基于动态频谱接入的短波数据传输协议的设计与实现.docx

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1、基于动态频谱接入的短波数据传输协议的设计与实现 摘 要：针对短波信道质量改变大的实际,提出了将动态频率预选、自适应变帧长及基于动态信道接入的数传技术应用于短波数据通信,实现在困难的短波信道条件下数据高效、牢靠传输的新思路。设计了可依据信道质量的改变自适应调整参数的数据传输协议,阐述了协议的详细实现方式,给出了动态频率预选、自适应变帧长及基于动态信道接入的数据传输等技术的软件实现流程和计算机仿真结论。 关键词：短波通信；动态频谱接入；数据传输协议；自适应变帧长 Design and Realization of HF Data Transmission Protocol Based on Dyn

2、amic Spectrum Access HAN Yan,HU Zhongyu,LIU Zhenhao (Chongqing Communication Institute,Chongqing,400035,China) Abstract：In view of the instability of HF channel,a reliable and efficient protocol used for HF data transmission is designed and realized in the paper.The protocol functions and its applic

3、ation to improve the efficiency and reliability of data transmission on complex HF channel are discussed.The method to realize dynamic frequency preelection is explained,changing frame length adaptively and transmitting data based on dynamic channel access,the program design processes and computer s

4、imulations are given in the end. Keywords：HF communication;dynamic spectrum access;data transmission protocol adaptive;adaptive change frame length 1 引 言 短波通信始终是远程战略通信和战术通信的主要手段。尽管卫星通信出现以后某些短波通信业务被卫星通信所取代,但是,因为短波通信既适用于近距离移动通信,也可作为远距离固定通信,而且其设备简洁、成本低廉、机动敏捷、传输距离远,加上斗争期间,短波通信设备具有抗毁性,使短波通信将与卫星通信长期并存发展。特

5、殊是在中远程军事通信中,短波通信将占有极其重要的地位。 然而短波信道为时变衰落色散信道,在短波信道上传输数据信号,遇到的主要障碍是多径效应引起的信道参数随机快速改变。而多径时延又与通信距离、工作频率和通信时间亲密相关,其中工作频率对其的影响最大。当数据传输过程中信道条件突然恶化时,目前的短波通信系统一般是采纳增大功率、降低波特率、运用纠错实力强的编码、增大冗余和交织深度、利用ARQ协议多次重传等方式保持低速率通信；当数据传输过程中链路突然中断时,只能是建链后从头重新发送数据,极大地影响了数据传输的有效性和牢靠性。鉴于此,我们一是借鉴认知无线电中动态频谱接入的思想,采纳动态频率预选技术,动态、实

6、时地为短波用户供应有效的工作频率集；二是借鉴TCP/IP协议思想,将数据分组传输、自适应变帧长及动态信道接入等技术应用于短波数据通信,实现了面对无连接的高效自适应数据传输。仿真和试验结果表明,该方式能大大提高短波数据传输的牢靠性及有效性,可较好地改善短波通信系统的效能。 2 动态频谱接入 频谱接入也称频率接入、无线电信道接入等,是无线电接入技术的基础。 动态频谱接入是相对于静态频谱接入而言的。静态频谱接入是指通信系统只能在频率管理部门事先指配的频率或频段上工作,这样做的优点是管理规范,能够确保各系统有序牢靠地运行,但同时也存在着频谱资源利用率低的缺点。而动态频谱接入广义的概念是把整个无线电频谱

7、作为可利用的信道资源,实时地感知、识别,有效地加以利用。狭义的动态频谱接入是指在较宽的频率或频段上,对频谱进行实时感知、识别和利用。 与其他通信频段相比,短波动态频谱接入具有以下特点： (1) 具有有效频率实时感知的特点； (2) 短波最佳工作频率与通信时间、通信距离的关系,具有明显的统计规律性。 将动态频谱接入的思想引入短波通信,不仅可以更加有效地利用珍贵的短波频谱资源,大大提高短波频谱的利用率,而且还可以为短波数据传输供应合适的传输信道,进一步提高短波数据传输的有效性和牢靠性。 3 协议设计的基本思想和采纳的关键技术 协议设计的基本思想是：通信前,首先依据通信双方的地理位置信息、时间和距离

8、等参数产生有效工作频率集,同步建链后在短波信道上进行数据分组传输,在通信过程中实时检测信道质量,依据信道质量自适应选择所发送数据帧的帧长。若信道质量不满意要求,即最小帧长下数据传输的误码率超过设定的门限时,系统依据动态频率预选结果,限制系统自动切换到另一有效信道上复原链路,并从数据中断处起先接着进行传输,直至数据传输完毕。 3.1 动态频率预选技术 传统的短波通信在实际运用中,由于工作频率的选取缺乏必要的技术手段支持和较强的专业理论指导,往往只能依据战术要求和工作阅历来确定,实际选择的频率通常并非当前的有效工作频率,结果造成通信沟通率低,通信质量差。为尽可能地克服短波选频的盲目性,我们把短波频

9、率的预报、预料,以及自适应选频有机地结合起来,根据频率预选-实时监测-实时更换的方式来实现。 首先依据长期统计预报的阅历数据和大量试验数据统计分析得到最高可用频率MUF,构建以时间、距离为参量的MUF数据库；采纳量化估值、数字建模的方法,以通信时间和距离为参数,构建基于计算机应用平台的短波有效工作频率自动选频系统,实现有效工作频率集的自动生成和自动设置,为实时频率监测供应频率段范围。然后在有效工作频率集自动预选的基础上,在通信过程中通过对信道干扰的实时监测,对误码率的实时测量,实时选择和调整工作频率,确保链路自动建立、通信工作在有效信道上,以实现实时选频功能。其过程如图1所示。 3.2 数据分

10、组传输技术 由于短波信道的时变性,数据传输时易发生随机和突发错误,尤其是突发错误会造成长串误码,运用一般的反馈重传机制会导致大量数据的频繁重传,造成通信效率的低下。我们在数据传输前,先将全部待发送数据进行分组,然后组成数据帧来发送,每个数据帧的大小可依据信道质量自适应调整。数据传送过程中,采纳的是SW-ARQ模式,发送一帧数据后,等待接收回执,回执正确,则发送下一个数据帧；若回执不正确或超时,则重新发送该数据帧。数据的分组传输,为敏捷利用信道质量检测状况进行自适应变帧长打下了基础,有利于将码元的随机和突发错误限制在较小的范围内,削减了数据重传次数和重传数据量,提高了数据传输效率。 3.3 自适

11、应变帧长技术 短波信道质量改变较快,为尽可能地提高数据传输效率和传输牢靠性,数据帧的长度不能长期保持固定,必需依据信道质量自适应调整,以与信道质量相匹配的帧长传输数据。我们设计的分组传输方式中在连续三次数据帧传输失败的状况下,适当降低数据帧长度；五次连续传输胜利则适当增加数据帧长度。自适应变帧长数据传输方式依据短波信道质量相应地调整数据帧长度,可较好地适应短波信道质量改变较快的实际,有效地提高短波数据传输的效率、增加数据通信的牢靠性。 3.4 基于动态信道接入的数据传输技术 短波信道频带窄、传播特性不稳定、突发干扰严峻,即使链路已经建立,在通信过程中常常会出现信道条件突然恶化现象,造成通信中断

12、。传统的短波数据传输过程中若信道条件恶化而造成通信中断时,只能是重新建链、从头重新发送数据,若在即将传送结束时发生中断也必需全部重传,极大地影响了数据传输的效率。基于动态信道接入的数据传输技术着眼于短波数据传输的牢靠性,变更了传统的基于单信道的数传模式,以及通信过程中出现干扰中断,重新建立通信的处理模式,实现了以工作频率组群作为完成一次数据业务传输的路由通道,动态地监测限制信道,完成数据传输。详细来讲就是在数据传输过程中不追求单个信道的一次性通信胜利,而是在信道实时监测的基础上,将数据分成多个数据帧,在一次通信过程中依据信道的质量动态地切换信道,保证系统始终工作在牢靠的信道上。使系统的抗干扰实

13、力,尤其是抗突发式干扰、瞄准式干扰和跟踪式人为干扰的实力得到大大提升,有效解决了短波数据通信有效性低、牢靠性差的技术难题,实现了数据的有效传输。 基于动态信道接入的数据传输技术是对调制解调器FEC和ARQ功能的补充。与传统的短波ARQ方式不同之处在于：一般短波通信中若接收到的数据误码较多、超出了FEC的纠错范围时,将利用ARQ协议重传整个数据域。我们提出的方法仅仅须要重传当前传送失败的这一帧数据而无需重传全部数据。基于动态信道接入的数据传输技术实现的关键在于:首先系统能够自动产生有效工作频率集并进行实时地监测,若当前信道质量突然变差时能够刚好切换信道接着通信,其次数据帧中含有帧号标识信息,在切

14、换信道重新建链后,能够确定须要从哪个数据帧起先重传。 4 协议的设计与实现 4.1 帧结构的设计 数据帧的结构如图2所示。 分组后的数据帧包含了帧长和当前发送的帧号信息。对于发送方,数据在发送前先取其最前面的N个字节作为一帧(N可取为512 B,256 B,128 B,64 B,32 B五个等级,默认值为128 B),填写帧长及帧号信息。最终一帧的帧号信息要与中间帧区分开,以提示接收方数据帧已全部发送完毕。若发送方要发送的总数据长度小于N个字节,即只有一帧数据,则帧号填写与多帧传输时的最终一帧相同。分组格式的帧长可依据信道质量自动调整,当信道质量较好须要增加帧长时,增加帧中数据部分的长度到25

15、6 B,512 B；当信道质量变差须要削减帧长时,削减其数据部分的长度至64 B或32 B。若传输过程中信道质量改变须要调整帧长,只需在分组时变更所取的帧长N的值,帧号部分按上次正确发送帧号递增即可。 为避开传输时数据帧中的关键比特错误而导致数据的错误接收,在协议设计时,要充分考虑分组后数据帧关键比特的爱护问题。在实际实现时,我们实行对关键比特进行三倍冗余发送的方法,确保了关键比特正确接收的牢靠性。4.2 动态信道接入机制 首先建立动态信道限制模型,如图3所示。在t1时刻,系统工作在1信道,已经胜利传输了前n个数据帧,此时信道质量变差无法进行有效的数据通信,则系统依据实时监测结果自动切换到下一

16、有效信道接着传输剩下的数据帧,直至全部的数据帧都传输完毕,在整个过程中数据传输始终保持连续性和完整性。 对于短波通信而言,电台的收发切换时间较长,ARQ的回传往往须要较长的时间。而且实际短波通信中常常运用调制解调器的长交织功能,一次回传就须要十几秒,此时假如像有线信道一样回送接收方的己收帧号后再进行数据传输势必影响数据传输效率,必需采纳其他方法。 在实现基于动态信道接入的数据传输时,我们对发送方进行了特殊处理,使其在数据传输意外中断时,能够在本方记录最终一次正确发送的帧号。由于ARQ协议中发送方在收到正确的回传信息后才确认接收方已经正确收到所发送的信息,因此可以确定发送方记录的号数就是接收方正

17、确收到的帧号。再次重发时,发送方从下一帧起先发送,就可以接着进行数据的传输,以避开传统短波通信信道条件快速改变造成的大量数据重传,从而实现较高的数据传输效率。 4.3 协议软件模块的实现 软件实现的流程如图4所示。 系统数据链路建立胜利后,首先进行数据分组,即先取全部待发送数据的前128 B打包组帧(初始的默认包长为128 B)。组帧结束后,发送第一帧数据,等待接收回执,若回执正确,则从整个数据中删除已发送胜利的一帧,按相同的方法读取下一帧数据发送,若此时信道质量下降,组帧时自动削减数据帧长。若数据帧长依次削减至32 B(即定义的最小帧长)仍不能胜利发送,则切换至下一信道建链。每发送胜利一帧数

18、据,帧号递增1。若数据发送过程中链路中断或发送过程中有切换信道过程,重新建链后发方先检查上次数据是否发送完毕,若无,从当前记录的帧号处续传数据。 5 仿真试验及结论 我们对采纳传统SR-ARQ的数传方式与文中的基于动态信道接入的自适应变帧长传输方式进行了仿真分析,仿真结果如图5所示。图6是两种SNR条件下实际测试得到的不同数据帧长与吞吐率的关系,图中的SNR由电离层预料软件VOCAP获得。 由图5可见,在信道质量较好的状况下(SNR10 dB),文中提出的基于动态信道接入的自适应变帧长传输方式的吞吐率略低于通常意义上的SR-ARQ协议,这是由于信道质量较好时,即使在传输无误码的状况下,分组传输

19、仍须要多次地等待反馈确认的到来,这在肯定程度上增加了传输的时间,从而降低了数据传输效率。而当信道质量较差时(SNR5 dB),传统SR-ARQ数传方式由于重传数据量较大而使得有效吞吐率 急剧降低,而本文设计的协议由于采纳了动态信道接入机制,能够刚好地切换信道接着传输数据,从而避开了反复地重传,不仅提高了信道利用率而且吞吐率仍旧维持在较好的状态。可见基于动态信道接入的自适应变帧长数据传输方式在恶劣信道及信道质量改变较快的状况下能够得到较好的性能。图6表明在信道条件较好时,一次发送的数据帧越长,有效吞吐率越大,数据传输效率越高；而在信道条件较差时,增加数据帧的长度反而会因常见的重传造成有效吞吐率的

20、下降。这就提示我们要依据信道质量选择合适的数据帧长度,在信道质量满意要求的状况下尽可能地增加数据帧的长度,这也正符合了本文中依据信道质量的改变自适应调整数据帧长的设计思路。 6 结 语 短波信道的特点对数据传输的牢靠性及传输效率提出了较高的要求,本文阐述了一种应用于无线短波通信的数据传输协议,并在软件平台上实现了数据分组传输、自适应变帧长及基于动态信道接入的数据传输技术。仿真结果表明本文所设计的短波数据传输协议能够很好地提高短波数据传输的牢靠性及有效性,尤其是在信道改变较快、需多次切换信道反馈重传的条件下,能够大大提高短波通信的数据传输效率。文中提出的数据分组传输、自适应变帧长及基于动态信道接

21、入的数据传输技术同样适合于其他无线信道,具有较高的应用价值。 参 考 文 献 1胡中豫.现代短波通信M.北京:国防工业出版社,2003. 2Eric E Johnson.Interactions among Ionosphere Propagation,HF Modems,and Data Protocols.Proceedings of IES02,Alexandria,2002. 3Eric E Johnson.ARQ Protocol Features for HF Radio Links.Proceedings of MILCOM02,Anaheim,2002. 4赵卫军.高速短波数据

22、通讯链路层协议的设计与实现D.北京:北京航空航天高校,2000. 5薛智军,朱晓明.短波低速率数据传输探讨J.电子科技,2004(5):39-42. 6张有光,熊鹰,江琥.高速短波自适应数据通信协议的设计J.电子技术应用,2002,28(6):47-49. 7美军第三代网络通信标准S.美国国防部,11019. 8戴陇咸,张有光,马浩凯,等.选择式ARQ协议自适应措施的设计与实现J.无线电通信技术,2003,29(5):30-32,38. 作者简介 韩 艳 女,11014年诞生,在读探讨生。主要从事短波通信方向的探讨。 第13页 共13页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页