關(guān)于短波數(shù)字通信的最新建議

1 技術(shù)背景

近年來(lái)，電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，促進(jìn)了短波通信技術(shù)和裝備的更新?lián)Q代，形成了現(xiàn)代短波通信新技術(shù)、新體制，短波通信實(shí)現(xiàn)了復(fù)興。在信道技術(shù)方面，3G-ALE的應(yīng)用促使頻率自適應(yīng)技術(shù)不斷發(fā)展，擴(kuò)頻、跳頻等技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化，跳速可達(dá)5000H/s的CHESS系統(tǒng)正在開(kāi)發(fā)；在終端技術(shù)方面，OFDM技術(shù)可在短波信道上實(shí)現(xiàn)16kbit/s～64kbit/s的傳輸速率；軟件無(wú)線電技術(shù)將使得短波通信具有更加開(kāi)放的結(jié)構(gòu)和靈活的性能。所有這些都表明，短波通信與其他信息技術(shù)一樣，進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期，成為信息社會(huì)的重要技術(shù)支撐手段。

與衛(wèi)星通信、光纜等通信手段相比，短波通信不需要建立中繼站即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，可在很小區(qū)域到全球范圍內(nèi)支持商用航空和海難救助，基礎(chǔ)設(shè)施受到損毀的陸上災(zāi)難地區(qū)采用搬移式短波通信設(shè)備可快速實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離通信，其設(shè)備簡(jiǎn)單，維護(hù)費(fèi)用低；同時(shí)短波通信還具備使用靈活，電路調(diào)度容易等優(yōu)勢(shì)。這些顯著的優(yōu)點(diǎn)，是其他通信手段不可比擬的。隨著數(shù)字短波技術(shù)的發(fā)展，在短波信道上支持局域網(wǎng)連接和寬帶應(yīng)用成為短波通信新的發(fā)展方向。2007年5月，ITU-R 第9C工作組通過(guò)了美國(guó)代表團(tuán)提交的《高級(jí)短波數(shù)字通信系統(tǒng)特性》作為新的建議書(shū)草案，稍后舉行的第九研究組大會(huì)批準(zhǔn)了這一建議草案，并決定按照加速程序交由各成員審批。該建議書(shū)草案闡明了短波令牌傳遞協(xié)議和寬帶調(diào)制解調(diào)器的典型射頻特性，為短波數(shù)字通信系統(tǒng)的組網(wǎng)和寬帶應(yīng)用提供了標(biāo)準(zhǔn)。

2 令牌傳遞協(xié)議

令牌傳遞為非常擁擠的網(wǎng)絡(luò)提供了有效的接入控制。但是，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的丟包率不容忽視時(shí)，令牌傳遞就易于癱瘓而不能使用。在短波網(wǎng)絡(luò)中，不可預(yù)見(jiàn)的傳播衰落變化可能導(dǎo)致信道的丟包率達(dá)到極端水平。如果某些節(jié)點(diǎn)與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)失去聯(lián)絡(luò)，會(huì)大大降低網(wǎng)絡(luò)性能，從而使數(shù)據(jù)傳輸速率大為降低。傳播擾動(dòng)會(huì)降低短波網(wǎng)絡(luò)使用的頻譜效率。健全的令牌管理體系有助于共享短波網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)信道。對(duì)短波網(wǎng)絡(luò)采用專用令牌管理方法，可以使令牌網(wǎng)絡(luò)從令牌丟失和雙重令牌中快速恢復(fù)，有效地解決網(wǎng)絡(luò)連接性和節(jié)點(diǎn)變化等問(wèn)題。

令牌傳遞協(xié)議提供了節(jié)點(diǎn)進(jìn)入和退出網(wǎng)絡(luò)的一般機(jī)制。當(dāng)在無(wú)線WAN上使用令牌傳遞時(shí)，無(wú)線傳輸介質(zhì)會(huì)引起一系列額外的令牌管理問(wèn)題：

——持有令牌的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)與下一個(gè)令牌接受節(jié)點(diǎn)聯(lián)絡(luò)不通，從而造成令牌丟失；

——持有令牌的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)與網(wǎng)絡(luò)其他部分聯(lián)絡(luò)不通，從而造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)丟失令牌；

——一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)被分割成兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò)，其中一個(gè)子網(wǎng)必須新建令牌；

——一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能只能與網(wǎng)絡(luò)中的另一個(gè)節(jié)點(diǎn)相連接，從而不能形成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

——兩個(gè)或更多使用同一信道的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)覆蓋彼此區(qū)域，這會(huì)引起相互干擾，除非令牌環(huán)合并或改變信道；

——令牌環(huán)合并或丟失令牌恢復(fù)可能會(huì)造成同一環(huán)中存在多個(gè)令牌。

網(wǎng)絡(luò)連接問(wèn)題發(fā)生時(shí)，處于失去連接或浮游狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，或者等待邀請(qǐng)加入殘余令牌環(huán)，或者周期性地請(qǐng)求其所連接的節(jié)點(diǎn)加入其令牌環(huán)。從這些問(wèn)題中恢復(fù)的方法是在失去連接或浮游狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)中放置一些節(jié)點(diǎn)，這些新放入的節(jié)點(diǎn)并不是活動(dòng)令牌傳遞環(huán)的節(jié)點(diǎn)。

短波頻段無(wú)線廣域網(wǎng)所固有的長(zhǎng)鏈路和長(zhǎng)周轉(zhuǎn)時(shí)間使得令牌循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)分鐘級(jí)。例如，在N個(gè)節(jié)點(diǎn)的鏈路上，令牌周轉(zhuǎn)時(shí)間為2秒，如果允許持有令牌的節(jié)點(diǎn)最多發(fā)送8秒的數(shù)據(jù)，這樣的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸效率是80%，而令牌循環(huán)一周時(shí)間高達(dá)10N秒。

如果限制請(qǐng)求加入令牌環(huán)的指令為每個(gè)令牌循環(huán)期間只有一次，各節(jié)點(diǎn)輪流持有請(qǐng)求權(quán)，這樣在N個(gè)令牌循環(huán)期間每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以請(qǐng)求加入該令牌環(huán)一次。取N=10，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接問(wèn)題發(fā)生時(shí)，采用非短波導(dǎo)向的無(wú)線令牌協(xié)議會(huì)使請(qǐng)求加入的節(jié)點(diǎn)可能花費(fèi)大約10分鐘仍可能不成功進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，這對(duì)正在提供服務(wù)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，顯然太長(zhǎng)了。而采用短波令牌協(xié)議就比較具有吸引力，短波令牌傳遞協(xié)議安排，首先用N個(gè)時(shí)隙(時(shí)隙時(shí)長(zhǎng)等于一個(gè)包的時(shí)長(zhǎng)加上令牌循環(huán)時(shí)間)來(lái)識(shí)別延時(shí)，之后只需在每一次令牌循環(huán)中增加一個(gè)額外的包時(shí)間和周轉(zhuǎn)時(shí)間。在10個(gè)節(jié)點(diǎn)的例子中，用于識(shí)別延時(shí)停頓時(shí)間不到30秒，因此增加的令牌循環(huán)時(shí)間只有2%多一點(diǎn)。

由于令牌沖突，會(huì)產(chǎn)生殘余網(wǎng)絡(luò)。采用非短波導(dǎo)向的無(wú)線令牌協(xié)議從中重建令牌環(huán)所需要的時(shí)間至少需要：先形成一個(gè)小的令牌環(huán)，而其余所有的節(jié)點(diǎn)保持請(qǐng)求靜寂等待加入網(wǎng)絡(luò)。而短波令牌傳遞協(xié)議的安排是：首先經(jīng)歷數(shù)據(jù)包碰撞，直到其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)起令牌環(huán)合并，一旦合并令牌環(huán)的請(qǐng)求被采納，只需經(jīng)過(guò)一次令牌循環(huán)時(shí)間加上N+1個(gè)數(shù)據(jù)包（也就是建立正常的令牌接受順序和一次快速令牌循環(huán)）傳輸時(shí)間，正常的數(shù)據(jù)傳輸就可恢復(fù)，在10個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)例中少于30秒。

3 寬帶調(diào)制解調(diào)器

3.1 多信道實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)代調(diào)制解調(diào)器的發(fā)展，已經(jīng)可以在多個(gè)獨(dú)立的邊帶上同時(shí)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。它在每個(gè)音頻信道上分別具有獨(dú)立的PSK/QAM調(diào)制器，編碼器輸出的碼流分配到各個(gè)獨(dú)立的信道進(jìn)行傳輸。如果這些獨(dú)立信道載頻相鄰，雖然各信道的誤碼并不是完全相關(guān)，但信噪比是近似的，各信道共用一個(gè)前向糾錯(cuò)編碼器。

當(dāng)相鄰載頻所提供的信道質(zhì)量不能滿足數(shù)據(jù)傳輸需求時(shí)，必須采用非相鄰信道。在這種情況下，各信道信噪比變化很大，所有信道共用單一編碼器進(jìn)行分配并不是最佳選擇，每一信道應(yīng)采用獨(dú)立的編碼流控制，從而使得整體的數(shù)據(jù)流量接近所用頻譜可提供的最大可能值。

3.2 信道劃分

單一信道HF設(shè)備應(yīng)采用一個(gè)標(biāo)稱3kHz的信道的上邊帶或下邊帶（可選）。對(duì)多信道HF設(shè)備來(lái)說(shuō)，可能的信道安排如下：

——兩個(gè)標(biāo)稱3kHz上邊帶信道或下邊帶信道（兩個(gè)獨(dú)立邊帶同為上邊帶或下邊帶，上下邊帶可選）；

——一個(gè)標(biāo)稱6kHz上邊帶信道或下邊帶信道（可選）；

——兩個(gè)標(biāo)稱3kHz上邊帶信道和兩個(gè)下邊帶信道（四個(gè)獨(dú)立3kHz信道，上下邊帶各兩個(gè)）；

——一個(gè)標(biāo)稱6kHz上邊帶信道和下邊帶信道（兩個(gè)獨(dú)立6kHz邊帶，上下邊帶各一個(gè)）；

——一個(gè)標(biāo)稱12kHz上邊帶信道和一個(gè)上邊帶信道（兩個(gè)獨(dú)立12kHz邊帶，上下邊帶各一個(gè)）；

——一個(gè)標(biāo)稱3kHz上邊帶信道和一個(gè)上邊帶信道（兩個(gè)獨(dú)立3kHz邊帶，上下邊帶各一個(gè)）。

當(dāng)需要四個(gè)獨(dú)立邊帶操作時(shí)，四個(gè)獨(dú)立的3kHz信道應(yīng)該如圖1進(jìn)行安排，圖1還給出了四個(gè)信道相應(yīng)的幅度響應(yīng)。圖中A2、B2信道應(yīng)為對(duì)應(yīng)A1、B1信道的反轉(zhuǎn)和置換，這可視作6290Hz載頻的上下邊帶來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可采用其他技術(shù)實(shí)現(xiàn)信道的置換和反轉(zhuǎn)。

圖1 四信道獨(dú)立邊帶操作

（注：圖中所標(biāo)頻率是在相應(yīng)的標(biāo)注了濾波器衰減dB值處的頻率。）

如圖1所示，考慮到信道A2、B2分別只占有發(fā)射機(jī)發(fā)射頻譜的四分之一，因此與發(fā)射機(jī)峰值包絡(luò)功率的25%相比，其信道內(nèi)任何子載頻載波抑制比要大于40dB；相比每一信道（無(wú)論實(shí)際或虛擬）載頻，在250Hz到3100Hz范圍內(nèi)任一獨(dú)立邊帶的射頻頻率幅度響應(yīng)平坦度在2dB以內(nèi)，50Hz到3250Hz之外信道衰減至少達(dá)到40dB，250Hz到3550Hz至少達(dá)到60dB。

在370Hz到750Hz和3000Hz到3100Hz兩頻段內(nèi)，群時(shí)延畸變不大于1500ms；在750Hz到3000Hz頻段不大于1000ms，并且在區(qū)間570Hz到3000Hz之間任意增加相鄰100Hz頻帶內(nèi)，群時(shí)延不大于150ms；在區(qū)間300Hz到3050Hz之間絕對(duì)時(shí)延小于10ms。以上端到端測(cè)量為背靠背設(shè)置的無(wú)線電設(shè)備（發(fā)射機(jī)音頻輸入到接收機(jī)音頻輸出）。

3.3 數(shù)字無(wú)線電廣播

數(shù)字無(wú)線電廣播系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷了固定式和移動(dòng)式的驗(yàn)證應(yīng)用，是窄帶正交編碼數(shù)字傳輸系統(tǒng)，具有改變其傳輸特性來(lái)適應(yīng)無(wú)線電傳播特性和服務(wù)需求的能力。其采用的所有子載波都采用集成了前向糾錯(cuò)編碼的QAM調(diào)制器，兩種基本的調(diào)制方式是64-QAM和16QAM。另外，也可采用QPSK用于高突發(fā)模式信令傳輸。數(shù)據(jù)按時(shí)間交叉分配在所有子載頻上以對(duì)抗時(shí)間和頻率選擇性衰落。

3.4 特性表

高級(jí)數(shù)字短波無(wú)線電通信系統(tǒng)的特性見(jiàn)表1。

表1 高級(jí)數(shù)字短波無(wú)線電通信系統(tǒng)特性表

4 結(jié)論

出于效率考慮，在一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)以及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)，多個(gè)短波節(jié)點(diǎn)試圖共享一個(gè)信道，這時(shí)就需要建立信道接入?yún)f(xié)議。利用令牌傳遞協(xié)議是一種途徑。短波信道特有的窄帶、高延時(shí)和高損耗特性對(duì)這一協(xié)議提出了特別嚴(yán)格的要求。短波專用令牌傳遞協(xié)議，可有效滿足短波信道上適用令牌傳遞的要求。

當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)需求超出一個(gè)標(biāo)稱3kHz信道所能提供的速率時(shí)，可采用一種機(jī)制將該數(shù)據(jù)分配到多個(gè)信道上去傳輸。寬帶調(diào)制解調(diào)器可較大幅度增加網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐量，因而是一種可行的方法，獨(dú)立邊帶調(diào)制在保持頻譜效率的同時(shí)支持多信道操作來(lái)增加傳輸帶寬，對(duì)多個(gè)獨(dú)立邊帶調(diào)制時(shí)的信道安排進(jìn)行規(guī)范，增加了寬帶調(diào)制的互操作性。

參考文獻(xiàn)

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[2] ITU radiocommunication study groups document 9/150 Characteristics of Advanced High Frequency (HF) Systems

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[4] 胡中豫主編 《現(xiàn)代短波通信》國(guó)防工業(yè)出版社2003年10月第一版