短波通信的高速數據鏈路協議性能研究

田 甜

（西安烽火電子科技有限責任公司，陜西 西安 710000）

0 引 言

短波通信是常用無線通信方式中的一種，其波長一般在10～50 m，工作頻率范圍在6～30 MHz。隨著技術的革新，出現了多種新型無線通信方式，但是短波通信具備成本低、結構簡單以及靈活性高等優點，仍然受到廣泛關注。隨著現代通信需求對通信系統性能要求的提高，通信系統向著數字化、網絡化以及高度集成化的方向發展，未來無線通信技術的主要發展方向之一將是數據和圖像的高速傳輸，短波通信將在無線通信領域發揮重要作用。隨著短波通信受到許多國家的重新重視，短波通信技術得到了進一步發展，已在傳媒、氣象、交通以及網絡通信等多個領域得到應用[1]。2001年，美國修訂了第三代短波通信協議，并增加了數據鏈路自動建立機制，有效解決了第二代短波通信中存在的多種問題，對大規模和高密度型的短波通信系統具有很好的適應性[2]。第三代短波通信協議主要的改進設計包括以下3點，一是利用交替呼叫大幅度降低了數據建鏈時間，二是在低信噪比的情況下仍能保證自動建鏈的可靠性和成功率，三是采用高速數據鏈路協議，提升系統的傳輸可靠性[3-5]。

當前，我國現有的短波電臺型號較為繁雜且功能較為單一，電臺之間的差異性較大。采用第二代短波自動建鏈協議時，由于第二代協議具有一定的局限性，因此限制了不同類型電臺之間通信[6]。加快對第三代短波通信標準的研究和應用對提高我國短波通信技術水平具有重要意義，本文針對短波通信中的高速數據鏈路協議，分析其原理與性能，并利用MATLAB軟件對其進行仿真，研究該協議在數據傳輸誤碼率和丟包率方面的性能。

1 高速數據鏈路協議原理

短波通信的高速數據鏈路協議主要為點對點通信提供分組數據傳輸，在已經建立短波業務鏈路和信道質量較好時實現數據的高速傳輸。由于傳輸的數據分組長度較長，可選擇使用ARQ混合傳輸機制實現容錯控制，從而提高數據傳輸穩定性。高速數據鏈路協議的數據幀結構如圖1所示，其首先會將待發送的數據分割成多個長度固定的數據段，所有數據段及數據段所處的位置序號組成了整個數據分組。數據分組再通過組合構成要發送的數據幀，當發送完一條完整的數據幀后會收到接收方的一個確認信息[7]。

圖1 高速數據鏈路協議的數據幀結構

高速數據鏈路協議中定義了兩種協議數據單元，分別為數據幀和應答幀。數據幀主要使用BW2波形實現調制，應答幀主要使用BW1波形實現調制。高速數據鏈路協議在進行數據發送時，數據發送端和數據接收端采用交替方式進行數據幀和應答幀的傳輸，數據發送端完成一幀數據發送后需要等待接收數據接收端反饋的應答幀，并且對發送結果進行查詢，按順序檢查發送幀中的每個數據分組。如果檢查發現數據分組被正確發送，則將該數據分組位置上的數據更新為下一組需要發送的數據分組，以待下一個發送周期進行數據發送[8]。如果檢查發現數據分組未能得到準確接收，則將該數據分組的數據進行保存，待下一個發送周期對數據進行重新發送。

2 ARQ混合技術

高速數據鏈路協議為了降低誤碼率和丟包率，采用ARQ混合技術進行收發控制。ARQ混合技術是指將前向糾錯技術和自動重傳技術聯合運用，其中前向糾錯技術可以降低對數據的重發次數，減少常見傳輸錯誤的出現幾率，自動重傳技術是在傳輸錯誤無法糾正的情況下進行數據的重傳[9,10]。結合前向糾錯技術和自動重傳技術，有效利用二者的優勢，提高數據的吞吐速度和傳輸的可靠性。高速數據鏈路協議采用ARQ混合技術進行收發控制，首先通過CRC校驗與卷積編碼處理數據分組，然后通過無線數據對數據進行傳輸。高速數據鏈路協議所采用的卷積編碼流程如圖2所示，總共分為4類編碼類型，分別對應了4個編碼分支。在進行數據發送前，數據分組在進行卷積編碼時循環使用4個編碼分支。

圖2 卷積編碼流程

在數據傳輸過程中，假定某個數據分組正在使用第N個編碼分支，如果該數據分組傳輸正常，并收到接收端反饋的正確應答幀，則收到應答幀后進行先一個數據分組的發送。如果接收到應答幀反饋數據信息錯誤，則發送端選用第N+1個編碼分支，重新發送數據分組。接收端接收到數據后，將數據與上一組錯誤數據進行比對與合并譯碼操作。如果解碼發現數據依然錯誤，則選用第N+2個編碼分支對數據進行第二次重新發送，接收端對接收的第三次數據再進行對比與合并譯碼操作。依次類推，發送端通過重新選用編碼分支和數據重發，直到實現數據分組的正確傳輸或著達到設定的最大重發次數，則結束發送操作。利用重發機制增加了信息冗余，充分利用了信道增益，可很好地降低數據傳輸過程中的誤碼率和丟包率，提升高速數據鏈路協議的性能。

3 協議性能仿真

高速數據鏈路協議采用了較為嚴格的時間定時機制，從而保證建立數據鏈路的快速性，以提升數據傳輸效率。要求定時控制通信鏈路的建立，對數據鏈路建立的全過程進行定時控制，以確保數據的準確同步。在建立數據鏈路的過程中，發送端和接收端要一直保持時鐘同步，要求收發兩端進行精準定時，保證高速數據鏈路協議能夠進行數據的同步傳輸。高速數據鏈路協議對數據編碼、波形處理以及波形發送等操作環節設定了明確的時延長度，在定時參數設定的條件下，測試高速數據鏈路協議的丟包率和誤碼率。

高速數據鏈路協議采用的是基于ARQ混合技術的控制機制，在不同傳輸次數的情況下，其誤碼率和丟幀率也不相同。本文選用快衰落瑞利信道作為仿真信道，按照上文所述的卷積編碼方式進行信道的編碼，其數據幀的長度設定為2 048 bits。通過MATLAB軟件進行系統仿真，獲得誤碼率隨信噪比變換曲線如圖3所示，丟包率隨信噪比變換曲線如圖4所示。由誤碼率和丟包率的變化曲線可以看出，數據重傳次數越多，其誤碼率和丟包率會越低。利用ARQ混合技術提升信道的分集增益，降低數據的誤碼率和丟包率，從而提升系統的可靠性。

圖3 誤碼率隨信噪比變換曲線

圖4 丟包率隨信噪比變換曲線

高速數據鏈路協議適用于高信噪比的環境，當數據信噪比較低時，對數據分組的重傳次數將會增加，當信噪比增大時，對數據分組的重發次數將會明顯下降。當信噪比提升至25 dB以上時，對數據分組的平均重發次數可以控制在一次以內。另外，采用ARQ混合技術，當數據分組越多時，其相對的時間開銷反而越小，從而提高了高速數據鏈路協議的數據吞吐量。

4 結 論

高速數據鏈路協議是第三代短波通信技術的重要通信協議之一，在信道質量較好的情況下，可利用該協議實現數據的高速和大規模傳輸，從而提升短波通信的吞吐量。本文利用瑞利衰落信道對高速數據鏈路協議進行仿真，高速數據鏈路協議采用ARQ混合技術進行數據傳輸控制，隨著數據重發次數的增加，其誤碼率和丟包率明顯降低。在選用ARQ混合技術的情況下，當發送幀中的數據分組越多時，能夠獲得的數據吞吐量越大，并且隨著信噪比的增加，數據吞吐量同樣能夠得到提升。