短波通信系统发展及关键技术综述*

左 卫

(海军驻成都地区通信军事代表室,四川成都610041)

短波通信系统发展及关键技术综述*

左 卫

(海军驻成都地区通信军事代表室,四川成都610041)

针对短波通信系统的应用特点,提出了短波通信发展的关键性问题,描述了短波通信技术的当前发展趋势。对国内外短波通信系统的主要标准和技术体制进行了综述。基于短波通信技术的特点,重点从短波网络体系结构、中继路由、链路层协议、波形传输体制及抗干扰机制的技术特点进行分析,描述了当前短波通信系统的主要技术状态。同时,针对短波通信发展的关键性问题,探讨了后续短波通信技术的发展趋势,对我国建立新一代短波通信系统具有较好的借鉴意义。

短波通信 网络体系结构 链路层协议 波形体制

0 引 言

短波频率资源有限,通信质量不稳定。但短波是唯一一种可以不依赖于基础设施和中继实现远距离通信的方式。同时,短波设备体积小,机动性强,成本低,以及在特殊环境下能快速展开等特点使其在无线通信中起到非常重要的作用。随着物理层数字信号处理技术的发展,短波通信传输技术为短波通信系统的发展提供了支撑。在民用航空、应急通信领域,短波是不可或缺的通信手段。尤其在军用领域,短波已经得到长足发展,是卫星远距离通信的必要补充。

传统短波点对点通信模式逐步发展为短波组网模式,有效地提升信道利用效率。短波通信由传统的中心控制的接入网模式逐步发展到具有自组织功能的短波网络。同时,编码技术、时域均衡技术、及宽带波形技术的发展,使得短波传输速率明显提高,从传统的300 b/s提升到了最高达38.4 kb/s,并且在传输性能上更能适应短波信道的变化,提升了短波频谱的利用效率。本文从分析国内外短波通信系统的发展、应用出发,总结和分析了当前短波通信系统的主要发展趋势及主要关键技术。希望能为我国设计和应用新一代短波通信系统有借鉴意义。

1 短波通信系统发展关键问题

针对短波通信传输的特点,应用于短波通信系统的通信技术发展的主要关键问题:

1)短波通信网络结构优化及高效组网

当前的短波通信系统主要以传统点对点传输模式为主。点对点模式不能及时反映整个网络环境的完整态势信息。因此,短波通信由基本的点对点模式向网络化发展也是其应用的主要趋势[1,2]。针对短波有限的数据传输速率,实现高效的系统组网,优化网络结构,提高网络的运行效率,是短波网络化的关键问题。

2)短波宽带高速数据传输

传统的短波通信带宽为3 kHz,在传输速率上一般只有300 b/s、600 b/s等低速速率,随着现在短波通信技术的发展,尤其数字处理能力的提升,传统的短波速率已经不能满足应用需求,提升短波的通信容量是后续短波通信发展的关键问题。传统的短波通信信号带宽为3 kHz,在实现高速数据传输时需要采用高阶调制,需要很高的信噪比,因此展宽带宽实现可靠的高速传输是有效的技术途径。

3)短波抗干扰

天波传播受到电离层变化和多径传播的影响而极不稳定。地波传输也受到山区和地形的影响导致传输不可达等问题。同时短波通信还会受到恶意的外部干扰等,这就决定了短波通信的工作方式以及使用的短波频率需要随环境的变化而适时地进行自适应调整[3]。因此,具备抗干扰功能、可靠的信息传输是短波通信技术研究的主要课题之一,也是短波通信系统实现可靠应用的重要保障。

4)短波资源动态分配

短波频段窄,传输速率低,短波资源的动态使用可以有效地提高短波通信的运行效率。尤其在特殊通信场景中,特殊性比较高的节点应该具有较高的优先级,占有更多的短波资源。同时,当节点优先级发生变化时,短波资源应该进行实时的动态调整,实现短波网络化的整体最优。短波资源的分配技术按照时间信息控制方式可以分为同步模式[4,5]和异步模式[6]。

5)互联互通[7]:

短波网络与异构网络的互联互通是通信系统综合各种通信手段,提升传输能力的重要技术途径之一。目前异构网络的互联以IP(Internet Protocol)协议为主,IP over HF(Internet Protocol over High Frequency)技术需要在短波信道带宽窄、速率低的情况下支持特定的IP业务。

2 国内外短波发展现状

我国短波通信网络技术的研究在军事领域上得到广泛应用外,在民用的领域有有限的使用和发展。

在我国军用领域,超视距通信手段包括卫星和短波通信,但是在紧急状态下,卫星通信易受到干扰,而短波通信具有较强的抗干扰能力,容易部署,因此短波通信也是我军超视距通信领域必不可少的手段。在民用方面,由于我国自然灾害多发,传统通信手段容易遭打破坏,而短波通信具有灵活、低廉等特点,在应急通信中得到广泛应用。但国内传统短波应用主要以点对点通信为主,尤其是在应急通信中,如灾后的信息交互,点对点的短波通信可以有效地将灾区信息及时地反馈给灾后指挥所。但是点对点的通信不能有效反应灾后的态势信息,而且较低的传输速率不能满足应急通信的需求。民用的短波通信网络化、宽带传输、可靠传输也是我国短波应急通信的主要发展趋势。

国外已经研制和使用了多种短波通信系统,但是先进的短波技术仍然应用于军事领域。其中走在前列的有美国海军的高频特混编队内通信网络(HF ITF,High Frequency Intra-task Force)和短波舰/岸网络(HFSS,High Frequency Ship and Shore),澳大利亚的LONGFISH网络,Collins公司的HF MESSENGER网络,美国GW(Globe Wireless)公司的全球电子邮件系统(Globe Email System)[2]等。

上述几个国外比较著名的短波网络从组网体制上看,都属于短波接入网体制,具有网络中心节点控制机制,其他节点属于从属地位,移动节点之间不能直接通信,所有的信息交互通过中心节点统一调度完成。为了克服具有中心控制的短波接入体制在应用场景中的缺陷,短波自组织网络技术在国外也得到广泛研究,尤其在军事应用领域。美军国防部在90年代就制定了一系列适应于短波自组织网的通信技术标准,并且随着数字信号处理技术的发展,短波通信技术标准已经从2代自动链路建立(ALE, Automatic Link Establishment)标准(MIL-STD-188-141A)发展到了3代ALE标准(MIL-STD-188-141B)[8],目前正在向第4代ALE标准进行开发与研究。

短波数传技术也随着短波通信技术的发展逐步更新换代。在短波传输速率上,增加了宽带短波通信技术,尤其提出了新一代的短波数传标准MILSTD-188-110C,显著提升了短波通信系统的性能。由于短波频段窄,抗干扰体制主要体现为跳频体制,美军和北约国家的新一代数据链系统LINK22就将短波慢速调频体制作为该系统的标准配置。

北约短波联合广域网(AHFWAN66,Allied High Frequency Wide Area Networking using STANAG 5066)主要应用于海上通信。它采用北约STANAG 5066标准[9],定义了规范的短波通信协议结构,以及针对短波自组织网络提出了短波令牌环(HFTP, High Frequency Token Protocol)机制,实现海上通信的自组织能力,在短波适应能力方面规范了一套较为完整的速率自适应技术。同时北约的5066标准首次将IP over HF技术进行实用化定义,并依据此标准,北约的短波联合广域网(AHFWAN66)已经能支持IP over HF技术,实现短波网络与有线IP网络的互联互通。但北约的5066标准从短波的信号处理技术以及传输机制上看,与美国的2代ALE技术属于同一代技术。为了与美军的第3代ALE短波通信标准兼容,北约又重新制定了STANAG 4538标准[10],基本上采用了美军MIL-STD-188-141B协议相同的体系结构,并在此基础上提出了快速链路建立(FLSU,Fast Link Set Up)协议以及相应的链路控制协议,保证短波快速建链,提高数据的传输速率。

综上所述,相比于我国的短波通信应用,北约和美国的短波通信技术一直走在前列,相继制定了短波通信体制的协议标准,但是在一些关键技术上只建议了技术框架,未描述具体的实现细节。

3 短波通信系统关键技术分析

3.1 协议体系结构

短波协议栈结构是短波组网技术的核心内容。定义标准的短波协议栈结构,可以适应不同的组网体制和传输机制,兼容不同的短波电台组网。目前,提出短波通信系统协议体系结构的主要有北约的STANAG 5066标准和美军的141B标准,但是这两个标准都没有从跨层设计角度来考虑协议栈结构。

北约的STANAG 5066标准中最早提出了短波通信系统的协议栈结构。规范了短波通信系统的功能层次与接口。如图1所示,该协议栈结构主要定义了2层功能实体:链路层(link layer)和物理层(physical layer).定义了链路层各个子层(子网接口子层、信道接入子层以及数据传输子层)的功能以及服务原语等。尤其在子网接口子层中,可以直接支持为业务终端的业务传输,同时该子层基于IP over HF技术还能支持特定的IP业务传输。

图1 STANAG 5066规范的协议栈结构Fig.1 Protocol stack structure of STANAG 5066

从图1中也可以看出,该协议栈结构缺少了标准OSI模型协议栈中定义的2个层次。一是网络层;另一个是MAC层。因为STANAG 5066标准的早期版本主要以规范短波点对点传输模式为主,而忽略了组网模式下的协议栈结构。因此,在5066标准的1.2版本中,短波路由技术以及MAC协议等都没有进一步明确说明。虽然,STANAG 5066标准的最新2.0版里建议了基于时分多址接入(TDMA,Time Division Multiple Access)、载波侦听多址接入(CSMA,Carrier Sense Multiple Access)以及短波令牌环(HFTP,High Frequency Token Protocol)等组网机制,但是仍然还处于研究阶段,没有描述具体的技术细节。

针对北约STANAG 5066标准缺少组网协议的描述,美军的MIL-STD-188-141B标准在2代ALE基础上发展了3代ALE标准体系。如图2所示,在该标准中协议栈结构重点定义了链路层功能,除了将MAC协议(3G-ALE,Third Generation ALE)与逻辑链路子层(HDL/LDL,High rate Data Link Protocol/Low rate Data Link Protocol)并行排列在一个功能层中,还增加了业务管理和线路管理功能。虽然在该协议栈结构中也建议了短波网络层功能和支持IP over HF技术的框架,但是仍然没有描述技术细节。

图2 3代ALE规范的协议栈结构Fig.2 Protocol stack structure of 3G ALE scheme

另一方面,由于短波通信受到带宽和传输速率的限制,IP over HF技术的提出曾经受到了置疑[7]。随着短波高速波形技术的发展,以及短波应用中网络互联的需求,该技术又在短波通信领域也获得了广泛研究。STANAG 5066标准首先描述了IP over HF技术可行性,文献[7]通过半实物仿真方式对短波信道传输IP业务进行了性能分析,通过研究指出短波传输更适用于面向非连接方式的广播或组播业务。文献[11]针对广播与单播方式规范了IP over HF的处理流程以及IP协议接口等。目前,短波信道对IP业务的支持能力,以及短波自组织网与有线网络的互通问题仍然是解决IP over HF技术实用化的关键。

3.2 短波中继路由

短波具有传输距离远的优势,短波路由主要用于保证信息的可靠传输,保证通信的可达性。在现有文献中,设计的短波路由协议大体可以分为3类:静态路由、源路由和自适应连通性交换路由。静态路由[12]的生成办法是在网络运行前配置一些节点充当中继节点,将这些节点填入各个节点的路由表中,静态路由方式适用于网络拓扑结构相对稳定的网络。源路由机制[13]借鉴了传统Ad Hoc网络中的路由技术,以减少搜寻路由的开销为目的。源端在发送分组的包头添加路由信息,中继节点在接收到分组后解析包头,若获知自身是中继节点,则将其转发给包头中记录的下一个中继节点,直至到达目标节点。与上述2类短波路由机制相比,连通性交换路由机制更具有自适应优势。自适应连通性交换路由机制[8]是专门为了适应短波信道的特点而设计的一类路由协议。文献[14]将优化链路状态路由(OLSR:Optimized Link State Routing)协议应用于短波自组织网的研究,OLSR协议能不断地监视网络节点之间的连通性,并且通过中继子集在整个网络中泛洪连通性信息,以便更新每个节点的路由表。因此,OLSR路由协议较适用于业务量小的短波网络。而获得全网连通性信息的另一种方式[8]是通过对源节点到目的节点的链路质量进行探测。通过在节点之间动态交互路由信息的方法来更新路由表。

综上所述,国内外对短波路由技术的研究相对较少,路由的查询和路由表的生成总会对有限的短波资源带来开销。因此,短波路由协议应尽量减少查询路由带来的开销,以自适应的方式提高短波传输的可靠性和可达性。

3.3 媒体接入控制技术

典型的短波自组织网媒体接入控制机制继承了无线Ad Hoc网络的MAC技术,主要实现参数的静态配置,可以归纳为以下4种类型:竞争接入方式、令牌环方式、时分方式以及混合MAC组网方式等。

文献[15]基于载波侦听多址接入/冲突避免协议(CSMA/CA,Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance),对短波竞争接入方式的MAC体制进行了研究,提出了短波分布式协作协议(DCHF, Distributed Coordination for High Frequency),该协议与典型的CSMA机制具有类似的网络性能,在传输载荷很重时,信道利用率会急剧下降,导致业务传输时延呈指数增加。为了避免竞争协议在网络规模大时带来的性能下降,文献[7]提出了短波令牌环协议(HFTP),该协议继承了无线令牌环协议(WTRP, Wireless Token Ring Protocol)的优点,在原有的基础上增加了令牌中继和令牌合并的机制,提高了短波网络的可用性,以适应链路的变动导致连通性的改变。研究表明,在特定的海平面环境下,HFTP的组网性能比DCHF更具有优势,因此,在北约STANAG 5066标准2.0版本中,建议使用令牌环的组网体制,并作为附录L编入了该标准。

如果短波网络存在一个全局的时钟,则可以选用TDMA协议[4],和其他随机协议相比,TDMA机制由于按照时间关系协调了节点占用信道的机会,因此各节点不会发生碰撞,效率得到提高。在STANAG 5066标准2.0版本中,附录M建议了基于TDMA的短波组网体制,但具体的设计细节在该版本中没有描述。混合的MAC组网体制的提出就是为了解决单一MAC组网机制下的问题。美军141B同步组网协议,结合竞争模式和TDMA模式的优点,减少了竞争冲突,增加多信道接收的工作方式,提升了组网的效率和性能。

图3 典型短波TDMA时帧结构Fig.3 Classic TDMA frame structure of HF

目前,短波MAC机制仍然以静态的资源分配为主,而动态的资源分配策略更能满足短波信道带宽窄、资源有限的情况。为了实现短波资源动态分配,美军和北约最新研制的22号数据链(Link 22)[16-17]使用了动态TDMA技术,增加了动态时隙分配策略,可以有效地保证信息传输的时效性。

3.4 短波数传技术

短波传输技术为短波网络的发展提供了可靠保证。短波波形体制的研究美军一直处于领先地位。波形传输体制标准也由早期的MIL-STD-188-110A,逐步发展到了110C标准。尤其在110C标准中定义了短波宽带波形体制。传统的短波通信信号带宽为3 kHz,在实现高速数据传输时需要采用高阶调制,需要很高的信噪比(如采用64 AM调制实现了9 600 b/s的传输速率,要求信噪比为21 dB),因此展宽带宽实现可靠的高速传输是有效的技术途径。目前美军定义的波形体制标准110C带宽已经从传统3 kHz提升到了最大24 kHz,传输速率在9 600 b/s时,要求的信噪比为5 dB[18]。与传统3 kHz带宽性能比较可以看出,扩展带宽可以实现可靠高速传输,但是短波频段窄,扩展带宽只是相对而言。

与传统的短波并行调制解调技术相比,单载波体制采用串行调制解调,相对于多载波体制具有峰均比较小的优点,同时串行体制结合恰当的信道编码技术,可以有效地提升波形误码性能。近年来现代编码技术已有极大的发展,很多编码的性能都逼近了香农极限,比如Turbo码、LDPC码等。合适的编码方式可以有效地提升短波通信的纠错能力。

北约国家的短波数传技术发展基本与美国同步,如波形传输技术标准STANAG 4539与美军的110B标准同步发展,主要目的在于能实现与美军短波通信系统的兼容。

3.5 高可靠抗干扰技术

1)短波跳频与直扩抗干扰

短波跳频是短波通信抗干扰的主要手段之一。由于短波通信系统受到短波频段和带宽的限制,短波跳频一般以慢速跳频为主,并且短波跳频的实现还需要有足够的短波频率资源。国外北约组织定义了短波跳频抗干扰体制标准STANAG 4444,设计了短波慢速调频体制,跳速为8.89跳/秒,具备一定的抗干扰能力。美军的Link 22数据链系统也采用该跳频体制。

另一种短波通信抗干扰手段是采用直接扩频技术,将需要发送的信息展宽到一个很宽的频带上,同时也抑制了噪声对有用信息的影响。但是短波直扩技术由于短波频段窄,直扩技术占用更多的短波带宽,影响了短波频谱的利用效率,所以该技术的实际应用还在进一步研究中。

2)多频多点接入的空间分集

由于短波信道质量不稳定,不同位置的节点相互通信时,能找到统一的短波频率进行通信的概率较抵,因此,单一频率条件下的组网会导致网络运行失效。而采用多频接入控制方式,保证当一个频率不可用时,可以切换另一个使用频率,大大提高了短波通信的可靠性。采用多频多点接入技术需要更多的频率资源。多频多点接入技术示意图如图4所示。

国际民用航空通信公司(ARINC)开发和运营的民用空管GLOBALLINK/HFDL系统[18]的多频多点接入控制机制,空中飞机根据地面配置的频率质量自动接入到地面通信站点。在为期30个月的试验中,采用3个地面站,每个地面站2个频率,系统的可通率超过了95%,随着站点和频率的增加,可通率会更高。

图4 短波多频多点接入的空间分集Fig.4 Method of space diversity of HF multi-frequencies and multi-nodes access

3)频率分集

短波频率分集技术借鉴了MIMO思想,通过在不同频率上的同时接收合并,实现短波通信的可靠接收。当固定节点配置多个发射机、移动节点配置多个接收机时,可采用频率分集提高稳健性。即固定节点的数据信息经数传调制后将调制信号发给多个信道机,每个信道机在各自不同的载波频率上进行发射,移动节点上多个接收机在各自载波上进行接收,数传将多个接收机输出的基带信号进行分集合并解调。

频率分集的仿真结果表明,12 kHz带宽25.600 b/s速率波形在2个载频频率分集比无分集在CCIR中等信道下有13 dB增益,CCIR差信道时下8 dB增益。12 kHz带宽32 000 b/s速率波形在2个载频频率分集比无分集在CCIR中等信道下有13.5 dB增益,CCIR差信道下有8.5 dB增益。因此,通过频率分集技术可以大大提升短波通信的可靠性。

4)链路自适应

短波链路自适应技术是短波通信可靠传输的保障。链路自适应技术能跟踪短波信道的变化,根据信道环境的好坏动态调整信息的传输速率、编码及调制方式等。通过使用短波链路自适应技术,能够在不同信道条件下的信道利用率大副提高,并能保证短波传输有较低的误码率。

短波链路自适应技术主要分为2种方式,一是速率自适应技术;另一种为频率自适应技术。北约的STANAG 5066标准提出了在短波传输过程中的速率自适应机制[9],由物理层调制解调器周期性地统计和上报当前信道传输的误码率、误帧率以及信噪比等,由链路控制子层通过速率自适应算法,实现源端与目的端之间的速率以及编码参数的动态配置。

美军MIL-STD-188-141B标准的3代ALE协议中,规范了在不同信道条件下的传输速率,并且定义了5种突发波形,其中突发波形BW0用于进行台站之间的链路建立,并在建链的同时完成信道质量评估,根据估计值确定一个符合当前业务要求的信道进行业务传输。BW2和BW3分别用于高速和低速下的业务传输。BW1和BW4主要用于对链路控制信息的传输,保证控制信息传输可靠性。

当短波频率的信道质量很差时,需要对使用的工作频率进行自适应调整。文献[19]中提出了一种频率质量探测技术。在短波业务传输过程中,分配一定的时间段对频率库中的冗余频率进行质量探测,并为当前的工作频率更换做准备。但是该频率探测技术会带来探测开销,影响信道利用效率。

短波信道条件极易受到环境的影响,链路自适应技术是短波自组织网中保证信息可靠传输的有效途径之一。

4 结语

短波通信由于传输距离远的优势,在某些特定环境下,短波通信可以作为卫星远程无线通信的有效补充。随着短波通信技术的发展,美国和北约国家的短波通信系统已经走在了前列,并且在民用和军事领域都广泛应用和发展,并形成了一系列短波通信系统标准和技术规范。本文对国外短波通信系统的主要标准进行了概述,并且就短波通信的关键技术发展进行分析,针对短波通信的特点,对后续技术的发展趋势进行了探讨,对我国建立新一代短波通信系统具有较好的借鉴意义。

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Review on Pivotal Technology And Development of HF Communication System

ZUO Wei
(Naval Military Representative Office in Chengdu,Chengdu Sichuan 610041,China)

Based on the research on the characters of application of high frequency(HF)communication system,this paper provides some pivotal problems which accelerate the development of HF communication system.A few of standards and technologies which are compiled in foreign HF communication systems are summarized in this paper.Aiming at the characters of HF communication application,this paper analyses architectures of protocol system,relay route,protocol in link,waveform technology,and link adaptive scheme and so on.At the same time,it discusses the direction of development about HF communication technologies on the basis of pivotal problems in HF communication systems,thus to lead the direction of HF communication systems in our country.

HF communication,network protocol architecture,link protocol,waveform technology

TN91

A

1002-0802(2014)08-0847-07

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.08.002

2014-06-14;

2014-07-14 Received date：2014-06-14;Revised date：2014-07-14

左 卫(1971—),男,硕士,工程师,主要研究方向为通信工程、网络协议体系结构、信息安全技术等。

ZUO Wei(1971-),male,M.Sci.,senior engineer,majoring in communication engineering,the network protocol architecture and information security technology,etc.