸技術可以提高短波通信的可通率、縮短鏈路建立時間。

關鍵詞：寬帶；3G ALE；可通率

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.009

收稿日期：2015-01-06；修回日期：2015-04-19

中圖分類號：TN91

文獻標志碼：碼：A

文章編號：號：1002-0802(2015)06-0672-05

Abstract：3G-ALE (Third Generation Automatic Link Establishment ) improves the available probability and reliability of HF (High-Frequency) communication system. With the development of applications, the current HF transmission technology is difficult to meet the requirements of high-rate and reliable communication, thus HF wideband transmission technique becomes one of the research hotspots. In this paper, the current situation and development trend of HF transmission technology is expounded in detail. A new wideband transmission mode is introduced, and 3G-ALE link establishment method is improved in accordance with the characteristic of wideband transmission, therefore a link establishment method suitable to HF wideband transmission is formed. The HF wideband transmission technology could improve the available probability of HF communication and shorten the time for link establishment.

作者簡介：

A Novel Wideband Transmission Technology of High Frequency

WANG Lei，ZHANG Gui-xiang，KANG Hong-jun

(Naval Representative Office of Communication in Beijing Area ，Tianjin 300211，China)

Key words：wideband; 3G-ALE; available probability

0引言

隨著電子技術的飛速發展，短波通信由單一化向數字化、網絡化發展。采用短波組網技術體制，一方面可以增加通信鏈路的抗毀性和頑存性，另一方面，可以在網內自動選擇最優鏈路，克服由于電離層條件變化對單條無線鏈路質量造成的影響。美軍標MIL-STD-188-141B是中高頻無線電系統互通性能標準，定義了第三代自動鏈路建立(3G ALE)技術體制，在實現快速鏈路建立、通信組網能力、信息吞吐量的改善上有很大提高[1]。

隨著應用需求的不斷發展，傳統3 kHz短波傳輸技術很難滿足要求，為此短波寬帶傳輸技術由于其在通信組網能力和信息吞吐量的優勢逐漸成為當前研究熱點之一。

本文結合短波寬帶傳輸技術國內外研究發展現狀提出一種新型短波寬帶傳輸技術，這種傳輸技術可以支持在窄帶上進行傳統3G建鏈，并支持在帶寬連續擴展的寬帶和多信道綁定的寬帶上進行快速、高效鏈路建立和通信。

1短波傳輸技術現狀簡介

1.1短波傳輸波形概述

短波調制解調技術方面，目前國外主要有美軍標MIL-STD-188-110系列標準和北約的STANAG 4539標準。其中MIL-STD-188-110A于1991年提出并得到廣泛應用，其傳輸帶寬3 kHz，最高傳輸速率為2 400 b/s(未編碼時4 800 b/s)。MIL-STD-188-110B于2000年提出，帶寬仍為3 kHz，增加了獨立邊帶(ISB)和多信道綁定模式，采用64QAM最高速率達到9 600 b/s(未編碼時12800b/s)，標準要求白噪聲下誤碼率1e-5的信噪比為21 dB(實際約需19 dB)，對實際信道有較高的要求[2]。

隨著業務需求的發展短波高速傳輸成為新的發展趨勢。目前短波寬帶高速傳輸主要有兩種技術路線，一是以美軍標MIL-STD-188-110C為代表[3]，在連續的24 kHz寬帶上傳輸，另一個是THALES的基于多信道綁定(XL)技術的寬帶傳輸，將N個3 kHz綁定在一起實現高速傳輸。2011年提出了MIL-STD-188-110C，將傳輸帶寬最高擴展到了24 kHz，采用64QAM時最高速率達到76.8 kb/s(8/9碼率時可達96 kb/s),采用256QAM是達到120 kb/s，白噪聲下需要約30 dB。

THALES公司的HF XL技術，在200 kHz的帶寬中選n×3 kHz信道來實現高速傳輸[4]。其指導思想是：短波信道頻率十分擁擠，一個連續未被占用的24 kHz信道比在200 kHz找到8個干凈的3 kHz信道概率要低得多，后者有6×109種可能的組合，而連續的24 kHz只有59種可能[5]。與110C相比，XL技術可以得到更高的通過率和可通率。試驗觀測表明，8×3 kHz出現的概率遠高于24 kHz；16×3的可用性與24 kHz相當，因此其傳輸速率應該優于MIL-STD-188-110C的方法。2012年，THALES公司針對該技術開展測試，在300 km的距離上采用15個獨立3 kHz信道能夠偶爾能夠達到138 kb/s通信速率，誤碼率為10e-5量級，采用8～15個獨立3 kHz信道基本上能夠實現全天可通64 kb/s速率，誤碼率為10e-5量級。

1.2短波鏈路建立概述

短波通信最核心的問題在于選擇個合適的工作頻段和工作頻率，頻率的選擇決定了通信的效果，甚至成敗，自動控制通信技術是實現短波通信自動化的一項革命性技術，已經發展到第三代(3G-ALE，MIL-STD—181-141B)。目前外軍使用的技術主要美軍標MIL-STD-188-141系列和北約的STANAG 4538。作為第二代技術的141A，采用FSK和異步建鏈技術，建鏈速度慢，支持的網絡規模小，而3G業務和建鏈均采用PSK調制，且支持同步模式，具有較快的建鏈速度和網絡支持能力[1，6]。

3G-ALE支持兩種工作模式，分別是異步模式與同步模式。異步模式與第二代鏈路建立協議兼容。在同步模式下，在特定時間主叫方知道被叫方所在的信道，所以只需在相應信道上進行呼叫。第三代短波通信系統工作在同步模式下，第三代自動鏈路建立協議才能達到最好的效率。

3G-ALE引入駐留組(Dwell Group)的概念，將網絡中的所有電臺劃分成多個組。同一時間，同一駐留組內的電臺工作在同一信道上，而不同的組工作在不同的信道上，這樣可以降低系統的阻塞。而呼叫電臺也能清楚地知道目的電臺所在的信道，減少電臺的信道駐留時間。

在每個頻率上的駐留時間為5.4 s，駐留一個呼叫信道和一個業務信道如圖 1所示。5.4 s又細分為1個偵聽時隙(時隙0)和5個呼叫時隙(時隙1、時隙2、時隙3、時隙4、時隙5)。駐留時隙結構劃分如圖2所示。

圖1　3G-ALE每個駐留時隙掃描偵聽頻率情況

圖2　3G-ALE一個駐留時隙的子時隙劃分示意

3G-ALE系統中的臺站開機以后，會根據預先設置的信道列表開始對各個信道進行不斷地掃描，當收到其他臺站呼叫或打算呼叫其他臺站就會離開當前掃描狀態。當有呼叫發起時鏈路建立流程如圖3所示。首先在時隙0上調諧到呼叫信道并偵聽業務信道是否被占用，如果業務信道被占用則延遲一個駐留時間繼續進行偵聽呼叫，如果業務信道空閑則根據呼叫優先級確定在哪一個時隙發起呼叫。在發起呼叫的前一個時隙，偵聽呼叫信道，如果呼叫信道被占用則推遲一個時隙繼續偵聽發送，如果呼叫信道空閑則在下一個時隙發起鏈路建立呼叫PDU。被叫臺站收到鏈路建立呼叫PDU后，在下一個時隙回復鏈路建立應答PDU，呼叫臺站根據收到的應答PDU中的鏈路ID來判斷是否為所要呼叫的目標臺站，并確定業務信道。則雙方臺站調諧到特定的業務信道進入業務管理階段，完成鏈路建立。如果呼叫方臺站沒有收到來自被叫方的呼叫應答，則會進入被叫方臺站的下一個呼叫信道繼續呼叫。

圖3　3G-ALE鏈路建立基本流程

1.3現有技術分析

現有短波傳輸技術物理層基本采用3 kHz波形，結合3G-ALE技術很大程度上提高了短波通信的可靠性和可通率，但是存在傳輸速率較低，很難實現高速數據傳輸；當某個業務信道被占用或者呼叫信道信道質量較差時，會導致鏈路建立時間長等缺點。

新研的連續帶寬擴展的寬帶波形如MLI-STD-188-110C定義的寬帶波形可以實現短波信道上的高速傳輸。但是在擁擠的短波信道找到帶寬為24 kHz的好信道比較困難。

2新型短波寬帶傳輸技術

如上文所述短波寬帶波形主要有兩種體制，一種是110C定義的寬帶波形為代表的基于連續帶寬擴展的寬帶波形，一種是基于XL的寬帶波形技術。本文提出的新型短波寬帶傳輸與Thales的XL技術相比，在物理層傳輸技術上，新型短波寬帶傳輸技術支持基于XL技術的多信道綁定寬帶波形，同時具備帶寬連續擴展的寬帶波形；從鏈路技術上，新型短波寬帶傳輸技術基于頻譜動態感知信息動態選擇采用基于XL技術的寬帶傳輸和連續帶寬擴展的寬帶傳輸模式。融合了基于XL技術的寬帶波形作為一種新型短波寬帶傳輸技術有傳統窄帶波形和連續帶寬擴展寬帶波形所不具備的一些重要特征。

2.1新型短波寬帶傳輸波形

110C定義的寬帶波形是對傳統3 kHz波形直接進行帶寬擴展，將符號速率從2.4 kHz提升為19.2 kHz來實現24 kHz寬帶波形，可以使用低階調制實現高速通信，110C24 kHz波形采用8PSK調制可以實現38 400 b/s通信速率，從而獲得較好的調制解調性能。基于XL技術的新型短波寬帶傳輸波形使用若干個3 kHz獨立信道進行綁定形成離散型的寬帶信號，這種離散化傳輸機制類似于頻率分集，為基帶信號處理提供了各種處理可能。

新型短波寬帶傳輸波形調制解調原理圖如圖4所示，其基本思路是將信源進行編碼交織，隨后分別將編碼數據調制到200 kHz帶寬內的若干載頻上，形成一個如圖 5所示在頻譜上非連續的寬帶信號，經短波寬帶電臺發送。接收端在通過動態頻譜感知技術以及建鏈握手協議來識別哪幾個載波上存在有效信號，并進行獨立解調，隨后對各個解調信號進行解交織譯碼處理。信號帶寬可以根據信道質量配置為多個3 kHz信號或者幾個帶寬連續擴展的寬帶信號。

圖4　新型短波寬帶傳輸調制解調原理

圖5新型短波寬帶高速傳輸信號示意

2.2短波寬帶鏈路建立設計

新型短波寬帶傳輸波形可以在200 kHz帶寬內檢測多個離散化信道，并可以完成獨立調制解調。基于新型短波寬帶波形特點對3G-ALE鏈路建立方法進行修改，考慮兼容性，時隙結構沿用圖 2所示的時隙結構，主要改進點是：①在發偵聽階段對多個業務信道(業務信道簇)進行偵聽，如果有大于等于1個業務信道空閑即可發起呼叫；②在呼叫信道偵聽階段對多個呼叫信道(呼叫信道簇)進行偵聽，如果大于等于1個呼叫信道空閑則可以在下個時隙發起呼叫；③呼叫和業務傳輸階段均支持在同時使用多個信道的寬帶傳輸[7]。

系統臺站在開機后，在預置的呼叫信道簇上掃描偵聽，監聽是否有呼叫信號，當接收到呼叫或者本地有呼叫發起時退出掃描狀態。如本地有呼叫發起，臺站進入短波寬帶鏈路建立流程，如圖6所示。

圖6　新型短波寬帶傳輸技術鏈路建立流程

呼叫臺，在時隙0偵聽業務信道簇，如有空閑的業務信道，則根據呼叫優先級在后面時隙發起呼叫。如果業務信道簇內所有業務信道均被占用，則推遲一個呼叫駐留時隙發起呼叫。

在發起呼叫的前一個時隙偵聽呼叫信道簇，如果所有呼叫信道均被占用，則推遲一個時隙繼續偵聽呼叫信道簇；如果有呼叫信道空閑，則在下一個時隙發起呼叫。

被叫端在呼叫信道簇上檢測呼叫信令，如果在某一個信道上監聽到呼叫信令，且臺站ID信息符合要求，被叫節點在下一個時隙回復呼叫應答。其中呼叫應答包含了鏈路建立成功后若干個可用業務信道信息。

主叫端偵聽呼叫信道簇，當接收到呼叫應答時，鏈路建立成功。隨后兩臺站可以在多個獨立的業務信道上進行高速通信。

通過如上描述，與3GALE相比新型短波寬帶傳輸技術支持同時對多個業務信道進行監聽，避免因某一信道占用而增加建鏈時間；支持在多個呼叫信道上發起呼叫，提高呼叫建鏈成功概率；支持在多個業務信道上采用多信道綁定或者某個業務信道上使用連續帶寬擴展的寬帶傳輸，從而提高業務傳輸能力。

2.3新型短波寬帶傳輸技術性能分析

新型短波寬帶傳輸技術采用融合基于XL技術的寬帶傳輸技術可以提高短波通信系統的可通率可靠性并提供高速通信和縮短建鏈時間。

(1)系統可通率和可靠性的提高：短波通信的主要問題在與選頻，由于采用XL技術，新型短波寬帶傳輸可以在200 kHz內選擇若干個好的3 kHz信道，進行寬帶鏈路建立，可以充分利用頻率縫隙資源。在接收端只要有一個獨立3 kHz信道滿足解調性能要求即可實現鏈路建立，同時還可以通過多個獨立信道頻率分集獲取接收增益進一步提高解調性能，從而實現高可通率和高可靠性的短波通信。

(2)傳輸能力的提高：通過融合XL技術和連續帶寬擴展的寬帶傳輸技術，實現帶寬自適應擴展，根據業務需求和200 kHz內信道質量，為用戶提供高速通信。

(3)鏈路建立時間的縮短：新型鏈路技術跟3G-ALE相比能夠更快的完成建鏈。在業務信道偵聽階段同時偵聽多個業務信道，只要有一條可用即可觸發快速建鏈，同時只要有一個呼叫信道可用即可實現快速建鏈。

3結語

3G-ALE技術的出現極大程度的解決了短波通信的選頻問題，結合傳統的傳輸技術極大的提高了短波通信的可通率以及可靠性，相對于2G通信，降低了鏈路建立時延，但是存在通信帶寬窄難以支撐高速傳輸，每個駐留時隙偵聽一個頻率，通信可靠性、通信質量和鏈路建立時延受頻率質量和頻率占用情況影響較大。

新型短波寬帶傳輸技術采用基于XL技術的寬帶傳輸，使短波通信系統不再因某一個頻率被占用而產生時延，不再因某一個頻率信道質量差而嚴重影響系統可通率和傳輸可靠性。針對緊急業務，新型短波寬帶鏈路協議可以在多個信道上完成建鏈和業務快速傳輸。針對大文件，可以通過選用多個3 kHz信道，實現寬帶高速高效傳輸。

新型短波寬帶傳輸技術更能自適應的選擇通信頻率，可以達到快速建鏈、高速可靠傳輸，提高短波通信系統的可通率和可靠性。

下一步需要對新型短波寬帶傳輸技術中的動態頻譜感知、鏈路建立協議、網絡頻率管理等專題技術進行深入研究。動態頻譜感知技術需要解決200 kHz帶寬內哪些信道可用、可用帶寬是多少等問題，為新型寬帶傳輸技術提供頻譜感知信息。鏈路建立協議主要解決如何實現鏈路高效、快速、可靠建立，并順利完成傳輸帶寬、綁定信道、傳輸速率等信息的協商等問題。網絡頻率管理主要研究基于XL技術的網絡頻率使用情況，減輕或避免網絡頻率擁塞現象，解決頻率使用管理控制。

參考文獻：

[1]王志文.短波3G ALE同步組網技術研究及仿真[J]. 通信技術，2013,46(09): 64-67.

WANG Zhi-wen. Simulation of High Frequency 3G-ALE Synchronization Mode[J]. Communications Technology, 2013,(09): 64-67.

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[5]Catherine Lamy-Bergot, Chantelouve J-B, Leménager C. Spectrum Issues for HF Wideband Communications[DB/OL].(2012 - 09 - 06) [2015 - 03 -28].http://hfindustry.com/meetings_presentations/presentation_materials/2012_sept_hfia/presentations/HFIA_Thales_spectrumoccupancy_sept2012.pdf.

[6]Department of Defense USA. MIL-STD-188-141B, Interoperability and Performance Standards for Medium and High Frequency Radio System[S]. USA: Standard Agreement USA,1999.

[7]Catherine Lamy-Bergot, Chantelouve J-B, Diakhaté H. Wideband HF Transmissions: towards wideband ALE[DB/OL].(2014-02-13) [2015 - 03 - 28]. http://hfindustry.com/meetings_presentations/presentation_materials/2014_feb_hfia/presentations/8-HFIAfeb2014 ThalesXLALEfinal.pdf.

王磊(1974—)，男，學士，工程師，主要研究方向為通信工程；

張桂祥(1982—)，男，碩士，工程師，主要研究方向為信號處理和短波通信；

康弘俊(1977—)，男，碩士，高工，主要研究方向為無線通信系統和短波通信。