吳培培，張 旻，史英春

（國(guó)防科技大學(xué) 電子對(duì)抗學(xué)院，安徽 合肥 230037）

0 引 言

短波通信以其通信距離遠(yuǎn)、費(fèi)用低廉、設(shè)備簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)與抗毀頑存等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于政治、軍事、外交與航海等重要領(lǐng)域，并且是戰(zhàn)時(shí)部隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)應(yīng)急通信與戰(zhàn)略遠(yuǎn)程指揮通信的重要手段之一[1]。

為滿足自適應(yīng)短波數(shù)字通信在鏈路建立速度、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模與信息吞吐量等方面需求的提高，美國(guó)國(guó)防部于1999年3月頒布了新一代中高頻無(wú)線電系統(tǒng)互操作性與性能標(biāo)準(zhǔn)——美軍標(biāo)MIL-STD-188-141B，并在其附錄C中詳細(xì)規(guī)定了第三代短波自動(dòng)鏈路建立（HF Third-Generation Automatic Link Establishment，3G-ALE）技術(shù)[2]。采用該技術(shù)的第三代短波自適應(yīng)通信系統(tǒng)在信道利用率、鏈路建立速度與網(wǎng)絡(luò)接入等方面均有了很大提升，具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和生命力[3]。

第三代短波自適應(yīng)通信以物理層3G-ALE信號(hào)為協(xié)議信息傳輸載體，在鏈路層實(shí)現(xiàn)鏈路建立、業(yè)務(wù)管理等關(guān)鍵通信過(guò)程的協(xié)議交互。因此，協(xié)議信息在整個(gè)通信系統(tǒng)中扮演著關(guān)鍵角色，協(xié)議信息的可靠傳輸對(duì)于通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。協(xié)議信息為一串比特流序列，為提高協(xié)議信息傳輸可靠性，在鏈路層對(duì)協(xié)議信息進(jìn)行增加冗余比特、擴(kuò)頻與加擾碼等數(shù)據(jù)編碼操作，形成八進(jìn)制序列后再調(diào)制發(fā)射出去。與上一代2G-ALE信號(hào)相比，3G-ALE信號(hào)在鏈路層的數(shù)據(jù)編碼方式上更加復(fù)雜，對(duì)于協(xié)議信息傳輸可靠性的提高更加有效，相應(yīng)地給非合作的通信對(duì)抗造成了更大困難。因此，針對(duì)3G-ALE信號(hào)鏈路層數(shù)據(jù)編碼原理與性能展開分析研究，仿真實(shí)現(xiàn)編碼結(jié)果，并通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)編碼對(duì)于提高協(xié)議信息傳輸可靠性的重要作用，從而為后續(xù)深入研究3G-ALE信號(hào)的偵察接收處理與可行干擾等對(duì)抗技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

1 第三代短波通信標(biāo)準(zhǔn)

美軍標(biāo)MIL-STD-188-141B[4]包括了一整套完整的短波通信標(biāo)準(zhǔn)族，從上至下依次涉及短波子網(wǎng)絡(luò)層與高層、會(huì)話層管理、數(shù)據(jù)鏈路層以及物理層，如圖1所示。其中，在鏈路層與物理層對(duì)3G-ALE信號(hào)的協(xié)議信息、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編碼方式與信號(hào)樣式等內(nèi)容做出了詳細(xì)規(guī)定。

圖1 美軍標(biāo)MIL-STD-188-141B通信標(biāo)準(zhǔn)族

鏈路層實(shí)際上包括了自動(dòng)鏈路建立（ALE）、業(yè)務(wù)管理（TM）、高速數(shù)據(jù)鏈路（HDL）、低速數(shù)據(jù)鏈路（LDL）與鏈路連接管理（CLC）等5個(gè)具體的子協(xié)議。ALE協(xié)議負(fù)責(zé)建立可靠的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信鏈路；TM協(xié)議在此基礎(chǔ)上建立適合的業(yè)務(wù)傳輸鏈路，并完成通信業(yè)務(wù)的交互與管理；HDL與LDL協(xié)議提供高速與低速的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，以分別適應(yīng)較好信道條件下高數(shù)據(jù)量與較差信道條件下低數(shù)據(jù)量的傳輸要求；CLC協(xié)議用于完成鏈路連接的實(shí)時(shí)監(jiān)控與優(yōu)化[5-6]。

物理層使用5種不同的8PSK調(diào)制的突發(fā)波形（BW0～BW4，Burst Wave）作為鏈路層協(xié)議信息的傳輸載體，分別實(shí)現(xiàn)鏈路建立、控制管理與數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。BW0用于自動(dòng)鏈路建立，BW1用于業(yè)務(wù)管理與高速數(shù)據(jù)鏈路的確認(rèn)，BW2用于高速數(shù)據(jù)傳輸，BW3用于低速數(shù)據(jù)傳輸，BW4用于低速數(shù)據(jù)鏈路的確認(rèn)。5種突發(fā)波形統(tǒng)稱為3G-ALE信號(hào)，而每種突發(fā)波形都有各自不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2 鏈路層數(shù)據(jù)編碼分析

2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征

美軍標(biāo)MIL-STD-188-141B規(guī)定，用于鏈路建立與數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溌穼訁f(xié)議信息的傳輸載體均為相同信號(hào)樣式的8PSK調(diào)制的突發(fā)波形，從而提高了通信系統(tǒng)的靈活性[7]。3G-ALE信號(hào)突發(fā)波形一般包含保護(hù)序列（TLC/AGC）、探測(cè)報(bào)頭序列（PRE）與有效載荷數(shù)據(jù)序列（DATA），如圖2所示。

圖2 突發(fā)波形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征

保護(hù)序列（TLC/AGC）用以保證呼叫方的發(fā)送電平控制與被呼方的自動(dòng)增益控制在各自的探測(cè)報(bào)頭序列輸入前達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，并減小該過(guò)程帶來(lái)的失真；該序列是偽隨機(jī)的八進(jìn)制序列，不需要另外復(fù)合偽隨機(jī)序列，可以直接進(jìn)行調(diào)制。不同突發(fā)波形的探測(cè)報(bào)頭序列（PRE）是不同的偽隨機(jī)八進(jìn)制序列，可用于完成波形捕獲、識(shí)別與同步。有效載荷數(shù)據(jù)序列（DATA）攜帶特定交互作用的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）比特信息，經(jīng)過(guò)鏈路層數(shù)據(jù)編碼后，實(shí)際傳輸為八進(jìn)制序列。

2.2 數(shù)據(jù)編碼流程

為克服時(shí)變特性的短波信道對(duì)通信接收端正確接收判決的影響，通信發(fā)送端需要對(duì)3G-ALE信號(hào)突發(fā)波形攜帶的協(xié)議信息采取一定的用于抗擾糾錯(cuò)的鏈路層數(shù)據(jù)編碼技術(shù)，通過(guò)增加大量冗余比特與擴(kuò)頻等處理，提高協(xié)議信息的容錯(cuò)糾錯(cuò)性能，降低接收判決錯(cuò)誤率，實(shí)現(xiàn)可靠傳輸。鏈路層數(shù)據(jù)編碼流程如圖3所示。

圖3 鏈路層數(shù)據(jù)編碼流程

比特協(xié)議信息在鏈路層主要完成卷積編碼、交織編碼、Walsh正交擴(kuò)頻與偽隨機(jī)加擾等數(shù)據(jù)編碼操作，形成用于傳輸?shù)陌诉M(jìn)制序列。以3G-ALE信號(hào)用于自動(dòng)鏈路建立ALE協(xié)議的突發(fā)波形BW0為例，具體分析鏈路層數(shù)據(jù)編碼原理與性能。

2.2.1 卷積編碼

美軍標(biāo)MIL-STD-188-141B規(guī)定了3G-ALE信號(hào)突發(fā)波形BW0采用編碼效率r=1/2、約束長(zhǎng)度m=7的（2，1，7）卷積編碼，編碼器結(jié)構(gòu)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(yīng)地輸出一組2 bits編碼元

輸出的生成多項(xiàng)式為：

輸出的生成多項(xiàng)式為：

因此，突發(fā)波形BW0攜帶的26 bits協(xié)議信息，經(jīng)過(guò)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(jìn)行卷積譯碼，能夠產(chǎn)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(xiàn)[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(chǎn)生的編碼處理增益。

2.2.2 交織編碼

3G-ALE信號(hào)突發(fā)波形BW0采用4×13的塊交織編碼，交織器結(jié)構(gòu)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(jìn)行簡(jiǎn)單的行列變換，實(shí)現(xiàn)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(guī)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?qū)⑿诺涝斐傻倪B續(xù)突發(fā)錯(cuò)誤離散為隨機(jī)錯(cuò)誤，有利于錯(cuò)誤被有效檢測(cè)并糾正[10-11]。

2.2.3 Walsh正交擴(kuò)頻

與直接序列擴(kuò)頻類似，3G-ALE信號(hào)突發(fā)波形BW0采用（64，4）的Walsh正交擴(kuò)頻，通過(guò)對(duì)帶寬的擴(kuò)展，降低對(duì)信噪比的要求。Walsh擴(kuò)頻序列相互之間嚴(yán)格正交[12-13]，每4 bits映射為一組16符號(hào)序列，正交擴(kuò)頻映射關(guān)系如表1所示。

表1 Walsh正交擴(kuò)頻映射關(guān)系

Walsh正交擴(kuò)頻調(diào)制器每次從塊交織器輸出的52 bits序列中取出4 bits，根據(jù)表1所示的正交擴(kuò)頻映射關(guān)系將其映射為一組16符號(hào)序列，再進(jìn)行4倍冗余。這樣每4 bits就映射為64符號(hào)序列，輸入52 bits序列最終映射輸出832符號(hào)擴(kuò)頻序列。通信接收端進(jìn)行解擴(kuò)頻時(shí)，能夠產(chǎn)生的擴(kuò)頻處理增益計(jì)算表達(dá)式為：

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

2.2.4 偽隨機(jī)加擾

盡管Walsh擴(kuò)頻序列具有良好的相關(guān)性質(zhì)[14]，但由于其不是偽隨機(jī)序列，取值具有明顯的規(guī)律性，使得自相關(guān)運(yùn)算會(huì)產(chǎn)生較大旁瓣，并且僅在相位對(duì)齊時(shí)才呈現(xiàn)較好的正交性質(zhì)，如圖6所示。因此，Walsh正交擴(kuò)頻的擴(kuò)頻性能并不理想。實(shí)際中，需要使用偽隨機(jī)序列作為擾碼序列進(jìn)行加擾處理，將Walsh擴(kuò)頻序列與偽隨機(jī)擾碼序列相結(jié)合形成復(fù)合序列，使擴(kuò)頻序列隨機(jī)化，改善擴(kuò)頻性能，增強(qiáng)信息傳輸保密性[15-17]。

圖6 Walsh擴(kuò)頻序列的相關(guān)性質(zhì)

提供給3G-ALE信號(hào)突發(fā)波形BW0的擾碼序列是256符號(hào)的偽隨機(jī)八進(jìn)制序列，即：

將該偽隨機(jī)擾碼序列與Walsh正交擴(kuò)頻調(diào)制器輸出的832符號(hào)擴(kuò)頻序列，按符號(hào)進(jìn)行模8和運(yùn)算：

式中，為Walsh擴(kuò)頻序列，為偽隨機(jī)擾碼序列，⊕表示模8和運(yùn)算，為偽隨機(jī)加擾后的復(fù)序列。每256次模8和運(yùn)算后，擾碼序列就重復(fù)一次。Walsh擴(kuò)頻序列加偽隨機(jī)擾碼序列后的復(fù)合序列的相關(guān)性質(zhì)如圖7所示。

圖7 Walsh擴(kuò)頻序列加擾碼的相關(guān)性質(zhì)

可以看到，復(fù)合序列消除了Walsh擴(kuò)頻序列自相關(guān)運(yùn)算時(shí)產(chǎn)生的較大旁瓣，同時(shí)相位非對(duì)齊時(shí)的互相關(guān)性質(zhì)較好，并且使得擴(kuò)頻序列變換成為近似隨機(jī)的序列，改善了Walsh正交擴(kuò)頻性能。

3G-ALE信號(hào)經(jīng)過(guò)以上鏈路層數(shù)據(jù)編碼，理論上可以通過(guò)卷積譯碼與解擴(kuò)頻在通信接收端產(chǎn)生4+12=16 dB左右的處理增益，同時(shí)交織編碼提高了糾正連續(xù)突發(fā)錯(cuò)誤的能力，并且通過(guò)偽隨機(jī)加擾將序列隨機(jī)化，因此大大提高了鏈路層協(xié)議信息傳輸可靠性。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

本章在實(shí)現(xiàn)編碼結(jié)果的基礎(chǔ)上，仿真3G-ALE信號(hào)突發(fā)波形BW0在高斯白噪聲信道中的傳輸情況。通過(guò)計(jì)算通信接收端解調(diào)的協(xié)議信息誤比特率，反映鏈路層數(shù)據(jù)編碼在有效提高協(xié)議信息傳輸可靠性上發(fā)揮的重要作用。仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

26 bits協(xié)議信息經(jīng)過(guò)鏈路層數(shù)據(jù)編碼形成832符號(hào)八進(jìn)制有效載荷數(shù)據(jù)序列后，在其前端依次添加256符號(hào)八進(jìn)制保護(hù)序列、384符號(hào)八進(jìn)制探測(cè)報(bào)頭序列，組幀形成1 472符號(hào)的突發(fā)波形BW0序列，如圖8所示。

圖8 突發(fā)波形BW0序列

BW0序列在物理層經(jīng)過(guò)射頻調(diào)制被發(fā)射出去，已調(diào)制突發(fā)波形BW0如圖9所示。

圖9 已調(diào)制突發(fā)波形BW0

通信接收端在接收到3G-ALE信號(hào)后，首先對(duì)接收信號(hào)下變頻與頻域去干擾，之后依次通過(guò)解擾碼、解擴(kuò)頻、解交織與卷積譯碼，解調(diào)還原得到協(xié)議信息。計(jì)算解調(diào)的協(xié)議信息誤比特率，并對(duì)比未經(jīng)過(guò)鏈路層數(shù)據(jù)編碼的協(xié)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(jié)果表明，相比未經(jīng)過(guò)鏈路層數(shù)據(jù)編碼，經(jīng)過(guò)鏈路層數(shù)據(jù)編碼的協(xié)議信息的解調(diào)誤比特率具有15 dB左右的信噪比優(yōu)勢(shì)。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(jié)果一致，有效提高了協(xié)議信息傳輸可靠性。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)短波3G-ALE信號(hào)鏈路層數(shù)據(jù)編碼進(jìn)行研究，在分析信號(hào)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征與數(shù)據(jù)編碼流程的基礎(chǔ)上，依次從卷積編碼、交織編碼、Walsh正交擴(kuò)頻與偽隨機(jī)加擾等四個(gè)編碼操作，具體分析數(shù)據(jù)編碼提高鏈路層協(xié)議信息傳輸可靠性的機(jī)理，最后仿真實(shí)現(xiàn)編碼結(jié)果與傳輸性能。仿真結(jié)果表明，3G-ALE信號(hào)經(jīng)過(guò)鏈路層數(shù)據(jù)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(xié)議信息傳輸可靠性。后續(xù)將在此基礎(chǔ)上深入開展3G-ALE信號(hào)的偵察接收處理與可行干擾技術(shù)的研究。

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