王　磊，張桂祥，康弘俊

(海軍駐北京地區(qū)通信軍事代表室，天津 300211)

Received date:2015-01-06；Revised date：2015-04-19

摘　要：3G-ALE提高了短波通信系統(tǒng)的可通率和可靠性。隨著應(yīng)用的發(fā)展，現(xiàn)有短波傳輸技術(shù)很難滿足可靠高速的通信要求，由此短波寬帶傳輸技術(shù)成為研究熱點之一。詳細(xì)闡述了短波傳輸技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，引入一種新的寬帶傳輸方式，并根據(jù)寬帶傳輸特性改進3G-ALE建鏈方式，形成適合短波寬帶傳輸?shù)逆溌方⒎椒ā＿@種短波寬帶傳輸技術(shù)可以提高短波通信的可通率、縮短鏈路建立時間。

關(guān)鍵詞：寬帶；3G ALE；可通率

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.009

一種新型短波寬帶傳輸技術(shù)

王磊，張桂祥，康弘俊

(海軍駐北京地區(qū)通信軍事代表室，天津 300211)

Received date:2015-01-06；Revised date：2015-04-19

摘要：3G-ALE提高了短波通信系統(tǒng)的可通率和可靠性。隨著應(yīng)用的發(fā)展，現(xiàn)有短波傳輸技術(shù)很難滿足可靠高速的通信要求，由此短波寬帶傳輸技術(shù)成為研究熱點之一。詳細(xì)闡述了短波傳輸技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，引入一種新的寬帶傳輸方式，并根據(jù)寬帶傳輸特性改進3G-ALE建鏈方式，形成適合短波寬帶傳輸?shù)逆溌方⒎椒?。這種短波寬帶傳輸技術(shù)可以提高短波通信的可通率、縮短鏈路建立時間。

關(guān)鍵詞：寬帶；3G ALE；可通率

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2015.06.009

收稿日期：2015-01-06；修回日期：2015-04-19

中圖分類號：TN91

文獻標(biāo)志碼：碼：A

文章編號：號：1002-0802(2015)06-0672-05

Abstract：3G-ALE (Third Generation Automatic Link Establishment ) improves the available probability and reliability of HF (High-Frequency) communication system. With the development of applications, the current HF transmission technology is difficult to meet the requirements of high-rate and reliable communication, thus HF wideband transmission technique becomes one of the research hotspots. In this paper, the current situation and development trend of HF transmission technology is expounded in detail. A new wideband transmission mode is introduced, and 3G-ALE link establishment method is improved in accordance with the characteristic of wideband transmission, therefore a link establishment method suitable to HF wideband transmission is formed. The HF wideband transmission technology could improve the available probability of HF communication and shorten the time for link establishment.

作者簡介：

A Novel Wideband Transmission Technology of High Frequency

WANG Lei，ZHANG Gui-xiang，KANG Hong-jun

(Naval Representative Office of Communication in Beijing Area ，Tianjin 300211，China)

Key words：wideband; 3G-ALE; available probability

0引言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，短波通信由單一化向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。采用短波組網(wǎng)技術(shù)體制，一方面可以增加通信鏈路的抗毀性和頑存性，另一方面，可以在網(wǎng)內(nèi)自動選擇最優(yōu)鏈路，克服由于電離層條件變化對單條無線鏈路質(zhì)量造成的影響。美軍標(biāo)MIL-STD-188-141B是中高頻無線電系統(tǒng)互通性能標(biāo)準(zhǔn)，定義了第三代自動鏈路建立(3G ALE)技術(shù)體制，在實現(xiàn)快速鏈路建立、通信組網(wǎng)能力、信息吞吐量的改善上有很大提高[1]。

隨著應(yīng)用需求的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)3 kHz短波傳輸技術(shù)很難滿足要求，為此短波寬帶傳輸技術(shù)由于其在通信組網(wǎng)能力和信息吞吐量的優(yōu)勢逐漸成為當(dāng)前研究熱點之一。

本文結(jié)合短波寬帶傳輸技術(shù)國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀提出一種新型短波寬帶傳輸技術(shù)，這種傳輸技術(shù)可以支持在窄帶上進行傳統(tǒng)3G建鏈，并支持在帶寬連續(xù)擴展的寬帶和多信道綁定的寬帶上進行快速、高效鏈路建立和通信。

1短波傳輸技術(shù)現(xiàn)狀簡介

1.1短波傳輸波形概述

短波調(diào)制解調(diào)技術(shù)方面，目前國外主要有美軍標(biāo)MIL-STD-188-110系列標(biāo)準(zhǔn)和北約的STANAG 4539標(biāo)準(zhǔn)。其中MIL-STD-188-110A于1991年提出并得到廣泛應(yīng)用，其傳輸帶寬3 kHz，最高傳輸速率為2 400 b/s(未編碼時4 800 b/s)。MIL-STD-188-110B于2000年提出，帶寬仍為3 kHz，增加了獨立邊帶(ISB)和多信道綁定模式，采用64QAM最高速率達(dá)到9 600 b/s(未編碼時12800b/s)，標(biāo)準(zhǔn)要求白噪聲下誤碼率1e-5的信噪比為21 dB(實際約需19 dB)，對實際信道有較高的要求[2]。

隨著業(yè)務(wù)需求的發(fā)展短波高速傳輸成為新的發(fā)展趨勢。目前短波寬帶高速傳輸主要有兩種技術(shù)路線，一是以美軍標(biāo)MIL-STD-188-110C為代表[3]，在連續(xù)的24 kHz寬帶上傳輸，另一個是THALES的基于多信道綁定(XL)技術(shù)的寬帶傳輸，將N個3 kHz綁定在一起實現(xiàn)高速傳輸。2011年提出了MIL-STD-188-110C，將傳輸帶寬最高擴展到了24 kHz，采用64QAM時最高速率達(dá)到76.8 kb/s(8/9碼率時可達(dá)96 kb/s),采用256QAM是達(dá)到120 kb/s，白噪聲下需要約30 dB。

THALES公司的HF XL技術(shù)，在200 kHz的帶寬中選n×3 kHz信道來實現(xiàn)高速傳輸[4]。其指導(dǎo)思想是：短波信道頻率十分擁擠，一個連續(xù)未被占用的24 kHz信道比在200 kHz找到8個干凈的3 kHz信道概率要低得多，后者有6×109種可能的組合，而連續(xù)的24 kHz只有59種可能[5]。與110C相比，XL技術(shù)可以得到更高的通過率和可通率。試驗觀測表明，8×3 kHz出現(xiàn)的概率遠(yuǎn)高于24 kHz；16×3的可用性與24 kHz相當(dāng)，因此其傳輸速率應(yīng)該優(yōu)于MIL-STD-188-110C的方法。2012年，THALES公司針對該技術(shù)開展測試，在300 km的距離上采用15個獨立3 kHz信道能夠偶爾能夠達(dá)到138 kb/s通信速率，誤碼率為10e-5量級，采用8～15個獨立3 kHz信道基本上能夠?qū)崿F(xiàn)全天可通64 kb/s速率，誤碼率為10e-5量級。

1.2短波鏈路建立概述

短波通信最核心的問題在于選擇個合適的工作頻段和工作頻率，頻率的選擇決定了通信的效果，甚至成敗，自動控制通信技術(shù)是實現(xiàn)短波通信自動化的一項革命性技術(shù)，已經(jīng)發(fā)展到第三代(3G-ALE，MIL-STD—181-141B)。目前外軍使用的技術(shù)主要美軍標(biāo)MIL-STD-188-141系列和北約的STANAG 4538。作為第二代技術(shù)的141A，采用FSK和異步建鏈技術(shù)，建鏈速度慢，支持的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小，而3G業(yè)務(wù)和建鏈均采用PSK調(diào)制，且支持同步模式，具有較快的建鏈速度和網(wǎng)絡(luò)支持能力[1，6]。

3G-ALE支持兩種工作模式，分別是異步模式與同步模式。異步模式與第二代鏈路建立協(xié)議兼容。在同步模式下，在特定時間主叫方知道被叫方所在的信道，所以只需在相應(yīng)信道上進行呼叫。第三代短波通信系統(tǒng)工作在同步模式下，第三代自動鏈路建立協(xié)議才能達(dá)到最好的效率。

3G-ALE引入駐留組(Dwell Group)的概念，將網(wǎng)絡(luò)中的所有電臺劃分成多個組。同一時間，同一駐留組內(nèi)的電臺工作在同一信道上，而不同的組工作在不同的信道上，這樣可以降低系統(tǒng)的阻塞。而呼叫電臺也能清楚地知道目的電臺所在的信道，減少電臺的信道駐留時間。

在每個頻率上的駐留時間為5.4 s，駐留一個呼叫信道和一個業(yè)務(wù)信道如圖 1所示。5.4 s又細(xì)分為1個偵聽時隙(時隙0)和5個呼叫時隙(時隙1、時隙2、時隙3、時隙4、時隙5)。駐留時隙結(jié)構(gòu)劃分如圖2所示。

圖1　3G-ALE每個駐留時隙掃描偵聽頻率情況

圖2　3G-ALE一個駐留時隙的子時隙劃分示意

3G-ALE系統(tǒng)中的臺站開機以后，會根據(jù)預(yù)先設(shè)置的信道列表開始對各個信道進行不斷地掃描，當(dāng)收到其他臺站呼叫或打算呼叫其他臺站就會離開當(dāng)前掃描狀態(tài)。當(dāng)有呼叫發(fā)起時鏈路建立流程如圖3所示。首先在時隙0上調(diào)諧到呼叫信道并偵聽業(yè)務(wù)信道是否被占用，如果業(yè)務(wù)信道被占用則延遲一個駐留時間繼續(xù)進行偵聽呼叫，如果業(yè)務(wù)信道空閑則根據(jù)呼叫優(yōu)先級確定在哪一個時隙發(fā)起呼叫。在發(fā)起呼叫的前一個時隙，偵聽呼叫信道，如果呼叫信道被占用則推遲一個時隙繼續(xù)偵聽發(fā)送，如果呼叫信道空閑則在下一個時隙發(fā)起鏈路建立呼叫PDU。被叫臺站收到鏈路建立呼叫PDU后，在下一個時隙回復(fù)鏈路建立應(yīng)答PDU，呼叫臺站根據(jù)收到的應(yīng)答PDU中的鏈路ID來判斷是否為所要呼叫的目標(biāo)臺站，并確定業(yè)務(wù)信道。則雙方臺站調(diào)諧到特定的業(yè)務(wù)信道進入業(yè)務(wù)管理階段，完成鏈路建立。如果呼叫方臺站沒有收到來自被叫方的呼叫應(yīng)答，則會進入被叫方臺站的下一個呼叫信道繼續(xù)呼叫。

圖3　3G-ALE鏈路建立基本流程

1.3現(xiàn)有技術(shù)分析

現(xiàn)有短波傳輸技術(shù)物理層基本采用3 kHz波形，結(jié)合3G-ALE技術(shù)很大程度上提高了短波通信的可靠性和可通率，但是存在傳輸速率較低，很難實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)某個業(yè)務(wù)信道被占用或者呼叫信道信道質(zhì)量較差時，會導(dǎo)致鏈路建立時間長等缺點。

新研的連續(xù)帶寬擴展的寬帶波形如MLI-STD-188-110C定義的寬帶波形可以實現(xiàn)短波信道上的高速傳輸。但是在擁擠的短波信道找到帶寬為24 kHz的好信道比較困難。

2新型短波寬帶傳輸技術(shù)

如上文所述短波寬帶波形主要有兩種體制，一種是110C定義的寬帶波形為代表的基于連續(xù)帶寬擴展的寬帶波形，一種是基于XL的寬帶波形技術(shù)。本文提出的新型短波寬帶傳輸與Thales的XL技術(shù)相比，在物理層傳輸技術(shù)上，新型短波寬帶傳輸技術(shù)支持基于XL技術(shù)的多信道綁定寬帶波形，同時具備帶寬連續(xù)擴展的寬帶波形；從鏈路技術(shù)上，新型短波寬帶傳輸技術(shù)基于頻譜動態(tài)感知信息動態(tài)選擇采用基于XL技術(shù)的寬帶傳輸和連續(xù)帶寬擴展的寬帶傳輸模式。融合了基于XL技術(shù)的寬帶波形作為一種新型短波寬帶傳輸技術(shù)有傳統(tǒng)窄帶波形和連續(xù)帶寬擴展寬帶波形所不具備的一些重要特征。

2.1新型短波寬帶傳輸波形

110C定義的寬帶波形是對傳統(tǒng)3 kHz波形直接進行帶寬擴展，將符號速率從2.4 kHz提升為19.2 kHz來實現(xiàn)24 kHz寬帶波形，可以使用低階調(diào)制實現(xiàn)高速通信，110C24 kHz波形采用8PSK調(diào)制可以實現(xiàn)38 400 b/s通信速率，從而獲得較好的調(diào)制解調(diào)性能?；赬L技術(shù)的新型短波寬帶傳輸波形使用若干個3 kHz獨立信道進行綁定形成離散型的寬帶信號，這種離散化傳輸機制類似于頻率分集，為基帶信號處理提供了各種處理可能。

新型短波寬帶傳輸波形調(diào)制解調(diào)原理圖如圖4所示，其基本思路是將信源進行編碼交織，隨后分別將編碼數(shù)據(jù)調(diào)制到200 kHz帶寬內(nèi)的若干載頻上，形成一個如圖 5所示在頻譜上非連續(xù)的寬帶信號，經(jīng)短波寬帶電臺發(fā)送。接收端在通過動態(tài)頻譜感知技術(shù)以及建鏈握手協(xié)議來識別哪幾個載波上存在有效信號，并進行獨立解調(diào)，隨后對各個解調(diào)信號進行解交織譯碼處理。信號帶寬可以根據(jù)信道質(zhì)量配置為多個3 kHz信號或者幾個帶寬連續(xù)擴展的寬帶信號。

圖4　新型短波寬帶傳輸調(diào)制解調(diào)原理

圖5新型短波寬帶高速傳輸信號示意

2.2短波寬帶鏈路建立設(shè)計

新型短波寬帶傳輸波形可以在200 kHz帶寬內(nèi)檢測多個離散化信道，并可以完成獨立調(diào)制解調(diào)?；谛滦投滩▽拵Рㄐ翁攸c對3G-ALE鏈路建立方法進行修改，考慮兼容性，時隙結(jié)構(gòu)沿用圖 2所示的時隙結(jié)構(gòu)，主要改進點是：①在發(fā)偵聽階段對多個業(yè)務(wù)信道(業(yè)務(wù)信道簇)進行偵聽，如果有大于等于1個業(yè)務(wù)信道空閑即可發(fā)起呼叫；②在呼叫信道偵聽階段對多個呼叫信道(呼叫信道簇)進行偵聽，如果大于等于1個呼叫信道空閑則可以在下個時隙發(fā)起呼叫；③呼叫和業(yè)務(wù)傳輸階段均支持在同時使用多個信道的寬帶傳輸[7]。

系統(tǒng)臺站在開機后，在預(yù)置的呼叫信道簇上掃描偵聽，監(jiān)聽是否有呼叫信號，當(dāng)接收到呼叫或者本地有呼叫發(fā)起時退出掃描狀態(tài)。如本地有呼叫發(fā)起，臺站進入短波寬帶鏈路建立流程，如圖6所示。

圖6　新型短波寬帶傳輸技術(shù)鏈路建立流程

呼叫臺，在時隙0偵聽業(yè)務(wù)信道簇，如有空閑的業(yè)務(wù)信道，則根據(jù)呼叫優(yōu)先級在后面時隙發(fā)起呼叫。如果業(yè)務(wù)信道簇內(nèi)所有業(yè)務(wù)信道均被占用，則推遲一個呼叫駐留時隙發(fā)起呼叫。

在發(fā)起呼叫的前一個時隙偵聽呼叫信道簇，如果所有呼叫信道均被占用，則推遲一個時隙繼續(xù)偵聽呼叫信道簇；如果有呼叫信道空閑，則在下一個時隙發(fā)起呼叫。

被叫端在呼叫信道簇上檢測呼叫信令，如果在某一個信道上監(jiān)聽到呼叫信令，且臺站ID信息符合要求，被叫節(jié)點在下一個時隙回復(fù)呼叫應(yīng)答。其中呼叫應(yīng)答包含了鏈路建立成功后若干個可用業(yè)務(wù)信道信息。

主叫端偵聽呼叫信道簇，當(dāng)接收到呼叫應(yīng)答時，鏈路建立成功。隨后兩臺站可以在多個獨立的業(yè)務(wù)信道上進行高速通信。

通過如上描述，與3GALE相比新型短波寬帶傳輸技術(shù)支持同時對多個業(yè)務(wù)信道進行監(jiān)聽，避免因某一信道占用而增加建鏈時間；支持在多個呼叫信道上發(fā)起呼叫，提高呼叫建鏈成功概率；支持在多個業(yè)務(wù)信道上采用多信道綁定或者某個業(yè)務(wù)信道上使用連續(xù)帶寬擴展的寬帶傳輸，從而提高業(yè)務(wù)傳輸能力。

2.3新型短波寬帶傳輸技術(shù)性能分析

新型短波寬帶傳輸技術(shù)采用融合基于XL技術(shù)的寬帶傳輸技術(shù)可以提高短波通信系統(tǒng)的可通率可靠性并提供高速通信和縮短建鏈時間。

(1)系統(tǒng)可通率和可靠性的提高：短波通信的主要問題在與選頻，由于采用XL技術(shù)，新型短波寬帶傳輸可以在200 kHz內(nèi)選擇若干個好的3 kHz信道，進行寬帶鏈路建立，可以充分利用頻率縫隙資源。在接收端只要有一個獨立3 kHz信道滿足解調(diào)性能要求即可實現(xiàn)鏈路建立，同時還可以通過多個獨立信道頻率分集獲取接收增益進一步提高解調(diào)性能，從而實現(xiàn)高可通率和高可靠性的短波通信。

(2)傳輸能力的提高：通過融合XL技術(shù)和連續(xù)帶寬擴展的寬帶傳輸技術(shù)，實現(xiàn)帶寬自適應(yīng)擴展，根據(jù)業(yè)務(wù)需求和200 kHz內(nèi)信道質(zhì)量，為用戶提供高速通信。

(3)鏈路建立時間的縮短：新型鏈路技術(shù)跟3G-ALE相比能夠更快的完成建鏈。在業(yè)務(wù)信道偵聽階段同時偵聽多個業(yè)務(wù)信道，只要有一條可用即可觸發(fā)快速建鏈，同時只要有一個呼叫信道可用即可實現(xiàn)快速建鏈。

3結(jié)語

3G-ALE技術(shù)的出現(xiàn)極大程度的解決了短波通信的選頻問題，結(jié)合傳統(tǒng)的傳輸技術(shù)極大的提高了短波通信的可通率以及可靠性，相對于2G通信，降低了鏈路建立時延，但是存在通信帶寬窄難以支撐高速傳輸，每個駐留時隙偵聽一個頻率，通信可靠性、通信質(zhì)量和鏈路建立時延受頻率質(zhì)量和頻率占用情況影響較大。

新型短波寬帶傳輸技術(shù)采用基于XL技術(shù)的寬帶傳輸，使短波通信系統(tǒng)不再因某一個頻率被占用而產(chǎn)生時延，不再因某一個頻率信道質(zhì)量差而嚴(yán)重影響系統(tǒng)可通率和傳輸可靠性。針對緊急業(yè)務(wù)，新型短波寬帶鏈路協(xié)議可以在多個信道上完成建鏈和業(yè)務(wù)快速傳輸。針對大文件，可以通過選用多個3 kHz信道，實現(xiàn)寬帶高速高效傳輸。

新型短波寬帶傳輸技術(shù)更能自適應(yīng)的選擇通信頻率，可以達(dá)到快速建鏈、高速可靠傳輸，提高短波通信系統(tǒng)的可通率和可靠性。

下一步需要對新型短波寬帶傳輸技術(shù)中的動態(tài)頻譜感知、鏈路建立協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)頻率管理等專題技術(shù)進行深入研究。動態(tài)頻譜感知技術(shù)需要解決200 kHz帶寬內(nèi)哪些信道可用、可用帶寬是多少等問題，為新型寬帶傳輸技術(shù)提供頻譜感知信息。鏈路建立協(xié)議主要解決如何實現(xiàn)鏈路高效、快速、可靠建立，并順利完成傳輸帶寬、綁定信道、傳輸速率等信息的協(xié)商等問題。網(wǎng)絡(luò)頻率管理主要研究基于XL技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)頻率使用情況，減輕或避免網(wǎng)絡(luò)頻率擁塞現(xiàn)象，解決頻率使用管理控制。

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王磊(1974—)，男，學(xué)士，工程師，主要研究方向為通信工程；

張桂祥(1982—)，男，碩士，工程師，主要研究方向為信號處理和短波通信；

康弘俊(1977—)，男，碩士，高工，主要研究方向為無線通信系統(tǒng)和短波通信。