一种基于Internet的短波接入数据链路传输协议的改进方法

2012-02-28马伟

网络安全与数据管理 2012年11期

马伟

（江苏信息学院科技处，江苏无锡 214153）

短波通信系统亦称为高频（HF）通信系统，它能实现远距离、低成本的通信，在边远地区野外作业、抢险救灾等领域有着广泛的应用。将短波通信系统接入Internet，除需优化短波信道传输的无线接入协议，也需要在数据链路层加以研究和优化，网络技术的发展将更多形式的信息融入网络，更大程度上丰富人们的日常生活。

1 短波接入系统

短波接入系统作为一个独立的子系统，与其他接入系统通过网关相连接，可以成为整个互联网系统的一部分。

1.1 短波接入系统构成

一个典型的短波接入系统主要包括无线终端、无线接入点、网络控制器以及与无线接入系统连接的外部网络4个部分，如图1所示。HF网关处有HF节点控制器HFNC（High Frequency Node Controller），它在与之相连的以太网终端和本地HF电台节点之间充当网关。HFNC主要完成HF自适应通信系统的链路层和网络层功能，具有根据寻径表完成子网内寻径、存储转发报文以及HF子网内自动信息交换功能。网关与移动电台之间可以直接通信，也可以利用中继站作为中间节点进行通信。

图1 短波接入系统构成

1.2 短波接入系统协议结构

短波接入Internet协议结构如图2所示。其应用层与TCP/IP终端保持一致。当在短波子网内部进行数据传输时，可以直接采用短波子网的网络层协议AME（Automatic Message Exchange），而无须经过 TCP和 IP，以减小其报头开销。此外，由于短波子网需通过以太网接入Internet，因此，该协议包含了IEEE 802协议与子网的互连。其中，HFDLP（Data Link Protocol）的主要任务是保证数据传输的可靠性，ALE以及ALE MODEM则保障无线链路的建立。

图2 短波接入Internet协议结构

2 数据链路层协议改进的意义

逻辑链路控制层（LLC层）的任务是完成两通信实体间点到点的数据帧传输与控制。由于短波信道利用电离层传输的不稳定性，在IEEE 802.2标准的基础上设计短波逻辑链路控制协议。在这种LLC协议中规定收发双方在交换任何带有信息的协议数据单元（PDU）之前，必须先建立链路，收方接收到信息后必须以确认帧应答[1]。

2.1 数据包长度对出错概率的影响

由于短波通信系统大多是半双工工作方式，因此，在这里采用译码后的LLC数据包中的CRC校验来判断接收是否正确。若接收错误，则发送否定应答NAK（Negative Acknowledge）给发送端，要求重传；否则，发ACK（Acknowledge）给发送端，停止本次传送。

令p为误码率，且每个数据包的长度为 B bit，可以用下式来估算数据包出错的概率pB[2]：

对于给定的误码率，数据包出错的概率pB随其长度B的增加而增大。假设各二进制位出错概率相同且彼此独立，这样可以估算出，如果 B=8 000（即 1 000 B时），当误码率 p=10-5，则 pB≈0.077，当误码率 p=3×10-5，则pB≈0.213。

由此看以得出，误码率和数据包长度的增加会大大增加数据包出错的概率。

2.2 合理的数据包长度

令β为信道上的数据速率，TW为包括双向传播时延以及接收端处理时间在内的空闲时间。这样可以得到发送一个数据包的平均等待时间加上发送时间为TW+B/β，而节点每秒最大传输无差错数据包数为[3]：

经推导可以得到误码率p与最大数据传输速率时数据包长度B的关系为：

其中，B为数据包长度，h为数据包报头及报尾长度，p为误码率，β为信道上的数据速率，TW为发送端等待应答的空闲时间。

在短波系统设计时，TW可以根据上传流量及等待时间进行估算，而信道上的数据速率β值可以事先得到，误码率p可以由ALE给出，这样系统可以根据TW对其数据包大小进行调整，以获得最大数据传输速率。

图3给出了最大数据传输速率的数据包长度与系统误码率的关系。这里取β=1 200，h=64。从图3可以看出，随着系统误码率的增大，数据包长度迅速减小，这是因为高误码率意味着同样数据包长度内出错概率的增大。

图3 最大数据传输速率的数据包长度

当p=10-3时，LLC帧长为328 bit，每帧有效数据为264 bit；当 p=10-4时，LLC 帧长为 1 008 bit，每帧有效数据为 944 bit。

同时，在系统误码率的相同条件下，TW增大意味着可达到最大数据传输速率的数据包长度的增大。

3 提高链路传输效率的方法

短波通信系统大多采用半双工工作方式，为了提高系统的有效数据输出，在SR-SW-ARQ（Selective Repeat SW-ARQ Protocol）方式基础上，采用一种无帧序号自适应选择式ARQ链路层算法，以减小上层报文传输时延，提高系统有效数据吞吐率。

3.1 无帧序号自适应选择式ARQ的工作方式

SR-SW-ARQ 方式工作流程如图4所示。发送报文的过程为：先按LLC报文格式将1帧上层数据包封装成多个LLC数据包，在发送时采用多个LLC数据包一起发送，而接收端在接收完全部报文以后，若接收报文中包含出错，则以NAK形式将出错LLC报文的序号返回发送端，发送端重发出错LLC报文，发送端重新发送出错数据包直至所有数据包都正确接收为止。

而无帧序号自适应选择式ARQ方式去掉了每个帧头部的序号，发送方将没有帧序号的数据帧发送过去，接收方根据收到的数据进行运算和判断。当1帧数据到达时，将上1帧出错的数据和新数据取出，重新计算后进行排序，发送方在发送下一个数据帧时，优先填入上一次出错的子帧[4]，付出的运算开销由接收端的运算能力承担。在信道质量较好的情况下，可以用一个比特表示若干个连续子数据帧的对错，这样可以大大减少ACK的发送时间。

图4 SR-SW-ARQ方式和无帧序号自适应选择式ARQ方式流程图

3.2 SR-SW-ARQ方式性能分析

若上层数据包分成N个LLC帧，则采用标准SWARQ传送该N帧数据包的传播时延为T1（N），采用SRSW-ARQ方式传送N帧数据包的数据包传播时延为T2（N）[5]。 △T（N）=T1（N）-T2（N），显然，当 N=1 时，这两种方式是一样的。

短波信道误码率为 p，误帧率 pB=1-（1-p）B。

采用无帧序号自适应选择式ARQ方式传送N帧数据包的数据包传播时延为T2（N），则后者节省的时间为：△T（N）=T1（N）-T2（N）。

经过推导（略），可得到计算公式：

其中，N为数据包个数，h为数据包报头及报尾长度，pB为数据包出错的概率。

由式（5）可以看出，在N和pB不变的情况下，数据包报头及报尾长度减少，将直接节省数据传输时间。同时，ACK次数的减少，也在一定程度上提高了传输效率。

3.3 无帧序号自适应选择式ARQ方式的传输的仿真测试

图5给出了无帧序号自适应选择式ARQ方式比选择重发SW-ARQ方式传输一份数据包所节省的时间（时间以TW为单位，LLC帧长度采用上一节的最佳输出数据包长度方法进行设计）。

选择上层数据包长度分别为L=12 000、6 400 和 1 600 bit（即 1 500、800、200 B）时，从图5可以看出，节省时间随着L的增大而增大，即 N↑⇒△T（N）↑。

要提高短波的传输效率，对于给定的误码率而言，数据包出错的概率随其长度的增加而增大，但数据包的长度过小，则意味着增加报头和确认信号的开销相对较大，将影响每次传输数据量。本方案可以根据误码率的情况对其数据包大小进行调整，以获得最大数据传输速率。无帧序号自适应选择式ARQ方式比选择重发SW-ARQ方式具有更高的传输效率，使短波接入系统的传输性能得以改进，具有较好的现实意义。