短波3G ALE高速数据链路(HDL)协议改进*

姜 艳

(91404部队，河北秦皇岛 066001)

短波3G ALE高速数据链路(HDL)协议改进*

姜 艳

(91404部队，河北秦皇岛 066001)

短波通信是实现超视距军事通信的重要手段之一，美军标MIL-STD-188-141B定义了第三代短波自动链路建立(3G-ALE)技术体制。高速数据链路协议(HDL)是3G-ALE系统中为一对短波终端或节点之间提供无差错数据传输的自动请求重发(ARQ)协议。详细阐述了短波3G-ALE系统中的HDL协议，介绍了其原理，分析了其优缺点，提出了改进措施，并将改进措施与原协议在吞吐量上进行了比较，理论分析及仿真结果直观显现了改进措施的有效性。

高速数据链路协议；3G ALE；HARQ

0 引 言

随着电子技术的飞速发展，短波通信由单一化向数字化、网络化发展。采用短波组网技术体制，一方面可以增加通信链路的抗毁性和顽存性，另一方面，可以在网内自动选择最优链路，克服由于电离层条件变化对单条无线链路质量造成的影响[1]。美军标MIL-STD-188-141B[2]是中高频无线电系统互通性能标准，定义了第三代自动链路建立(3G ALE)技术体制，在实现快速链路建立、通信组网能力、信息吞吐量的改善上有很大提高。其中，高速数据链路协议(HDL)是为3G ALE系统提供无差错数据传输的自动请求重发(ARQ)协议。

1 HDL简介

1.1 3G-ALE概述

美军标MIL-STD-188-141B标准定义了的第三代短波通信系统实质上是一种无线分组交换网络，核心部分包含4层结构模型：短波子网网络层和更高层、会话管理层、数据链路层及物理层。

短波子网层和更高层主要完成路由选择、链路选择、拓扑监视、信息传输和中继等功能。会话管理层主要完成自动链路维护等功能。物理层主要完成5种突发波形的调制解调。数据链路层包括自动链路建立(ALE)协议、业务管理(TM)协议、数据链路协议(xDL)和电路连接管理(CLC)协议。其中数据链路协议xDL又分为高速数据链路协议(HDL)与低速数据链路协议(LDL)。

图1 3G-ALE协议示意

1.2 HDL协议

MIL-STD-188-141B在ALE及ARQ过程中使用一些非常健壮的突发波形。在通过ALE建立链路及业务管理(TM)成功握手后，数据链路协议才开始工作[3]。

HDL协议的特点是采用双向突发握手模式确认通信意图并解决链路两端时间与频率不确定性问题。

HDL有多个正向分组数据(DATA)及一个健壮的反向确认(ACK)组成。如图2所示。其正向发送可以是3、6、12或24个大小为233用户字节的分组。按照每次收发切换正向发送的分组数据包数NumPKTs，HDL可分为HDL-3、HDL-6、HDL-12、HDL-24四种。

图2 HDL协议示意

HDL正向DATA采用突发波形2(BW2)进行传输。

BW2波形结构如图3所示。BW2波形由发前保护、发后保护、发射信号三部分组成。发射信号又分为TLC/AGC、同步头、数据三部分。其中，TLC/AGC用于电台发端TLC及收端AGC处理，为100 ms；同步头用于符号定时及初始信道估计，为26.67 ms；数据部分携带业务数据，为NumPKTs×400 ms。

图3 BW2突发波形结构示意

数据部分由NumPKTs个分组帧组成。每个分组帧为400 ms，又分为20个均衡块。每个均衡块由一个13.33 ms的未知符号块与一个6.67 ms的已知符号块组成。

BW2波形的发射信号均采用8PSK调制方式，符号率为2 400 Hz，并经成型滤波后调制得到中心频率为1 800 Hz的音频基带信号。

BW2波形的纠错编码如图4所示。

图4 BW2的纠错编码示意

BW2采用约束长度为8的卷积码作为前向纠错编码。卷积码采用4路1/1码率的编码，每路均可独立译码，也可和其他任意一路合并译码。HDL每次发送时均采用1/1码率的编码。重传时根据重传次数支持接收端进行1/1、1/2、1/3、1/4码率的合并译码。

HDL反向ACK采用突发波形1(BW1)进行传输。BW1采用带内直接序列扩频及1/3码率的卷积编码。数据速率为50 b/s。BW1波形极具健壮性，可在信噪比(SNR)低于-10 dB时进行传输。

1.3 HDL优缺点

HDL正向DATA采用了码合并技术，在误包重传时可将当前包与以前误码包合并译码，传送的能量实际都没有因分组接收和译码错误而浪费。实际速率随着重传次数而降低，因此，HDL支持根据当前信道质量动态调整传输速率，即具备速率自适应功能。

另外，HDL为同步协议，主呼台站及被呼台站在TM握手成功后均各自定时，并分别在对应的时间进行收发切换的状态转换。当信令丢失后，主呼台站及被呼台站的状态均不会混乱。另外，反向ACK传输采用较稳健的BW1波形，使得由于信令丢失而导致协议混乱的概率最小化。

但是HDL存在以下不足：HDL正向DATA采用1/1纠错编码，码率太高，没有编码增益，抗噪声及抗突发干扰能力较低。因此首次传输对信道质量要求很高，只有靠重传才能降低对信道质量要求，影响了其数据传输效果。

2 HDL协议改进

针对HDL的不足，可将HDL的BW2波形纠错编码码率由1/1改为3/4，另外，参考MIL-STD-188-110C标准[4]中的4 800 b/s波形格式，将已知符号与未知符号之比由16/32改为32/256。波形格式如图5所示。

图5 BW2波形及其改进示意

对BW2波形的信号格式进行优化，降低已知符号的开销，并将纠错编码码率降低，使得其单次发送的速率不变，但是抗噪声能力更强，因此其数据传输能力有所提高。

由于BW2改进波形中未知符号占所有符号的比例比原BW2波形有所提高，导致BW2改进波形的解调处理运算量相较于原BW2波形增加了约30%，对现有数字信号处理器件水平而言，完全具备可实现性。因此，虽然BW2改进波形运算量有所增加，但工程实现不存在问题。

2.1 理论分析

HDL采用基于码合并的type III HARQ技术。文献[5]中对type III HARQ在AWGN信道下的性能进行了分析。

对于平均信噪比为μ的AWGN信道，第次重传时的信道容量(单位：bit/symbol)为

(1)

单次编码码率为ρ，发送成功所需的重传次数为

(2)

则type III HARQ的理论归一化吞吐量为

(3)

而BW2改进波形中，虽然纠错编码码率相对于原BW2波形有所降低，但波形格式中承载用户数据的未知数据比重增加，因此BW2改进波形实际速率仍为4 800 b/s。设HDL反向ACK传输所需时间为Tback，BW2波形数据部分时间为Tdata，BW2同步头(含收发切换等开销)为Tpre。HDL及HDL改进协议的理论吞吐量(单位：b/s)为

(4)

由上式可知，AWGN信道下，在SNR相同时，ρ越大则吞吐量越小。因此，HDL改进协议的吞吐量优于原HDL协议。

由于改进的BW2波形每个均衡块(即1个未知符号块+1个已知符号块)长度比原BW2波形的均衡块要长，导致其在衰落信道下性能恶化比原BW2波形明显。因此，在衰落信道下，改进的HDL协议相对于原HDL协议的性能提升没有在AWGN信道下明显。

2.2 仿真对比

对HDL及其改进的性能进行了仿真对比。仿真具体参数为：报文总长度为5 000字节，HDL及其改进每次发送12包分组数据，每包数据长度为233字节，最大重传次数为8次。

在AWGN信道下及衰落信道下均进行了仿真对比。衰落信道采用ITU-Poor信道，具体参数为：多径时延为2 ms，多普勒扩展为1 Hz。衰落信道下的信道模型采用Watterson模型[6]。仿真结果如图6所示。

图6 HDL及其改进吞吐量对比

由图6可知，改进的HDL协议相对于原HDL在AWGN信道下吞吐量在500～1 500 b/s之间时有2 dB左右的增益，吞吐量在1 500～3 000 b/s之间时有5 dB左右的增益；在ITU-Poor信道下也有1～2 dB的增益。

3 结 语

文中研究了短波3G ALE的HDL协议，针对其单次正向传输时纠错编码码率过高而无编码增益的缺点，提出了降低纠错编码码率的改进措施，并参考MIL-STD-188-110C标准中波形信号格式对HDL信号格式进行了优化。对改进措施的有效性进行了理论分析，并在AWGN信道及衰落信道下进行了仿真对比。理论研究及仿真对比表明，改进的HDL协议相对于原HDL协议，在吞吐量性能指标上有显著提升。改进后的HDL协议可很方便地应用到短波3G-ALE通信系统中，以提升无差错数据传输时的通信效能。

[1] 王志文.短波3G ALE同步组网技术研究及仿真[J]. 通信技术,2013,46(09): 64-67. WANG Zhi-wen. Simulation of High Frquency 3G-ALE Synchronization Mode[J]. Communications Technology, 2013,46(09): 64-67.

[2] MIL-STD-188-141B, Mil. Std., Interoperability and Performance Standards for Data Modems [S], Draft Version Revised March 2000.

[3] Chamberlain M, Furman W. HF Data Link Protocol RF Simulator Performance based on Stanag 4538 and Stanag 4539[J].IEEE 2003, 387-392.

[4] MIL-STD-188-110C，Mil. Std., Interoperability and Performance Standards for Data Modems [S], Draft Version Revised March 2000.

[5] 王亚峰,杨鸿文,杨大成. 采用Turbo码的type Ⅲ HARQ性能分析 [J]. 通信学报,2004,25 (06):139-146. WANG Ya-feng, YANG Hong-wen, YANG Da-cheng. Performance Analysis of Type Ⅲ HARQ with Turbo Codes[J].Journal of China Institute of Communications, 2004, 25(06):139-146.

[6] Watterson C, Juroshek J, Bensema W. Experimental Confirmation of an HF Channel Model[J]. IEEE Transactions on Communication Technology. Dec. 1970, 81 (6):792-803.

Modification of High-Frequency 3G ALE HDL Protocol

JIANG Yan

(Unit 91404 of PLA,Qinghuangdao Hebei 066001,China)

HF (High-Frequency) communication is one of the important measures for beyond-visiual range military communication. MIL-STD-188-141B defines the 3G HF automatic link and establishes (3G-ALE) technical system. HDL (High-Rate Data Link) protocol is an ARQ protocol in 3G-ALE system, providing error-free data transfer to a pair of HF terminals or nodes. Meanwhile, HDL procotol in 3G-ALE system is described in detail,including its principle, advantages and disadvantages,and some suggestions for its modification are proposed.In addition,the throughput capacity of between the modified and the original protocal is also compared. Theoretical analysis and simulation results intuitively indicate the effectiveness of this modified measure.

HDL; 3G ALE; HARQ

date:2014-10-21；Revised date：2015-02-17

TN915

A

1002-0802(2015)04-0410-04

姜 艳(1969—)，女，学士，高级工程师，主要研究方向为无线通信。

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.04.007

2014-10-21；

2015-02-17