關(guān)于短波數(shù)字通信的最新建議

1 技術(shù)背景

近年來，電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，促進了短波通信技術(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，擴頻、跳頻等技術(shù)已經(jīng)進入實用化，跳速可達5000H/s的CHESS系統(tǒng)正在開發(fā)；在終端技術(shù)方面，OFDM技術(shù)可在短波信道上實現(xiàn)16kbit/s～64kbit/s的傳輸速率；軟件無線電技術(shù)將使得短波通信具有更加開放的結(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，進入了快速發(fā)展時期，成為信息社會的重要技術(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現(xiàn)遠距離通信，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)備可快速實現(xiàn)長距離通信，其設(shè)備簡單，維護費用低；同時短波通信還具備使用靈活，電路調(diào)度容易等優(yōu)勢。這些顯著的優(yōu)點，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工作組通過了美國代表團提交的《高級短波數(shù)字通信系統(tǒng)特性》作為新的建議書草案，稍后舉行的第九研究組大會批準了這一建議草案，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)用提供了標準。

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，當網(wǎng)絡(luò)的丟包率不容忽視時，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)見的傳播衰落變化可能導(dǎo)致信道的丟包率達到極端水平。如果某些節(jié)點與整個網(wǎng)絡(luò)失去聯(lián)絡(luò)，會大大降低網(wǎng)絡(luò)性能，從而使數(shù)據(jù)傳輸速率大為降低。傳播擾動會降低短波網(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)點變化等問題。

令牌傳遞協(xié)議提供了節(jié)點進入和退出網(wǎng)絡(luò)的一般機制。當在無線WAN上使用令牌傳遞時，無線傳輸介質(zhì)會引起一系列額外的令牌管理問題：

——持有令牌的節(jié)點可能會與下一個令牌接受節(jié)點聯(lián)絡(luò)不通，從而造成令牌丟失；

——持有令牌的節(jié)點可能會與網(wǎng)絡(luò)其他部分聯(lián)絡(luò)不通，從而造成整個網(wǎng)絡(luò)丟失令牌；

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

——一個節(jié)點可能只能與網(wǎng)絡(luò)中的另一個節(jié)點相連接，從而不能形成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)；

——兩個或更多使用同一信道的節(jié)點可能會覆蓋彼此區(qū)域，這會引起相互干擾，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)可能會造成同一環(huán)中存在多個令牌。

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

短波頻段無線廣域網(wǎng)所固有的長鏈路和長周轉(zhuǎn)時間使得令牌循環(huán)時間長達分鐘級。例如，在N個節(jié)點的鏈路上，令牌周轉(zhuǎn)時間為2秒，如果允許持有令牌的節(jié)點最多發(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)一周時間高達10N秒。

如果限制請求加入令牌環(huán)的指令為每個令牌循環(huán)期間只有一次，各節(jié)點輪流持有請求權(quán)，這樣在N個令牌循環(huán)期間每個節(jié)點可以請求加入該令牌環(huán)一次。取N=10，當網(wǎng)絡(luò)連接問題發(fā)生時，采用非短波導(dǎo)向的無線令牌協(xié)議會使請求加入的節(jié)點可能花費大約10分鐘仍可能不成功進入網(wǎng)絡(luò)，這對正在提供服務(wù)的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)來說，顯然太長了。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個時隙(時隙時長等于一個包的時長加上令牌循環(huán)時間)來識別延時，之后只需在每一次令牌循環(huán)中增加一個額外的包時間和周轉(zhuǎn)時間。在10個節(jié)點的例子中，用于識別延時停頓時間不到30秒，因此增加的令牌循環(huán)時間只有2%多一點。

由于令牌沖突，會產(chǎn)生殘余網(wǎng)絡(luò)。采用非短波導(dǎo)向的無線令牌協(xié)議從中重建令牌環(huán)所需要的時間至少需要：先形成一個小的令牌環(huán)，而其余所有的節(jié)點保持請求靜寂等待加入網(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，直到其中一個節(jié)點發(fā)起令牌環(huán)合并，一旦合并令牌環(huán)的請求被采納，只需經(jīng)過一次令牌循環(huán)時間加上N+1個數(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)）傳輸時間，正常的數(shù)據(jù)傳輸就可恢復(fù)，在10個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)實例中少于30秒。

3 寬帶調(diào)制解調(diào)器

3.1 多信道實現(xiàn)

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

當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，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行分配并不是最佳選擇，每一信道應(yīng)采用獨立的編碼流控制，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)采用一個標稱3kHz的信道的上邊帶或下邊帶（可選）。對多信道HF設(shè)備來說，可能的信道安排如下：

——兩個標稱3kHz上邊帶信道或下邊帶信道（兩個獨立邊帶同為上邊帶或下邊帶，上下邊帶可選）；

——一個標稱6kHz上邊帶信道或下邊帶信道（可選）；

——兩個標稱3kHz上邊帶信道和兩個下邊帶信道（四個獨立3kHz信道，上下邊帶各兩個）；

——一個標稱6kHz上邊帶信道和下邊帶信道（兩個獨立6kHz邊帶，上下邊帶各一個）；

——一個標稱12kHz上邊帶信道和一個上邊帶信道（兩個獨立12kHz邊帶，上下邊帶各一個）；

——一個標稱3kHz上邊帶信道和一個上邊帶信道（兩個獨立3kHz邊帶，上下邊帶各一個）。

當需要四個獨立邊帶操作時，四個獨立的3kHz信道應(yīng)該如圖1進行安排，圖1還給出了四個信道相應(yīng)的幅度響應(yīng)。圖中A2、B2信道應(yīng)為對應(yīng)A1、B1信道的反轉(zhuǎn)和置換，這可視作6290Hz載頻的上下邊帶來實現(xiàn)，也可采用其他技術(shù)實現(xiàn)信道的置換和反轉(zhuǎn)。

圖1 四信道獨立邊帶操作

（注：圖中所標頻率是在相應(yīng)的標注了濾波器衰減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)射機發(fā)射頻譜的四分之一，因此與發(fā)射機峰值包絡(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（無論實際或虛擬）載頻，在250Hz到3100Hz范圍內(nèi)任一獨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到40dB，250Hz到3550Hz至少達到60dB。

在370Hz到750Hz和3000Hz到3100Hz兩頻段內(nèi)，群時延畸變不大于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)，群時延不大于150ms；在區(qū)間300Hz到3050Hz之間絕對時延小于10ms。以上端到端測量為背靠背設(shè)置的無線電設(shè)備（發(fā)射機音頻輸入到接收機音頻輸出）。

3.3 數(shù)字無線電廣播

數(shù)字無線電廣播系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷了固定式和移動式的驗證應(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適應(yīng)無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)按時間交叉分配在所有子載頻上以對抗時間和頻率選擇性衰落。

3.4 特性表

高級數(shù)字短波無線電通信系統(tǒng)的特性見表1。

表1 高級數(shù)字短波無線電通信系統(tǒng)特性表

4 結(jié)論

出于效率考慮，在一點對多點以及點對點通信時，多個短波節(jié)點試圖共享一個信道，這時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、高延時和高損耗特性對這一協(xié)議提出了特別嚴格的要求。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。

當傳輸數(shù)據(jù)需求超出一個標稱3kHz信道所能提供的速率時，可采用一種機制將該數(shù)據(jù)分配到多個信道上去傳輸。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，獨立邊帶調(diào)制在保持頻譜效率的同時支持多信道操作來增加傳輸帶寬，對多個獨立邊帶調(diào)制時的信道安排進行規(guī)范，增加了寬帶調(diào)制的互操作性。

參考文獻

[1] ITU radiocommunication study groups document 9/158 Characteristics of advanced digital High Frequency (HF) radiocommunication systems

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

[3] 沈建峰 《短波頻率自適應(yīng)通信的發(fā)展及信號監(jiān)測》，《中國無線電》2006年第11期

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