一種基于Internet的短波接入數據鏈路傳輸協議的改進方法

馬偉

（江蘇信息學院 科技處，江蘇 無錫 214153）

短波通信系統亦稱為高頻（HF）通信系統，它能實現遠距離、低成本的通信，在邊遠地區野外作業、搶險救災等領域有著廣泛的應用。將短波通信系統接入Internet，除需優化短波信道傳輸的無線接入協議，也需要在數據鏈路層加以研究和優化，網絡技術的發展將更多形式的信息融入網絡，更大程度上豐富人們的日常生活。

1 短波接入系統

短波接入系統作為一個獨立的子系統，與其他接入系統通過網關相連接，可以成為整個互聯網系統的一部分。

1.1 短波接入系統構成

一個典型的短波接入系統主要包括無線終端、無線接入點、網絡控制器以及與無線接入系統連接的外部網絡4個部分，如圖1所示。HF網關處有HF節點控制器HFNC（High Frequency Node Controller），它 在 與 之 相 連的以太網終端和本地HF電臺節點之間充當網關。HFNC主要完成HF自適應通信系統的鏈路層和網絡層功能，具有根據尋徑表完成子網內尋徑、存儲轉發報文以及HF子網內自動信息交換功能。網關與移動電臺之間可以直接通信，也可以利用中繼站作為中間節點進行通信。

圖1 短波接入系統構成

1.2 短波接入系統協議結構

短波接入Internet協議結構如圖2所示。其應用層與TCP/IP終端保持一致。當在短波子網內部進行數據傳輸時，可以直接采用短波子網的網絡層協議AME（Automatic Message Exchange）， 而無須經過 TCP和 IP，以減小其報頭開銷。此外，由于短波子網需通過以太網接入Internet，因此，該協議包含了IEEE 802協議與子網的互連。其中，HFDLP（Data Link Protocol）的主要任務是保證數據傳輸的可靠性，ALE以及ALE MODEM則保障無線鏈路的建立。

圖2 短波接入Internet協議結構

2 數據鏈路層協議改進的意義

邏輯鏈路控制層（LLC層）的任務是完成兩通信實體間點到點的數據幀傳輸與控制。由于短波信道利用電離層傳輸的不穩定性，在IEEE 802.2標準的基礎上設計短波邏輯鏈路控制協議。在這種LLC協議中規定收發雙方在交換任何帶有信息的協議數據單元（PDU）之前，必須先建立鏈路，收方接收到信息后必須以確認幀應答[1]。

2.1 數據包長度對出錯概率的影響

由于短波通信系統大多是半雙工工作方式，因此，在這里采用譯碼后的LLC數據包中的CRC校驗來判斷接收是否正確。若接收錯誤，則發送否定應答NAK（Negative Acknowledge）給發送端，要求重傳；否則，發ACK（Acknowledge）給發送端，停止本次傳送。

令p為誤碼率，且每個數據包的長度為 B bit，可以用下式來估算數據包出錯的概率pB[2]：

對于給定的誤碼率，數據包出錯的概率pB隨其長度B的增加而增大。假設各二進制位出錯概率相同且彼此獨立，這樣可以估算出，如果 B=8 000（即 1 000 B時），當誤碼率 p=10-5，則 pB≈0.077，當誤碼率 p=3×10-5，則pB≈0.213。

由此看以得出，誤碼率和數據包長度的增加會大大增加數據包出錯的概率。

2.2 合理的數據包長度

令β為信道上的數據速率，TW為包括雙向傳播時延以及接收端處理時間在內的空閑時間。這樣可以得到發送一個數據包的平均等待時間加上發送時間為TW+B/β，而節點每秒最大傳輸無差錯數據包數為[3]：

經推導可以得到誤碼率p與最大數據傳輸速率時數據包長度B的關系為：

其中，B為數據包長度，h為數據包報頭及報尾長度，p為誤碼率，β為信道上的數據速率，TW為發送端等待應答的空閑時間。

在短波系統設計時，TW可以根據上傳流量及等待時間進行估算，而信道上的數據速率β值可以事先得到，誤碼率p可以由ALE給出，這樣系統可以根據TW對其數據包大小進行調整，以獲得最大數據傳輸速率。

圖3給出了最大數據傳輸速率的數據包長度與系統誤碼率的關系。這里取β=1 200，h=64。從圖3可以看出，隨著系統誤碼率的增大，數據包長度迅速減小，這是因為高誤碼率意味著同樣數據包長度內出錯概率的增大。

圖3 最大數據傳輸速率的數據包長度

當p=10-3時，LLC幀長為328 bit，每幀有效數據為264 bit；當 p=10-4時，LLC 幀長為 1 008 bit，每幀有效數據為 944 bit。

同時，在系統誤碼率的相同條件下，TW增大意味著可達到最大數據傳輸速率的數據包長度的增大。

3 提高鏈路傳輸效率的方法

短波通信系統大多采用半雙工工作方式，為了提高系統的有效數據輸出，在SR-SW-ARQ（Selective Repeat SW-ARQ Protocol）方式基礎上，采用一種無幀序號自適應選擇式ARQ鏈路層算法，以減小上層報文傳輸時延，提高系統有效數據吞吐率。

3.1 無幀序號自適應選擇式ARQ的工作方式

SR-SW-ARQ 方式工作流程如圖4所示。發送報文的過程為：先按LLC報文格式將1幀上層數據包封裝成多個LLC數據包，在發送時采用多個LLC數據包一起發送，而接收端在接收完全部報文以后，若接收報文中包含出錯，則以NAK形式將出錯LLC報文的序號返回發送端，發送端重發出錯LLC報文，發送端重新發送出錯數據包直至所有數據包都正確接收為止。

而無幀序號自適應選擇式ARQ方式去掉了每個幀頭部的序號，發送方將沒有幀序號的數據幀發送過去，接收方根據收到的數據進行運算和判斷。當1幀數據到達時，將上1幀出錯的數據和新數據取出，重新計算后進行排序，發送方在發送下一個數據幀時，優先填入上一次出錯的子幀[4]，付出的運算開銷由接收端的運算能力承擔。在信道質量較好的情況下，可以用一個比特表示若干個連續子數據幀的對錯，這樣可以大大減少ACK的發送時間。

圖4 SR-SW-ARQ方式和無幀序號自適應選擇式ARQ方式流程圖

3.2 SR-SW-ARQ方式性能分析

若上層數據包分成N個LLC幀，則采用標準SWARQ傳送該N幀數據包的傳播時延為T1（N），采用SRSW-ARQ方式傳送N幀數據包的數據包傳播時延為T2（N）[5]。 △T（N）=T1（N）-T2（N），顯然，當 N=1 時，這兩種方式是一樣的。

短波信道誤碼率為 p，誤幀率 pB=1-（1-p）B。

采用無幀序號自適應選擇式ARQ方式傳送N幀數據包的數據包傳播時延為T2（N），則后者節省的時間為：△T（N）=T1（N）-T2（N）。

經過推導（略），可得到計算公式：

其中，N為數據包個數，h為數據包報頭及報尾長度，pB為數據包出錯的概率。

由式（5）可以看出，在N和pB不變的情況下， 數據包報頭及報尾長度減少，將直接節省數據傳輸時間。同時，ACK次數的減少，也在一定程度上提高了傳輸效率。

3.3 無幀序號自適應選擇式ARQ方式的傳輸的仿真測試

圖5給出了無幀序號自適應選擇式ARQ方式比選擇重發SW-ARQ方式傳輸一份數據包所節省的時間（時間以TW為單位，LLC幀長度采用上一節的最佳輸出數據包長度方法進行設計）。

選擇上層數據包長度分別為L=12 000、6 400 和 1 600 bit（即 1 500、800、200 B）時，從圖5可以看出，節省時間隨著L的增大而增大，即 N↑?△T（N）↑。

要提高短波的傳輸效率，對于給定的誤碼率而言，數據包出錯的概率隨其長度的增加而增大，但數據包的長度過小，則意味著增加報頭和確認信號的開銷相對較大，將影響每次傳輸數據量。本方案可以根據誤碼率的情況對其數據包大小進行調整，以獲得最大數據傳輸速率。無幀序號自適應選擇式ARQ方式比選擇重發SW-ARQ方式具有更高的傳輸效率，使短波接入系統的傳輸性能得以改進，具有較好的現實意義。

圖5 無幀序號自適應選擇式ARQ方式傳輸報文節省時間

[1]黨亞斌，自適應短波系統及其鏈路建立的分析[J].西安建筑科技大學學報（自然科學版），2003，35（2）：156-157.

[2]DAYEM R A.Mobile data and wireless LAN technologies[M].Prentice Hall，1997.

[3]JOHNSON E E，et al.Advanced high-frequency radio communications[M].Artech House， Boston， 1997.

[4]曹鵬，宋愛民，楊峰.一種改進的短波鏈路數據傳輸協議[J].電光與控制，2008， 15（5）：77-78.

[5]常永宏，第三代移動通信系統與技術[M].北京：人民郵電出版社，2002年.