短波通信中基于自適應幀長的數據速率變化改進算法

王也 黃國策 董淑福

摘 要：為解決傳統數據速率變化（DRC）傳輸算法中因速率震蕩造成的高誤碼率（BER）問題，提出一種基于自適應幀長（AFL）的DRC改進傳輸算法。首先，在初始化階段，根據當前信道的參數和以往經驗值信息確定初始傳輸的幀長和傳輸速率，并進行數據傳輸。然后，當檢測到傳輸過程中連續兩個相同長度幀發送成功后，開始增加幀長;若出現重發幀連續兩次重傳失敗的情況，則在下次傳輸時將幀長減半。最后，結合當前的幀長計算誤幀率，若該值小于預設的閾值，則提高數據傳輸速率。與RapidM DRC算法相比，該算法的鏈路平均BER降低了個1.8百分點，鏈路連通率提高了11個百分點。實驗結果表明，所提算法基本消除了速率震蕩的現象，能夠提高短波通信系統的通信能力。

關鍵詞：短波通信;數據速率變化;自適應幀長;電離層通信

中圖分類號：?TN911.7

文獻標志碼：A

Improved data rate change algorithm based on adaptive frame length in short-wave communication

WANG Ye1*， HUANG Guoce2， DONG Shufu2

1. Graduate School， Air Force Engineering University， Xian Shaanxi 710058， China?;

2.Information and Navigation College， Air Force Engineering University， Xian Shaanxi 710077， China

Abstract：?To solve the high Bit Error Rate （BER） caused by rate oscillation in traditional Data Rate Change （DRC） algorithm， an improved DRC algorithm based on Adaptive Frame Length （AFL） was proposed for short-wave communication. Firstly， in the initialization phase， the frame length and transmission rate of the initial transmission were determined by the parameters of the current channel and the information of previous empirical values， and the data transmission was started. Then， if two frames with the same length were successively sent in the transmission process， the frame length would be accordingly increased. If the retransmission failed twice in a row， the frame length would be halved in the next transmission. Finally， the frame error rate was calculated based on the current frame length. The data rate would be increased if the value was less than the preset threshold. Compared with RapidM DRC， the average link BER of the proposed algorithm was decreased by 1.8 percentage points， and the link availability was increased by 11 percentage points. Experimental results show that the proposed algorithm can eliminate the rate oscillation and improve the communication capability of the short-wave communication system.

Key words：?short-wave communication; Data Rate Change （DRC）; adaptive frame length; ionospheric communication

0 引言

短波通信[1]因其通信距離遠、資源占用少、部署靈活度高等優點，一直作為應急通信、無盲區通信的重要手段，也是軍事遠距離通信的保底手段[2]。但是短波信道受天氣等諸多因素影響處于不穩定的狀態，為了實現可靠高效的通信，出現了自動鏈路質量分析（Link Quality Analysis， LQA）、自動鏈路建立（Automatic Link Establishment， ALE）、自動數據速率變化（Data Rate Change， DRC）等技術[3]。其中變速率通信能夠選擇在當前信道狀態下的最高數據速率[4]，實現可靠高效的通信。

變速率短波通信技術的發展和應用要晚一些， 1999年，在短波數據通信標準STANAG 5066中首次提出了DRC思想，為短波通信在變速率技術發展開辟了空間。同年，又提出了基于STANAG 5066標準[5]的DRC算法[6]，能夠根據誤幀率（Frame Error Rate， FER）逐級調整數據速率。隨后文獻[7]中提出了基于STANAG 4369標準的Trinder DRC算法，文獻[8]則基于相同標準提出了RapidM DRC算法以適應速率更高的短波Autobaud波形[9]。文獻[10]提出了一種快速DRC算法，通過收集包括誤碼率和信噪比在內的統計信息，結合當前誤碼率（Bit Error Ratio， BER）進行多個信息的統一決策，對數據速率進行調整。

文獻[11]將原始STANAG 5066標準中的DRC算法和Trinder DRC算法進行改進，在改變數據速率之前增加了誤碼率判斷模塊，減少了數據速率的振蕩，提高了鏈路連通率（Link Availability， LA）。

綜上所述，學者們針對變速率通信取得了大量的優異成果，但目前DRC算法的研究主要集中在調制方式[12]和波形[13]上進行改善，因算法復雜度較高造成的調整時延也較長[14]。同時，在現役的短波電臺中均采用了變速率通信技術[15]，因此基于幀長的變速率算法是一個值得研究的方向。

1 傳統的變速率算法

1.1 算法原理

1.1.1 Trinder DRC 算法

Trinder DRC算法的提出主要是服務STANAG 5066標準。針對該標準提出了三種不同的信道模型，包括AWGN （Additive White Gaussian Noise）、ITU-R（International

Telecommunication Union-Radio communications sector） Good和ITU-R Poor，參考接收端信噪比（Signal-to-Noise Ratio， SNR）的值來選擇當前最優的數據速率，如表1所示。

通過表1獲得初始傳輸速率后便進行傳輸，并計算誤幀率FER，計算公式為：

FER=1-（1-BER）L

（1）

得到誤幀率后對照表2改變傳輸速率：當誤幀率達到最低門限時將數據速率降低一檔（當前速率在75～2400bit/s時降低到當前值的一半）;超過最高門限時將數據速率提高一檔（當前速率在75～2400bit/s時提高一倍）。

1.1.2 RapidM DRC 算法

RapidM DRC算法的執行基于以下三個步驟：

步驟1? 接收后計算信噪比，參照表1選擇初始的數據傳輸速率;

步驟2? 計算在當前速率下的誤碼率，根據表3判斷是否需要改變速率;

步驟3? 利用誤碼率和平均誤碼率計算最優的數據速率，得到數據速率后僅進行較小的數據速率變化。

同時算法實現安全控制，不允許將數據速率增加到兩個以上級別（例如，如果當前數據速率為600bit/s，則新數據速率可能最多為3200bit/s），或將當前數據速率減小到三個以上級別。

1.2 算法仿真與分析

實現和分析DRC算法的仿真系統如圖1所示，為了保證通信質量將信噪比門限設置為10-5，在AWGN、ITU-R Good和ITU-R Poor三種不同信道質量下進行仿真。

首先進行初始化過程，這個過程通過比較當前的SNR和SNR門限要求，計算初始數據速率。在初始化之后，通過式（1）～（3）計算BER和FER。

ΔSNR=SNRmeasured-SNRrequired

（2）

BER=10-5×10-ΔSNR

（3）

之后執行相應DRC算法，并更新數據速率。最后從以下幾個指標[14]進行鏈路質量評估。

1）平均誤碼率BER 。

平均誤碼率表示誤碼率在時間上的平均，計算公式如下：

BER = ∑ N i=1 BERi×τi（BERi） ∑ N i=1 τi（BERi）

（4）

其中：Ti是時間間隔，N為時間間隔的總數;BERi表示第i個時間間隔中的誤碼率，當其大于10-3時系統進入截止狀態;τi表示處于連通狀態的時間間隔，計算公式如式（5）。

τi（BERi）= Ti，?? BERi≤10-30， BERi>10-3

（5）

2）平均誤幀率FER 。

平均誤幀率FER 的計算公式如下：

FER = ∑ N i=1 FERi×τi（BERi） ∑ N i=1 τi（BERi） ×100%

（6）

其中FERi為第i個時間間隔中的誤幀率。

3）鏈路連通率LA。

LA用連通時間與總時間的比值表示，計算公式如下：

LA= ∑ N i=1 τi（BERi） ∑ N i=1 Ti ×100%

（7）

4）平均吞吐量Th 。

Th 的計算公式如下：

Th = ∑ N i=1 DRi×τi（BERi）×（1-BERi） ∑ N i=1 Ti

（8）

其中DRi表示第i個時間間隔的傳輸速率。

5）平均幀傳輸速率Gp 。

Gp = ∑ N i=1? DRi L ×τi（BERi）×（1-BERi） ∑ N i=1 Ti

（9）

其中L為第i個時間間隔的幀長。

本文列舉了兩種算法在信噪比時間降低（按正弦曲線）時，數據速率隨信噪比SNR變化的情況，并分別在AWGN、ITU-R Good、ITU-R Poor三種不同信道質量下進行仿真。

在參數設置上，每次信道變化后的運行時間間隔Ti=120s;總運行時間間隔數N=100;幀長度L=240Byte。仿真結果如下：圖2（a）為采用Trinder算法對信噪比向下變化和三個不同信道模型下的數據速率自適應情況，得到的鏈路評估指標如表4所示。該算法檢測到的主要漏洞是數據速率的振蕩導致鏈路截止狀態（BER ≥10-3），降低了鏈路可用性。

得到的誤碼率值如圖3（a）所示，可以看到數據速率振蕩與10-3以上的誤碼率值重合。

圖2（b）為采用RapidM算法對信噪比向下變化和三個考慮通道的數據速率自適應情況，得到的鏈路評價指標如表4所示。從表4中可以看出，RapidM算法的性能優于Trinder算法;然而它仍然存在誤碼率突然升高導致的數據速率震蕩，如圖3（b）所示。

2 基于自適應幀長的變速率傳輸算法

2.1 自適應幀長算法

信道能夠容納的幀長存在一個最佳值，但是很難精確地得到，目前只能夠通過恰當的算法去逼近;同時要求算法要能夠快速確定幀長，并且保證所用幀長的穩定性。

算法具體步驟如下：

1）首先發送端與接收端協商初始幀長度，發送端可以采用先驗值的方法，通過偵聽當前信道中發送成功的幀來確定初始幀長或者使用原來發送成功的幀長值。

2）發送端記錄每次發送成功的幀長，當連續兩個成功發送的幀長均為L時，以兩倍L作為新的幀長進行發送;當達到預先規定的上限值時，幀的長度不再增加。

3）當某幀糾錯失敗需要重傳時，將原幀重傳兩次，如果這兩次傳輸均失敗，則選擇發送失敗幀長度的一半作為新的幀長。當數據幀部分小于一個字節時宣告鏈路失效。

4）當出現幀長度連續在L和2L兩個值之間跳動3次以后，以1.5L（長度取整數值）作為新的幀長進行發送。如果出現連續三次傳輸失敗后將幀長降為L。

該算法是一個整體，既包含了遇阻時的快速避退，又包含了在信道質量優良情況下的充分利用，同時也避免了幀長在某一值附近震蕩的發生。

2.2 傳輸算法模型

為解決Trinder DRC算法和RapidM DRC算法產生的速率震蕩問題，在傳統DRC算法流程中

執行DRC算法和更新數據速率兩個步驟中間添加一個新的模塊，模塊具體流程如圖4所示。

在DRC算法計算得到待更新的數據速率后，通過當前信道狀態計算更新數據速率后的誤碼率，在更新數據速率前根據誤更新速率后的誤碼率計算誤幀率：如果誤幀率大于閾值則不

更新數據速率;如果大于閾值、且待更新數據速率小于當前數

據速率，則降低速率;否則保持原有數據速率繼續進行通信。

2.3 實驗仿真與分析

本節主要通過仿真實驗對Trinder算法和RapidM算法進行分析。

短波信道的狀態變化比較快，具有一定的周期性，根據通信的經驗值設置初始幀長度L=240Byte;保證通信質量的情況下設置FER閾值=10%;同樣取信道變化后的運行時間間隔Ti=120s;總時間間隔數N=100，仿真結果如圖4、5所示。

通過圖4和圖5可以看出，該算法基本消除了傳統DRC通信系統的振蕩。當最佳通信速率接近兩個速率檔的中間值時，傳統的DRC算法會出現速率在兩檔上振蕩。在改進后的算法中可以通過添加的判斷模塊來大幅減少速率振蕩情況的出現。通過對比圖3和圖5可以看出，在誤碼率上也得到了大幅度優化，具體的鏈路質量如表5所示。

從表5中可以看出，改進后的Trinder算法和RapidM算法在性能上有一定提升，采用改進算法后Trinder算法誤幀率降低了4.95個百分點，鏈路連通率提高了12個百分點;在RapidM改進算法中，誤幀率降低了3.18個百分點，鏈路連通率提高了11個百分點，平均吞吐量和平均幀傳輸速率也有所提高。

綜合上述實驗結果可知，本文提出的基于自適應幀長的DRC算法與傳統的兩種DRC算法相比具有較大的優勢，由此可見通過改變幀長來控制傳輸質量機制的有效性。因為傳統DRC算法是在幀長不變的情況下進行評估的，當誤碼率增加時，幀長應該適當減小，以保持誤幀率值不變，所以提高了通信質量。

3 結語

短波通信一直作為軍事遠距離通信的保底手段，由于短波信道質量變化較快，研究短波DRC算法具有重要的意義。

本文首先介紹了Trinder DRC和RapidM DRC兩種傳統的短波變速率算法，并進行了仿真，從仿真結果可以得出傳統算法有速率震蕩、誤碼率高的問題。同時提出了解決方案，通過在原有算法流程更新數據速率前加入新的判斷模塊，解決速率震蕩的問題，并通過引入自適應幀長的概念降低了誤幀率，提高了鏈路連通率。

后續研究將在以下兩個方向進行延伸：1）實現更加高效的自適應幀長算法;2）結合寬帶短波通信進行研究。

參考文獻

[1]?WANG J， DING G， WANG H. HF Communications： past， present， and future [J]. China Communications， 2018， 15（9）： 1-9.

[2]?李木勝.短波通信組網發展趨勢探究[J]. 無線互聯科技， 2018（7）：9-10. （LI M S. Research on the development trend of shortwave communication network [J]. Wireless Internet Technology， 2018（7）：9-10.）

[3]?李德平.淺談提高短波通信質量的方法[J].通訊世界，2015（2）：11-12. （LI D P. On the methods of improving the quality of short-wave communication [J]. Telecom World， 2015（2）： 11-12.）

[4]?DING G， WANG J， WU Q， et al. On the limits of predictability in real-world radio spectrum state dynamics： from entropy theory to 5G spectrum sharing [J]. IEEE Communications Magazine， 2015， 53（7）： 178-183.

[5]?KOSKI E， WESTON J. Efficient high-fidelity simulation of HF communications systems and networks [C]// Proceedings of the 2015 IEEE Military Communications Conference. Piscataway， NJ： IEEE， 2015：1460-1466.

[6]?SALOUS S， SHEARMAN E D R. Wideband measurements of coherence over an HF skywave link and implication for spread-spectrum communication [J]. Radio Science， 1986， 21（3）： 463-472.

[7]??TRINDER S E， GILLESPIE F R. Optimisation of the STANAG? 5066 ARQ protocol to support high data rate HF communications [C]// Proceedings of the 2001 Communications for Network-Centric Operations： Creating the Information Force. Piscataway， NJ： IEEE， 2001： 482-486.

[8]???SCHULZE S， HANCKE G P. Design and implementation of a? STANAG 5066 data rate change algorithm for high data rate autobaud waveforms [C]// Proceedings of the 8th WSEAS International Conference on Electronics， Hardware， Wireless and Optical Communication. New York： WSEAS， 2009： 96-107.

[9]?SHANNON C E. A mathematical theory of communication [J]. The Bell System Technical Journal， 1948， 27（3）： 379-423.

[10]?湯軍，陳勁堯，白翔.STANAG 5066標準的速率自適應機制研究[J].通信技術，2011，44（7）：138-140. （TANG J， CHEN J Y， BAI X. Study on data-rate control mechanism in STANG 5066[J]. Communications Technology， 2011， 44（7）： 138-140）

[11]?SEQUEIRA V， QUELUZ M P， RODRIGUES A， et al. Data rate change algorithms for efficient HF communications [C]// Proceedings of the 2018 IEEE International Conference on Military Communications and Information Systems. Piscataway， NJ： IEEE， 2018：1-7.

[12]?EPSTEIN M R. Polarization of ionospherically propagated HF radio waves with applications to radio communication [J]. Radio Science， 1969， 4（1）： 53-67.

[13]?龔威. 短波自適應數據傳輸系統中的關鍵技術研究[D].西安：西安電子科技大學，2018：22-24. （GONG W. Research on key technologies in shortwave adaptive data transmission system [D]. Xian： Xidian University， 2018： 22-24.）

[14]?GOODMAN J， BALLARD J， SHARP E. A long-term investigation of the HF communication channel over middle and high latitude paths [J]. Radio Science， 1997， 32（4）： 1705-1715.

[15]??莊乾波.短波電臺自適應的實現[J].中國新通信，2015（14）：122-122. （ZHUANG Q B. Implementation of short-wave radio self-adaption [J]. China New Communications， 2015（14）： 122-122）

[16]?GOODMAN J， BALLARD J， SHARP E. A long-term investigation of the HF communication channel over middle- and high-latitude paths [J]. Radio Science， 1997， 32（4）： 1705-1715.