短波通信的高速数据链路协议性能研究

田 甜

（西安烽火电子科技有限责任公司，陕西 西安 710000）

0 引 言

短波通信是常用无线通信方式中的一种，其波长一般在10～50 m，工作频率范围在6～30 MHz。随着技术的革新，出现了多种新型无线通信方式，但是短波通信具备成本低、结构简单以及灵活性高等优点，仍然受到广泛关注。随着现代通信需求对通信系统性能要求的提高，通信系统向着数字化、网络化以及高度集成化的方向发展，未来无线通信技术的主要发展方向之一将是数据和图像的高速传输，短波通信将在无线通信领域发挥重要作用。随着短波通信受到许多国家的重新重视，短波通信技术得到了进一步发展，已在传媒、气象、交通以及网络通信等多个领域得到应用[1]。2001年，美国修订了第三代短波通信协议，并增加了数据链路自动建立机制，有效解决了第二代短波通信中存在的多种问题，对大规模和高密度型的短波通信系统具有很好的适应性[2]。第三代短波通信协议主要的改进设计包括以下3点，一是利用交替呼叫大幅度降低了数据建链时间，二是在低信噪比的情况下仍能保证自动建链的可靠性和成功率，三是采用高速数据链路协议，提升系统的传输可靠性[3-5]。

当前，我国现有的短波电台型号较为繁杂且功能较为单一，电台之间的差异性较大。采用第二代短波自动建链协议时，由于第二代协议具有一定的局限性，因此限制了不同类型电台之间通信[6]。加快对第三代短波通信标准的研究和应用对提高我国短波通信技术水平具有重要意义，本文针对短波通信中的高速数据链路协议，分析其原理与性能，并利用MATLAB软件对其进行仿真，研究该协议在数据传输误码率和丢包率方面的性能。

1 高速数据链路协议原理

短波通信的高速数据链路协议主要为点对点通信提供分组数据传输，在已经建立短波业务链路和信道质量较好时实现数据的高速传输。由于传输的数据分组长度较长，可选择使用ARQ混合传输机制实现容错控制，从而提高数据传输稳定性。高速数据链路协议的数据帧结构如图1所示，其首先会将待发送的数据分割成多个长度固定的数据段，所有数据段及数据段所处的位置序号组成了整个数据分组。数据分组再通过组合构成要发送的数据帧，当发送完一条完整的数据帧后会收到接收方的一个确认信息[7]。

图1 高速数据链路协议的数据帧结构

高速数据链路协议中定义了两种协议数据单元，分别为数据帧和应答帧。数据帧主要使用BW2波形实现调制，应答帧主要使用BW1波形实现调制。高速数据链路协议在进行数据发送时，数据发送端和数据接收端采用交替方式进行数据帧和应答帧的传输，数据发送端完成一帧数据发送后需要等待接收数据接收端反馈的应答帧，并且对发送结果进行查询，按顺序检查发送帧中的每个数据分组。如果检查发现数据分组被正确发送，则将该数据分组位置上的数据更新为下一组需要发送的数据分组，以待下一个发送周期进行数据发送[8]。如果检查发现数据分组未能得到准确接收，则将该数据分组的数据进行保存，待下一个发送周期对数据进行重新发送。

2 ARQ混合技术

高速数据链路协议为了降低误码率和丢包率，采用ARQ混合技术进行收发控制。ARQ混合技术是指将前向纠错技术和自动重传技术联合运用，其中前向纠错技术可以降低对数据的重发次数，减少常见传输错误的出现几率，自动重传技术是在传输错误无法纠正的情况下进行数据的重传[9,10]。结合前向纠错技术和自动重传技术，有效利用二者的优势，提高数据的吞吐速度和传输的可靠性。高速数据链路协议采用ARQ混合技术进行收发控制，首先通过CRC校验与卷积编码处理数据分组，然后通过无线数据对数据进行传输。高速数据链路协议所采用的卷积编码流程如图2所示，总共分为4类编码类型，分别对应了4个编码分支。在进行数据发送前，数据分组在进行卷积编码时循环使用4个编码分支。

图2 卷积编码流程

在数据传输过程中，假定某个数据分组正在使用第N个编码分支，如果该数据分组传输正常，并收到接收端反馈的正确应答帧，则收到应答帧后进行先一个数据分组的发送。如果接收到应答帧反馈数据信息错误，则发送端选用第N+1个编码分支，重新发送数据分组。接收端接收到数据后，将数据与上一组错误数据进行比对与合并译码操作。如果解码发现数据依然错误，则选用第N+2个编码分支对数据进行第二次重新发送，接收端对接收的第三次数据再进行对比与合并译码操作。依次类推，发送端通过重新选用编码分支和数据重发，直到实现数据分组的正确传输或着达到设定的最大重发次数，则结束发送操作。利用重发机制增加了信息冗余，充分利用了信道增益，可很好地降低数据传输过程中的误码率和丢包率，提升高速数据链路协议的性能。

3 协议性能仿真

高速数据链路协议采用了较为严格的时间定时机制，从而保证建立数据链路的快速性，以提升数据传输效率。要求定时控制通信链路的建立，对数据链路建立的全过程进行定时控制，以确保数据的准确同步。在建立数据链路的过程中，发送端和接收端要一直保持时钟同步，要求收发两端进行精准定时，保证高速数据链路协议能够进行数据的同步传输。高速数据链路协议对数据编码、波形处理以及波形发送等操作环节设定了明确的时延长度，在定时参数设定的条件下，测试高速数据链路协议的丢包率和误码率。

高速数据链路协议采用的是基于ARQ混合技术的控制机制，在不同传输次数的情况下，其误码率和丢帧率也不相同。本文选用快衰落瑞利信道作为仿真信道，按照上文所述的卷积编码方式进行信道的编码，其数据帧的长度设定为2 048 bits。通过MATLAB软件进行系统仿真，获得误码率随信噪比变换曲线如图3所示，丢包率随信噪比变换曲线如图4所示。由误码率和丢包率的变化曲线可以看出，数据重传次数越多，其误码率和丢包率会越低。利用ARQ混合技术提升信道的分集增益，降低数据的误码率和丢包率，从而提升系统的可靠性。

图3 误码率随信噪比变换曲线

图4 丢包率随信噪比变换曲线

高速数据链路协议适用于高信噪比的环境，当数据信噪比较低时，对数据分组的重传次数将会增加，当信噪比增大时，对数据分组的重发次数将会明显下降。当信噪比提升至25 dB以上时，对数据分组的平均重发次数可以控制在一次以内。另外，采用ARQ混合技术，当数据分组越多时，其相对的时间开销反而越小，从而提高了高速数据链路协议的数据吞吐量。

4 结 论

高速数据链路协议是第三代短波通信技术的重要通信协议之一，在信道质量较好的情况下，可利用该协议实现数据的高速和大规模传输，从而提升短波通信的吞吐量。本文利用瑞利衰落信道对高速数据链路协议进行仿真，高速数据链路协议采用ARQ混合技术进行数据传输控制，随着数据重发次数的增加，其误码率和丢包率明显降低。在选用ARQ混合技术的情况下，当发送帧中的数据分组越多时，能够获得的数据吞吐量越大，并且随着信噪比的增加，数据吞吐量同样能够得到提升。