一种短波宽带快速建链协议设计*

储彦文，马云飞，程云鹏

（1.陆军工程大学，江苏 南京 210001；2.陆军后勤部，北京 100072）

0 引言

第一代链路建立技术一般采用实时的信道评估系统，通过对电离层探测得到频率优选信息，并据此人工设定工作频率。第二代链路建立技术是以美军标MIL-STD-188-141A[1]为代表的频率自适应技术，具备链路质量分析（Link Quality Analysis，LQA）、自动链路建立（Automatic Link Establishment，ALE）和自动链路保持（Automatic Link Maintenance，ALM）功能，简称2G-ALE。第三代链路建立技术改进了第二代的不足，以美军标MIL-STD-188-141B[2]与MIL-STD-188-141C[3]为基础（后一种为前一种的升级，可支持宽达24 kHz的短波信道），分为异步建链和同步建链两种工作模式，支持高速数据链路功能，还支持更大规模网络和更多业务类型，并加入速率自适应、跳频以及动态频谱管理等技术，简称3G-ALE。2017 年，美军标MIL-STD-188-141D[4]颁布，包含中高频无线电系统的技术标准和设计目标，提出宽带自适应的ALE 机制，展开对第四代链路建立技术的研究。

第二代和第三代自动链路建立实际上是狭义的频率自适应[5]，主要在于其工作频率集大都是预先设定的。预先设定的频率集频点数有限且不能实时更新，当所设定的工作频率集均不可用时，会导致链路建立失败。现有的短波通信系统大都采用先建链后等待业务传输的模式，建链成功后会停留在当前信道进行通信直至结束，而后拆链。这种模式占用信道时间较长，易造成有限的频带资源浪费。在频谱资源紧张的现下，围绕智能化、宽带化选频用频，实现真正意义上的频率自适应是下一代自动链路建立技术的发展方向[6]。

当使用宽带信道传输数据时，现有ALE 的时间开销甚至超过了数据传输[7]，因此需要一种新的宽带ALE 技术，既能够比现有的ALE 技术更快地建立链路，又能选择合适的数据波形和宽带信道用于链路的建立。为实现短波通信系统的快速建链，针对实时话音、短消息和长报文传输等不同的业务分别制定相应的建链策略。话音和短消息数据量较小，可采用建链信道即业务信道的同频快速建链、自动拆链模式；长报文数据量较大，为优选合适的宽带信道，可采用基于宽带业务信道沟通的异频宽带建链模式。本文主要设计针对话音和短消息传输的一种短波宽带快速建链协议。首先，介绍基于全频段接收的短波系统架构；其次，设计宽带建链协议，包括协议数据单元、状态转移过程等，并详细阐述协议数据单元的数据结构和功能、探测和建链的实现流程；最后，设计建链波形及帧结构并进行性能仿真与分析，统计方案的协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）错误概率和建链成功率。

1 系统架构

近几十年来，由于只在3 kHz 信道中分配短波频段的惯例和短波技术的限制，短波无线电系统只能支持较低的数据速率。低传输速率仅能满足语音和低速通信需求的应用。随着传输业务需求的增多和传输速率需求的增大，宽带业务在短波通信中应运而生。增加带宽是增加吞吐量的关键。为了进一步提高数据速率，使用一个更宽的信道可以提供更好的性能水平。在实际应用中，有两种可选方案：一是在允许牺牲一定信噪比的条件下，带宽的增加可以换来信息传输速率的提高；二是在固定的传输速率的条件下，带宽的增加可以换来所需信噪比的降低。本文将信号带宽从传统的3 kHz 发展到12 kHz，在传输速率不变的条件下可支持低信噪比下的业务传输。

数字处理技术的发展，特别是高性能数模转换器件（Analog-to-Digital Conversion，ADC）的应用，大幅度提高了频率探测与信号分析的速度，能够连续监视和描述多个宽带信道的占用情况[8]，使得实时优选短波频率变得可行[9]。将短波全频段接收机应用于短波通信系统，呼叫方无论在哪个可通信道上发送信号，被叫方都可以实时接收信号。区别于以往的同步或异步链路建立过程，呼叫方无需等待驻留信道或在选定信道上呼叫足够时间，可大幅度缩短链路建立时间，实现用户间的快速建链和实时建链，使话音或短消息业务的即建即拆成为可能。

短波通信系统的硬件组成如图1 所示，由电台（接收机、发射机）、短波通信控制器以及计算机等组成。计算机端主要负责频谱分析、频率优选以及用户界面等模块。

2 建链协议设计

2.1 协议数据单元（PDU）

链路建立协议中使用的PDU 结构如图2 所示，共有3 种不同的数据类型，分为呼叫PDU、应答PDU、拆链PDU。每个PDU 携带48 bit 有效载荷。网络中的每个台站节点都被分配有一个独立的16 bit的二进制地址，用来代表身份。

图2 PDU 结构

呼叫PDU 是主叫站用来发起链路建立需求或探测通信链路质量需求的信号，携带识别码、主被叫地址、呼叫类型和业务类型。呼叫类型标识探测信号或建链信号。当选择探测模式时，业务类型标识单向LQA、双向LQA、单呼、网呼或全呼等。当选择建链模式时，业务类型标识模拟话音、短消息、短信捎带、数据流、加密通信、单呼、网呼或全呼等。主叫站可在台站空闲时自动探测所分配信道，以储备链路质量信息。主控有建链需求时，根据前期链路质量信息探测结果或实时感知结果，选取一个可用的呼叫信道发送呼叫PDU 信号。

应答PDU 是被叫站应答主叫站建链请求或应答主叫站探测链路质量请求的信号，携带识别码、主被叫地址、应答类型和根据所收到的呼叫信号计算呼叫信道的信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）。应答类型标识探测应答信号或建链应答信号。SNR 为量化的6 bit 信息，代表-30～32 dB。000000 代表-30 dB，111111 保留。被叫站收到呼叫PDU 后，对此信号进行解析，并判断被呼地址是否为本台站。若是点对点单呼，则直接回复应答PDU 信号。若是组内网呼，则根据台站所在组内编号依次在相应的时隙内回复应答PDU 信号。若是网呼，被叫站收到呼叫信号后无需回应。若不是呼叫本站，记录下计算所得信噪比并保持等待状态。主叫站收到建链应答信号后即建立链路，开始传输相应业务。

拆链PDU 是通知站点拆链或指示链路状态的信号，携带识别码、主被叫地址、拆链类型和根据所收到的应答信号计算应答信道的SNR 或终止状态。拆链类型标识探测拆链信号或建链拆链信号。当主叫站发送探测拆链信号时，后6 位标识SNR，在被叫站收到探测拆链信号时，即双向LQA 探测完毕；当发送建链拆链信号时，后6位标识终止状态，包括业务传输完毕、重新链接、未有回应以及未有更多流量等。

2.2 建链状态转移过程

本文设计了一种针对话音或短消息的短波宽带快速建链协议，分为探测模式和建链模式两种。以点对点呼叫为例，探测模式分为单向LQA 和双向LQA。单向探测采用两次握手，双向探测采用3 次握手。双向探测完成后，主叫和被叫均能知道该信道的质量信息。建链模式分为话音建链和短消息建链，话音建链采用两次握手方式，短消息建链采用4 次握手方式。主叫状态转移过程如图3 所示，被叫状态转移过程如图4 所示。

图3 主叫状态转移过程

图4 被叫状态转移过程

短波通信系统根据操作需求，在各种状态中不断切换。主控有探测或建链需求时，优选双向可用信道发送呼叫信号。增加超时机制[10]：当主叫站等待应答信号的时间超过最长呼叫等待时间时，则切换频率继续呼叫，直到主叫站在规定时间内收到被叫站的应答信号；当主叫站等待拆链信号的时间超过最长等待时间时，可选择重发或退出建链，而后重新建链；当被叫站等待业务传输的时间超过最长等待时间时，则自动退出建链，回归等待状态。

主控选择建链模式时，收到应答信号即进入建链成功状态，可进入下一步的业务传输。业务通信结束后立即拆除链路，回到等待状态。当台站为等待状态时，短波通信系统持续待机，等待主控操作或被呼请求，并连续记录整个宽带信道的占用情况。

2.3 探测过程

主控有探测需求时，操作主控控制面板，选择建链呼叫指令，发送呼叫信号。呼叫信号标识探测模式，以单呼、网呼的方式发送给被叫站。单呼为点对点呼叫，被呼地址为单个台站的地址；网呼为点对多点呼叫，被呼地址为一个组网的地址，被呼对象为组网内的成员。

被叫站收到呼叫信号后，根据所收到的信号计算呼叫信道的信噪比，并将信噪比通过应答信号发送给主叫站。若主叫站为单呼，被叫站在收到呼叫本站的呼叫信号后直接回复应答信号；若主叫站为网呼，被叫站识别自己是否是组网内成员，如是，则根据所在组内编号依次在相应的时隙内回复应答信号。

若主叫站选择单向LQA，在收到被叫站的应答信号后，记录下呼叫信道的信噪比，并根据应答信号计算应答信道的信噪比值，而后该频点探测完毕；若主叫站选择双向LQA，在收到被叫站的应答信号后，计算应答信道的信噪比并将其通过拆链信号发送给被叫站，而后该频点探测完毕。

2.4 话音建链过程

传统短波电台话音建链大都采用3 次握手机制，建链完成后在业务信道等待业务传输直至收到拆链指令。传统模式耗时长，且长时间占用信道资源，导致在实际通信时使用的并不是实时的优选信道。而话音业务实时性与保真度要求较强，对双向链路的要求较高，更适用于实时优选频率建链并通信的策略。

本文设计的话音建链协议采用两次握手机制，采取呼叫信道即业务信道的模式，以减少一次确认过程。主控有话音建链需求时，操作主控控制面板，选择话音建链指令。话机摘机即发送呼叫信号，正确接收被叫应答信号后系统即提示建链成功，随即可进行语音通信。通信完毕话机挂机，即释放此条链路系统提示链路已拆除，达到摘机建链、挂机拆链的目的。即用即建，即建即拆，能够更好地优选实时可用信道，且更高效、动态地利用短波频谱资源。

呼叫信号标识建链模式，以单呼、网呼或全呼的方式发送给被叫站。单呼、网呼与探测过程中单呼、网呼类似，全呼为点对多点呼叫，被呼对象是网内的所有成员。

按呼叫方式不同，话音建链具体过程如下。

（1）若主叫站为单呼，被叫站在收到呼叫本站的呼叫信号后直接回复应答信号，主叫站收到应答信号即建链成功，立即开始话音业务传输。

（2）若主叫站为网呼，被叫站识别自己是否是组网内成员，如是，则根据所在组内编号依次在相应的时隙内回复应答信号。组内所有成员回复完毕后，开始话音业务传输。业务传输完毕或超过预设时限未有业务后，双方台站自动拆链，回到等待状态。

（3）若主叫站为全呼，被叫站在收到呼叫信号后无需回应，直接进入建链状态，在当前信道等待直到通信结束。主叫站在业务通信结束后，发送拆链信号指示链路释放。若超过预定时限未有通信业务，被叫站自动拆链，回归等待状态。

2.5 短消息建链过程

短波信道中存在不可避免的噪声或干扰，影响了短波话音信号传输的质量，也降低了短波话音通信的可靠性。与话音建链不同，短消息建链后，增加两次握手，一次为消息传输，一次为消息确认。增加短消息确认机制，可确保短消息准确无误接收，提高短消息传输的可靠性。短消息建链可用于话音业务不能够很好地进行传输的情况下或要求传输信息准确率的情况下，发送方将语音短信或报文以短消息的形式发送出去。

主控有短消息建链需求时，操作主控控制面板，选择短消息建链呼叫指令，发送呼叫信号。按呼叫方式不同，短消息建链具体过程如下。

（1）若主叫站为单呼，被叫站在收到呼叫本站的呼叫信号后直接回复应答信号。主叫站收到应答信号即建链成功，随即发送短消息信号。信号发送完成后，主叫站等待被叫站的拆链信号。被叫站收到短消息信号后，根据收到信息是否正确回复拆链信号。拆链信号标识建链拆链和终止状态。

（2）若主叫站为网呼，被叫站识别自己是否为组网内成员，如是，则根据所在组内编号依次在相应的时隙内回复应答信号，回复完毕后在此信道等待业务传输。主叫站收到应答信号，即与相应台站建链成功。组内所有成员回复完毕后，主叫站发送短消息信号。被叫站收到短消息信号后，依次在相应的时隙内回复拆链信号。

（3）全呼流程与话音建链中全呼流程相同。

3 波形设计与时序分析

根据实时话音或短消息传输的特点，新设计的短波通信系统，在信道的快速变化下既能实现快速建链又能保证通信质量。以短波实时话音或短消息传输为例，设计了正交扩频波形。波形参数如下：信号带宽为12 kHz，码片速率为9 600 码片/s，正交扩频码采用长度为128 的哈达码序列，采用16阶的正交扩频调制，每个扩频码携带4 bit 信息，此时对应的信息速率为300 b/s。

呼叫信号、应答信号和拆链信号均采用此波形，波形帧结构如图5 所示。

图5 突发波形帧结构

帧结构由3 部分组成。第1 部分是传输电平控制/ 自动增益控制（Transmission Level Control/Automatic Gain Control，TLC/AGC），长度为480 个符号。TLC/AGC 分别作用于发方电台和收方电台，可使同步前导序列输入前状态趋于稳定，消除部分失真现象。第2 部分是同步前导序列，用于快速初始同步并提供时间和频率校准，采用一个长度为511 的m 序列。为了接收端能够进行快速傅里叶变换（Fast Fourier Transformation，FFT），在m 序列后补上1 个符号。m 序列实现简单，且比Walsh 正交序列有更好的随机性和自相关性。第3 部分是信息序列，即经过扩频、加扰的PDU 信号，长度为1 536 个符号。突发波形的符号速率为9 600 Baud，占用时长约为0.263 s。

在单呼场景下，主叫优选一个可用频率，建链成功所需时间如表1 所示，其中呼叫和应答信号各占时0.263 s，链路周转为收发转换时间，占时0.05 s。当该频率可通时，单呼建链共占时0.626 s。

表1 建链所需时间

本文设计的短波宽带快速建链协议基于全频段接收机，无需等待驻留信道或在选定信道上呼叫足够时间。与现有短波通信系统相比（如文献[11]方案A 建链用时3.07 s，方案B 建链用时3.24 s），建链用时大大缩短，对话音或短消息这种数据量较小的业务，能达到即建即拆的预期效果。

4 仿真分析

下面仿真加性高斯白噪声（Additive White Gaussian Noise，AWGN）信道下和多径衰落（两径增益0 db，多径时延2 ms，衰落1 Hz）信道条件下建链系统的性能曲线。统计本文方案的PDU 错误概率和建链成功率，并与文献[11]中同样采用一路12 kHz 带宽信号的方案B 进行对比，波形参数如表2 所示。由表2 可以看出，两种方案在信号带宽、传输速率和进制数上是一样的，不同的是编码方式、信息比特数和扩频码长。

表2 本文设计波形与文献[11]设计波形的参数

待发符号经波形成型和载波调制后发出。信号接收采用Hilbert 变换、下采样、去载波、相关FFT等处理，最后去扰、解扩提取有效信息。AWGN 信道下，仿真结果如图6和图7所示；多径衰落信道下，仿真结果如图8 和图9 所示。

图6 AWGN 信道下PDU 错误概率

图7 AWGN 信道下建链成功率

图8 多径衰落信道下PDU 错误概率

图9 多径衰落信道下建链成功率

本文在扩充信息比特后，采取无编码方式，同时将扩频码长提高一倍，能够换取应用卷积编码带来的增益。建链成功率是指呼叫信号和应答信号均完全接收正确的概率。从图6 和图7 可以看出，在AWGN 信道条件下，本文方案比文献[11]方案B 在PDU 错误概率为10-3时，信噪比改善约1.5 dB；在信噪比为-12 dB 时，本文方案改善明显，可接近98%的建链成功率。从图8 和图9 可以看出，在多径衰落信道条件下，本文方案比文献[11]方案B 在PDU 错误概率为10-3时信噪比改善约1.2 dB；在信噪比为-4 dB 时，本文方案改善明显，可接近98%的建链成功率。

5 结语

本文研究了一种基于短波全频段接收机实时接收处理的短波话音与短消息宽带建链协议。采用系统优选可用信道而后立即建链通信，通信完毕后立即拆链的策略，设计了话音建链与短消息建链方案。从建链系统的架构、建链协议、波形设计等方面进行阐述，并对PDU 错误概率和建链成功率进行了分析比较，体现了本文方案的优越性，能够缩短建链时间，提高建链成功率，比传统短波建链方法效能更高。