毋曉鶴，冉茂儒，習(xí) 勇，周 力

(1.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長沙 410073;2.中國人民解放軍總參謀部政治部,北京 100034)

第三代短波通信HDL協(xié)議性能研究*

毋曉鶴1，冉茂儒2，習(xí) 勇1，周 力1

(1.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長沙 410073;2.中國人民解放軍總參謀部政治部,北京 100034)

我國第三代短波通信技術(shù)的研究仍處于起步階段，并且國內(nèi)的大多短波通信系統(tǒng)都是基于第二代的短波通信標(biāo)準(zhǔn)。相比于第二代短波通信的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，第三代短波通信的自動鏈路建立系統(tǒng)以其簡潔而高效的設(shè)計解決了第二代短波系統(tǒng)所面臨的各種問題，在建立數(shù)據(jù)鏈路的高效性、穩(wěn)定性、可靠性等方面都有了很大的改進(jìn)。根據(jù)美軍標(biāo)MIL-STD-188-141B中給出的第三代短波通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對第三代短波數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的高速數(shù)據(jù)鏈路傳輸協(xié)議(HDL)進(jìn)行了研究，通過理論分析與Matlab仿真相結(jié)合的方法，對數(shù)據(jù)包的誤碼率、丟包率、平均傳輸次數(shù)以及采用不同數(shù)據(jù)分組時的吞吐量等方面進(jìn)行了性能分析。

高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議；吞吐量；誤碼率；丟包率

1 引言

短波通信是無線電通信的一種，波長在10 m～50 m，頻率范圍為6 MHz～30 MHz。電波可經(jīng)電離層的反射到達(dá)接收設(shè)備，完成遠(yuǎn)距離的通信或通過地波進(jìn)行近距離的通信。盡管當(dāng)前的新型無線電通信系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，但由于短波通信具有高靈活性、強(qiáng)抗毀性、成本低廉、易于重建等優(yōu)勢，使其受到世界各國的普遍關(guān)注。現(xiàn)代通信的高度信息化對通信系統(tǒng)提出了越來越高的要求。新型通信設(shè)備總的發(fā)展趨勢是集成化、數(shù)字化、一體化與網(wǎng)絡(luò)化，數(shù)據(jù)和圖像將發(fā)展成為未來通信的主要業(yè)務(wù)。無線電通信業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展、電磁環(huán)境的進(jìn)一步惡化，將促使作為無線電通信重要手段之一的短波通信在信息社會中特別是軍事信息戰(zhàn)場上發(fā)揮更重要的作用[1]。

近年來，許多國家都開始重新重視對短波通信技術(shù)的研究，也使得短波通信技術(shù)獲得了很大進(jìn)展。

目前，它廣泛應(yīng)用于氣象、商業(yè)、傳媒等各個領(lǐng)域，主要用以傳送電報、電話、數(shù)據(jù)、圖像、低速傳真通信和語音廣播等方面；同時它還是海上航行以及高空飛行的重要通信方式。1999年，美軍制定了新的中高頻無線設(shè)備互通性和性能標(biāo)準(zhǔn)(MIL-STD-188-141B),并于2001年將其修訂為第三代短波通信(3G-HF)協(xié)議。第三代短波通信的自動鏈路建立系統(tǒng)，以其簡潔而高效的設(shè)計解決了第二代短波系統(tǒng)所面臨的各種問題，在支持第二代短波通信協(xié)議規(guī)定的小型網(wǎng)絡(luò)和語音通信的基礎(chǔ)上，更有效地支持大規(guī)模、數(shù)據(jù)密集型高質(zhì)量的短波通信系統(tǒng)，具體表現(xiàn)在[2,3]：

(1)通過附加技術(shù)，采用交替快速呼叫，大大減少了建立鏈路的時間以及信息在空中的暴露時間。

(2)在較低的SNR情況下，自動鏈路建立可靠性、成功率得到提高。

(3)物理層采用BW0～BW4五種突發(fā)波形分組交換傳輸，各波形有著不同的傳輸效率和可靠性，分別對應(yīng)不同數(shù)據(jù)類型，從而提高了系統(tǒng)總體通信效能。

(4)具有鏈路保護(hù)、TOD同步、路由功能和電子反對抗能力。

(5)選擇性重傳的混合自動請求重傳ARQ(Automatic Repeat Request)技術(shù)，有效地提高了系統(tǒng)在衰落信道下的傳輸可靠性。

目前，我國短波電臺型號繁雜、功能單一，而且各種電臺的結(jié)構(gòu)差異很大，雖然出現(xiàn)了基于第二代短波自動鏈路建立協(xié)議的短波電臺，但是由于第二代協(xié)議本身的局限性，限制了不同電臺之間的溝通[4],因此應(yīng)當(dāng)加大對第三代短波通信的研究力度，盡快形成我國自己的第三代短波通信標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)我國短波通信事業(yè)的發(fā)展。本文對MIL-STD-188-141B協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中的高速數(shù)據(jù)鏈路HDL(High-rate Data Link)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了性能分析，通過Matlab仿真可以直觀地看到第三代短波通信HDL協(xié)議在平均傳輸次數(shù)、吞吐量、誤碼率以及丟包率等方面的性能，研究成果可為實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)提供一定參考依據(jù)。

2 第三代短波通信高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議介紹

2.1 第三代短波通信高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議(HDL)

數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議用來在已經(jīng)建立鏈路的短波業(yè)務(wù)鏈路上提供點(diǎn)對點(diǎn)的分組數(shù)據(jù)傳輸。第三代短波通信提供兩種數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議：HDL協(xié)議和LDL協(xié)議，管理層根據(jù)用戶所選的業(yè)務(wù)類型決定啟動哪種數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，并且自動啟動該協(xié)議。HDL協(xié)議適用于在已經(jīng)建立的HF鏈路上、信道條件較好的情況下提供高速的數(shù)據(jù)傳輸，每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組相對較長，采用選擇重傳的混合ARQ機(jī)制進(jìn)行差錯控制；而LDL協(xié)議則適用于在信道條件較惡劣的情況下進(jìn)行高可靠性的低速數(shù)據(jù)傳輸[5]。

圖1給出了HDL協(xié)議的不同層次的數(shù)據(jù)組幀結(jié)構(gòu)。如圖1所示，HDL協(xié)議將用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)報劃分為多個固定大小的數(shù)據(jù)段，每個數(shù)據(jù)段及其在數(shù)據(jù)報中的序列號組合構(gòu)成數(shù)據(jù)分組。np(np= 3,6,12,24)個數(shù)據(jù)分組組成發(fā)送數(shù)據(jù)幀，每次發(fā)送np個數(shù)據(jù)分組可以得到一次接收方的確認(rèn)。

Figure 1 Schematic diagram of data structure for HDL protocol圖1 HDL數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖

HDL協(xié)議中定義了兩種基本協(xié)議數(shù)據(jù)單元：數(shù)據(jù)幀(HDL_DATA PDU)、應(yīng)答幀(HDL_ACK PDU)。其中，數(shù)據(jù)發(fā)送采用突發(fā)波形BW2進(jìn)行調(diào)制，應(yīng)答幀采用突發(fā)波形BW1進(jìn)行調(diào)制。

HDL協(xié)議的數(shù)據(jù)發(fā)送過程采用停等以及選擇性ARQ協(xié)議，其傳輸過程如圖2所示，圖中時間參數(shù)的說明見表1。發(fā)送方和接收方交替發(fā)送數(shù)據(jù)幀和應(yīng)答幀，發(fā)送方每次發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀后等待接收方的應(yīng)答幀并進(jìn)行分析，依次檢查發(fā)送幀內(nèi)的每一個數(shù)據(jù)分組，若某數(shù)據(jù)分組正確接收則發(fā)送方將在該分組位置上填充新的數(shù)據(jù)分組等待下一次發(fā)送；若該數(shù)據(jù)分組沒有正確接收，發(fā)送方將保留該數(shù)據(jù)分組，因而在下一次發(fā)送的時候重新發(fā)送該出錯的數(shù)據(jù)分組。

Figure 2 Schematic diagram of data transfer for HDL protocol圖2 HDL數(shù)據(jù)傳輸過程示意圖

2.2 混合ARQ技術(shù)

混合ARQ HARQ(Hybrid ARQ)技術(shù)將前向糾錯FEC(Forward Error Control)以及自動請求重傳技術(shù)ARQ進(jìn)行聯(lián)合使用，其中FEC可以糾正信道中的常見錯誤以減少數(shù)據(jù)重傳的次數(shù)，ARQ則是在錯誤無法糾正時重傳數(shù)據(jù)。HARQ技術(shù)結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)，有效地提升系統(tǒng)吞吐量的同時也提高了系統(tǒng)可靠性。

3G-HF的HDL協(xié)議采用了混合ARQ技術(shù)進(jìn)行差錯控制，數(shù)據(jù)分組經(jīng)過CRC校驗(yàn)和卷積編碼后進(jìn)行無線信道的傳輸。3G-HF的HDL協(xié)議使用的卷積編碼結(jié)構(gòu)如圖3所示，一共有四種編碼結(jié)構(gòu)，對應(yīng)四個編碼支路，數(shù)據(jù)分組在發(fā)送前循環(huán)使用四個編碼支路進(jìn)行卷積編碼。

Figure 3 Structure of convolutional code encoder for HDL protocol圖3 HDL協(xié)議的卷積碼編碼器結(jié)構(gòu)圖

對于某個數(shù)據(jù)分組，假設(shè)初次使用第n個支路編碼，如果傳輸正確，接收端回復(fù)正確接收信息ACK, 發(fā)送端收到回復(fù)后繼續(xù)發(fā)送下一個數(shù)據(jù)分組；如果接收端回復(fù)接收錯誤信息NAK, 發(fā)送端將使用(n+1) mod 4支路重傳錯誤數(shù)據(jù)分組，接收端將新收到的數(shù)據(jù)分組與之前保留的出錯數(shù)據(jù)分組進(jìn)行合并譯碼；如果再次解碼錯誤，那么發(fā)送端將使用 (n+2) mod 4支路進(jìn)行第二次重傳，接收端將接收到的三次數(shù)據(jù)進(jìn)行合并譯碼；若仍然解碼錯誤，則再次使用下一個支路重復(fù)發(fā)送，直到該分組解碼正確或者達(dá)到最大重傳次數(shù)。這種重傳方式能夠充分利用衰落信道的時間分集增益，經(jīng)過不同傳輸次數(shù)后采用增量冗余的合并方式可以有效地降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率以及丟包率，使協(xié)議的性能得到提升。

3 協(xié)議仿真與性能分析

3.1 仿真參數(shù)配置

第三代短波通信采用嚴(yán)格的定時機(jī)制，以保證數(shù)據(jù)鏈路建立的高效性和快速性，數(shù)據(jù)鏈路層需要對通信的全過程進(jìn)行定時控制，以保證數(shù)據(jù)同步的正常進(jìn)行。在數(shù)據(jù)鏈路建立的過程中，通信雙方要保持時隙的同步才能進(jìn)行正常的建鏈握手過程，必須對通信雙方進(jìn)行精準(zhǔn)的定時，以保證使用HDL協(xié)議進(jìn)行同步數(shù)據(jù)傳輸。

表1給出了用以描述HDL協(xié)議特性的各種時間參數(shù),它們是決定系統(tǒng)定時的基本參數(shù)。

Table 1 Time parameter of HDL protocol表1 HDL協(xié)議時間參數(shù)

表1中np為數(shù)據(jù)分組數(shù)，根據(jù)MIL-STD-188-141B協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，np可以為3、6、12、24。按照如圖2所示的傳輸過程，則HDL協(xié)議發(fā)送一次的周期為：

293.33+126.67+np×400+2×80+220+66.67+1306.67+133.33=2306.67+np×400ms

在HDL協(xié)議中，每個數(shù)據(jù)分組包含233個字節(jié)的有效載荷，共1 864bits。則用戶的傳輸速率為：

下面分析在差錯信道下的協(xié)議傳輸性能。

HDL協(xié)議采用的信道編碼為卷積碼，假設(shè)數(shù)據(jù)分組的丟包率為Pf，這里Pf為接收端進(jìn)行卷積譯碼后經(jīng)過CRC校驗(yàn)錯誤的概率。

差錯信道下，使用混合ARQ，一個分組的平均傳輸次數(shù)為：

(2)

式(2)中不同傳輸次數(shù)的丟包率可以使用仿真得到。為了簡化分析，可假設(shè)第四次傳輸后的丟包率保持不變。

最終的用戶吞吐量可以表達(dá)為：

(3)

3.2 仿真結(jié)果

由于HDL協(xié)議采用HARQ機(jī)制，不同的傳輸次數(shù)的誤碼率以及丟包率也不相同。第三代短波通信協(xié)議的所有突發(fā)波形均是采用八相相移鍵控(8PSK)調(diào)制，仿真的信道模型為快衰落瑞利信道，信道在每次重傳期間發(fā)生變化；采用如圖3所示的卷積碼進(jìn)行信道編碼，數(shù)據(jù)包長為1 864 bits。圖4通過Matlab仿真給出了系統(tǒng)在平均信噪比變化時的誤碼率和丟包率特性?？梢灾庇^地看到，隨著重傳次數(shù)的增加，系統(tǒng)誤碼率以及丟包率都有明顯的下降, 其采用的混合ARQ技術(shù)獲得了信道分集增益，有效地降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率，使得數(shù)據(jù)傳輸具有更高可靠性。

通過丟包率的仿真結(jié)果，假設(shè)每個數(shù)據(jù)分組的最大重傳次數(shù)是八次，根據(jù)式(2)可以計算得到數(shù)據(jù)分組的平均傳輸次數(shù)，圖5給出了不同信噪比下數(shù)據(jù)包的平均傳輸次數(shù)曲線?？梢钥闯?，HDL協(xié)議適用于信噪比較高的情況，因此當(dāng)信噪比較低時，數(shù)據(jù)分組的重傳次數(shù)很大，隨著信噪比的增加，數(shù)據(jù)分組的重傳次數(shù)有了明顯的降低，在高信噪比區(qū)域(SNR>25 dB),我們可以看到數(shù)據(jù)分組的重傳次數(shù)下降到接近一次。

圖6通過式(3)給出了系統(tǒng)在發(fā)送幀包含不同數(shù)據(jù)分組數(shù)時的吞吐量曲線?？梢钥闯?，在選擇性HARQ機(jī)制下，數(shù)據(jù)分組數(shù)目越多，相對開銷越小，因而吞吐量越高。此外，對于不同的分組數(shù)目，吞吐量隨著信噪比的增加而增加。當(dāng)信噪比較低時，由于重傳次數(shù)增加，使得系統(tǒng)吞吐量下降至不可用的狀態(tài)；當(dāng)信噪比達(dá)到30 dB左右，數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝窟_(dá)到飽和值。特別的，當(dāng)發(fā)送分組為24時，最高吞吐量大致為3 700 bit/s。總的來說，HDL協(xié)議適用于信噪比較高的信道條件。

Figure 4 BER and PER of data packet圖4 數(shù)據(jù)分組的誤碼率和丟包率

Figure 5 Average transmission times of data packet圖5 數(shù)據(jù)包平均傳輸次數(shù)

Figure 6 Throughout of different data packet圖6 不同數(shù)據(jù)分組下的吞吐量

4 結(jié)束語

HDL協(xié)議是第三代短波通信系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，適用于信道狀態(tài)條件較好的情況下進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)據(jù)傳輸。本文對HDL協(xié)議在瑞利衰落信道下的性能進(jìn)行分析。通過仿真結(jié)果可以看出，HDL協(xié)議采用的混合ARQ差錯控制方式，在衰落信道下，數(shù)據(jù)包的誤碼率和丟包率隨著重傳次數(shù)的增加明顯下降。由于采用選擇性混合ARQ機(jī)制，發(fā)送幀內(nèi)分組數(shù)目越多，吞吐量越高；此外，HDL協(xié)議吞吐量隨著平均信噪比的增加而增加，在高信噪比下達(dá)到飽和值。

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附中文參考文獻(xiàn)：

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[4] 李英鵬.第三代短波通信自動鏈路建立協(xié)議的研究及嵌入式實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué),2010.

WUXiao-he,born in 1987,MS candidate,her research interest includes modern communication technology.

冉茂儒(1973-),男,四川遂寧人，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用。E-mail:rmr0427@sina.com

RANMao-ru,born in 1973,MS,senior engineer,his research interest includes computer networks and applications.

習(xí)勇(1977-),男,江西新余人，博士，副研究員，研究方向?yàn)闊o線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和跨層協(xié)議設(shè)計。E-mail:xiyong8260@163.com

XIYong,born in 1977,PhD,associate research fellow,his research interests include wireless communication network protocol, and cross layer design.

周力(1988-),男,湖北孝感人，博士生，研究方向?yàn)檎J(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)。E-mail:zhouli2035@nudt.edu.cn

ZHOULi,born in 1988,PhD candidate,his research interest includes cognitive wireless networks.

Performanceanalysisofthe3G-HFhigh-ratedatalinkprotocol

WU Xiao-he1,RAN Mao-ru2,XI Yong1,ZHOU Li1

(1.College of Electronic Science and Engineering,National University of Defense Technology,Changsha 410073;2.Political Department,PLA General Staff,Beijing 100034,China)

The domestic research on the 3rd generation HF communication technology is still at the primary stage and most HF radio system are based on the 2nd generation. Compared with the 2nd generation HF data link protocols, the 3rd generation HF data link protocols present much higher-efficient and superior. In this paper, we studied the performance of the 3G-HF High-Rate Data Link Protocol (HDL) based on the standard which defined in U.S. MIL-STD-188-141B. Considering the different conditions, we discuss the bit error rate, packet error rate, average transmission times and throughput performance by simulations and theoretical analysis.

high-rate data link protocol；throughput；bit error rate；packet error rate

2012-05-07;

：2012-08-24

1007-130X(2014)02-0265-05

TN915.04

：A

10.3969/j.issn.1007-130X.2014.02.013

毋曉鶴(1987-),女,吉林白城人，碩士生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代通信技術(shù)。E-mail:Wuxiaohe10@163.com

通信地址：410073 湖南省長沙市國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院軍事通信工程系A(chǔ)ddress:Department of Military Communication Engineering,College of Electronic Science and Engineering,National University of Defense Technology,Changsha 410073,P.R.China