短波通信的高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議性能研究

田 甜

（西安烽火電子科技有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000）

0 引 言

短波通信是常用無線通信方式中的一種，其波長一般在10～50 m，工作頻率范圍在6～30 MHz。隨著技術(shù)的革新，出現(xiàn)了多種新型無線通信方式，但是短波通信具備成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，仍然受到廣泛關(guān)注。隨著現(xiàn)代通信需求對(duì)通信系統(tǒng)性能要求的提高，通信系統(tǒng)向著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化以及高度集成化的方向發(fā)展，未來無線通信技術(shù)的主要發(fā)展方向之一將是數(shù)據(jù)和圖像的高速傳輸，短波通信將在無線通信領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。隨著短波通信受到許多國家的重新重視，短波通信技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展，已在傳媒、氣象、交通以及網(wǎng)絡(luò)通信等多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用[1]。2001年，美國修訂了第三代短波通信協(xié)議，并增加了數(shù)據(jù)鏈路自動(dòng)建立機(jī)制，有效解決了第二代短波通信中存在的多種問題，對(duì)大規(guī)模和高密度型的短波通信系統(tǒng)具有很好的適應(yīng)性[2]。第三代短波通信協(xié)議主要的改進(jìn)設(shè)計(jì)包括以下3點(diǎn)，一是利用交替呼叫大幅度降低了數(shù)據(jù)建鏈時(shí)間，二是在低信噪比的情況下仍能保證自動(dòng)建鏈的可靠性和成功率，三是采用高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，提升系統(tǒng)的傳輸可靠性[3-5]。

當(dāng)前，我國現(xiàn)有的短波電臺(tái)型號(hào)較為繁雜且功能較為單一，電臺(tái)之間的差異性較大。采用第二代短波自動(dòng)建鏈協(xié)議時(shí)，由于第二代協(xié)議具有一定的局限性，因此限制了不同類型電臺(tái)之間通信[6]。加快對(duì)第三代短波通信標(biāo)準(zhǔn)的研究和應(yīng)用對(duì)提高我國短波通信技術(shù)水平具有重要意義，本文針對(duì)短波通信中的高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議，分析其原理與性能，并利用MATLAB軟件對(duì)其進(jìn)行仿真，研究該協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸誤碼率和丟包率方面的性能。

1 高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議原理

短波通信的高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議主要為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信提供分組數(shù)據(jù)傳輸，在已經(jīng)建立短波業(yè)務(wù)鏈路和信道質(zhì)量較好時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組長度較長，可選擇使用ARQ混合傳輸機(jī)制實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制，從而提高數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖1所示，其首先會(huì)將待發(fā)送的數(shù)據(jù)分割成多個(gè)長度固定的數(shù)據(jù)段，所有數(shù)據(jù)段及數(shù)據(jù)段所處的位置序號(hào)組成了整個(gè)數(shù)據(jù)分組。數(shù)據(jù)分組再通過組合構(gòu)成要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，當(dāng)發(fā)送完一條完整的數(shù)據(jù)幀后會(huì)收到接收方的一個(gè)確認(rèn)信息[7]。

圖1 高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議中定義了兩種協(xié)議數(shù)據(jù)單元，分別為數(shù)據(jù)幀和應(yīng)答幀。數(shù)據(jù)幀主要使用BW2波形實(shí)現(xiàn)調(diào)制，應(yīng)答幀主要使用BW1波形實(shí)現(xiàn)調(diào)制。高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議在進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)送端和數(shù)據(jù)接收端采用交替方式進(jìn)行數(shù)據(jù)幀和應(yīng)答幀的傳輸，數(shù)據(jù)發(fā)送端完成一幀數(shù)據(jù)發(fā)送后需要等待接收數(shù)據(jù)接收端反饋的應(yīng)答幀，并且對(duì)發(fā)送結(jié)果進(jìn)行查詢，按順序檢查發(fā)送幀中的每個(gè)數(shù)據(jù)分組。如果檢查發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組被正確發(fā)送，則將該數(shù)據(jù)分組位置上的數(shù)據(jù)更新為下一組需要發(fā)送的數(shù)據(jù)分組，以待下一個(gè)發(fā)送周期進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送[8]。如果檢查發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組未能得到準(zhǔn)確接收，則將該數(shù)據(jù)分組的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，待下一個(gè)發(fā)送周期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新發(fā)送。

2 ARQ混合技術(shù)

高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議為了降低誤碼率和丟包率，采用ARQ混合技術(shù)進(jìn)行收發(fā)控制。ARQ混合技術(shù)是指將前向糾錯(cuò)技術(shù)和自動(dòng)重傳技術(shù)聯(lián)合運(yùn)用，其中前向糾錯(cuò)技術(shù)可以降低對(duì)數(shù)據(jù)的重發(fā)次數(shù)，減少常見傳輸錯(cuò)誤的出現(xiàn)幾率，自動(dòng)重傳技術(shù)是在傳輸錯(cuò)誤無法糾正的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)的重傳[9,10]。結(jié)合前向糾錯(cuò)技術(shù)和自動(dòng)重傳技術(shù)，有效利用二者的優(yōu)勢(shì)，提高數(shù)據(jù)的吞吐速度和傳輸?shù)目煽啃浴８咚贁?shù)據(jù)鏈路協(xié)議采用ARQ混合技術(shù)進(jìn)行收發(fā)控制，首先通過CRC校驗(yàn)與卷積編碼處理數(shù)據(jù)分組，然后通過無線數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議所采用的卷積編碼流程如圖2所示，總共分為4類編碼類型，分別對(duì)應(yīng)了4個(gè)編碼分支。在進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送前，數(shù)據(jù)分組在進(jìn)行卷積編碼時(shí)循環(huán)使用4個(gè)編碼分支。

圖2 卷積編碼流程

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，假定某個(gè)數(shù)據(jù)分組正在使用第N個(gè)編碼分支，如果該數(shù)據(jù)分組傳輸正常，并收到接收端反饋的正確應(yīng)答幀，則收到應(yīng)答幀后進(jìn)行先一個(gè)數(shù)據(jù)分組的發(fā)送。如果接收到應(yīng)答幀反饋數(shù)據(jù)信息錯(cuò)誤，則發(fā)送端選用第N+1個(gè)編碼分支，重新發(fā)送數(shù)據(jù)分組。接收端接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)與上一組錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)與合并譯碼操作。如果解碼發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)依然錯(cuò)誤，則選用第N+2個(gè)編碼分支對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行第二次重新發(fā)送，接收端對(duì)接收的第三次數(shù)據(jù)再進(jìn)行對(duì)比與合并譯碼操作。依次類推，發(fā)送端通過重新選用編碼分支和數(shù)據(jù)重發(fā)，直到實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組的正確傳輸或著達(dá)到設(shè)定的最大重發(fā)次數(shù)，則結(jié)束發(fā)送操作。利用重發(fā)機(jī)制增加了信息冗余，充分利用了信道增益，可很好地降低數(shù)據(jù)傳輸過程中的誤碼率和丟包率，提升高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的性能。

3 協(xié)議性能仿真

高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議采用了較為嚴(yán)格的時(shí)間定時(shí)機(jī)制，從而保證建立數(shù)據(jù)鏈路的快速性，以提升數(shù)據(jù)傳輸效率。要求定時(shí)控制通信鏈路的建立，對(duì)數(shù)據(jù)鏈路建立的全過程進(jìn)行定時(shí)控制，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確同步。在建立數(shù)據(jù)鏈路的過程中，發(fā)送端和接收端要一直保持時(shí)鐘同步，要求收發(fā)兩端進(jìn)行精準(zhǔn)定時(shí)，保證高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的同步傳輸。高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)編碼、波形處理以及波形發(fā)送等操作環(huán)節(jié)設(shè)定了明確的時(shí)延長度，在定時(shí)參數(shù)設(shè)定的條件下，測(cè)試高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的丟包率和誤碼率。

高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議采用的是基于ARQ混合技術(shù)的控制機(jī)制，在不同傳輸次數(shù)的情況下，其誤碼率和丟幀率也不相同。本文選用快衰落瑞利信道作為仿真信道，按照上文所述的卷積編碼方式進(jìn)行信道的編碼，其數(shù)據(jù)幀的長度設(shè)定為2 048 bits。通過MATLAB軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真，獲得誤碼率隨信噪比變換曲線如圖3所示，丟包率隨信噪比變換曲線如圖4所示。由誤碼率和丟包率的變化曲線可以看出，數(shù)據(jù)重傳次數(shù)越多，其誤碼率和丟包率會(huì)越低。利用ARQ混合技術(shù)提升信道的分集增益，降低數(shù)據(jù)的誤碼率和丟包率，從而提升系統(tǒng)的可靠性。

圖3 誤碼率隨信噪比變換曲線

圖4 丟包率隨信噪比變換曲線

高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議適用于高信噪比的環(huán)境，當(dāng)數(shù)據(jù)信噪比較低時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)分組的重傳次數(shù)將會(huì)增加，當(dāng)信噪比增大時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)分組的重發(fā)次數(shù)將會(huì)明顯下降。當(dāng)信噪比提升至25 dB以上時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)分組的平均重發(fā)次數(shù)可以控制在一次以內(nèi)。另外，采用ARQ混合技術(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)分組越多時(shí)，其相對(duì)的時(shí)間開銷反而越小，從而提高了高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的數(shù)據(jù)吞吐量。

4 結(jié) 論

高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議是第三代短波通信技術(shù)的重要通信協(xié)議之一，在信道質(zhì)量較好的情況下，可利用該協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速和大規(guī)模傳輸，從而提升短波通信的吞吐量。本文利用瑞利衰落信道對(duì)高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議進(jìn)行仿真，高速數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議采用ARQ混合技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸控制，隨著數(shù)據(jù)重發(fā)次數(shù)的增加，其誤碼率和丟包率明顯降低。在選用ARQ混合技術(shù)的情況下，當(dāng)發(fā)送幀中的數(shù)據(jù)分組越多時(shí)，能夠獲得的數(shù)據(jù)吞吐量越大，并且隨著信噪比的增加，數(shù)據(jù)吞吐量同樣能夠得到提升。