短波3G-ALE信号链路层数据编码分析*

吴培培，张 旻，史英春

（国防科技大学 电子对抗学院，安徽 合肥 230037）

0 引 言

短波通信以其通信距离远、费用低廉、设备简单、机动性强与抗毁顽存等优点，被广泛应用于政治、军事、外交与航海等重要领域，并且是战时部队战术应急通信与战略远程指挥通信的重要手段之一[1]。

为满足自适应短波数字通信在链路建立速度、网络规模与信息吞吐量等方面需求的提高，美国国防部于1999年3月颁布了新一代中高频无线电系统互操作性与性能标准——美军标MIL-STD-188-141B，并在其附录C中详细规定了第三代短波自动链路建立（HF Third-Generation Automatic Link Establishment，3G-ALE）技术[2]。采用该技术的第三代短波自适应通信系统在信道利用率、链路建立速度与网络接入等方面均有了很大提升，具有更强的适应性和生命力[3]。

第三代短波自适应通信以物理层3G-ALE信号为协议信息传输载体，在链路层实现链路建立、业务管理等关键通信过程的协议交互。因此，协议信息在整个通信系统中扮演着关键角色，协议信息的可靠传输对于通信系统的正常运行起着至关重要的作用。协议信息为一串比特流序列，为提高协议信息传输可靠性，在链路层对协议信息进行增加冗余比特、扩频与加扰码等数据编码操作，形成八进制序列后再调制发射出去。与上一代2G-ALE信号相比，3G-ALE信号在链路层的数据编码方式上更加复杂，对于协议信息传输可靠性的提高更加有效，相应地给非合作的通信对抗造成了更大困难。因此，针对3G-ALE信号链路层数据编码原理与性能展开分析研究，仿真实现编码结果，并通过对比实验验证数据编码对于提高协议信息传输可靠性的重要作用，从而为后续深入研究3G-ALE信号的侦察接收处理与可行干扰等对抗技术奠定基础。

1 第三代短波通信标准

美军标MIL-STD-188-141B[4]包括了一整套完整的短波通信标准族，从上至下依次涉及短波子网络层与高层、会话层管理、数据链路层以及物理层，如图1所示。其中，在链路层与物理层对3G-ALE信号的协议信息、数据结构、编码方式与信号样式等内容做出了详细规定。

图1 美军标MIL-STD-188-141B通信标准族

链路层实际上包括了自动链路建立（ALE）、业务管理（TM）、高速数据链路（HDL）、低速数据链路（LDL）与链路连接管理（CLC）等5个具体的子协议。ALE协议负责建立可靠的点对点或点对多点的通信链路；TM协议在此基础上建立适合的业务传输链路，并完成通信业务的交互与管理；HDL与LDL协议提供高速与低速的数据传输业务，以分别适应较好信道条件下高数据量与较差信道条件下低数据量的传输要求；CLC协议用于完成链路连接的实时监控与优化[5-6]。

物理层使用5种不同的8PSK调制的突发波形（BW0～BW4，Burst Wave）作为链路层协议信息的传输载体，分别实现链路建立、控制管理与数据传输等功能。BW0用于自动链路建立，BW1用于业务管理与高速数据链路的确认，BW2用于高速数据传输，BW3用于低速数据传输，BW4用于低速数据链路的确认。5种突发波形统称为3G-ALE信号，而每种突发波形都有各自不同的数据结构。

2 链路层数据编码分析

2.1 数据结构特征

美军标MIL-STD-188-141B规定，用于链路建立与数据传输的链路层协议信息的传输载体均为相同信号样式的8PSK调制的突发波形，从而提高了通信系统的灵活性[7]。3G-ALE信号突发波形一般包含保护序列（TLC/AGC）、探测报头序列（PRE）与有效载荷数据序列（DATA），如图2所示。

图2 突发波形数据结构特征

保护序列（TLC/AGC）用以保证呼叫方的发送电平控制与被呼方的自动增益控制在各自的探测报头序列输入前达到平稳状态，并减小该过程带来的失真；该序列是伪随机的八进制序列，不需要另外复合伪随机序列，可以直接进行调制。不同突发波形的探测报头序列（PRE）是不同的伪随机八进制序列，可用于完成波形捕获、识别与同步。有效载荷数据序列（DATA）携带特定交互作用的协议数据单元（PDU）比特信息，经过链路层数据编码后，实际传输为八进制序列。

2.2 数据编码流程

为克服时变特性的短波信道对通信接收端正确接收判决的影响，通信发送端需要对3G-ALE信号突发波形携带的协议信息采取一定的用于抗扰纠错的链路层数据编码技术，通过增加大量冗余比特与扩频等处理，提高协议信息的容错纠错性能，降低接收判决错误率，实现可靠传输。链路层数据编码流程如图3所示。

图3 链路层数据编码流程

比特协议信息在链路层主要完成卷积编码、交织编码、Walsh正交扩频与伪随机加扰等数据编码操作，形成用于传输的八进制序列。以3G-ALE信号用于自动链路建立ALE协议的突发波形BW0为例，具体分析链路层数据编码原理与性能。

2.2.1 卷积编码

美军标MIL-STD-188-141B规定了3G-ALE信号突发波形BW0采用编码效率r=1/2、约束长度m=7的（2，1，7）卷积编码，编码器结构如图4所示。

图4 （2，1，7）卷积编码器

编码器每输入1 bit信息元，相应地输出一组2 bits编码元

输出的生成多项式为：

输出的生成多项式为：

因此，突发波形BW0携带的26 bits协议信息，经过卷积编码后输出52 bits序列。通信接收端可使用Viterbi硬判决算法进行卷积译码，能够产生一定的编码处理增益[8]：

式中，r为编码效率，为卷积码自由距离。文献[9]指出，（2，1，7）卷积编码的卷积码自由距离因此通信接收端能够产生的编码处理增益。

2.2.2 交织编码

3G-ALE信号突发波形BW0采用4×13的块交织编码，交织器结构如图5所示。

图5 4×13块交织器

从卷积编码器输出的52 bits序列，按行从左至右、从上至下读入块交织器，按列从上至下、从左至右读出，即进行简单的行列变换，实现将输入信息序列置乱，输出52 bits序列。

通信接收端按照相反规则，即按列从上至下、从左至右读入解交织器，按行从左至右、从上至下读出，就能够将信道造成的连续突发错误离散为随机错误，有利于错误被有效检测并纠正[10-11]。

2.2.3 Walsh正交扩频

与直接序列扩频类似，3G-ALE信号突发波形BW0采用（64，4）的Walsh正交扩频，通过对带宽的扩展，降低对信噪比的要求。Walsh扩频序列相互之间严格正交[12-13]，每4 bits映射为一组16符号序列，正交扩频映射关系如表1所示。

表1 Walsh正交扩频映射关系

Walsh正交扩频调制器每次从块交织器输出的52 bits序列中取出4 bits，根据表1所示的正交扩频映射关系将其映射为一组16符号序列，再进行4倍冗余。这样每4 bits就映射为64符号序列，输入52 bits序列最终映射输出832符号扩频序列。通信接收端进行解扩频时，能够产生的扩频处理增益计算表达式为：

式中，k为输入比特长度，N为映射输出符号序列长度，N k即为扩频因子。因此，（64，4）的Walsh正交扩频在通信接收端解扩频时，能够产生的扩频处理增益。

2.2.4 伪随机加扰

尽管Walsh扩频序列具有良好的相关性质[14]，但由于其不是伪随机序列，取值具有明显的规律性，使得自相关运算会产生较大旁瓣，并且仅在相位对齐时才呈现较好的正交性质，如图6所示。因此，Walsh正交扩频的扩频性能并不理想。实际中，需要使用伪随机序列作为扰码序列进行加扰处理，将Walsh扩频序列与伪随机扰码序列相结合形成复合序列，使扩频序列随机化，改善扩频性能，增强信息传输保密性[15-17]。

图6 Walsh扩频序列的相关性质

提供给3G-ALE信号突发波形BW0的扰码序列是256符号的伪随机八进制序列，即：

将该伪随机扰码序列与Walsh正交扩频调制器输出的832符号扩频序列，按符号进行模8和运算：

式中，为Walsh扩频序列，为伪随机扰码序列，⊕表示模8和运算，为伪随机加扰后的复序列。每256次模8和运算后，扰码序列就重复一次。Walsh扩频序列加伪随机扰码序列后的复合序列的相关性质如图7所示。

图7 Walsh扩频序列加扰码的相关性质

可以看到，复合序列消除了Walsh扩频序列自相关运算时产生的较大旁瓣，同时相位非对齐时的互相关性质较好，并且使得扩频序列变换成为近似随机的序列，改善了Walsh正交扩频性能。

3G-ALE信号经过以上链路层数据编码，理论上可以通过卷积译码与解扩频在通信接收端产生4+12=16 dB左右的处理增益，同时交织编码提高了纠正连续突发错误的能力，并且通过伪随机加扰将序列随机化，因此大大提高了链路层协议信息传输可靠性。

3 仿真实验

本章在实现编码结果的基础上，仿真3G-ALE信号突发波形BW0在高斯白噪声信道中的传输情况。通过计算通信接收端解调的协议信息误比特率，反映链路层数据编码在有效提高协议信息传输可靠性上发挥的重要作用。仿真实验参数设置如表2所示。

表2 仿真实验参数设置

26 bits协议信息经过链路层数据编码形成832符号八进制有效载荷数据序列后，在其前端依次添加256符号八进制保护序列、384符号八进制探测报头序列，组帧形成1 472符号的突发波形BW0序列，如图8所示。

图8 突发波形BW0序列

BW0序列在物理层经过射频调制被发射出去，已调制突发波形BW0如图9所示。

图9 已调制突发波形BW0

通信接收端在接收到3G-ALE信号后，首先对接收信号下变频与频域去干扰，之后依次通过解扰码、解扩频、解交织与卷积译码，解调还原得到协议信息。计算解调的协议信息误比特率，并对比未经过链路层数据编码的协议信息传输性能，不同信噪比下的误比特率曲线如图10所示。

图10 不同信噪比下的误比特率曲线

仿真结果表明，相比未经过链路层数据编码，经过链路层数据编码的协议信息的解调误比特率具有15 dB左右的信噪比优势。因此，通信接收端获得的处理增益约为15 dB，与第2章的编码分析结果一致，有效提高了协议信息传输可靠性。

4 结 语

针对短波3G-ALE信号链路层数据编码进行研究，在分析信号的数据结构特征与数据编码流程的基础上，依次从卷积编码、交织编码、Walsh正交扩频与伪随机加扰等四个编码操作，具体分析数据编码提高链路层协议信息传输可靠性的机理，最后仿真实现编码结果与传输性能。仿真结果表明，3G-ALE信号经过链路层数据编码，通信接收端能够获得15 dB左右的处理增益，有效提高了协议信息传输可靠性。后续将在此基础上深入开展3G-ALE信号的侦察接收处理与可行干扰技术的研究。

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