短波3G-ALE信號鏈路層數據編碼分析*

吳培培，張 旻，史英春

（國防科技大學 電子對抗學院，安徽 合肥 230037）

0 引 言

短波通信以其通信距離遠、費用低廉、設備簡單、機動性強與抗毀頑存等優點，被廣泛應用于政治、軍事、外交與航海等重要領域，并且是戰時部隊戰術應急通信與戰略遠程指揮通信的重要手段之一[1]。

為滿足自適應短波數字通信在鏈路建立速度、網絡規模與信息吞吐量等方面需求的提高，美國國防部于1999年3月頒布了新一代中高頻無線電系統互操作性與性能標準——美軍標MIL-STD-188-141B，并在其附錄C中詳細規定了第三代短波自動鏈路建立（HF Third-Generation Automatic Link Establishment，3G-ALE）技術[2]。采用該技術的第三代短波自適應通信系統在信道利用率、鏈路建立速度與網絡接入等方面均有了很大提升，具有更強的適應性和生命力[3]。

第三代短波自適應通信以物理層3G-ALE信號為協議信息傳輸載體，在鏈路層實現鏈路建立、業務管理等關鍵通信過程的協議交互。因此，協議信息在整個通信系統中扮演著關鍵角色，協議信息的可靠傳輸對于通信系統的正常運行起著至關重要的作用。協議信息為一串比特流序列，為提高協議信息傳輸可靠性，在鏈路層對協議信息進行增加冗余比特、擴頻與加擾碼等數據編碼操作，形成八進制序列后再調制發射出去。與上一代2G-ALE信號相比，3G-ALE信號在鏈路層的數據編碼方式上更加復雜，對于協議信息傳輸可靠性的提高更加有效，相應地給非合作的通信對抗造成了更大困難。因此，針對3G-ALE信號鏈路層數據編碼原理與性能展開分析研究，仿真實現編碼結果，并通過對比實驗驗證數據編碼對于提高協議信息傳輸可靠性的重要作用，從而為后續深入研究3G-ALE信號的偵察接收處理與可行干擾等對抗技術奠定基礎。

1 第三代短波通信標準

美軍標MIL-STD-188-141B[4]包括了一整套完整的短波通信標準族，從上至下依次涉及短波子網絡層與高層、會話層管理、數據鏈路層以及物理層，如圖1所示。其中，在鏈路層與物理層對3G-ALE信號的協議信息、數據結構、編碼方式與信號樣式等內容做出了詳細規定。

圖1 美軍標MIL-STD-188-141B通信標準族

鏈路層實際上包括了自動鏈路建立（ALE）、業務管理（TM）、高速數據鏈路（HDL）、低速數據鏈路（LDL）與鏈路連接管理（CLC）等5個具體的子協議。ALE協議負責建立可靠的點對點或點對多點的通信鏈路；TM協議在此基礎上建立適合的業務傳輸鏈路，并完成通信業務的交互與管理；HDL與LDL協議提供高速與低速的數據傳輸業務，以分別適應較好信道條件下高數據量與較差信道條件下低數據量的傳輸要求；CLC協議用于完成鏈路連接的實時監控與優化[5-6]。

物理層使用5種不同的8PSK調制的突發波形（BW0～BW4，Burst Wave）作為鏈路層協議信息的傳輸載體，分別實現鏈路建立、控制管理與數據傳輸等功能。BW0用于自動鏈路建立，BW1用于業務管理與高速數據鏈路的確認，BW2用于高速數據傳輸，BW3用于低速數據傳輸，BW4用于低速數據鏈路的確認。5種突發波形統稱為3G-ALE信號，而每種突發波形都有各自不同的數據結構。

2 鏈路層數據編碼分析

2.1 數據結構特征

美軍標MIL-STD-188-141B規定，用于鏈路建立與數據傳輸的鏈路層協議信息的傳輸載體均為相同信號樣式的8PSK調制的突發波形，從而提高了通信系統的靈活性[7]。3G-ALE信號突發波形一般包含保護序列（TLC/AGC）、探測報頭序列（PRE）與有效載荷數據序列（DATA），如圖2所示。

圖2 突發波形數據結構特征

保護序列（TLC/AGC）用以保證呼叫方的發送電平控制與被呼方的自動增益控制在各自的探測報頭序列輸入前達到平穩狀態，并減小該過程帶來的失真；該序列是偽隨機的八進制序列，不需要另外復合偽隨機序列，可以直接進行調制。不同突發波形的探測報頭序列（PRE）是不同的偽隨機八進制序列，可用于完成波形捕獲、識別與同步。有效載荷數據序列（DATA）攜帶特定交互作用的協議數據單元（PDU）比特信息，經過鏈路層數據編碼后，實際傳輸為八進制序列。

2.2 數據編碼流程

為克服時變特性的短波信道對通信接收端正確接收判決的影響，通信發送端需要對3G-ALE信號突發波形攜帶的協議信息采取一定的用于抗擾糾錯的鏈路層數據編碼技術，通過增加大量冗余比特與擴頻等處理，提高協議信息的容錯糾錯性能，降低接收判決錯誤率，實現可靠傳輸。鏈路層數據編碼流程如圖3所示。

圖3 鏈路層數據編碼流程

比特協議信息在鏈路層主要完成卷積編碼、交織編碼、Walsh正交擴頻與偽隨機加擾等數據編碼操作，形成用于傳輸的八進制序列。以3G-ALE信號用于自動鏈路建立ALE協議的突發波形BW0為例，具體分析鏈路層數據編碼原理與性能。

2.2.1 卷積編碼

美軍標MIL-STD-188-141B規定了3G-ALE信號突發波形BW0采用編碼效率r=1/2、約束長度m=7的（2，1，7）卷積編碼，編碼器結構如圖4所示。

圖4 （2，1，7）卷積編碼器

編碼器每輸入1 bit信息元，相應地輸出一組2 bits編碼元

輸出的生成多項式為：

輸出的生成多項式為：

因此，突發波形BW0攜帶的26 bits協議信息，經過卷積編碼后輸出52 bits序列。通信接收端可使用Viterbi硬判決算法進行卷積譯碼，能夠產生一定的編碼處理增益[8]：

式中，r為編碼效率，為卷積碼自由距離。文獻[9]指出，（2，1，7）卷積編碼的卷積碼自由距離因此通信接收端能夠產生的編碼處理增益。

2.2.2 交織編碼

3G-ALE信號突發波形BW0采用4×13的塊交織編碼，交織器結構如圖5所示。

圖5 4×13塊交織器

從卷積編碼器輸出的52 bits序列，按行從左至右、從上至下讀入塊交織器，按列從上至下、從左至右讀出，即進行簡單的行列變換，實現將輸入信息序列置亂，輸出52 bits序列。

通信接收端按照相反規則，即按列從上至下、從左至右讀入解交織器，按行從左至右、從上至下讀出，就能夠將信道造成的連續突發錯誤離散為隨機錯誤，有利于錯誤被有效檢測并糾正[10-11]。

2.2.3 Walsh正交擴頻

與直接序列擴頻類似，3G-ALE信號突發波形BW0采用（64，4）的Walsh正交擴頻，通過對帶寬的擴展，降低對信噪比的要求。Walsh擴頻序列相互之間嚴格正交[12-13]，每4 bits映射為一組16符號序列，正交擴頻映射關系如表1所示。

表1 Walsh正交擴頻映射關系

Walsh正交擴頻調制器每次從塊交織器輸出的52 bits序列中取出4 bits，根據表1所示的正交擴頻映射關系將其映射為一組16符號序列，再進行4倍冗余。這樣每4 bits就映射為64符號序列，輸入52 bits序列最終映射輸出832符號擴頻序列。通信接收端進行解擴頻時，能夠產生的擴頻處理增益計算表達式為：

式中，k為輸入比特長度，N為映射輸出符號序列長度，N k即為擴頻因子。因此，（64，4）的Walsh正交擴頻在通信接收端解擴頻時，能夠產生的擴頻處理增益。

2.2.4 偽隨機加擾

盡管Walsh擴頻序列具有良好的相關性質[14]，但由于其不是偽隨機序列，取值具有明顯的規律性，使得自相關運算會產生較大旁瓣，并且僅在相位對齊時才呈現較好的正交性質，如圖6所示。因此，Walsh正交擴頻的擴頻性能并不理想。實際中，需要使用偽隨機序列作為擾碼序列進行加擾處理，將Walsh擴頻序列與偽隨機擾碼序列相結合形成復合序列，使擴頻序列隨機化，改善擴頻性能，增強信息傳輸保密性[15-17]。

圖6 Walsh擴頻序列的相關性質

提供給3G-ALE信號突發波形BW0的擾碼序列是256符號的偽隨機八進制序列，即：

將該偽隨機擾碼序列與Walsh正交擴頻調制器輸出的832符號擴頻序列，按符號進行模8和運算：

式中，為Walsh擴頻序列，為偽隨機擾碼序列，⊕表示模8和運算，為偽隨機加擾后的復序列。每256次模8和運算后，擾碼序列就重復一次。Walsh擴頻序列加偽隨機擾碼序列后的復合序列的相關性質如圖7所示。

圖7 Walsh擴頻序列加擾碼的相關性質

可以看到，復合序列消除了Walsh擴頻序列自相關運算時產生的較大旁瓣，同時相位非對齊時的互相關性質較好，并且使得擴頻序列變換成為近似隨機的序列，改善了Walsh正交擴頻性能。

3G-ALE信號經過以上鏈路層數據編碼，理論上可以通過卷積譯碼與解擴頻在通信接收端產生4+12=16 dB左右的處理增益，同時交織編碼提高了糾正連續突發錯誤的能力，并且通過偽隨機加擾將序列隨機化，因此大大提高了鏈路層協議信息傳輸可靠性。

3 仿真實驗

本章在實現編碼結果的基礎上，仿真3G-ALE信號突發波形BW0在高斯白噪聲信道中的傳輸情況。通過計算通信接收端解調的協議信息誤比特率，反映鏈路層數據編碼在有效提高協議信息傳輸可靠性上發揮的重要作用。仿真實驗參數設置如表2所示。

表2 仿真實驗參數設置

26 bits協議信息經過鏈路層數據編碼形成832符號八進制有效載荷數據序列后，在其前端依次添加256符號八進制保護序列、384符號八進制探測報頭序列，組幀形成1 472符號的突發波形BW0序列，如圖8所示。

圖8 突發波形BW0序列

BW0序列在物理層經過射頻調制被發射出去，已調制突發波形BW0如圖9所示。

圖9 已調制突發波形BW0

通信接收端在接收到3G-ALE信號后，首先對接收信號下變頻與頻域去干擾，之后依次通過解擾碼、解擴頻、解交織與卷積譯碼，解調還原得到協議信息。計算解調的協議信息誤比特率，并對比未經過鏈路層數據編碼的協議信息傳輸性能，不同信噪比下的誤比特率曲線如圖10所示。

圖10 不同信噪比下的誤比特率曲線

仿真結果表明，相比未經過鏈路層數據編碼，經過鏈路層數據編碼的協議信息的解調誤比特率具有15 dB左右的信噪比優勢。因此，通信接收端獲得的處理增益約為15 dB，與第2章的編碼分析結果一致，有效提高了協議信息傳輸可靠性。

4 結 語

針對短波3G-ALE信號鏈路層數據編碼進行研究，在分析信號的數據結構特征與數據編碼流程的基礎上，依次從卷積編碼、交織編碼、Walsh正交擴頻與偽隨機加擾等四個編碼操作，具體分析數據編碼提高鏈路層協議信息傳輸可靠性的機理，最后仿真實現編碼結果與傳輸性能。仿真結果表明，3G-ALE信號經過鏈路層數據編碼，通信接收端能夠獲得15 dB左右的處理增益，有效提高了協議信息傳輸可靠性。后續將在此基礎上深入開展3G-ALE信號的偵察接收處理與可行干擾技術的研究。

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