短波多址接入协议在信道误码下的性能研究*

刘庆刚

0 引言

随着现代军事领域中各战车、舰船、战机之间超视距远距离话音、数据通信业务的日益增多，短波通信由于通信距离远、造价低，越来越受到重视。为提高短波信道利用率、提高短波通信吞吐量，短波通信网络化发展的需求更加迫切，对短波组网能力提出了更高的要求。

短波信道存在无线电噪声干扰严重、信道质量差、传输速率低等弱点，无线传播中固有的多径时延、多径衰落、多普勒频移、频移扩散等现象在短波信道中更加明显。目前应用比较普遍的移动通信无线信道接入技术，不能适应短波信道的特点，不能直接将此类无线网网络结构及组网技术应用于短波网络。因此，研究适合于短波信道的短波多址接入协议是短波组网研究［1－3］的难点和关键技术之一。

目前短波组网研究领域有三个短波多址接入协议得到广泛关注和应用，分别是北约STANAG 5066(以下简称S5066)标准的短波令牌环协议(HFTRP:High Frequency Toking Ring Protocol))［4－5］、美军MIL － STD －188 －14lB［6－7］(以下简称 141B)标准的第三代自动链路建立协议(3G ALE:3G Automatic Link Establishment)、以及北约 STANAG 4538［8－9］(以下简称S4538)标准的快速建链协议(FLSU:Fast Link Set－ Up)。

S5066提出的HFTRP是无竞争组网协议，提高了短波信道利用率。HFTRP机制在同一时刻只能有一个节点交换信息，当网络规模增大时，HFTRP能避免由于竞争冲突带来的性能下降，性能仍可保持稳定。

美军标制定的短波通信标准141B，提出第三代自动链路建立(3G ALE)组网协议。该协议结合竞争模式和时分多址接入(TDMA，Time Division Multiple Access)模式的优点，减少了竞争冲突，增加多信道接收的工作方式，实现了快速链路建立，提升了组网的效率和性能，提供了支持数据密集型短波网络的能力。

北约组织制定的S4538标准，在141B标准基础上对3G ALE机制进行改进，提出了快速建链机制FLSU。与美军3G ALE机制相比，该机制融合了呼叫链路与业务链路，采用同步频率探测扫描技术，提高了建链成功率，达到了短波点对点快速建链的目的。

目前在无信道误码条件下对短波多址接入协议的研究相对较多，信道误码对3G ALE、FLSU以及HFTRP性能有何影响，还需要进一步研究。针对上述问题，本文在详细研究 3G ALE、FLSU以及HFTRP的基础上，建立了信道误码下的仿真模型，通过仿真结果进行性能对比分析。

1 短波多址接入协议

1． 1 短波令牌环协议(HFTRP)

为了避免竞争协议在网络规模大时性能下降的弱点，文献［4］提出了短波令牌环协议(HFTRP)，该协议继承了无线令牌环协议(WTRP，Wireless Token Ring Protocol)的优点，增加了令牌中继和令牌合并［10］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。

HFTRP是非竞争型协议，只有拥有令牌的站才允许发送数据，同一时刻只能有一个节点传输信息。为了提高每个节点对信道访问的公平性，每个节点只能将令牌拥有一段时间，之后它必须将令牌传送给下一个节点。如果接收到令牌的节点没有信息传送，它会立刻将令牌传送给下一个节点。令牌传递都在一个逻辑的环上传递，在令牌环结构中，信息随着令牌进行传送［10］。短波令牌的丢失需要有令牌回复策略。

1． 2 第三代自动链路建立(3G ALE)协议

若提供全局同步时钟，短波网络可以选用TDMA协议［6］。通过全网同步技术，各节点通信不会发生碰撞，提高了网络整体效率。但随着网络规模增大，网络内业务传输时延也会相应增大，会严重影响TDMA机制的性能。

为解决单一TDMA组网机制下的问题，141B提出了3G ALE。3G ALE吸取了TDMA的优点，在呼叫信道上同步竞争呼叫，完成呼叫建链后再开始进行业务建链。3G ALE协议规定slot1～slot5采用呼叫竞争方式，实现节点的建链过程。slot0也用于监控业务链路信道质量。基本的呼叫信道时隙结构如下图所示。

图1 3G ALE呼叫链路时隙Fig．1 Call－ channel slot of 3G ALE

在业务建链过程完成业务传输类型，速率等的协商，保证在一定信道条件下的业务传输可靠性。则转移到协商好的业务链路上进行业务传输。呼叫建链与业务建链过程分步完成，会增加建链的时间。

1． 3 快速建链(FLSU)协议

为减少3G ALE呼叫建链过程中的冲突，北约S4538标准FLSU机制基于同步技术，并通过呼叫/响应方式解决短波信道是否可用的问题，实现快速建链。

FLSU机制主要具备如下特点:

1)短波网内全局时钟同步，基于同步技术保证快速可靠建链。

2)通过2次握手，同时完成呼叫建链与业务建链过程，减少了建链时间，提高了建链成功率，提高了建链效率。

3)直接利用呼叫链路进行通信，融合呼叫链路与业务链路，可降低3G ALE机制中的业务链路不可靠的概率。

4)提高探测扫描速度，每个驻留频率上的扫描时间减少为1．35 s，而3G ALE每个驻留频率上的扫描时间为5．4 s。

2 基于短波信道误码的仿真系统

针对短波子网宽带波形组网体制进行仿真建模，拟采用通信网络专用仿真工具OPNET Modeler，版本为14．5。通过建立网络设备模型、链路和协议模型，模拟网络业务、协议的处理过程，获得网络设计或优化所需要的网络性能数据。

信道加误码情况下各网络性能仿真试验:网络加载几个量级的误码率，改变业务加载的平均间隔时间、数据传输速率，测试网络的业务成功率、时延等统计量，进行各多址接入协议的组网性能对比。

对比的3个多址接入协议为:

1)FLSU

2)3G－ALE同步模式

3)HFTRP

2． 1 仿真系统构成

仿真环境依据实际网络、设备和协议进行建模，以便更精确地模拟实际系统的功能。仿真网络包括网络拓扑结构，及在应用层上所需要的业务模型等。即产生什么样的业务能体现协议性能差别。设备模型主要体现为节点模型设计，短波通信节点包括协议处理模块，及相关的收发信机处理模块等。协议模型根据不同的多址接入协议完成性能分析，尤其考虑在仿真中体现出短波信道的特点。

图2 仿真系统结构Fig．2 Structure of simulation system

2． 2 短波信道模型

对于无线系统和有线网络最大的区别是无线信道的广播和时变特性。无线信道建模的内容涉及广泛，包括无线信道的频率、功率、视距及信道干扰等。对于每个发射信道和接收信道对来说，它们之间的整个无线传输过程可以用一系列功能单一的传输阶段来描述。在OPNET仿真时，采用14个管道阶段来尽量接近真实地模仿数据在信道中的传输。

由于物理层是短波信道，因此将针对短波信道特征进行抽象，通过不同速率、不同等级的信道误码率、信噪比来表征信道。信道误码率等级分别为1e－5、1e－4、1e－3、1e－2。仿真设置如下图所示。

图3 仿真短波信道模型参数设置Fig．3 Reference configuration of simulation HF channel model

2． 3 业务模型

为了更能比较不同协议之间的性能，则需要在相同业务条件下，设计相同的业务处理模型。设计的业务长度按照一定的比列产生，更能模拟真实短波环境。业务模型参数如下表所示。

表1 仿真输入与输出参数Table 1 Input and output parameters of simulation

2． 4 仿真输出参数定义

仿真输出参数包括业务传输成功率及业务传输时延。业务传输成功率和时延可以判断出不同协议在相同业务条件、网络拓扑结构、信道误码条件下的对比分析。

业务传输成功率:在确定时间段内，全网成功发出业务的个数与全网产生业务总数之比。

业务传输时延:发送节点成功发出业务与接收节点成功接收到该业务的时间差。

3 仿真结果分析

信道误码仿真时，由于3个多址接入协议的业务传输受误码影响效果是一样的，因此只对信令传输进行误码仿真。

在信道误码条件下，3个多址接入协议3G ALE、FLSU及HFTRP的传输性能如图4－7所示。

图4 业务间隔300 s时的传输成功率Fig．4 Success ratio of transmission under business interval of 300 s

图5 业务间隔150 s时的传输成功率Fig．5 Successful ratio of transmission under business interval of 150 s

在1e－3以下信道误码率时，三个多址接入协议传输成功率均下降不明显;在1e－2的信道误码率时，HFTRP已不能正常组网，FLSU、3G ALE传输成功率也有所下降，由于FLSU呼叫建链与业务建链同时完成，因此成功率仍优于3G ALE。

图6 业务间隔300s时的传输时延Fig．6 Transfer Delay under business interval of 300 s

图7 业务间隔150s时的传输时延Fig．7 Transfer Delay under business interval of 150 s

在1e－4以下信道误码率时，三个多址接入协议传输时延均无明显上升;在1e－3的信道误码率时，HFTRP的传输时延有明显增加，而 FLSU、3G ALE变化不大;在1e－2的信道误码率时，HFTRP已不能正常组网，3G ALE的时延有明显增加，而FLSU在呼叫建链后利用呼叫信道发送业务报文，实现了呼叫信道与业务信道的合并，降低了业务信道不可靠的概率，故在时延上有明显优势。

由以上仿真可知，多址接入协议在信道误码影响下，FLSU最稳健，3G ALE稳健性次之，HFTRP由于存在令牌丢失风险，受信道误码影响较大。

4 结语

北约S4538标准的FLSU、美军141B标准的3G ALE是比较实用的短波多址接入协议，FLSU在3G ALE的基础上融合了呼叫建链和业务建链过程，并且将呼叫信道与业务信道合并，提升了建链效率和业务传输效率。

仿真结果表明，在一定信道误码条件下，FLSU、3G ALE以及HFTRP性能基本一致;在高信道误码率条件下，HFTRP受到信道误码的影响比较明显，FLSU在性能上有明显优势;在信道误码影响下，FLSU最稳健，3G ALE次之，HFTRP受信道误码影响最大。

因此，小规模短波组网时，从性能考虑应优先采用FLSU机制。大规模短波组网时，由于竞争冲突的影响，需在后续工作中进行FLSU与3G ALE性能的研究对比，而HFTRP由于其性能受信道误码的影响很大，还需在后续研究中进一步完善改进。

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