第4 代短波自動(dòng)建鏈技術(shù)及其抗干擾技術(shù)進(jìn)展*

王鵬，黃偉強(qiáng)，陳曉天

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引言

短波通信覆蓋3～30 MHz 的頻率范圍，是通過(guò)電離層反射的天波實(shí)現(xiàn)的超視距通信，是保證國(guó)計(jì)民生所需通信不中斷的最后手段。

由于太陽(yáng)輻射、太陽(yáng)黑子、地磁活動(dòng)等影響，短波信道傳輸面臨多徑、色散、衰落等惡劣環(huán)境[1]。此外，短波通信可用頻率窗口不僅隨時(shí)間變化，還受存在的大量工業(yè)干擾的影響。通過(guò)對(duì)通信質(zhì)量進(jìn)行自動(dòng)動(dòng)態(tài)評(píng)估，選擇最優(yōu)頻點(diǎn)建立通信鏈接的自動(dòng)建鏈（Automatic Link Establishment，ALE）技術(shù)是目前短波電臺(tái)通信常用的手段。由于短波電臺(tái)每次數(shù)據(jù)傳輸前先利用ALE 根據(jù)業(yè)務(wù)類型需求進(jìn)行頻率選擇，因此建鏈波形的機(jī)制及性能也近似決定了短波通信的效能。于是短波通信的發(fā)展階段也通常以ALE 的發(fā)展來(lái)劃分，在2017 年以美軍發(fā)布的MIL-STD-188-141DInteroperability and Performance Standards for Medium and High Frequency Radio Systems為代表的第4 代自動(dòng)建鏈（4G-ALE）技術(shù)的出現(xiàn)，以及寬帶通信MIL-STD-188-110DInteroperability and Performance Standards for Data Modems波形標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，標(biāo)志著短波通信正式進(jìn)入第4 代。

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)短波研究的進(jìn)展，面向國(guó)內(nèi)短波寬帶通信需求，探討支持短波寬帶通信的4G-ALE波形。

1 短波建鏈技術(shù)發(fā)展

為應(yīng)對(duì)天波傳輸中復(fù)雜時(shí)變色散信道及各種干擾，國(guó)內(nèi)外短波通信專家們針對(duì)短波通信的建鏈體制，包括波形性能、抗干擾性、配合數(shù)據(jù)傳輸效能等方面開(kāi)展了大量的研究工作[2-3]。

為配合早期基于3 kHz 帶寬的MIL-STD-188-110A[4]和MIL-STD-188-110B[5]的短波數(shù)據(jù)傳輸波形，美軍及國(guó)際電聯(lián)發(fā)布了第2 代自動(dòng)建鏈（2G-ALE）標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-188-141A[6]和第3 代自動(dòng)建鏈（3G-ALE）標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-188-141B[7]。為進(jìn)一步提高短波數(shù)據(jù)傳輸能力，美軍于2012 年發(fā)布的MIL-STD-188-110C[8]標(biāo)準(zhǔn)將帶寬擴(kuò)展到6～24 kHz，最高速率可達(dá)120 kbit/s。2017 年，美軍又發(fā)布了MIL-STD-188-110D[9]標(biāo)準(zhǔn)，補(bǔ)充了30～48 kHz 寬帶波形，最高速率可達(dá)240 kbit/s[10]，同年發(fā)布短波寬帶建鏈標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-188-141D[11]。國(guó)內(nèi)外ALE 技術(shù)發(fā)展概況如圖1 所示。

圖1 國(guó)內(nèi)外ALE 技術(shù)發(fā)展概況

1.1 短波2G/3G 自動(dòng)鏈路建立（2G/3G-ALE）

1988 年，美軍發(fā)布了第2 代短波自動(dòng)鏈路建立（2G-ALE）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-188-141A，規(guī)定了建鏈波形、信道自動(dòng)掃描、自動(dòng)鏈路建立及鏈路質(zhì)量統(tǒng)計(jì)等功能，很好地滿足了80～90 年代以話音通信為主且對(duì)數(shù)據(jù)通信要求不高的場(chǎng)景需求，因此成為全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)也制定了類似標(biāo)準(zhǔn)GJB 2077—94《短波自適應(yīng)通信系統(tǒng)自動(dòng)線路建立規(guī)程》[12]。但2G-ALE 采用8FSK 調(diào)制的異步建鏈方式，其所需建鏈時(shí)間較長(zhǎng)，抗干擾能力較弱，如圖2所示；此外，2G-ALE 建鏈比低速數(shù)據(jù)傳輸波形的信噪比高，導(dǎo)致在低速數(shù)據(jù)傳輸可通情況下，因不能建鏈而無(wú)法通信等問(wèn)題。

圖2 短波2G 通信（天波）時(shí)頻及建鏈持續(xù)時(shí)間

美軍于1999 年發(fā)布了第3 代短波自動(dòng)鏈路建立技術(shù)（3G-ALE）標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-188-141BInteroperability and Performance Standards for Medium and High Frequency Radio Systems，除規(guī)定了建鏈波形，還規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸波形，以及建鏈波形和數(shù)據(jù)傳輸波形之間的配合協(xié)議，即鏈路維護(hù)（Automate Link maintainess，ALM）。與2G-ALE技術(shù)相比，如圖3 所示，3G-ALE 的建鏈和數(shù)據(jù)傳輸均采用了PSK 調(diào)制，具有魯棒建鏈和快速建鏈兩種方式，并增加同步機(jī)制，加快了鏈路建立速度，降低了建鏈信噪比要求。通過(guò)ALM 機(jī)制，采用混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求（Hybrid Automatic RepeatreQuest，HARQ）方式，提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏侣屎涂垢蓴_性。國(guó)內(nèi)也制定了類似標(biāo)準(zhǔn)GJB 2077—94《短波自適應(yīng)通信系統(tǒng)自動(dòng)線路建立規(guī)程》[13]。

圖3 短波3G 通信（天波）的時(shí)頻及建鏈持續(xù)時(shí)間

1.2 短波4G 自動(dòng)鏈路建立（4G-ALE）

為了支持短波寬帶傳輸，美軍在2011 年發(fā)布了MIL-STD-188-141C[14]標(biāo)準(zhǔn)，僅明確了3G 快速建鏈采用STANAG 4538，未對(duì)寬帶波形建鏈給出規(guī)范，這也導(dǎo)致從2011 年開(kāi)始一直沒(méi)有寬帶通信電臺(tái)面世。直到2017 年美軍才發(fā)布了支持寬帶自動(dòng)鏈路建立（WideBand ALE，WALE）的MIL-STD-188-141D 標(biāo)準(zhǔn)，采用頻譜感知技術(shù)在優(yōu)選頻率上可變信道及信號(hào)帶寬，并兼容3G-ALE 的信號(hào)接收。之后，各大公司紛紛推出短波4G 通信體制。

4G-ALE 主要有WALE、3 代寬帶通信（3G Wide Band，3GWB）、短波自適應(yīng)寬帶通信（HF XL）、短波認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)通信（Cognitive Networked HF，CNHF）4 種體制。其中，WALE 是由Rockwell Collins 主導(dǎo)的4G-ALE標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-188-141D，3GWB是由L3Harris 主導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)，HF XL 是由THALES 主導(dǎo)的STANAG 5070（ALE）+STANAG 4539（數(shù)據(jù)傳輸）標(biāo)準(zhǔn)，CNHF 是由芬蘭KNL 公司研制的寬帶體制。

2 短波4G-ALE 體制的抗干擾機(jī)制

4G ALE 最大的特點(diǎn)就是增加了頻譜感知，收發(fā)雙方根據(jù)交互的信道傳輸實(shí)時(shí)情況，在優(yōu)選頻率附近自動(dòng)調(diào)整信道頻率及波形的帶寬、調(diào)制方式、數(shù)據(jù)速率等參數(shù)，使得傳輸魯棒性和吞吐率極大提升。短波4G-ALE 建鏈交互邏輯關(guān)系如圖4 所示。因?yàn)閷拵w制需要同時(shí)升級(jí)硬件，各公司考慮到自己產(chǎn)品的兼容性及應(yīng)用方式，其建鏈體制和抗干擾機(jī)制也有所不同。

圖4 短波4G-ALE 建鏈交互邏輯關(guān)系

2.1 WALE

WALE 延續(xù)了3G ALE 的思路，提供了魯棒建鏈（Deep）和快速建鏈（Fast）兩種PSK 調(diào)制波形，其中魯棒建鏈波形為波形使用75 bit/s 數(shù)據(jù)速率，快速波形使用750 bit/s 數(shù)據(jù)速率。建鏈性能上Deep 波形和3G-ALE 建鏈性能相似，F(xiàn)ast 波形與2G-ALE 性能相似，但由于Fast 波形持續(xù)時(shí)間約為200 ms，極大地縮短了建鏈時(shí)間，使得抗干擾性能明顯增強(qiáng)。短波WALE 通信過(guò)程的時(shí)頻圖及建鏈持續(xù)時(shí)間如圖5 所示。

圖5 短波WALE 通信過(guò)程的時(shí)頻及建鏈持續(xù)時(shí)間

2.2 3GWB

3GWB也在MIL-STD-188-141D 中的5.5.7 節(jié)中作為參考項(xiàng)提出。實(shí)際上3GWB 仍使用3G-ALE建鏈波形，僅為自適應(yīng)寬帶通信而增加了用于ALM的感知交互波形。ALM 波形采用8PSK 調(diào)制，持續(xù)時(shí)間0.6 s，性能弱于3G-ALE，但優(yōu)于2G-ALE，短波3GWB 通信過(guò)程的瀑布圖及建鏈持續(xù)時(shí)間如圖6 所示。雖然3G 建鏈性能很好，但由于增加了感知交互波形，延長(zhǎng)了建鏈整體時(shí)間，且沿用3G-ALE 選頻策略，即在一組固定頻率集中擇優(yōu)，使得建鏈抗干擾性相對(duì)變差。

圖6 短波3GWB 通信過(guò)程的瀑布及建鏈持續(xù)時(shí)間

2.3 HF XL

HF XL 可以在200 kHz 帶寬內(nèi)最多支持16 路3 kHz 窄帶波形同時(shí)發(fā)射，如果使用收發(fā)異頻，最大可支持32 個(gè)通路，建鏈體制上兼容2G-ALE、3G-ALE 等標(biāo)準(zhǔn)波形。HF XL 與3GWB 一樣為自適應(yīng)多載波寬帶通信，并且增加了用于ALM 的感知交互波形。HF XL 瀑布及建鏈通路交互的時(shí)頻如圖7 所示。

圖7 HFXL 瀑布及建鏈通路交互的時(shí)頻

2.4 CNHF

CNHF 系統(tǒng)是由芬蘭KNL 公司研制的短波寬帶通信系統(tǒng)，與其他4G 系統(tǒng)一樣采用了頻譜感知技術(shù)，也利用ALM 采用混合ARQ 方式提高數(shù)據(jù)傳輸吞吐率。特別地，其建鏈?zhǔn)褂?.8 kHz 帶寬PSK 調(diào)制的突發(fā)信號(hào)波形，持續(xù)時(shí)間為0.3 s，且建鏈呼叫、建鏈應(yīng)答和數(shù)據(jù)傳輸均可以不在鄰近信道。CNHF 通信過(guò)程的時(shí)頻及建鏈持續(xù)時(shí)間如圖8 所示。雖然CNHF建鏈信號(hào)與2G ALE 建鏈性能相似，但由于其建鏈信號(hào)的突發(fā)性使其難以被發(fā)現(xiàn)，抗干擾性很強(qiáng)。

圖8 CNHF 通信過(guò)程的時(shí)頻及建鏈持續(xù)時(shí)間

3 4G 建鏈抗干擾性對(duì)比

4G 建鏈波形仍然保持和2G、3G 相似的抗干擾性，這也與數(shù)據(jù)傳輸波形相關(guān)，如2G-ALE信噪比為6 dB，3G-ALE 信噪比為-6 dB，MILSTD-188-110 系列波形的波形信噪比基本上在0 dB以上，但從體制上看，4G 有明顯提升。

本文對(duì)比了WALE、3GWB、HF XL 和CNHF的波形參數(shù)，結(jié)果如表1 所示。

表1 4G-ALE 波形參數(shù)對(duì)比

（1）WALE 具有駐守（同步）和掃描（異步）模式，通過(guò)減少建鏈時(shí)延，提升了抗干擾性；缺點(diǎn)是建鏈未考慮鏈路維護(hù)，還是采用STANAG 5066v4[15]，影響了數(shù)據(jù)吞吐率和數(shù)據(jù)傳輸整體抗擾性。

（2）3GWB 建鏈中增加了頻譜感知結(jié)果的交互，雖使其抗截獲能力降低，但使得ALM 與數(shù)據(jù)傳輸波形緊密結(jié)合，整體數(shù)據(jù)吞吐率為4 種4G 體制中最優(yōu)。

（3）Thales 公司的HF XL 由于沿用2G/3GALE 建鏈波形，抗干擾性沒(méi)有提升，但從系統(tǒng)上看，其應(yīng)用于一套被稱為功率庫(kù)的短波通信系統(tǒng)，由16個(gè)1 kW 發(fā)射機(jī)組成，共用1 根天線，最大合成功率為4 kW，也可支持16 路50 W 同時(shí)發(fā)射。建鏈波形可以在16 路通路上任意選擇頻點(diǎn)發(fā)送，最大功率支持到4 kW，較原系統(tǒng)提升3 dB 以上，且可以多路分集接收，其抗干擾性明顯增強(qiáng)。缺點(diǎn)是只能應(yīng)用于大型固定臺(tái)站或大型機(jī)動(dòng)平臺(tái)。

（4）CNHF 為了保證信號(hào)的突發(fā)性，其設(shè)備需要支持上千路信道監(jiān)聽(tīng)，即采用前端無(wú)自適應(yīng)濾波器的射頻直采技術(shù)，抗大功率干擾或脈沖干擾性能下降，尤其是在多臺(tái)共址時(shí)容易互相干擾。

綜上所述，3GWB 波形仍可匹配窄帶中頻濾波器，其綜合性能是4G 建鏈波形中最優(yōu)的，也是使用最廣的波形。此外，其保持了對(duì)2G 和3G 系統(tǒng)的兼容，雖由于建鏈時(shí)間延長(zhǎng)導(dǎo)致抗干擾性有所降低，但ALM 和寬帶數(shù)據(jù)波形結(jié)合后，寬帶數(shù)據(jù)波形的抗干擾性提升。

4 結(jié)語(yǔ)

4G-ALE 通過(guò)減少建鏈時(shí)間、增加信道數(shù)量、提升功率、突發(fā)波形等常用手段提升了建鏈的抗干擾性，更重要的是通過(guò)頻譜感知技術(shù)[16]將建鏈和數(shù)據(jù)傳輸信道解耦，解決了2G/3G 建鏈和數(shù)據(jù)傳輸使用相同信道易受人為干擾的特質(zhì)[17]，從而降低了建鏈抗干擾性要求。但由于4G-ALE 均使用窄帶波形建鏈和基于頻譜能量檢測(cè)的寬帶頻譜感知，存在兩個(gè)問(wèn)題：（1）無(wú)法判斷干擾類型（天波衰落、人為干擾或是共址干擾）而合理地規(guī)避干擾；（2）建鏈前無(wú)法提供寬帶衰落估計(jì)，用于選擇最佳建鏈頻率。人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術(shù)，尤其是一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)頻譜檢測(cè)和信道估計(jì)可以給出更多的參數(shù)，并可與寬帶跳頻結(jié)合，更有效地對(duì)干擾進(jìn)行規(guī)避。

4G-ALE 技術(shù)的進(jìn)展帶動(dòng)了短波寬帶通信，天波數(shù)據(jù)速率可達(dá)到38.4～78.6 kbit/s。美軍的HFGCS、北約的BRASS、英國(guó)DHFCS、澳大利亞MHFCS 系統(tǒng)均將升級(jí)為寬帶系統(tǒng)，升級(jí)后將支持LINK 16、LINK 22 的接入轉(zhuǎn)發(fā)，屆時(shí)短波將起到更大的作用，因此4G-ALE 及其抗干擾技術(shù)值得深入研究。