湯 軍，陳勁堯，白 翔

（①海軍司令部通信部，北京 100141；②中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

在短波通信中，短波信道具有時變的傳輸特點[1-2]。因此，考慮較高的傳輸速率只有在信道質(zhì)量良好的情況下才能取得較大的系統(tǒng)吞吐量，而在信道質(zhì)量惡劣時，選取的速率越高，產(chǎn)生的誤碼率也越大，因此重傳的概率也越大，造成系統(tǒng)吞吐量的降低，甚至造成整個通信鏈路的損失。因此，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行耘c可靠性之間存在著復(fù)雜的制約關(guān)系，速率自適應(yīng)正是解決這一問題的有效方法[3-5]。

北約的5066標(biāo)準(zhǔn)對短波通信系統(tǒng)鏈路層協(xié)議[6]，以及各子層之間的接口關(guān)系進行了詳細的描述與定義，其中根據(jù)短波信道的特點，專門提出了速率自適應(yīng)機制，并給出了速率自適應(yīng)的技術(shù)方案。速率自適應(yīng)機制應(yīng)在一定的信道條件下，通過自適應(yīng)算法[4-5,7]來選擇最佳的傳輸速率，以取得系統(tǒng)最優(yōu)化的性能。需要在鏈路可靠性與傳輸速率之間選擇一種折中。對北約 5066的速率自適應(yīng)機制進行了詳細分析，并且在 5066速率自適應(yīng)機制的基礎(chǔ)上，仿真分析了簡單速率自適應(yīng)算法與快速自適應(yīng)算法的性能優(yōu)劣。

1 5066標(biāo)準(zhǔn)的速率自適應(yīng)機制

在STANAG 5066標(biāo)準(zhǔn)[6]中，數(shù)據(jù)傳輸子層的速率自適應(yīng)控制屬于短波通信系統(tǒng)中的一個主要功能。速率控制要求在數(shù)據(jù)傳輸子層與MODEM（調(diào)制解調(diào)器）之間有一個控制接口，通過該接口來改變MODEM的速率和一些波形參數(shù)。因此，速率自適應(yīng)機制是數(shù)據(jù)傳輸子層與MODEM之間的協(xié)商控制功能機制。

1.1 初始速率配置

北約5066標(biāo)準(zhǔn)對初始的速率進行了詳細定義，初始化的速率配置為300 b/s（可選），采用短交織方式。然而5066標(biāo)準(zhǔn)也說明了初始化時速率配置還可以根據(jù)實際情況進行調(diào)節(jié)。

1.2 速率自適應(yīng)機制

接收節(jié)點通過接收到的信息來判斷最優(yōu)化的傳輸速率。接收節(jié)點可以利用協(xié)商類信令信息來與發(fā)送節(jié)點進行協(xié)商，并優(yōu)化傳輸速率。該類信息內(nèi)的“Other parameters”可進行設(shè)置，表示了該信息屬于速率自適應(yīng)協(xié)商類型，而不是要求改變速率。改變速率的行為與否由發(fā)送節(jié)點最后決定。

發(fā)起速率調(diào)整的節(jié)點作為速率調(diào)整的發(fā)起方，在 5066標(biāo)準(zhǔn)里稱作DRC master（DRC發(fā)起方）。圖1顯示了一個完整的DRC流程。

圖1 完整的DRC流程

①DRC發(fā)起方發(fā)送一個DRC請求信息，包含DRC請求，其中的參數(shù)等于DRC發(fā)起方所期望的新傳輸速率；

②D_PDU包含了一個DRC請求協(xié)商類信息，該D_PDU依靠傳輸速率進行適當(dāng)?shù)闹貜?fù)傳輸；

③DRC接收節(jié)點接收到目的地址是本地的“管理”類D_PDU信息后，該信息包含有DRC-請求類型1的管理信息，那么該節(jié)點轉(zhuǎn)移到管理狀態(tài)；

④DRC接收方利用DRC-響應(yīng)（DRC_Response）信息進行響應(yīng)，響應(yīng)策略如下：

a.DRC響應(yīng)信息應(yīng)指示“接收”或者“拒絕”，依據(jù)“管理”類信息的定義，指示DRC接收方調(diào)整參數(shù)的能力；

b.如果DRC接收方接受DRC請求，則“原因”域內(nèi)應(yīng)該指示“無條件接受”或者“TX和RX參數(shù)必須同時調(diào)整”等原因；

c.如果DRC接收方拒絕DRC請求，則“原因”域應(yīng)該指示拒絕的原因；

d.如果請求指示了一個并不恰當(dāng)?shù)乃俾市拚Ｊ剑ɡ绺叩乃俾驶蚋痰慕豢棧?，這樣的模式不可能被當(dāng)前節(jié)點的噪聲或誤碼率條件所支持，則標(biāo)識“和本地條件不一致”拒絕DRC請求；

⑤DRC發(fā)起方在接收到DRC響應(yīng)信息后，根據(jù)恰當(dāng)?shù)男畔?nèi)容決定恰當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，DRC回復(fù)信息的主要策略為：

a.如果響應(yīng)協(xié)商類信息的流程被重新開始發(fā)起，則DRC發(fā)起方應(yīng)該已經(jīng)知道 DRC接收方的發(fā)送與接收參數(shù)必須相同。因此，DRC發(fā)起方應(yīng)該回復(fù)DT_ACK，即一個“管理”類的D_PDU，其中的ACK域設(shè)置為“1”，DRC發(fā)起方接受新的參數(shù)應(yīng)用到發(fā)送與接收上；

b.DRC接收方拒絕速率的調(diào)整，就應(yīng)回復(fù)DRC響應(yīng)（取消）信息，并終止DRC流程；

c.如果DRC接收方拒絕速率（交織方式）的調(diào)整，那么可以發(fā)送一個新的DRC請求到DRC發(fā)起方，請求一個不同的速率（交織方式）來設(shè)置相同的速率；

d.如果請求一個并不恰當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置時，DRC接收方可以拒絕請求，并且描述原因為“與本地條件不一致”。例如，要求一個更高速率與更短交織的請求，可能會被 DRC接收方拒絕，因為 DRC接收方認為這些參數(shù)并不能被當(dāng)前的鏈路條件所支持；

e.如果節(jié)點利用協(xié)商信令信息來初始化DRC流程，則發(fā)起方應(yīng)發(fā)送 DRC響應(yīng)（取消），并且在開始另一個新的DRC流程之前等待協(xié)商信令的更新建議。如果不使用協(xié)商類信息，則DRC請求由發(fā)起方發(fā)送來請求不同的MODEM參數(shù)，這些MODEM參數(shù)與本地的條件相一致；

⑥如果一個DT-ACK被發(fā)送來響應(yīng)DRC響應(yīng)，指示“接受”，節(jié)點就應(yīng)該調(diào)整各自的MODEM參數(shù)并且進入到“確認（confirmation）”狀態(tài)；

⑦DRC接收方直到接收到一個DT-ACK信息后，才能改變它的MODEM參數(shù)；

⑧如果一個 DT-ACK信息由 DRC接收方發(fā)出來回復(fù)DRC響應(yīng)（取消），則兩個節(jié)點放棄速率調(diào)整流程，并返回到MODEM參數(shù)的未改變狀態(tài)。

2 速率自適應(yīng)算法

5066標(biāo)準(zhǔn)對速率自適應(yīng)流程進行了詳細描述，但沒有給出明確的速率自適應(yīng)算法。短波通信系統(tǒng)的設(shè)計者應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求與短波信道的條件對速率自適應(yīng)算法進行相應(yīng)的配套設(shè)計。

2.1 簡單DRC算法

簡單DRC算法通過接收到的FER（誤幀率）來選擇優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸速率。FER在數(shù)據(jù)傳輸子層對接收到的數(shù)據(jù)幀進行統(tǒng)計。簡單DRC算法描述如下：

①如果收端接收到的錯誤數(shù)據(jù)幀數(shù)超過了整個接收到數(shù)據(jù)幀數(shù)的50%，則傳輸速率減少一半；

②如果接收到的FER是0，則傳輸速率增加一倍。

上述的 DRC算法非常簡單，并且能很容易實現(xiàn)。簡單DRC算法可以考慮使用與上述不同的門限方式，例如FER＜20%，速率增加；FER＞60%，速率減半。簡單DRC算法的主要特點如下：

①FER主要由數(shù)據(jù)傳輸子層統(tǒng)計得到，MODEM不提供任何底層的傳輸參數(shù)，作為DRC依據(jù)；

②簡單 DRC算法的主要缺點是可能造成速率震蕩，會帶來算法的調(diào)整延時；

③該算法的主要優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，F(xiàn)ER由數(shù)據(jù)傳輸子層統(tǒng)計得到，與MODEM之間相對獨立。

2.2 快速DRC算法

2.2.1 快速DRC算法描述

快速DRC算法的目的是保證在兩個5066節(jié)點之間的鏈路上有最佳的傳輸吞吐量。依據(jù)當(dāng)前的信道條件選擇最優(yōu)化的傳輸速率和交織方式能夠?qū)崿F(xiàn)該目的。在速率自適應(yīng)處理過程中，接收方才能決定是否進行自適應(yīng)變換。接收方通告發(fā)送方，最佳的傳輸速率與交織方式?？焖?DRC算法的輸入?yún)?shù)如表1所示。

表1 快速DRC算法的主要輸入?yún)?shù)

表1中的參數(shù)描述可以有效地反應(yīng)當(dāng)前信道的條件。“快速DRC算法”通過收集來自于MODEM的統(tǒng)計信息，包括BER和SNR，通過多個信息的統(tǒng)一決策，適應(yīng)當(dāng)前信道的實際情況作自適應(yīng)調(diào)整?？焖貲RC算法的輸入輸出如圖2所示。

圖2 快速DRC算法的輸入與輸出參數(shù)

如圖2所示，快速DRC算法的主要策略為：

①由接收端發(fā)起DRC流程；

②在接收端的RX階段分別對吞吐量、BER、FER和SNR進行計算；

③在RX階段結(jié)束時，接收端進行快速DRC算法，計算得出當(dāng)前更新后的傳輸速率與相應(yīng)的交織方式；

④在下一個TX階段之前，接收端根據(jù)DRC算法的結(jié)果與發(fā)送端進行DRC協(xié)商，完成速率的更新；

⑤在下一個TX階段采用更新后的速率進行傳輸。

2.2.2 快速DRC算法的特點

根據(jù)快速DRC算法的處理流程，可以得出快速DRC算法主要有以下特點；

①快速DRC算法將BER引入速率自適應(yīng)的門限設(shè)計，性能更優(yōu)于僅將FER作為門限來調(diào)整速率；

②通過多個參數(shù)的結(jié)合調(diào)整速率，更能反映信道的條件，真正做到依據(jù)信道條件對傳輸參數(shù)進行自適應(yīng)調(diào)整；

③快速 DRC算法的主要缺點就是實現(xiàn)負載，需要由物理層的MODEM提供參數(shù)支持，這樣在數(shù)據(jù)鏈路子層執(zhí)行的DRC算法與MODEM的處理并不獨立，相互之間有額外的控制開銷。

2.3 DRC算法的仿真分析

在點對點的通信情況下，對簡單DRC算法與快速DRC算法進行仿真分析。仿真場景考慮使用高斯信道，信噪比從-2～5 dB進行交替變換。傳輸速率從600 b/s～64 kb/s做自適應(yīng)調(diào)整。其他點對點傳輸參數(shù)在兩類算法的仿真中保持一致。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 簡單DRC算法與快速DRC算法的仿真分析

從仿真結(jié)果可以看出，簡單的 DRC算法實現(xiàn)簡單，但是會造成自適應(yīng)的調(diào)整時延和速率振蕩，適合于信道條件相對較好的短波環(huán)境?？焖?DRC算法實現(xiàn)復(fù)雜，需要由MODEM 與數(shù)據(jù)傳輸子層協(xié)調(diào)實現(xiàn)，會帶來更好的系統(tǒng)性能，適合于信道條件相對較差的短波環(huán)境。因此，對于不同的短波環(huán)境，速率自適應(yīng)的設(shè)計應(yīng)該考慮實現(xiàn)效率與可靠性的折中。

4 結(jié)語

北約的 5066標(biāo)準(zhǔn)主要針對短波通信系統(tǒng)提出了標(biāo)準(zhǔn)建議，其中的速率自適應(yīng)機制作為適應(yīng)短波信道條件的優(yōu)化方法，該標(biāo)準(zhǔn)進行了詳細的描述。速率自適應(yīng)技術(shù)需要在特定的時間段內(nèi)根據(jù)信道質(zhì)量狀況選擇最佳的數(shù)據(jù)發(fā)送速率。5066標(biāo)準(zhǔn)里沒有給出明確的速率自適應(yīng)算法，設(shè)計者需要根據(jù)短波通信系統(tǒng)的實際情況進行相應(yīng)的配套設(shè)計。同時，速率自適應(yīng)算法的設(shè)計應(yīng)該以短波信道的質(zhì)量條件以及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為依據(jù)，保證傳輸?shù)目煽啃耘c實現(xiàn)效率的折中。

[1] 景淵,曹鵬,黃國策.北約短波數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)最新進展[J].艦船電子工程,2009,29(06):24-28.

[2] 張爾揚,王瑩,路軍.短波通信技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003.

[3] 朱紅琛.STANAG 5066標(biāo)準(zhǔn)在短波網(wǎng)絡(luò)通信中的應(yīng)用研究[J].通信技術(shù),2009,42(10):87-80.

[4] STEPHAN Schulze.Design and Implementation of a STANAG 5066 Data Rate Change Algorithm for High Data Rate Autobaud Waveforms[D].South Africa:University of Pretoria, 2005.

[5] THOMAS A K, HOLGER Buchholz.STANAG 5066 – Flexible Software/Hardware Solution for the new NATO HF-Communication Protocol[C].USA:IEEE,2002:487-490.

[6] STANAG 5066.Profile for Maritime High Frequency (HF) Radio Data Communications[EB/OL].(2005-05-13)[2011-03-12].http://NATO STANAG 5066 Edition2, 1999.ieeexplore.ieee.org/ iel3/4826/ 13334/00607595.pdf?arnumber=607595.

[7] TRINDER S E, GILLESPIE A F R.Optimization of The STANAG 5066 ARQ Protocol to Support High Data Rate HF Communications[C].China:[s.n.],2000: 482-486.