王鵬，黃偉強，陳曉天

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引言

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

由于太陽輻射、太陽黑子、地磁活動等影響，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間變化，還受存在的大量工業(yè)干擾的影響。通過對通信質量進行自動動態(tài)評估，選擇最優(yōu)頻點建立通信鏈接的自動建鏈（Automatic Link Establishment，ALE）技術是目前短波電臺通信常用的手段。由于短波電臺每次數(shù)據(jù)傳輸前先利用ALE 根據(jù)業(yè)務類型需求進行頻率選擇，因此建鏈波形的機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 代自動建鏈（4G-ALE）技術的出現(xiàn)，以及寬帶通信MIL-STD-188-110DInteroperability and Performance Standards for Data Modems波形標準的發(fā)布，標志著短波通信正式進入第4 代。

本文結合國內短波研究的進展，面向國內短波寬帶通信需求，探討支持短波寬帶通信的4G-ALE波形。

1 短波建鏈技術發(fā)展

為應對天波傳輸中復雜時變色散信道及各種干擾，國內外短波通信專家們針對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，美軍及國際電聯(lián)發(fā)布了第2 代自動建鏈（2G-ALE）標準MIL-STD-188-141A[6]和第3 代自動建鏈（3G-ALE）標準MIL-STD-188-141B[7]。為進一步提高短波數(shù)據(jù)傳輸能力，美軍于2012 年發(fā)布的MIL-STD-188-110C[8]標準將帶寬擴展到6～24 kHz，最高速率可達120 kbit/s。2017 年，美軍又發(fā)布了MIL-STD-188-110D[9]標準，補充了30～48 kHz 寬帶波形，最高速率可達240 kbit/s[10]，同年發(fā)布短波寬帶建鏈標準MIL-STD-188-141D[11]。國內外ALE 技術發(fā)展概況如圖1 所示。

圖1 國內外ALE 技術發(fā)展概況

1.1 短波2G/3G 自動鏈路建立（2G/3G-ALE）

1988 年，美軍發(fā)布了第2 代短波自動鏈路建立（2G-ALE）技術標準MIL-STD-188-141A，規(guī)定了建鏈波形、信道自動掃描、自動鏈路建立及鏈路質量統(tǒng)計等功能，很好地滿足了80～90 年代以話音通信為主且對數(shù)據(jù)通信要求不高的場景需求，因此成為全球統(tǒng)一標準。國內也制定了類似標準GJB 2077—94《短波自適應通信系統(tǒng)自動線路建立規(guī)程》[12]。但2G-ALE 采用8FSK 調制的異步建鏈方式，其所需建鏈時間較長，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，導致在低速數(shù)據(jù)傳輸可通情況下，因不能建鏈而無法通信等問題。

圖2 短波2G 通信（天波）時頻及建鏈持續(xù)時間

美軍于1999 年發(fā)布了第3 代短波自動鏈路建立技術（3G-ALE）標準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（Automate Link maintainess，ALM）。與2G-ALE技術相比，如圖3 所示，3G-ALE 的建鏈和數(shù)據(jù)傳輸均采用了PSK 調制，具有魯棒建鏈和快速建鏈兩種方式，并增加同步機制，加快了鏈路建立速度，降低了建鏈信噪比要求。通過ALM 機制，采用混合自動重傳請求（Hybrid Automatic RepeatreQuest，HARQ）方式，提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏侣屎涂垢蓴_性。國內也制定了類似標準GJB 2077—94《短波自適應通信系統(tǒng)自動線路建立規(guī)程》[13]。

圖3 短波3G 通信（天波）的時頻及建鏈持續(xù)時間

1.2 短波4G 自動鏈路建立（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]標準，僅明確了3G 快速建鏈采用STANAG 4538，未對寬帶波形建鏈給出規(guī)范，這也導致從2011 年開始一直沒有寬帶通信電臺面世。直到2017 年美軍才發(fā)布了支持寬帶自動鏈路建立（WideBand ALE，WALE）的MIL-STD-188-141D 標準，采用頻譜感知技術在優(yōu)選頻率上可變信道及信號帶寬，并兼容3G-ALE 的信號接收。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）、短波自適應寬帶通信（HF XL）、短波認知網(wǎng)絡通信（Cognitive Networked HF，CNHF）4 種體制。其中，WALE 是由Rockwell Collins 主導的4G-ALE標準MIL-STD-188-141D，3GWB是由L3Harris 主導的標準，HF XL 是由THALES 主導的STANAG 5070（ALE）+STANAG 4539（數(shù)據(jù)傳輸）標準，CNHF 是由芬蘭KNL 公司研制的寬帶體制。

2 短波4G-ALE 體制的抗干擾機制

4G ALE 最大的特點就是增加了頻譜感知，收發(fā)雙方根據(jù)交互的信道傳輸實時情況，在優(yōu)選頻率附近自動調整信道頻率及波形的帶寬、調制方式、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 建鏈交互邏輯關系如圖4 所示。因為寬帶體制需要同時升級硬件，各公司考慮到自己產品的兼容性及應用方式，其建鏈體制和抗干擾機制也有所不同。

圖4 短波4G-ALE 建鏈交互邏輯關系

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)時間約為200 ms，極大地縮短了建鏈時間，使得抗干擾性能明顯增強。短波WALE 通信過程的時頻圖及建鏈持續(xù)時間如圖5 所示。

圖5 短波WALE 通信過程的時頻及建鏈持續(xù)時間

2.2 3GWB

3GWB也在MIL-STD-188-141D 中的5.5.7 節(jié)中作為參考項提出。實際上3GWB 仍使用3G-ALE建鏈波形，僅為自適應寬帶通信而增加了用于ALM的感知交互波形。ALM 波形采用8PSK 調制，持續(xù)時間0.6 s，性能弱于3G-ALE，但優(yōu)于2G-ALE，短波3GWB 通信過程的瀑布圖及建鏈持續(xù)時間如圖6 所示。雖然3G 建鏈性能很好，但由于增加了感知交互波形，延長了建鏈整體時間，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變差。

圖6 短波3GWB 通信過程的瀑布及建鏈持續(xù)時間

2.3 HF XL

HF XL 可以在200 kHz 帶寬內最多支持16 路3 kHz 窄帶波形同時發(fā)射，如果使用收發(fā)異頻，最大可支持32 個通路，建鏈體制上兼容2G-ALE、3G-ALE 等標準波形。HF XL 與3GWB 一樣為自適應多載波寬帶通信，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頻如圖7 所示。

圖7 HFXL 瀑布及建鏈通路交互的時頻

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，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，其建鏈使用1.8 kHz 帶寬PSK 調制的突發(fā)信號波形，持續(xù)時間為0.3 s，且建鏈呼叫、建鏈應答和數(shù)據(jù)傳輸均可以不在鄰近信道。CNHF 通信過程的時頻及建鏈持續(xù)時間如圖8 所示。雖然CNHF建鏈信號與2G ALE 建鏈性能相似，但由于其建鏈信號的突發(fā)性使其難以被發(fā)現(xiàn)，抗干擾性很強。

圖8 CNHF 通信過程的時頻及建鏈持續(xù)時間

3 4G 建鏈抗干擾性對比

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，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。

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

表1 4G-ALE 波形參數(shù)對比

（1）WALE 具有駐守（同步）和掃描（異步）模式，通過減少建鏈時延，提升了抗干擾性；缺點是建鏈未考慮鏈路維護，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，抗干擾性沒有提升，但從系統(tǒng)上看，其應用于一套被稱為功率庫的短波通信系統(tǒng)，由16個1 kW 發(fā)射機組成，共用1 根天線，最大合成功率為4 kW，也可支持16 路50 W 同時發(fā)射。建鏈波形可以在16 路通路上任意選擇頻點發(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。缺點是只能應用于大型固定臺站或大型機動平臺。

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

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2G 和3G 系統(tǒng)的兼容，雖由于建鏈時間延長導致抗干擾性有所降低，但ALM 和寬帶數(shù)據(jù)波形結合后，寬帶數(shù)據(jù)波形的抗干擾性提升。

4 結語

4G-ALE 通過減少建鏈時間、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，更重要的是通過頻譜感知技術[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[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的寬帶頻譜感知，存在兩個問題：（1）無法判斷干擾類型（天波衰落、人為干擾或是共址干擾）而合理地規(guī)避干擾；（2）建鏈前無法提供寬帶衰落估計，用于選擇最佳建鏈頻率。人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術，尤其是一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡，對頻譜檢測和信道估計可以給出更多的參數(shù)，并可與寬帶跳頻結合，更有效地對干擾進行規(guī)避。

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