一种新型短波宽带传输技术

2016-01-21张桂祥康弘俊

通信技术 2015年6期

王　磊，张桂祥，康弘俊

(海军驻北京地区通信军事代表室，天津 300211)

Received date:2015-01-06；Revised date：2015-04-19

摘　要：3G-ALE提高了短波通信系统的可通率和可靠性。随着应用的发展，现有短波传输技术很难满足可靠高速的通信要求，由此短波宽带传输技术成为研究热点之一。详细阐述了短波传输技术发展现状和发展趋势，引入一种新的宽带传输方式，并根据宽带传输特性改进3G-ALE建链方式，形成适合短波宽带传输的链路建立方法。这种短波宽带传输技术可以提高短波通信的可通率、缩短链路建立时间。

关键词：宽带；3G ALE；可通率

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.009

一种新型短波宽带传输技术

王磊，张桂祥，康弘俊

(海军驻北京地区通信军事代表室，天津 300211)

Received date:2015-01-06；Revised date：2015-04-19

摘要：3G-ALE提高了短波通信系统的可通率和可靠性。随着应用的发展，现有短波传输技术很难满足可靠高速的通信要求，由此短波宽带传输技术成为研究热点之一。详细阐述了短波传输技术发展现状和发展趋势，引入一种新的宽带传输方式，并根据宽带传输特性改进3G-ALE建链方式，形成适合短波宽带传输的链路建立方法。这种短波宽带传输技术可以提高短波通信的可通率、缩短链路建立时间。

关键词：宽带；3G ALE；可通率

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.009

收稿日期：2015-01-06；修回日期：2015-04-19

中图分类号：TN91

文献标志码：码：A

文章编号：号：1002-0802(2015)06-0672-05

Abstract：3G-ALE (Third Generation Automatic Link Establishment ) improves the available probability and reliability of HF (High-Frequency) communication system. With the development of applications, the current HF transmission technology is difficult to meet the requirements of high-rate and reliable communication, thus HF wideband transmission technique becomes one of the research hotspots. In this paper, the current situation and development trend of HF transmission technology is expounded in detail. A new wideband transmission mode is introduced, and 3G-ALE link establishment method is improved in accordance with the characteristic of wideband transmission, therefore a link establishment method suitable to HF wideband transmission is formed. The HF wideband transmission technology could improve the available probability of HF communication and shorten the time for link establishment.

作者简介：

A Novel Wideband Transmission Technology of High Frequency

WANG Lei，ZHANG Gui-xiang，KANG Hong-jun

(Naval Representative Office of Communication in Beijing Area ，Tianjin 300211，China)

Key words：wideband; 3G-ALE; available probability

0引言

随着电子技术的飞速发展，短波通信由单一化向数字化、网络化发展。采用短波组网技术体制，一方面可以增加通信链路的抗毁性和顽存性，另一方面，可以在网内自动选择最优链路，克服由于电离层条件变化对单条无线链路质量造成的影响。美军标MIL-STD-188-141B是中高频无线电系统互通性能标准，定义了第三代自动链路建立(3G ALE)技术体制，在实现快速链路建立、通信组网能力、信息吞吐量的改善上有很大提高[1]。

随着应用需求的不断发展，传统3 kHz短波传输技术很难满足要求，为此短波宽带传输技术由于其在通信组网能力和信息吞吐量的优势逐渐成为当前研究热点之一。

本文结合短波宽带传输技术国内外研究发展现状提出一种新型短波宽带传输技术，这种传输技术可以支持在窄带上进行传统3G建链，并支持在带宽连续扩展的宽带和多信道绑定的宽带上进行快速、高效链路建立和通信。

1短波传输技术现状简介

1.1短波传输波形概述

短波调制解调技术方面，目前国外主要有美军标MIL-STD-188-110系列标准和北约的STANAG 4539标准。其中MIL-STD-188-110A于1991年提出并得到广泛应用，其传输带宽3 kHz，最高传输速率为2 400 b/s(未编码时4 800 b/s)。MIL-STD-188-110B于2000年提出，带宽仍为3 kHz，增加了独立边带(ISB)和多信道绑定模式，采用64QAM最高速率达到9 600 b/s(未编码时12800b/s)，标准要求白噪声下误码率1e-5的信噪比为21 dB(实际约需19 dB)，对实际信道有较高的要求[2]。

随着业务需求的发展短波高速传输成为新的发展趋势。目前短波宽带高速传输主要有两种技术路线，一是以美军标MIL-STD-188-110C为代表[3]，在连续的24 kHz宽带上传输，另一个是THALES的基于多信道绑定(XL)技术的宽带传输，将N个3 kHz绑定在一起实现高速传输。2011年提出了MIL-STD-188-110C，将传输带宽最高扩展到了24 kHz，采用64QAM时最高速率达到76.8 kb/s(8/9码率时可达96 kb/s),采用256QAM是达到120 kb/s，白噪声下需要约30 dB。

THALES公司的HF XL技术，在200 kHz的带宽中选n×3 kHz信道来实现高速传输[4]。其指导思想是：短波信道频率十分拥挤，一个连续未被占用的24 kHz信道比在200 kHz找到8个干净的3 kHz信道概率要低得多，后者有6×109种可能的组合，而连续的24 kHz只有59种可能[5]。与110C相比，XL技术可以得到更高的通过率和可通率。试验观测表明，8×3 kHz出现的概率远高于24 kHz；16×3的可用性与24 kHz相当，因此其传输速率应该优于MIL-STD-188-110C的方法。2012年，THALES公司针对该技术开展测试，在300 km的距离上采用15个独立3 kHz信道能够偶尔能够达到138 kb/s通信速率，误码率为10e-5量级，采用8～15个独立3 kHz信道基本上能够实现全天可通64 kb/s速率，误码率为10e-5量级。

1.2短波链路建立概述

短波通信最核心的问题在于选择个合适的工作频段和工作频率，频率的选择决定了通信的效果，甚至成败，自动控制通信技术是实现短波通信自动化的一项革命性技术，已经发展到第三代(3G-ALE，MIL-STD—181-141B)。目前外军使用的技术主要美军标MIL-STD-188-141系列和北约的STANAG 4538。作为第二代技术的141A，采用FSK和异步建链技术，建链速度慢，支持的网络规模小，而3G业务和建链均采用PSK调制，且支持同步模式，具有较快的建链速度和网络支持能力[1，6]。

3G-ALE支持两种工作模式，分别是异步模式与同步模式。异步模式与第二代链路建立协议兼容。在同步模式下，在特定时间主叫方知道被叫方所在的信道，所以只需在相应信道上进行呼叫。第三代短波通信系统工作在同步模式下，第三代自动链路建立协议才能达到最好的效率。

3G-ALE引入驻留组(Dwell Group)的概念，将网络中的所有电台划分成多个组。同一时间，同一驻留组内的电台工作在同一信道上，而不同的组工作在不同的信道上，这样可以降低系统的阻塞。而呼叫电台也能清楚地知道目的电台所在的信道，减少电台的信道驻留时间。

在每个频率上的驻留时间为5.4 s，驻留一个呼叫信道和一个业务信道如图 1所示。5.4 s又细分为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)。驻留时隙结构划分如图2所示。

图1　3G-ALE每个驻留时隙扫描侦听频率情况

图2　3G-ALE一个驻留时隙的子时隙划分示意

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3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，如果业务信道被占用则延迟一个驻留时间继续进行侦听呼叫，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。在发起呼叫的前一个时隙，侦听呼叫信道，如果呼叫信道被占用则推迟一个时隙继续侦听发送，如果呼叫信道空闲则在下一个时隙发起链路建立呼叫PDU。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。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3　3G-ALE链路建立基本流程

1.3现有技术分析

现有短波传输技术物理层基本采用3 kHz波形，结合3G-ALE技术很大程度上提高了短波通信的可靠性和可通率，但是存在传输速率较低，很难实现高速数据传输；当某个业务信道被占用或者呼叫信道信道质量较差时，会导致链路建立时间长等缺点。

新研的连续带宽扩展的宽带波形如MLI-STD-188-110C定义的宽带波形可以实现短波信道上的高速传输。但是在拥挤的短波信道找到带宽为24 kHz的好信道比较困难。

2新型短波宽带传输技术

如上文所述短波宽带波形主要有两种体制，一种是110C定义的宽带波形为代表的基于连续带宽扩展的宽带波形，一种是基于XL的宽带波形技术。本文提出的新型短波宽带传输与Thales的XL技术相比，在物理层传输技术上，新型短波宽带传输技术支持基于XL技术的多信道绑定宽带波形，同时具备带宽连续扩展的宽带波形；从链路技术上，新型短波宽带传输技术基于频谱动态感知信息动态选择采用基于XL技术的宽带传输和连续带宽扩展的宽带传输模式。融合了基于XL技术的宽带波形作为一种新型短波宽带传输技术有传统窄带波形和连续带宽扩展宽带波形所不具备的一些重要特征。

2.1新型短波宽带传输波形

110C定义的宽带波形是对传统3 kHz波形直接进行带宽扩展，将符号速率从2.4 kHz提升为19.2 kHz来实现24 kHz宽带波形，可以使用低阶调制实现高速通信，110C24 kHz波形采用8PSK调制可以实现38 400 b/s通信速率，从而获得较好的调制解调性能。基于XL技术的新型短波宽带传输波形使用若干个3 kHz独立信道进行绑定形成离散型的宽带信号，这种离散化传输机制类似于频率分集，为基带信号处理提供了各种处理可能。

新型短波宽带传输波形调制解调原理图如图4所示，其基本思路是将信源进行编码交织，随后分别将编码数据调制到200 kHz带宽内的若干载频上，形成一个如图 5所示在频谱上非连续的宽带信号，经短波宽带电台发送。接收端在通过动态频谱感知技术以及建链握手协议来识别哪几个载波上存在有效信号，并进行独立解调，随后对各个解调信号进行解交织译码处理。信号带宽可以根据信道质量配置为多个3 kHz信号或者几个带宽连续扩展的宽带信号。

图4　新型短波宽带传输调制解调原理

图5新型短波宽带高速传输信号示意

2.2短波宽带链路建立设计

新型短波宽带传输波形可以在200 kHz带宽内检测多个离散化信道，并可以完成独立调制解调。基于新型短波宽带波形特点对3G-ALE链路建立方法进行修改，考虑兼容性，时隙结构沿用图 2所示的时隙结构，主要改进点是：①在发侦听阶段对多个业务信道(业务信道簇)进行侦听，如果有大于等于1个业务信道空闲即可发起呼叫；②在呼叫信道侦听阶段对多个呼叫信道(呼叫信道簇)进行侦听，如果大于等于1个呼叫信道空闲则可以在下个时隙发起呼叫；③呼叫和业务传输阶段均支持在同时使用多个信道的宽带传输[7]。

系统台站在开机后，在预置的呼叫信道簇上扫描侦听，监听是否有呼叫信号，当接收到呼叫或者本地有呼叫发起时退出扫描状态。如本地有呼叫发起，台站进入短波宽带链路建立流程，如图6所示。

图6　新型短波宽带传输技术链路建立流程

呼叫台，在时隙0侦听业务信道簇，如有空闲的业务信道，则根据呼叫优先级在后面时隙发起呼叫。如果业务信道簇内所有业务信道均被占用，则推迟一个呼叫驻留时隙发起呼叫。

在发起呼叫的前一个时隙侦听呼叫信道簇，如果所有呼叫信道均被占用，则推迟一个时隙继续侦听呼叫信道簇；如果有呼叫信道空闲，则在下一个时隙发起呼叫。

被叫端在呼叫信道簇上检测呼叫信令，如果在某一个信道上监听到呼叫信令，且台站ID信息符合要求，被叫节点在下一个时隙回复呼叫应答。其中呼叫应答包含了链路建立成功后若干个可用业务信道信息。

主叫端侦听呼叫信道簇，当接收到呼叫应答时，链路建立成功。随后两台站可以在多个独立的业务信道上进行高速通信。

通过如上描述，与3GALE相比新型短波宽带传输技术支持同时对多个业务信道进行监听，避免因某一信道占用而增加建链时间；支持在多个呼叫信道上发起呼叫，提高呼叫建链成功概率；支持在多个业务信道上采用多信道绑定或者某个业务信道上使用连续带宽扩展的宽带传输，从而提高业务传输能力。

2.3新型短波宽带传输技术性能分析

新型短波宽带传输技术采用融合基于XL技术的宽带传输技术可以提高短波通信系统的可通率可靠性并提供高速通信和缩短建链时间。

(1)系统可通率和可靠性的提高：短波通信的主要问题在与选频，由于采用XL技术，新型短波宽带传输可以在200 kHz内选择若干个好的3 kHz信道，进行宽带链路建立，可以充分利用频率缝隙资源。在接收端只要有一个独立3 kHz信道满足解调性能要求即可实现链路建立，同时还可以通过多个独立信道频率分集获取接收增益进一步提高解调性能，从而实现高可通率和高可靠性的短波通信。

(2)传输能力的提高：通过融合XL技术和连续带宽扩展的宽带传输技术，实现带宽自适应扩展，根据业务需求和200 kHz内信道质量，为用户提供高速通信。

(3)链路建立时间的缩短：新型链路技术跟3G-ALE相比能够更快的完成建链。在业务信道侦听阶段同时侦听多个业务信道，只要有一条可用即可触发快速建链，同时只要有一个呼叫信道可用即可实现快速建链。

3结语

3G-ALE技术的出现极大程度的解决了短波通信的选频问题，结合传统的传输技术极大的提高了短波通信的可通率以及可靠性，相对于2G通信，降低了链路建立时延，但是存在通信带宽窄难以支撑高速传输，每个驻留时隙侦听一个频率，通信可靠性、通信质量和链路建立时延受频率质量和频率占用情况影响较大。

新型短波宽带传输技术采用基于XL技术的宽带传输，使短波通信系统不再因某一个频率被占用而产生时延，不再因某一个频率信道质量差而严重影响系统可通率和传输可靠性。针对紧急业务，新型短波宽带链路协议可以在多个信道上完成建链和业务快速传输。针对大文件，可以通过选用多个3 kHz信道，实现宽带高速高效传输。

新型短波宽带传输技术更能自适应的选择通信频率，可以达到快速建链、高速可靠传输，提高短波通信系统的可通率和可靠性。

下一步需要对新型短波宽带传输技术中的动态频谱感知、链路建立协议、网络频率管理等专题技术进行深入研究。动态频谱感知技术需要解决200 kHz带宽内哪些信道可用、可用带宽是多少等问题，为新型宽带传输技术提供频谱感知信息。链路建立协议主要解决如何实现链路高效、快速、可靠建立，并顺利完成传输带宽、绑定信道、传输速率等信息的协商等问题。网络频率管理主要研究基于XL技术的网络频率使用情况，减轻或避免网络频率拥塞现象，解决频率使用管理控制。

参考文献：

[1]王志文.短波3G ALE同步组网技术研究及仿真[J]. 通信技术，2013,46(09): 64-67.

WANG Zhi-wen. Simulation of High Frequency 3G-ALE Synchronization Mode[J]. Communications Technology, 2013,(09): 64-67.

[2]Department of Defense USA. MIL-STD-188-110B.Interoperability and Performance Standards for Data Modems[S]. USA: Standard Agreement USA, 2000.

[3]Department of Defense USA. MIL-STD-188-110C. Interoperability and Performance Standards for Data Modems [S]. USA: Standard Agreement USA, 2011.

[4]Catherine Lamy-Bergot, J-B. Chantelouve, J-Y. Bernier,et.al.HF XL Modem[DB/OL].(2013-01-31) [2015-03-28]. http://hfindustry.com/meetings_presentations/presentation_materials/2013_jan_hfia/presentations/8-HFIA_HF_modemXL.pdf.

[5]Catherine Lamy-Bergot, Chantelouve J-B, Leménager C. Spectrum Issues for HF Wideband Communications[DB/OL].(2012 - 09 - 06) [2015 - 03 -28].http://hfindustry.com/meetings_presentations/presentation_materials/2012_sept_hfia/presentations/HFIA_Thales_spectrumoccupancy_sept2012.pdf.

[6]Department of Defense USA. MIL-STD-188-141B, Interoperability and Performance Standards for Medium and High Frequency Radio System[S]. USA: Standard Agreement USA,1999.

[7]Catherine Lamy-Bergot, Chantelouve J-B, Diakhaté H. Wideband HF Transmissions: towards wideband ALE[DB/OL].(2014-02-13) [2015 - 03 - 28]. http://hfindustry.com/meetings_presentations/presentation_materials/2014_feb_hfia/presentations/8-HFIAfeb2014 ThalesXLALEfinal.pdf.