第三代短波通信HDL協議性能研究*

毋曉鶴，冉茂儒，習 勇，周 力

(1.國防科學技術大學電子科學與工程學院,湖南 長沙 410073;2.中國人民解放軍總參謀部政治部,北京 100034)

第三代短波通信HDL協議性能研究*

毋曉鶴1，冉茂儒2，習 勇1，周 力1

(1.國防科學技術大學電子科學與工程學院,湖南 長沙 410073;2.中國人民解放軍總參謀部政治部,北京 100034)

我國第三代短波通信技術的研究仍處于起步階段，并且國內的大多短波通信系統都是基于第二代的短波通信標準。相比于第二代短波通信的數據鏈路協議，第三代短波通信的自動鏈路建立系統以其簡潔而高效的設計解決了第二代短波系統所面臨的各種問題，在建立數據鏈路的高效性、穩定性、可靠性等方面都有了很大的改進。根據美軍標MIL-STD-188-141B中給出的第三代短波通信技術標準，對第三代短波數據鏈路協議的高速數據鏈路傳輸協議(HDL)進行了研究，通過理論分析與Matlab仿真相結合的方法，對數據包的誤碼率、丟包率、平均傳輸次數以及采用不同數據分組時的吞吐量等方面進行了性能分析。

高速數據鏈路協議；吞吐量；誤碼率；丟包率

1 引言

短波通信是無線電通信的一種，波長在10 m～50 m，頻率范圍為6 MHz～30 MHz。電波可經電離層的反射到達接收設備，完成遠距離的通信或通過地波進行近距離的通信。盡管當前的新型無線電通信系統不斷涌現，但由于短波通信具有高靈活性、強抗毀性、成本低廉、易于重建等優勢，使其受到世界各國的普遍關注?，F代通信的高度信息化對通信系統提出了越來越高的要求。新型通信設備總的發展趨勢是集成化、數字化、一體化與網絡化，數據和圖像將發展成為未來通信的主要業務。無線電通信業務的飛速發展、電磁環境的進一步惡化，將促使作為無線電通信重要手段之一的短波通信在信息社會中特別是軍事信息戰場上發揮更重要的作用[1]。

近年來，許多國家都開始重新重視對短波通信技術的研究，也使得短波通信技術獲得了很大進展。

目前，它廣泛應用于氣象、商業、傳媒等各個領域，主要用以傳送電報、電話、數據、圖像、低速傳真通信和語音廣播等方面；同時它還是海上航行以及高空飛行的重要通信方式。1999年，美軍制定了新的中高頻無線設備互通性和性能標準(MIL-STD-188-141B),并于2001年將其修訂為第三代短波通信(3G-HF)協議。第三代短波通信的自動鏈路建立系統，以其簡潔而高效的設計解決了第二代短波系統所面臨的各種問題，在支持第二代短波通信協議規定的小型網絡和語音通信的基礎上，更有效地支持大規模、數據密集型高質量的短波通信系統，具體表現在[2,3]：

(1)通過附加技術，采用交替快速呼叫，大大減少了建立鏈路的時間以及信息在空中的暴露時間。

(2)在較低的SNR情況下，自動鏈路建立可靠性、成功率得到提高。

(3)物理層采用BW0～BW4五種突發波形分組交換傳輸，各波形有著不同的傳輸效率和可靠性，分別對應不同數據類型，從而提高了系統總體通信效能。

(4)具有鏈路保護、TOD同步、路由功能和電子反對抗能力。

(5)選擇性重傳的混合自動請求重傳ARQ(Automatic Repeat Request)技術，有效地提高了系統在衰落信道下的傳輸可靠性。

目前，我國短波電臺型號繁雜、功能單一，而且各種電臺的結構差異很大，雖然出現了基于第二代短波自動鏈路建立協議的短波電臺，但是由于第二代協議本身的局限性，限制了不同電臺之間的溝通[4],因此應當加大對第三代短波通信的研究力度，盡快形成我國自己的第三代短波通信標準，促進我國短波通信事業的發展。本文對MIL-STD-188-141B協議標準中的高速數據鏈路HDL(High-rate Data Link)協議標準進行了性能分析，通過Matlab仿真可以直觀地看到第三代短波通信HDL協議在平均傳輸次數、吞吐量、誤碼率以及丟包率等方面的性能，研究成果可為實際應用系統提供一定參考依據。

2 第三代短波通信高速數據鏈路協議介紹

2.1 第三代短波通信高速數據鏈路協議(HDL)

數據鏈路協議用來在已經建立鏈路的短波業務鏈路上提供點對點的分組數據傳輸。第三代短波通信提供兩種數據鏈路協議：HDL協議和LDL協議，管理層根據用戶所選的業務類型決定啟動哪種數據鏈路協議，并且自動啟動該協議。HDL協議適用于在已經建立的HF鏈路上、信道條件較好的情況下提供高速的數據傳輸，每次傳輸的數據分組相對較長，采用選擇重傳的混合ARQ機制進行差錯控制；而LDL協議則適用于在信道條件較惡劣的情況下進行高可靠性的低速數據傳輸[5]。

圖1給出了HDL協議的不同層次的數據組幀結構。如圖1所示，HDL協議將用戶發送的數據報劃分為多個固定大小的數據段，每個數據段及其在數據報中的序列號組合構成數據分組。np(np= 3,6,12,24)個數據分組組成發送數據幀，每次發送np個數據分組可以得到一次接收方的確認。

Figure 1 Schematic diagram of data structure for HDL protocol圖1 HDL數據結構示意圖

HDL協議中定義了兩種基本協議數據單元：數據幀(HDL_DATA PDU)、應答幀(HDL_ACK PDU)。其中，數據發送采用突發波形BW2進行調制，應答幀采用突發波形BW1進行調制。

HDL協議的數據發送過程采用停等以及選擇性ARQ協議，其傳輸過程如圖2所示，圖中時間參數的說明見表1。發送方和接收方交替發送數據幀和應答幀，發送方每次發送一個數據幀后等待接收方的應答幀并進行分析，依次檢查發送幀內的每一個數據分組，若某數據分組正確接收則發送方將在該分組位置上填充新的數據分組等待下一次發送；若該數據分組沒有正確接收，發送方將保留該數據分組，因而在下一次發送的時候重新發送該出錯的數據分組。

Figure 2 Schematic diagram of data transfer for HDL protocol圖2 HDL數據傳輸過程示意圖

2.2 混合ARQ技術

混合ARQ HARQ(Hybrid ARQ)技術將前向糾錯FEC(Forward Error Control)以及自動請求重傳技術ARQ進行聯合使用，其中FEC可以糾正信道中的常見錯誤以減少數據重傳的次數，ARQ則是在錯誤無法糾正時重傳數據。HARQ技術結合了二者的優點，有效地提升系統吞吐量的同時也提高了系統可靠性。

3G-HF的HDL協議采用了混合ARQ技術進行差錯控制，數據分組經過CRC校驗和卷積編碼后進行無線信道的傳輸。3G-HF的HDL協議使用的卷積編碼結構如圖3所示，一共有四種編碼結構，對應四個編碼支路，數據分組在發送前循環使用四個編碼支路進行卷積編碼。

Figure 3 Structure of convolutional code encoder for HDL protocol圖3 HDL協議的卷積碼編碼器結構圖

對于某個數據分組，假設初次使用第n個支路編碼，如果傳輸正確，接收端回復正確接收信息ACK, 發送端收到回復后繼續發送下一個數據分組；如果接收端回復接收錯誤信息NAK, 發送端將使用(n+1) mod 4支路重傳錯誤數據分組，接收端將新收到的數據分組與之前保留的出錯數據分組進行合并譯碼；如果再次解碼錯誤，那么發送端將使用 (n+2) mod 4支路進行第二次重傳，接收端將接收到的三次數據進行合并譯碼；若仍然解碼錯誤，則再次使用下一個支路重復發送，直到該分組解碼正確或者達到最大重傳次數。這種重傳方式能夠充分利用衰落信道的時間分集增益，經過不同傳輸次數后采用增量冗余的合并方式可以有效地降低數據傳輸的誤碼率以及丟包率，使協議的性能得到提升。

3 協議仿真與性能分析

3.1 仿真參數配置

第三代短波通信采用嚴格的定時機制，以保證數據鏈路建立的高效性和快速性，數據鏈路層需要對通信的全過程進行定時控制，以保證數據同步的正常進行。在數據鏈路建立的過程中，通信雙方要保持時隙的同步才能進行正常的建鏈握手過程，必須對通信雙方進行精準的定時，以保證使用HDL協議進行同步數據傳輸。

表1給出了用以描述HDL協議特性的各種時間參數,它們是決定系統定時的基本參數。

Table 1 Time parameter of HDL protocol表1 HDL協議時間參數

表1中np為數據分組數，根據MIL-STD-188-141B協議標準，np可以為3、6、12、24。按照如圖2所示的傳輸過程，則HDL協議發送一次的周期為：

293.33+126.67+np×400+2×80+220+66.67+1306.67+133.33=2306.67+np×400ms

在HDL協議中，每個數據分組包含233個字節的有效載荷，共1 864bits。則用戶的傳輸速率為：

下面分析在差錯信道下的協議傳輸性能。

HDL協議采用的信道編碼為卷積碼，假設數據分組的丟包率為Pf，這里Pf為接收端進行卷積譯碼后經過CRC校驗錯誤的概率。

差錯信道下，使用混合ARQ，一個分組的平均傳輸次數為：

(2)

式(2)中不同傳輸次數的丟包率可以使用仿真得到。為了簡化分析，可假設第四次傳輸后的丟包率保持不變。

最終的用戶吞吐量可以表達為：

(3)

3.2 仿真結果

由于HDL協議采用HARQ機制，不同的傳輸次數的誤碼率以及丟包率也不相同。第三代短波通信協議的所有突發波形均是采用八相相移鍵控(8PSK)調制，仿真的信道模型為快衰落瑞利信道，信道在每次重傳期間發生變化；采用如圖3所示的卷積碼進行信道編碼，數據包長為1 864 bits。圖4通過Matlab仿真給出了系統在平均信噪比變化時的誤碼率和丟包率特性?？梢灾庇^地看到，隨著重傳次數的增加，系統誤碼率以及丟包率都有明顯的下降, 其采用的混合ARQ技術獲得了信道分集增益，有效地降低了數據傳輸的丟包率，使得數據傳輸具有更高可靠性。

通過丟包率的仿真結果，假設每個數據分組的最大重傳次數是八次，根據式(2)可以計算得到數據分組的平均傳輸次數，圖5給出了不同信噪比下數據包的平均傳輸次數曲線?？梢钥闯觯琀DL協議適用于信噪比較高的情況，因此當信噪比較低時，數據分組的重傳次數很大，隨著信噪比的增加，數據分組的重傳次數有了明顯的降低，在高信噪比區域(SNR>25 dB),我們可以看到數據分組的重傳次數下降到接近一次。

圖6通過式(3)給出了系統在發送幀包含不同數據分組數時的吞吐量曲線。可以看出，在選擇性HARQ機制下，數據分組數目越多，相對開銷越小，因而吞吐量越高。此外，對于不同的分組數目，吞吐量隨著信噪比的增加而增加。當信噪比較低時，由于重傳次數增加，使得系統吞吐量下降至不可用的狀態；當信噪比達到30 dB左右，數據傳輸的吞吐量達到飽和值。特別的，當發送分組為24時，最高吞吐量大致為3 700 bit/s。總的來說，HDL協議適用于信噪比較高的信道條件。

Figure 4 BER and PER of data packet圖4 數據分組的誤碼率和丟包率

Figure 5 Average transmission times of data packet圖5 數據包平均傳輸次數

Figure 6 Throughout of different data packet圖6 不同數據分組下的吞吐量

4 結束語

HDL協議是第三代短波通信系統的高速數據鏈路協議，適用于信道狀態條件較好的情況下進行大規模的數據傳輸。本文對HDL協議在瑞利衰落信道下的性能進行分析。通過仿真結果可以看出，HDL協議采用的混合ARQ差錯控制方式，在衰落信道下，數據包的誤碼率和丟包率隨著重傳次數的增加明顯下降。由于采用選擇性混合ARQ機制，發送幀內分組數目越多，吞吐量越高；此外，HDL協議吞吐量隨著平均信噪比的增加而增加，在高信噪比下達到飽和值。

[1] Ma Man-cang,Han Ying,Li Hong-gang.Development trend of high frequency communications[J].Computer & Network, ,2010(3):88-91.(in Chinese)

[2] Chen Ang. Rearch on the third generation HF automatic link establishment protocol[D].Xi’an:Xidian University,2007.(in Chinese)

[3] Johnson E. Analysis of third-generation HF ALE technologies[C]∥Proc of MILCOM’00, 2000:1139-1143.

[4] Li Ying-peng. The third-generation ALE HF communication systems protocol research and implementation on embedded system[D]. Beijing:Beijing University of Posts and Telecommunications,2010.(in Chinese)

[5] Interoperability and Performance Standards for Medium and High Frequency Radio Equipment[S].U.S.MIL-STD-188-141B,Department of Defense Interface Standard,2001.

附中文參考文獻：

[1] 馬滿倉，韓穎，李紅剛.短波通信的發展趨勢[J].計算機與網絡,2010(3):88-91.

[2] 陳盎.第三代短波自動鏈路建立協議研究[D].西安：西安電

子科技大學,2007.

[4] 李英鵬.第三代短波通信自動鏈路建立協議的研究及嵌入式實現[D].北京：北京郵電大學,2010.

WUXiao-he,born in 1987,MS candidate,her research interest includes modern communication technology.

冉茂儒(1973-),男,四川遂寧人，碩士，高級工程師，研究方向為計算機網絡及應用。E-mail:rmr0427@sina.com

RANMao-ru,born in 1973,MS,senior engineer,his research interest includes computer networks and applications.

習勇(1977-),男,江西新余人，博士，副研究員，研究方向為無線通信網絡協議和跨層協議設計。E-mail:xiyong8260@163.com

XIYong,born in 1977,PhD,associate research fellow,his research interests include wireless communication network protocol, and cross layer design.

周力(1988-),男,湖北孝感人，博士生，研究方向為認知無線網絡。E-mail:zhouli2035@nudt.edu.cn

ZHOULi,born in 1988,PhD candidate,his research interest includes cognitive wireless networks.

Performanceanalysisofthe3G-HFhigh-ratedatalinkprotocol

WU Xiao-he1,RAN Mao-ru2,XI Yong1,ZHOU Li1

(1.College of Electronic Science and Engineering,National University of Defense Technology,Changsha 410073;2.Political Department,PLA General Staff,Beijing 100034,China)

The domestic research on the 3rd generation HF communication technology is still at the primary stage and most HF radio system are based on the 2nd generation. Compared with the 2nd generation HF data link protocols, the 3rd generation HF data link protocols present much higher-efficient and superior. In this paper, we studied the performance of the 3G-HF High-Rate Data Link Protocol (HDL) based on the standard which defined in U.S. MIL-STD-188-141B. Considering the different conditions, we discuss the bit error rate, packet error rate, average transmission times and throughput performance by simulations and theoretical analysis.

high-rate data link protocol；throughput；bit error rate；packet error rate

2012-05-07;

：2012-08-24

1007-130X(2014)02-0265-05

TN915.04

：A

10.3969/j.issn.1007-130X.2014.02.013

毋曉鶴(1987-),女,吉林白城人，碩士生，研究方向為現代通信技術。E-mail:Wuxiaohe10@163.com

通信地址：410073 湖南省長沙市國防科學技術大學電子科學與工程學院軍事通信工程系Address:Department of Military Communication Engineering,College of Electronic Science and Engineering,National University of Defense Technology,Changsha 410073,P.R.China