面向宽带传输的短波链路建立协议分析*

张桂祥，杨 敏，吉 彬

0 引言

随着电子和通信技术的飞速发展，短波通信由单一化向数字化、网络化发展。由于短波信道传输带宽低、链路质量差、无线传播干扰严重等问题，短波宽带高效传输和适合于短波信道特征的短波链路层技术一直是短波通信的研究热点。

美国在短波宽带传输和短波链路层技术等方面的研究一直处于领先地位。短波高速传输方面，美国先后制定了 MIL －STD －188－110A、110B［1］和110C［2］等标准。其中110C标准是针对短波宽带传输定义的最新波形标准，将传输带宽由传统的3 kHz扩展到24 kHz，为在短波信道上实现高速可靠传输提供统一的空口信号标准。在短波链路层技术方面先后定义了 MIL －STD －188 －141A、141B［3］和141C等协议标准，以支撑短波自动链路建立通信。

北约国家的短波技术发展基本与美国同步，波形传输技术标准4539基本与110B对应，链路控制技术标准4538基本与141B对应。北约4538［4］标准在建链机制上提出了快速建链机制 (Fast Link Setup，FLSU)，该机制基于同步技术，通过同步频率探测扫描机制实现了短波点对点的快速建链，将美军的3G－ALE(3rd Generation Automatic Link Establishment)机制的链路建立与业务建立机制融合，减少了建链时间，提高了系统效率。

近几年随着短波宽带传输波形技术研究的突破［5］，如110C标准，短波宽带链路技术越来越受到重视。Harris公司、Rockwell Collins公司和 Thales公司等均在研制短波宽带链路技术，目前正在制定标准。其基本原理是采用北约4538 FLSU机制，修改协议字段定义，增加带宽协商过程，实现短波宽带链路快速建立的同时兼容传统FLSU机制［6］。

本文将对3G－ALE和FLSU机制下采用窄带传输与在北约4538 FLSU机制下采用宽带传输的性能进行仿真分析对比，为我国短波宽带链路技术发展提供借鉴意义，并根据仿真结果提出下一步研制重点。

1 短波ALE机制工作原理

1． 1 3G-ALE同步机制工作原理

3G－ALE支持两种工作模式，分别是异步模式与同步模式［7］。异步模式与第二代链路建立协议兼容。同步模式中，主叫方在任何时间知道被叫方所在的信道，所以不需要进行频率同步扫描，可直接在相应频率上发起呼叫。第三代短波通信系统工作在同步模式下才能达到最好的效率。

3G－ALE定义驻留时隙为5．4 s，同时引入驻留组(Dwell Group)的概念，对网络中的电台进行分组，同一个驻留组内的所有电台工作在同一组信道上，根据时间进行频率同步切换。不同的组工作在不同的信道上，这样可以降低系统的阻塞。

一个驻留时隙侦听一个呼叫信道和一个业务信道如图1所示。一个驻留时隙进一步划分为1个侦听时隙(时隙0)和5个呼叫时隙(时隙1、时隙2、时隙3、时隙4、时隙5)。

图1 3G－ALE每个驻留时隙扫描侦听频率情况

3G－ALE系统中的台站开机以后，会根据预先设置的信道列表开始对各个信道进行不断地扫描，当收到其他台站呼叫或打算呼叫其他台站就会离开当前扫描状态。当有呼叫发起时链路建立流程如图2所示。首先在时隙0上调谐到呼叫信道并侦听业务信道是否被占用，如果业务信道空闲则根据呼叫优先级确定在哪一个时隙发起呼叫，如果业务信道被占用则延迟一个驻留时隙继续进行侦听呼叫。在发起呼叫的前一个时隙，侦听呼叫信道，如果呼叫信道空闲则在下一个时隙发起链路建立呼叫PDU，如果呼叫信道被占用则推迟一个时隙继续侦听发送。被叫台站收到链路建立呼叫PDU后，在下一个时隙回复链路建立应答PDU，呼叫台站根据收到的应答PDU中的链路ID来判断是否为所要呼叫的目标台站，并确定业务信道。如果呼叫台站接收到呼叫应答，则双方台站调谐到特定的业务信道进入业务管理阶段，完成链路建立。如果呼叫方台站没有收到来自被叫方的呼叫应答，则会进入被叫方台站的下一个呼叫信道继续呼叫。

图2 3G－ALE链路建立基本流程

1． 2 北约4538 FLSU机制工作原理

与3G－ALE不同，北约4538标准的FLSU机制中为尽量减少传输呼叫冲突，定义每个频率的驻留时隙为1．35 s，所有节点在每个驻留时隙上进行同步扫描。如果有节点需要发起一个点对点建链时，需要运行发前侦听功能(LBT)［4，8］。

FLSU的主要呼叫流程如图3所示:当某一节点在频率f4的驻留时隙时，其上层业务系统下发点对点建链请求，并且要求在f3频率上完成建链。接收到建链请求后，呼叫节点继续进行扫描，直到呼叫频率的前一个频率f2。如果在继续扫描期间，呼叫节点出现其他的建链请求，则呼叫节点根据请求优先级判断是延迟呼叫还是继续呼叫。如果当前呼叫的优先级高，则呼叫节点从频率f2直接调接到f3，开始发前侦听，持续一个驻留时隙，确保在频率f3上没有被占用，并在f3频率驻留时隙内发起呼叫请求(Request_PDU)。被叫节点在f3上接收到呼叫则回复呼叫应答(Confirm_PDU)，链路建立成功，呼叫和被叫节点进入点对点业务通信过程，网络内其他节点则继续在同步扫描。当双方结束链路状态后，重新回到同步扫描状态，频率f3空闲，可以用于其他节点的业务传输。

图3 北约4538 FLSU链路建立基本流程

在应用中，有可能会存在冲突，可能会存在多个节点同时在某一个频率时隙上发起建链申请，此时要进行退避，退避的时隙数跟业务优先级有关，如表1所示。

表1 呼叫冲突后退避时隙数

1． 3 3GALE和北约FLSU机制特点分析

相比3G－ALE，北约4538 FLSU机制的主要优点如下:

(1)每个频率的驻留时隙压缩为1．3 s，而3G－ALE的驻留时隙为5．4 s，在网络较小和业务量不大时能够快速建链，提高系统效率;

(2)不区分呼叫信道和业务信道，避免了3GALE中呼叫信道较好，业务信道较差引起通信失败的现象;

(3)未区分业务信道和呼叫信道，将所用的信道用于传输业务，可用于传输业务的频率增多，提高了系统分配频率利用率。

对应的主要缺点如下:

(1)业务信道与呼叫信道未分离，可能会存在某些节点未听到业务传输，而发起链路呼叫干扰正常业务通信;

(2)未设置驻留组，未对用户进行分组，在大型网络和网络业务量较大的情况下可能会导致冲突严重，从而增大建链时延和降低网络吞吐量。

2 基于宽带传输的短波FLSU机制

在新一代短波通信中，希望实现数据高速传输链路快速建立，由于3GALE协议中驻留时隙较长，难于满足宽带链路设计要求的快速建链要求，为此本文在FLSU机制基础上实现宽带链路建立。

2． 1 基于宽带传输的短波FLSU机制原理

为充分考虑宽带FLSU与窄带FLSU机制的兼容性，宽带FLSU链路建立过程基本采用窄带FLSU链路建立过程。仅从链路建立协议上修改以实现宽带FLSU链路建立的同时，做到与窄带链路建立协议的兼容。

从FLSU建链请求PDU如表2所示，CRC校验前的6个bit为Arg2字段，在建链呼叫阶段默认值为全1。在宽带链路建立协议中将FLSU协议中对其定义预留值进行重新定义，如表3所示。

表2 建链协议PDU格式

表3 WBFLSU建链协议PDU Arg2段预留值定义

宽带链路建立流程与北约4538 FLSU链路建立流程一致，如图3所示，在本机制运行下可以支持选用宽带波形传输，使用更高速率进行业务传输。

2． 2 基于宽带传输的FLSU机制性能分析

基于宽带传输的FLSU机制能够使用短波宽带高速波形，用更快的速率支撑业务传输。比如3 kHz使用2 400 b/s速率，在带宽为24 kHz时可以使用更高的速率如9 600 b/s，不考虑建链时间，文件传输时间被压缩为原有的1/4，从而大大提高了网络吞吐量。北约FLSU网络内业务量达到一定程度时，冲突严重，建链成功率降低，从而导致建链时延增大，采用宽带传输可以将业务量饱和门槛大大提高。

3 仿真研究

采用OPNET仿真工具对本文所涉及的协议进行仿真。

3． 1 仿真模型

仿真模型由3部分组成:进程模型、节点模型、网络模型。其中进程模型模拟的是协议的执行过程，节点模型表述了独立设备的属性，网络模型是对实际网络的模拟［8］。

进程模型如图4所示。其中init模块实现初始化参数功能;rcv模块完成业务数据缓存;spring_link模块选择建链时隙;slot_uint模块对时隙进行控制;tx_uint单元对发送进行控制处理;rx_uint单元对收到的信息进行处理。

图4 仿真进程模型

节点模型如图5所示。src单元负责产生业务数据;组网协议模拟单元(3G_ALE_MAC)实现对组网协议的仿真模拟;rt_0模拟发信机;rr_0模拟收信机;a_0是天线。

图5 仿真节点模型

网络由8个节点组网，各节点之间通过无线链路进行通信。

3． 2 仿真结果

在仿真模型中，信源每次产生一包512字节长度的业务数据，产生间隔Δt服从均值为ΔT的平均分布。每包业务数据通信目的节点随机产生，服从平均分布。

宽带传输中，在电台发送功率一定时，带宽扩展会引入更多噪声。经实际线路测试24 kHz带宽9 600 b/s速率波形通信性能远优于3 kHz 2 400 b/s波形性能。本文中对WB－FLSU进行仿真时采用速率9 600 b/s，3G－ALE和北约4538 FLSU采用2 400 b/s速率。

本文仿真模拟6个小时的通信时间，在ΔT分别为1 s、50 s、100 s的情况下，对3种不同链路控制协议下的链路建立时延、链路建立成功率和网络吞吐量进行观测和对比，分别如图6、图7、图8所示。

图6 不同业务负载下建链时延

图7 不同业务负载下建链成功率

图8 不同业务负载下网络吞吐量

3． 3 结果分析

在信源发送平均间隔为512字节/100 s时，WB－FLSU未出现冲突，建链时延为2．7 s，建链成功率为100%，此时北约4538 FLSU和3G－ALE已经开始出现冲突，从而导致建链时延增大，建链成功率降低，北约FLSU建链成功率降为95%，而3GALE建链成功率降为85%。

当信源发送间隔为50 s时，WB－FLSU还未出现冲突，建链时延还是为2．7 s，建链成功率为100%，但是北约4538 FLSU和3G－ALE机制的冲突更为严重，建链时延进一步增大，建链成功率分别降为90%和68%。

当信源间隔调整为1 s时，网络处在饱和运行的阶段，3种链路协议都出现较为严重的冲突，建链成功率和建链时延均大幅恶化，但是建链时延、建链成功率和网络吞吐量指标，WB－FLSU比其他两种机制均要好。

4 结语

本文对北约FLSU协议进行改进获得WB－FLSU协议，使其能够应用短波宽带波形进行高速通信。由于WB－FLSU应用宽带高速传输，信息传输速度快占用信道时间较短，降低了冲突概率，较大程度上提高了网络容量门限。从建链时延、建链成功率和网络吞吐量这3个方面来看，宽带波形的应用能够极大地改进短波网络性能。

在WB－FLSU进行9 600 b/s高速通信时，建链时间为2．7 s。512字节业务传输时间约为0．5 s，链路建立时间远大于业务传输时间。即便传输5 k字节文件，业务传输时间为5 s，此时链路建立时间是业务传输时间的一半，所占用开销太大。所以下一步的工作重点应该是研制高效的宽带快速链路建立协议，加速链路建立过程，从而进一步提高系统效率。

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［2］ MIL－STD －188－110C，Mil．Std．，Interoperability and Performance Standards for Data Modems［S］，Draft Version Revised September 2011．

［3］ MIL－STD －188－141B，Mil．Std．，Interoperability and Performance Standards for Data Modems［S］，Draft Version Revised March 1999．

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