短波寬帶數(shù)據(jù)通信傳輸體制性能分析*

王董禮，曹 鵬，黃國策，孫啟祿，卓 琨

（1.空軍工程大學 信息與導航學院，陜西 西安 710077；2.93995部隊，陜西 西安 710306）

短波寬帶數(shù)據(jù)通信傳輸體制性能分析*

王董禮1，曹 鵬1，黃國策1，孫啟祿1，卓 琨2

（1.空軍工程大學 信息與導航學院，陜西 西安 710077；2.93995部隊，陜西 西安 710306）

針對短波寬帶數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯繜狳c，介紹分析兩種主流短波寬帶傳輸體制，從多個角度進行對比研究。結果表明，WBHF（Wideband High Frequency）對比HF XL（Thalse寬帶傳輸替代方案）頻譜可用性較差，射頻性能中相位噪聲較大，峰均功率比較低，抗干擾性能有限。WBHF和HF XL在不同指標方面各具優(yōu)勢，因此在實際頻譜環(huán)境下要根據(jù)傳輸需求選擇合適的傳輸方案。

短波通信；寬帶數(shù)據(jù)通信；WBHF；HF XL

0 引 言

短波以其超視距（Beyond Line of Sight，BLOS）通信優(yōu)勢和近垂直入射天波（Near Vertical Incidence Skywave，NVIS）傳播技術，一直是軍事通信、無盲區(qū)通信和應急通信的重要手段。傳統(tǒng)的3 kHz短波信道一般傳輸速率為600 bps[1]，即便是使用現(xiàn)代調制波形（STANAG 4539[2]或MIL-STD-188-110C附錄C[3]），在3 kHz信道上最高傳輸速率也不超過9.6 kbps[4]。隨著短波通信需求的不斷增長和網(wǎng)絡化應用的不斷拓展，窄帶低速數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)無法滿足通信發(fā)展的需求，因此短波寬帶高速數(shù)據(jù)傳輸成為研究的熱點。

目前，短波寬帶數(shù)據(jù)通信體制主要有兩種：一是基于美軍標MIL-STD-188-110C附錄D的WBHF（Wideband High Frequency），是單一連續(xù)帶寬最高為24 kHz（甚至更寬）的單載波傳輸體制；二是基于北約STANAG 4539標準的HF XL（法國Thalse公司的寬帶傳輸替代方案），是在多個不連續(xù)的3 kHz信道上（最多16個）進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩噍d波傳輸體制[5]。本文首先對WBHF和HF XL兩種寬帶體制進行詳細介紹，其次從頻譜可用性、射頻性能、峰均功率比和抗干擾的角度進行對比研究。結果表明，兩種寬帶體制針對不同的評價指標各具優(yōu)勢?？傮w而言，WBHF傳輸性能較好，對電臺要求較高，而HF XL使用較為靈活，能夠與現(xiàn)有電臺兼容，實現(xiàn)復雜度低。

1 美軍標MIL-STD-188-110C附錄D（WBHF）

2011年，美軍頒布最新的短波調制解調標準MIL-STD-188-110C。該標準在附錄D中定義了連續(xù)帶寬最高可達24 kHz的寬帶調制波形[3]，構成了WBHF的基礎。MIL-STD-188-110C附錄D以3 kHz為間隔，帶寬從3 kHz到24 kHz（共8種），數(shù)據(jù)傳輸速率從75 bps到120 kbps（共33種），4種交織深度可選，數(shù)據(jù)幀長度可變，共13種調制波形。110C打破了傳統(tǒng)的窄帶傳輸體制，是第一個完全意義上的寬帶數(shù)據(jù)傳輸標準。在WBHF體制中，用戶可以根據(jù)需求選擇不同的帶寬、調制方式、數(shù)據(jù)傳輸速率、交織深度和編碼約束長度等，可使調制解調器的效用達到最高。因此，WBHF比110B具有更高的選擇性和靈活性[6]。

WBHF傳輸體制所采用的幀格式由同步序列、數(shù)據(jù)塊和收發(fā)雙方已知的微探測序列組成。相較110B中單一帶寬數(shù)據(jù)幀長度固定而言，WBHF幀中數(shù)據(jù)塊和微探測序列隨著帶寬的變化而變化。其中，微探測序列一般采用工程上的FH（Frank-Heimiller）序列和QR（Quadratic-Residue）序列來對信道響應進行準確估計[7]。通常，WBHF寬帶數(shù)據(jù)通信技術體制中，隨著傳輸速率的下降，數(shù)據(jù)塊的長度減少，微探測序列的長度增加[4]。通過這種方式減少微探測序列之間的時間間隔來提高對多普勒擴展的容忍度，增加微探測序列的長度來提高對多徑時延的容忍度，但同時犧牲了數(shù)據(jù)傳輸效率。

為驗證WBHF的性能，2010年的跨大西洋鏈路實驗在12 kHz信道上實現(xiàn)了19.2 kbps和38.4 kbps的傳輸速率[8]。2011年的短波IP網(wǎng)絡實驗評估高速數(shù)據(jù)傳輸下短波IP協(xié)議的性能，在18 kHz帶寬天波鏈路上實現(xiàn)了72 kbps傳輸速率[9]。2013年，美國Rockwell公司對WBHF帶寬和傳輸速率進行了擴展研究，將帶寬擴展到30、36、42和48 kHz，并在48 kHz帶寬上實現(xiàn)了240 kbps的傳輸速率。該公司向110C技術咨詢委員會建議為110C標準增加一個新的附錄，以便為短波帶寬的進一步擴展研究提供標準[4,10]。美國進行的一系列實驗，對帶寬擴展后的短波波形的性能和互操作性進行了分析，驗證了WBHF的寬帶波形比窄帶波形具有更好的性能。

2 Thalse寬帶傳輸替代方案（HF XL）

由短波寬帶信道可用性[11-12]可知，短波信道隨著帶寬的增加可用性減小，連續(xù)帶寬較大的頻譜空洞數(shù)量較少、可用時間較短。但是，研究表明，不連續(xù)的窄帶頻譜空洞的數(shù)量較多[13]，因而如何有效利用這些分散的窄帶信道，實現(xiàn)高速的寬帶數(shù)據(jù)傳輸成為研究的重要方向。2012年，法國Thalse公司進行了寬帶傳輸替代解決方案——HF XL[14]。該傳輸體制中使用的寬帶波形與WBHF中所定義的不同，是在多個不連續(xù)的3 kHz信道上傳輸STANAG 4539標準所定義的窄帶波形。STANAG 4539標準建議使用多個獨立信道，在2～8個3 kHz信道上實現(xiàn)并行數(shù)據(jù)傳輸[2]，Thalse的HF XL在此基礎上進行了探索和改進。

HF XL是在連續(xù)的200 kHz頻段上，在多個不連續(xù)的3 kHz信道上，進行多路窄帶數(shù)據(jù)傳輸，其使用的傳輸信道如圖1所示。同時，多個使用HF XL波形的用戶可實現(xiàn)對200 kHz頻段的共享，以實現(xiàn)頻譜的高效利用，共享方式如圖2所示。在200 kHz頻段上實現(xiàn)多路窄帶傳輸，HF XL用戶首先要感知該頻段的頻譜狀況，然后對可用的頻譜空洞進行評估，動態(tài)地進行信道選擇，從中選出滿足HF XL用戶QoS（Quality of Service）需求的可用信道進行數(shù)據(jù)傳輸。當HF XL所使用的信道數(shù)為1時，就變成了傳統(tǒng)的STANAG 4539定義的窄帶波形。因此，HF XL可以與使用該標準的短波電臺完全兼容，且工程上容易實現(xiàn)，其傳輸系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖1 HFXL8信道體制

圖2 多個HFXL用戶頻段共享

HF XL支持在連續(xù)的寬帶信道上進行傳輸，只不過與WBHF的單載波相比，HF XL是把寬帶信道劃分為多個3 kHz窄帶信道，并在這些3 kHz信道上進行數(shù)據(jù)傳輸。Thalse公司在2012的首次驗證實驗中，在15個3 kHz信道和傳輸錯誤比特率小于10-5的要求下，實現(xiàn)的最高瞬時傳輸速率為138 kbps，并且在8～15條鏈路上實現(xiàn)了穩(wěn)定的64 kbps數(shù)據(jù)傳輸速率[14]。

3 性能對比

3.1 頻譜可用性

WBHF使用連續(xù)寬帶信道進行數(shù)據(jù)傳輸，由于寬帶頻譜空洞在整個短波頻段內數(shù)量較少，占用頻段較寬，易受突發(fā)干擾影響，因此可用性較差。HF XL使用多路窄帶波形進行數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)Thalse在法國Coulommiers地區(qū)頻譜可用性統(tǒng)計測量結果表明，8個3 kHz窄帶信道的可用性優(yōu)于連續(xù)12 kHz寬帶信道，且遠好于連續(xù)的24 kHz寬帶信道，同時，16個3 kHz窄帶信道與連續(xù)12 kHz寬帶信道的頻譜可用性相當，且在16個3 kHz信道上實現(xiàn)的吞吐量是24 kHz連續(xù)信道的兩倍[13]。HF XL相較WBHF，可選擇性和靈活性更強。例如，在200 kHz頻段上進行同等的24 kHz寬帶傳輸，HF XL需要使用8個3 kHz信道，共有6×109種可能的組合方式，而WBHF需要使用連續(xù)24 kHz寬帶信道，只有59種，遠小于HF XL。因而，短波頻段上多路窄帶信道在時間和空間上可用性較高，且HF XL可以通過自適應技術避開窄帶干擾，在實際運用中更加靈活。

3.2 射頻性能

與傳統(tǒng)的窄帶體制不同，寬帶體制對短波電臺的射頻性能提出了更高的要求。文獻[15]從調制錯誤比率和帶外輻射兩個指標對兩種體制中所使用波形的射頻性能進行分析研究，并從發(fā)射機的相位噪聲和功放的線性度兩方面對其進行對比。當發(fā)射機功率一定時，WBHF中波形隨著帶寬的增加，功率譜密度降低，增加了潛在的相位噪聲功率，使發(fā)射信號調制錯誤比率增大，系統(tǒng)性能降低。相比而言，HF XL是多載波窄帶并行數(shù)據(jù)傳輸，單個信道相位噪聲較低。但是，HF XL多載波調制波形比WBHF單載波帶外輻射更加嚴重，在發(fā)射機性能較大提升的情況下，帶外輻射只是一個中度的提高，且在相同發(fā)射水平和相等的24 kHz帶寬下，根據(jù)文獻[15]的仿真結果，帶外輻射的功率譜密度要高出WBHF 20～40 dB。

3.3 峰均功率比

峰均功率比（Peak to Average Power Ratio, PAPR）是多載波傳輸不可避免的問題。HF XL體制中，波形由多個載波疊加而成，當各個子載波相位相同或者相近時，疊加信號便會受到相同初始相位信號的調制，從而產(chǎn)生較大的瞬時功率峰值，由此帶來較高的峰均功率比。由于一般功放的動態(tài)范圍有限，所以峰均功率比較大的HF XL信號容易進入功放的非線性區(qū)域，導致產(chǎn)生非線性失真，從而造成明顯的頻譜擴展干擾和帶內信號畸變，致使系統(tǒng)性能嚴重下降。相對而言，WBHF體制單載波傳輸?shù)姆寰β时群艿汀Ｔ?4QAM高階調制下，峰均比為4.5～5.5 dB[16]，在單載波調制解調模式中既可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸，又可以降低峰均功率比。

3.4 抗干擾

在對傳輸可靠性要求較高的場合，HF XL多路窄帶數(shù)據(jù)傳輸可以使用頻率分集技術[17]，如圖3所示。數(shù)據(jù)流經(jīng)過信道編碼和交織后，通過串并變換把高速的數(shù)據(jù)流變成多路低速數(shù)據(jù)流。此時，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕梢栽谡{制解調器中引入頻率分集技術，把冗余信息調制在不同載頻上進行傳輸。由于每路信道數(shù)據(jù)傳輸速率相對較低，即便是在一路或多路信道干擾嚴重的情況下，也可以通過其他未受干擾的信道恢復出原有數(shù)據(jù)，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，對窄帶干擾和信道擾動有很強的抗干擾能力。而WBHF由于帶寬較寬，易受突發(fā)干擾的影響，且一般采用前向糾錯（FEC）和均衡技術來抵抗干擾和失真。但是，由于FEC糾錯能力有限，寬帶均衡技術實現(xiàn)較為復雜，無法使用頻率分集，因而其抗干擾能力有限。表1為WBHF與HF XL性能對比的情況。

表1 WBHF與HFXL性能對比

4 結 語

WBHF體制本質上是單載波單邊帶傳輸，能充分利用擴展的信號帶寬，在單音調制下實現(xiàn)寬帶數(shù)據(jù)傳輸。HF XL體制本質上是多載波單邊帶傳輸，通過串并變換把高速串行數(shù)據(jù)流變?yōu)槎嗦返退贁?shù)據(jù)流，適應信道衰落特性，可靠性較高。WBHF和HF XL兩種技術體制各具特點。如表1所示，它們分別適用于不同的應用環(huán)境和場景。例如，短波的低頻段十分擁擠，寬帶頻譜空洞較少，此時可以利用多個不連續(xù)的窄帶頻譜空洞，使用HF XL中定義的波形進行寬帶傳輸，提高頻譜利用率；而短波高頻段使用較少，此時可以使用WBHF體制的寬帶波形來進行高速數(shù)據(jù)傳輸?？傮w而言，WBHF傳輸性能較好，實現(xiàn)需要高性能的元器件，對電臺要求較高。而HF XL使用更加靈活，實現(xiàn)復雜度低，能夠與現(xiàn)有電臺兼容。

短波寬帶高速數(shù)據(jù)傳輸是短波通信的研究熱點，本文介紹分析WBHF和HF XL兩種寬帶數(shù)據(jù)通信技術體制，并從多個角度進行對比研究。為應用兩種寬帶數(shù)據(jù)通信技術體制，最重要的是信道選取問題。根據(jù)短波寬帶信道可用性，看似擁擠的短波頻段實則存在大量頻譜空洞，因而應用認知無線電技術，從擁擠的短波頻段中選擇可用的頻譜空洞，進而自適應選擇合適的寬帶體制進行寬帶傳輸，是下一步研究的重點。

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王董禮（1992—），男，碩士研究生，主要研究方向為短波認知通信；

曹 鵬（1982—），男，博士后，講師，主要研究方向為短波通信組網(wǎng)；

黃國策（1962—），男，碩士，教授，博士生導師，主要研究方向為軍事通信組網(wǎng)；

孫啟祿（1977—），男，博士，講師，主要研究方向為短波通信組網(wǎng)、衛(wèi)星通信;

卓 琨（1987—），男，博士，工程師，主要研究方向為短波裝備應用。

Performance Analysis of HF Wideband Data Communication Transmission Systems

WANG Dong-li1, CAO Peng1, HUANG Guo-ce1, SUN Qi-lu1, ZHUO Kun2
(1.School of Information and Navigation, Air Force Engineering University, Xi'an Shaanxi 710077,China；2. Unit 93995 of PLA, Xi'an Shannxi 710306, China)

Aiming at the research hotpot of the HF wideband data transmission, two major HF wideband data communication transmission systems are described and analyzed, and compared from multiple angles. Comparison with HF XL (Thalse's alternative solution for wideband transmission)indicates that WBHF (Wideband High Frequency) has fairly low spectrum availability, PAPR and anti-jamming performance, but is higher in phase noise of RF performance. In a word, WBHF and HF XL both have their own advantages, so it is necessary to choose proper transmission scheme in accordance with the actual spectrum environment.

HF communication; wideband data communication; WBHF; HF XL

China Postdoctoral Science Foundation(No.2013M532220)

TN92

A

1002-0802(2016)-07-0812-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.07.003

2016-03-10;

2016-06-13 Received date:2016-03-10;Revised date:2016-06-13

中國博士后科學基金（No.2013M532220）