王也 黃國策 董淑福

摘 要：為解決傳統(tǒng)數(shù)據(jù)速率變化（DRC）傳輸算法中因速率震蕩造成的高誤碼率（BER）問題，提出一種基于自適應(yīng)幀長（AFL）的DRC改進(jìn)傳輸算法。首先，在初始化階段，根據(jù)當(dāng)前信道的參數(shù)和以往經(jīng)驗(yàn)值信息確定初始傳輸?shù)膸L和傳輸速率，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。然后，當(dāng)檢測(cè)到傳輸過程中連續(xù)兩個(gè)相同長度幀發(fā)送成功后，開始增加幀長;若出現(xiàn)重發(fā)幀連續(xù)兩次重傳失敗的情況，則在下次傳輸時(shí)將幀長減半。最后，結(jié)合當(dāng)前的幀長計(jì)算誤幀率，若該值小于預(yù)設(shè)的閾值，則提高數(shù)據(jù)傳輸速率。與RapidM DRC算法相比，該算法的鏈路平均BER降低了個(gè)1.8百分點(diǎn)，鏈路連通率提高了11個(gè)百分點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提算法基本消除了速率震蕩的現(xiàn)象，能夠提高短波通信系統(tǒng)的通信能力。

關(guān)鍵詞：短波通信;數(shù)據(jù)速率變化;自適應(yīng)幀長;電離層通信

中圖分類號(hào)：?TN911.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Improved data rate change algorithm based on adaptive frame length in short-wave communication

WANG Ye1*， HUANG Guoce2， DONG Shufu2

1. Graduate School， Air Force Engineering University， Xian Shaanxi 710058， China?;

2.Information and Navigation College， Air Force Engineering University， Xian Shaanxi 710077， China

Abstract：?To solve the high Bit Error Rate （BER） caused by rate oscillation in traditional Data Rate Change （DRC） algorithm， an improved DRC algorithm based on Adaptive Frame Length （AFL） was proposed for short-wave communication. Firstly， in the initialization phase， the frame length and transmission rate of the initial transmission were determined by the parameters of the current channel and the information of previous empirical values， and the data transmission was started. Then， if two frames with the same length were successively sent in the transmission process， the frame length would be accordingly increased. If the retransmission failed twice in a row， the frame length would be halved in the next transmission. Finally， the frame error rate was calculated based on the current frame length. The data rate would be increased if the value was less than the preset threshold. Compared with RapidM DRC， the average link BER of the proposed algorithm was decreased by 1.8 percentage points， and the link availability was increased by 11 percentage points. Experimental results show that the proposed algorithm can eliminate the rate oscillation and improve the communication capability of the short-wave communication system.

Key words：?short-wave communication; Data Rate Change （DRC）; adaptive frame length; ionospheric communication

0 引言

短波通信[1]因其通信距離遠(yuǎn)、資源占用少、部署靈活度高等優(yōu)點(diǎn)，一直作為應(yīng)急通信、無盲區(qū)通信的重要手段，也是軍事遠(yuǎn)距離通信的保底手段[2]。但是短波信道受天氣等諸多因素影響處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，為了實(shí)現(xiàn)可靠高效的通信，出現(xiàn)了自動(dòng)鏈路質(zhì)量分析（Link Quality Analysis， LQA）、自動(dòng)鏈路建立（Automatic Link Establishment， ALE）、自動(dòng)數(shù)據(jù)速率變化（Data Rate Change， DRC）等技術(shù)[3]。其中變速率通信能夠選擇在當(dāng)前信道狀態(tài)下的最高數(shù)據(jù)速率[4]，實(shí)現(xiàn)可靠高效的通信。

變速率短波通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用要晚一些， 1999年，在短波數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)STANAG 5066中首次提出了DRC思想，為短波通信在變速率技術(shù)發(fā)展開辟了空間。同年，又提出了基于STANAG 5066標(biāo)準(zhǔn)[5]的DRC算法[6]，能夠根據(jù)誤幀率（Frame Error Rate， FER）逐級(jí)調(diào)整數(shù)據(jù)速率。隨后文獻(xiàn)[7]中提出了基于STANAG 4369標(biāo)準(zhǔn)的Trinder DRC算法，文獻(xiàn)[8]則基于相同標(biāo)準(zhǔn)提出了RapidM DRC算法以適應(yīng)速率更高的短波Autobaud波形[9]。文獻(xiàn)[10]提出了一種快速DRC算法，通過收集包括誤碼率和信噪比在內(nèi)的統(tǒng)計(jì)信息，結(jié)合當(dāng)前誤碼率（Bit Error Ratio， BER）進(jìn)行多個(gè)信息的統(tǒng)一決策，對(duì)數(shù)據(jù)速率進(jìn)行調(diào)整。

文獻(xiàn)[11]將原始STANAG 5066標(biāo)準(zhǔn)中的DRC算法和Trinder DRC算法進(jìn)行改進(jìn)，在改變數(shù)據(jù)速率之前增加了誤碼率判斷模塊，減少了數(shù)據(jù)速率的振蕩，提高了鏈路連通率（Link Availability， LA）。

綜上所述，學(xué)者們針對(duì)變速率通信取得了大量的優(yōu)異成果，但目前DRC算法的研究主要集中在調(diào)制方式[12]和波形[13]上進(jìn)行改善，因算法復(fù)雜度較高造成的調(diào)整時(shí)延也較長[14]。同時(shí)，在現(xiàn)役的短波電臺(tái)中均采用了變速率通信技術(shù)[15]，因此基于幀長的變速率算法是一個(gè)值得研究的方向。

1 傳統(tǒng)的變速率算法

1.1 算法原理

1.1.1 Trinder DRC 算法

Trinder DRC算法的提出主要是服務(wù)STANAG 5066標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)提出了三種不同的信道模型，包括AWGN （Additive White Gaussian Noise）、ITU-R（International

Telecommunication Union-Radio communications sector） Good和ITU-R Poor，參考接收端信噪比（Signal-to-Noise Ratio， SNR）的值來選擇當(dāng)前最優(yōu)的數(shù)據(jù)速率，如表1所示。

通過表1獲得初始傳輸速率后便進(jìn)行傳輸，并計(jì)算誤幀率FER，計(jì)算公式為：

FER=1-（1-BER）L

（1）

得到誤幀率后對(duì)照表2改變傳輸速率：當(dāng)誤幀率達(dá)到最低門限時(shí)將數(shù)據(jù)速率降低一檔（當(dāng)前速率在75～2400bit/s時(shí)降低到當(dāng)前值的一半）;超過最高門限時(shí)將數(shù)據(jù)速率提高一檔（當(dāng)前速率在75～2400bit/s時(shí)提高一倍）。

1.1.2 RapidM DRC 算法

RapidM DRC算法的執(zhí)行基于以下三個(gè)步驟：

步驟1? 接收后計(jì)算信噪比，參照表1選擇初始的數(shù)據(jù)傳輸速率;

步驟2? 計(jì)算在當(dāng)前速率下的誤碼率，根據(jù)表3判斷是否需要改變速率;

步驟3? 利用誤碼率和平均誤碼率計(jì)算最優(yōu)的數(shù)據(jù)速率，得到數(shù)據(jù)速率后僅進(jìn)行較小的數(shù)據(jù)速率變化。

同時(shí)算法實(shí)現(xiàn)安全控制，不允許將數(shù)據(jù)速率增加到兩個(gè)以上級(jí)別（例如，如果當(dāng)前數(shù)據(jù)速率為600bit/s，則新數(shù)據(jù)速率可能最多為3200bit/s），或?qū)?dāng)前數(shù)據(jù)速率減小到三個(gè)以上級(jí)別。

1.2 算法仿真與分析

實(shí)現(xiàn)和分析DRC算法的仿真系統(tǒng)如圖1所示，為了保證通信質(zhì)量將信噪比門限設(shè)置為10-5，在AWGN、ITU-R Good和ITU-R Poor三種不同信道質(zhì)量下進(jìn)行仿真。

首先進(jìn)行初始化過程，這個(gè)過程通過比較當(dāng)前的SNR和SNR門限要求，計(jì)算初始數(shù)據(jù)速率。在初始化之后，通過式（1）～（3）計(jì)算BER和FER。

ΔSNR=SNRmeasured-SNRrequired

（2）

BER=10-5×10-ΔSNR

（3）

之后執(zhí)行相應(yīng)DRC算法，并更新數(shù)據(jù)速率。最后從以下幾個(gè)指標(biāo)[14]進(jìn)行鏈路質(zhì)量評(píng)估。

1）平均誤碼率BER 。

平均誤碼率表示誤碼率在時(shí)間上的平均，計(jì)算公式如下：

BER = ∑ N i=1 BERi×τi（BERi） ∑ N i=1 τi（BERi）

（4）

其中：Ti是時(shí)間間隔，N為時(shí)間間隔的總數(shù);BERi表示第i個(gè)時(shí)間間隔中的誤碼率，當(dāng)其大于10-3時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài);τi表示處于連通狀態(tài)的時(shí)間間隔，計(jì)算公式如式（5）。

τi（BERi）= Ti，?? BERi≤10-30， BERi>10-3

（5）

2）平均誤幀率FER 。

平均誤幀率FER 的計(jì)算公式如下：

FER = ∑ N i=1 FERi×τi（BERi） ∑ N i=1 τi（BERi） ×100%

（6）

其中FERi為第i個(gè)時(shí)間間隔中的誤幀率。

3）鏈路連通率LA。

LA用連通時(shí)間與總時(shí)間的比值表示，計(jì)算公式如下：

LA= ∑ N i=1 τi（BERi） ∑ N i=1 Ti ×100%

（7）

4）平均吞吐量Th 。

Th 的計(jì)算公式如下：

Th = ∑ N i=1 DRi×τi（BERi）×（1-BERi） ∑ N i=1 Ti

（8）

其中DRi表示第i個(gè)時(shí)間間隔的傳輸速率。

5）平均幀傳輸速率Gp 。

Gp = ∑ N i=1? DRi L ×τi（BERi）×（1-BERi） ∑ N i=1 Ti

（9）

其中L為第i個(gè)時(shí)間間隔的幀長。

本文列舉了兩種算法在信噪比時(shí)間降低（按正弦曲線）時(shí)，數(shù)據(jù)速率隨信噪比SNR變化的情況，并分別在AWGN、ITU-R Good、ITU-R Poor三種不同信道質(zhì)量下進(jìn)行仿真。

在參數(shù)設(shè)置上，每次信道變化后的運(yùn)行時(shí)間間隔Ti=120s;總運(yùn)行時(shí)間間隔數(shù)N=100;幀長度L=240Byte。仿真結(jié)果如下：圖2（a）為采用Trinder算法對(duì)信噪比向下變化和三個(gè)不同信道模型下的數(shù)據(jù)速率自適應(yīng)情況，得到的鏈路評(píng)估指標(biāo)如表4所示。該算法檢測(cè)到的主要漏洞是數(shù)據(jù)速率的振蕩導(dǎo)致鏈路截止?fàn)顟B(tài)（BER ≥10-3），降低了鏈路可用性。

得到的誤碼率值如圖3（a）所示，可以看到數(shù)據(jù)速率振蕩與10-3以上的誤碼率值重合。

圖2（b）為采用RapidM算法對(duì)信噪比向下變化和三個(gè)考慮通道的數(shù)據(jù)速率自適應(yīng)情況，得到的鏈路評(píng)價(jià)指標(biāo)如表4所示。從表4中可以看出，RapidM算法的性能優(yōu)于Trinder算法;然而它仍然存在誤碼率突然升高導(dǎo)致的數(shù)據(jù)速率震蕩，如圖3（b）所示。

2 基于自適應(yīng)幀長的變速率傳輸算法

2.1 自適應(yīng)幀長算法

信道能夠容納的幀長存在一個(gè)最佳值，但是很難精確地得到，目前只能夠通過恰當(dāng)?shù)乃惴ㄈケ平?同時(shí)要求算法要能夠快速確定幀長，并且保證所用幀長的穩(wěn)定性。

算法具體步驟如下：

1）首先發(fā)送端與接收端協(xié)商初始幀長度，發(fā)送端可以采用先驗(yàn)值的方法，通過偵聽當(dāng)前信道中發(fā)送成功的幀來確定初始幀長或者使用原來發(fā)送成功的幀長值。

2）發(fā)送端記錄每次發(fā)送成功的幀長，當(dāng)連續(xù)兩個(gè)成功發(fā)送的幀長均為L時(shí)，以兩倍L作為新的幀長進(jìn)行發(fā)送;當(dāng)達(dá)到預(yù)先規(guī)定的上限值時(shí)，幀的長度不再增加。

3）當(dāng)某幀糾錯(cuò)失敗需要重傳時(shí)，將原幀重傳兩次，如果這兩次傳輸均失敗，則選擇發(fā)送失敗幀長度的一半作為新的幀長。當(dāng)數(shù)據(jù)幀部分小于一個(gè)字節(jié)時(shí)宣告鏈路失效。

4）當(dāng)出現(xiàn)幀長度連續(xù)在L和2L兩個(gè)值之間跳動(dòng)3次以后，以1.5L（長度取整數(shù)值）作為新的幀長進(jìn)行發(fā)送。如果出現(xiàn)連續(xù)三次傳輸失敗后將幀長降為L。

該算法是一個(gè)整體，既包含了遇阻時(shí)的快速避退，又包含了在信道質(zhì)量優(yōu)良情況下的充分利用，同時(shí)也避免了幀長在某一值附近震蕩的發(fā)生。

2.2 傳輸算法模型

為解決Trinder DRC算法和RapidM DRC算法產(chǎn)生的速率震蕩問題，在傳統(tǒng)DRC算法流程中

執(zhí)行DRC算法和更新數(shù)據(jù)速率兩個(gè)步驟中間添加一個(gè)新的模塊，模塊具體流程如圖4所示。

在DRC算法計(jì)算得到待更新的數(shù)據(jù)速率后，通過當(dāng)前信道狀態(tài)計(jì)算更新數(shù)據(jù)速率后的誤碼率，在更新數(shù)據(jù)速率前根據(jù)誤更新速率后的誤碼率計(jì)算誤幀率：如果誤幀率大于閾值則不

更新數(shù)據(jù)速率;如果大于閾值、且待更新數(shù)據(jù)速率小于當(dāng)前數(shù)

據(jù)速率，則降低速率;否則保持原有數(shù)據(jù)速率繼續(xù)進(jìn)行通信。

2.3 實(shí)驗(yàn)仿真與分析

本節(jié)主要通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)Trinder算法和RapidM算法進(jìn)行分析。

短波信道的狀態(tài)變化比較快，具有一定的周期性，根據(jù)通信的經(jīng)驗(yàn)值設(shè)置初始幀長度L=240Byte;保證通信質(zhì)量的情況下設(shè)置FER閾值=10%;同樣取信道變化后的運(yùn)行時(shí)間間隔Ti=120s;總時(shí)間間隔數(shù)N=100，仿真結(jié)果如圖4、5所示。

通過圖4和圖5可以看出，該算法基本消除了傳統(tǒng)DRC通信系統(tǒng)的振蕩。當(dāng)最佳通信速率接近兩個(gè)速率檔的中間值時(shí)，傳統(tǒng)的DRC算法會(huì)出現(xiàn)速率在兩檔上振蕩。在改進(jìn)后的算法中可以通過添加的判斷模塊來大幅減少速率振蕩情況的出現(xiàn)。通過對(duì)比圖3和圖5可以看出，在誤碼率上也得到了大幅度優(yōu)化，具體的鏈路質(zhì)量如表5所示。

從表5中可以看出，改進(jìn)后的Trinder算法和RapidM算法在性能上有一定提升，采用改進(jìn)算法后Trinder算法誤幀率降低了4.95個(gè)百分點(diǎn)，鏈路連通率提高了12個(gè)百分點(diǎn);在RapidM改進(jìn)算法中，誤幀率降低了3.18個(gè)百分點(diǎn)，鏈路連通率提高了11個(gè)百分點(diǎn)，平均吞吐量和平均幀傳輸速率也有所提高。

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文提出的基于自適應(yīng)幀長的DRC算法與傳統(tǒng)的兩種DRC算法相比具有較大的優(yōu)勢(shì)，由此可見通過改變幀長來控制傳輸質(zhì)量機(jī)制的有效性。因?yàn)閭鹘y(tǒng)DRC算法是在幀長不變的情況下進(jìn)行評(píng)估的，當(dāng)誤碼率增加時(shí)，幀長應(yīng)該適當(dāng)減小，以保持誤幀率值不變，所以提高了通信質(zhì)量。

3 結(jié)語

短波通信一直作為軍事遠(yuǎn)距離通信的保底手段，由于短波信道質(zhì)量變化較快，研究短波DRC算法具有重要的意義。

本文首先介紹了Trinder DRC和RapidM DRC兩種傳統(tǒng)的短波變速率算法，并進(jìn)行了仿真，從仿真結(jié)果可以得出傳統(tǒng)算法有速率震蕩、誤碼率高的問題。同時(shí)提出了解決方案，通過在原有算法流程更新數(shù)據(jù)速率前加入新的判斷模塊，解決速率震蕩的問題，并通過引入自適應(yīng)幀長的概念降低了誤幀率，提高了鏈路連通率。

后續(xù)研究將在以下兩個(gè)方向進(jìn)行延伸：1）實(shí)現(xiàn)更加高效的自適應(yīng)幀長算法;2）結(jié)合寬帶短波通信進(jìn)行研究。

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