美军短波宽带数据通信标准的最新进展

屠文超,江天娇,叶向阳,郭友波

(1.空军工程大学信息与导航学院,西安 710077;2.空军司令部信息化部 自动化站,北京 100843;3.解放军93811部队 13分队,兰州 730020)

1 引 言

短波通信具有组建开通快、抗毁能力强和维护费用低等特点,一直是世界各国重点发展的军事通信手段之一。美军作为世界短波通信标准发展的引领者,其短波通信标准被世界各国军方广泛研究和参考。自第一代短波通信标准于20世纪80年代制定,目前已经发展到第三代,技术特征呈现数字化和网络化。

MIL-STD-188-110系列标准是美国国防部强制制定、适用于窄带和宽带短波战术通信系统的调制解调器技术标准,该标准可确保各平台之间的互操作性,有效提升调制解调器性能,同时为新型调制解调器的设计提供参考。

目前,该系列标准共有MIL-STD-188-110A/B/C 3个版本,其中,MIL-STD-188-110A[1](正文部分以110A表示)和MIL-STD-188-110B[2](正文部分以110B表示)标准为短波窄带数据通信标准,带宽和数据速率具有一定的局限性;最新版本的MIL-STD-188-110C[3](正文以110C表示)标准重新定义了一系列短波宽带波形,这些宽带波形在110B标准的基础上增加了带宽,提高了数据速率和抗干扰能力,通信效能得到了有效提升。110C也是世界上第一个完全意义上的短波宽带数据通信工业标准。

2 MIL-STD-188-110系列标准的发展

2.1 MIL-STD-188-110系列标准介绍

MIL-STD-188-110系列标准自1991年发布第一版以来,一直备受业界高度关注,我国也将其作为制定短波通信标准的基础和重要参考。随着应用需求的变化和技术的不断成熟,MIL-STD-188-110系列标准也在不断地改进和完善,此后分别于2000年4月和2011年9月发布了该系列标准的第二版110B和第三版110C。在MIL-STD-188-110系列标准的制定过程中,设计者们还参考了如STANAG 4197[4]等其他通信标准和协议,使110系列标准具有广泛的普适性。

110A标准采用1.5 kHz带宽,调制方式为 8-PSK,数据速率在不加编码的条件下只有4 800 bit/s,目前我国短波调制解调器标准大多以该标准为基础而建立。110B标准是110A标准的升级版,加入了新的调制方式种类,带宽增加到3 kHz,数据速率在不加编码的条件下最高可达12 800 bit/s,基本满足了当时的需求。该标准采用了FEC纠错编码与交织编码,提高了纠错能力。与前两版相比较,110C标准在技术上有了质的飞跃。该标准采用了宽带数据传输技术,最大带宽可达24 kHz,最高数据速率也达到了120 kbit/s,大大提高了数据传输的效能和可靠性。经过20多年的不断积累和发展,MIL-STD-188-110系列标准已经成为了事实上的短波通信工业标准,对世界短波通信的发展具有深远影响。

2.2 MIL-STD-188-110C

2011年9月23日,美国防部正式颁布了由Harris和Rockwell Collins公司共同参与设计的MIL-STD-188-110系列标准的最新版本——110C。与110B标准中的短波窄带调制系统相比,110C标准重新定义了以3 kHz为间隔、最大24 kHz带宽、最高数据速率120 kbit/s(共计33种速率)的13种宽带调制波形。110C标准对交织技术进行了优化,取消了Very Short和Very Long两种交织类型[2],使交织深度的最短平均值为0.12 s、最长平均值为7.68 s。编码方面,采用了基于约束长度为7或9的卷积码[5],利用去冗余和重复译码技术得到了最低1/16、最高9/10的编码率[6]。基于短波信道特性,用户可以依据不同的需求选择带宽和调制波形,使调制解调器的效能达到最优。目前,Harris公司已设计出能够完全适应新型短波宽带数据通信标准的原型机,于2010年6月分别在3 kHz、6 kHz、12 kHz和24 kHz的带宽上对110C 标准草案进行了模拟信道测试和空中性能测试[7]。

110C标准的颁布,从根本上改变了以窄带为主的短波数据通信体制,为短波通信全面跨入宽带通信时代打下了坚实的基础。

3 110C标准调制特征

110C标准相比于110B标准在调制技术方面有了很大程度的改进与提高[6],主要体现在带宽、数据速率和调制方式上,这3个方面是调制解调的重要技术特征,并且三者之间具有紧密的联系。具体参数如表1所示。

表1 短波宽带数据波形相关参数Table 1 Wideband HF data waveforms parameter

3.1 带宽选择

为满足应用需求,110C标准基于最小3 kHz、最大24 kHz、3 kHz叠加的宽带信号,相比于110B标准采用3 kHz带宽的短波窄带信号,局限性大大降低,并且极大提高了数据传输的信息量,具有更大的带宽选择空间。

3.2 调制技术

与110B标准中QPSK、8-PSK、16-QAM、32-QAM、64-QAM调制方式相比,110C标准在调制方式上增加了Walsh码、2-PSK、4-PSK和256-QAM等方式。以正交幅度调制方式为例,110B标准中64-QAM采用标准8×8正方形星座图的改进形式,较110A标准相比取得了更好的峰均比,而110C的256-QAM采用了16×16圆形星座图,在同一坐标系内,点数越多代表采用该调制方式可以有效提高数据传输的信息量和频带利用率。

Walsh码正交调制[3]是110C标准中最新加入的基于8-PSK不规则数据序列的一种调制方式。对编码和交织后的每2位比特而言,该方式能够产生基于32位符号的重复Walsh序列,Walsh正交调制是通过对每2 bit数据选择相应的Walsh序列完成的,对应关系如表2所示。按照规则,二进制码经过Walsh正交调制后得到了八进制的Walsh序列,4个Walsh序列重复8次后得到32位Walsh序列。假设二进制比特为01,那么该序列0404重复8次后就变为0,4,0,4,0,4,0,4,0,4,0,4,0,4,0,4,0,4,0,4,0,4,0,4,0,4,0,4,0,4,0,4。

为了便于识别,每个交织块的最后2 bit对应的Walsh序列规则有所不同,如表2中特殊Walsh序列规则所示。

表2 Walsh序列调制规则Table 2 The rules of Walsh sequence

3.3 数据速率

110B标准在3 kHz带宽下所能提供的最高数据传输速率仅为9 600 bit/s,有一定的局限性;而基于短波宽带数据通信的110C标准,共定义了33种数据速率,最高数据速率达到了120 kbit/s,极大改善了信息传输的效率。其中适用于天波传输的数据速率从75 bit/s到76.8 kbit/s,适于地波传输的数据速率为12～120 kbit/s。

4 110C标准交织与信道编码

4.1 交织选择

交织是通信系统中为对抗信道突发错误而采用的一种技术,就是在最大限度改变信息结果而不改变信息内容的条件下,使信道传播过程中由于突发干扰而导致的连续差错最大限度的分散化,将其转换成随机差错,有效提高接收端解码成功率。

110C标准在交织技术上有了一定的改进[3,6,8],如表3所示。一是优化了交织机制[9]。110C标准共定义了4种交织方式,相比110B标准而言做了一定的优化,这种优化主要是针对短波信道,省略了之前的超短波部分,使得目的更加明确。二是交织深度大幅降低,缩短了信道传输时延。由于110C标准取消了 VL(Very Long)交织方式,因此最大交织(Long Short)深度仅为7.68 s,短交织(Short)和中交织(Medium)深度也分别为0.48 s和1.92 s,与110B标准中定义的交织深度相比有了明显的减小。其中,交织深度为0.12 s的极短交织(Ultra Short)仅适用于地波通信,深度为7.68 s的长交织仅适用于天波通信,短交织和中交织均适用于天波和地波通信。

表3 交织选择Table 3 Interleaver Options

4.2 信道编码

为了抵消加性噪声、码间串扰等影响,除了合理选择调制方式外,110C还通过采用信道编码技术来提高系统的抗干扰性[3,9]。

由于受到某些技术专利的限制(例如Turbo码),110C标准的信道编码技术沿用了110A标准中1/2编码效率、约束长度K=7或K=9的卷积编码。如图1所示为K=7的卷积编码示意图。

图1 1/2编码效率、约束长度为7的卷积编码示意图Fig.1 Constraint length 7,rate 1/2 convolutional encoder

其中,多项式

为了进一步提升系统的编码效率,对卷积编码得到的码字进行去冗余处理,去冗余规则如表4所示[10]。

以K=7为例,为了获得3/4系统编码率,卷积编码之后的码字每3 bit中就有一位不能发送,假定1表示该比特将被发送,0表示不发送,那么所用掩码为110、101,其中,110和 101分别对应b0和 b1码流。

表4 去冗余规则Table 4 Puncture and repetiton patterns

经过去冗余处理,110C标准所规定的各波形对应的系统编码率如表5所示。

表5 MIL-STD-188-110C标准系统编码率Table 5 The code rate of MIL-STD-188-110C

5 110C标准信道性能测试

110C标准是由Harris公司和Rockwell Collins公司共同设计完成的,标准在制定过程中主要是对带宽为3 kHz、6 kHz、12 kHz和24 kHz、约束长度为 7 或9的波形在高斯白噪声信道(AWGN)、中纬度干扰信道(MLDC)中进行模拟信道的测试[6]和空中性能测试[7]。因为短波信道具有时变性,在时延、误码率等方面对数据的传输有一定的影响,因此测试的主要目的是对110C标准在沿用110A编码方式后依然可以取得较好的编码效果,获得良好的信噪比。

根据发布的测试结果[6],约束长度为7的卷积码在带宽为12 kHz的高斯白噪声信道下的性能测试结果与110B标准附录C的波形性能相同,4个测试带宽下的信噪比均在0.5 dB内;约束长度为9的卷积码在上述条件下的信噪比为1 dB。在中纬度干扰信道下,约束长度为7的卷积码的信噪比维持在1 dB内,约束长度为9的卷积码的信噪比最大能达到1 dB。

可见,在以上两种信道环境下,约束长度为9的卷积码比约束长度为7的卷积码在性能上具有一定的优势,同时也说明了110C标准在沿用110A的编码方式后能够取得很好的编码效果。

6 结 语

当前,短波数据通信正随着信息技术进步和军事应用需求的扩展而快速发展。110C标准改变了传统意义上的短波数据通信体制,将宽带技术应用到短波通信中,大大提高了数据传输的效能和可靠性。本文通过介绍美军110C标准的调制特征、交织与信道编码等重要技术,将该标准与110B标准进行了比较与分析,指出了110C标准的技术优势,为我国短波宽带数据通信的发展提供了一个很好的参照。随着短波宽带数据调制技术的发展,美军和北约已开始着手研制基于110C标准的新型短波通信设备。在未来对短波通信标准的研究中,如何吸收最新技术和优秀成果,获取有益借鉴,是今后的研究重点。

[1] MIL-STD-188-110A,Interoperability and Performance Standard for Data Modems[S].

[2] MIL-STD-188-110B,Interoperability and Performance Standard for Data Modems[S].

[3] MIL-STD-188-110C,Interoperability and Performance Standard for Data Modems[S].

[4] STANAG 4197,Modulation and Coding Characteristics That Must Be Common to Assure Interoperability of 2400 BPS Linear Predictive Encoded Digital Speech Transmitted over HF Radio Facilities[S].

[5] 达新宇,陈树新,王瑜,等.通信原理教程[M].北京:北京邮电大学出版社,2005:278-281.DA Xin-yu,CHEN Shu-xin,WANG Yu,et al.Communication Theory Tutorial[M].Beijing:Beijing University of Posts and Telecommunications Press,2005:278-281.(in Chinese)

[6] William N F,Eric N K,John W W.Design and system implications of a family of wideband HF data waveforms[C]//Proceedings of NATO Research and Technology Orgnization IST-092Symposium:Military Communications and Network.New York:Harris Corporation,2011.

[7] Furman W N,Nirto J.On-Air Testing of a Wideband HF Data Modem[C]//Proceedings of The Nordic Shortwave Conference.Edinburgh:[s.n.],2009:74-76.

[8] 李式巨,姚庆栋,赵民建.数字无线传输[M].2版.北京:清华大学出版社,2007:171-173.LI Shi-ju,YAO Qing-dong,ZHAO Min-jian.Digital Wireless Transmission[M].2nd ed.Beijing:Tsinghua University Press,2007:171-173.(in Chinese)

[9] Nieto J,Coding and Interleaving Options for Wideband HF Waveforms[C]//Proceedings of the Nordic Shortwave Conference HF10.Sweden:[s.n.],2010:74-76.

[10] Yasuda Y,KashikiK,Hirata Y.High-Rate Punctured Convolutional Codes for Soft Decision Viterbi Decoding[J]IEEE Transactions on Communications,1984,32(3):315-319.