短波3G-ALE信號鏈路層數(shù)據(jù)編碼分析*

吳培培，張 旻，史英春

（國防科技大學(xué) 電子對抗學(xué)院，安徽 合肥 230037）

0 引 言

短波通信以其通信距離遠(yuǎn)、費(fèi)用低廉、設(shè)備簡單、機(jī)動性強(qiáng)與抗毀頑存等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于政治、軍事、外交與航海等重要領(lǐng)域，并且是戰(zhàn)時部隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)應(yīng)急通信與戰(zhàn)略遠(yuǎn)程指揮通信的重要手段之一[1]。

為滿足自適應(yīng)短波數(shù)字通信在鏈路建立速度、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模與信息吞吐量等方面需求的提高，美國國防部于1999年3月頒布了新一代中高頻無線電系統(tǒng)互操作性與性能標(biāo)準(zhǔn)——美軍標(biāo)MIL-STD-188-141B，并在其附錄C中詳細(xì)規(guī)定了第三代短波自動鏈路建立（HF Third-Generation Automatic Link Establishment，3G-ALE）技術(shù)[2]。采用該技術(shù)的第三代短波自適應(yīng)通信系統(tǒng)在信道利用率、鏈路建立速度與網(wǎng)絡(luò)接入等方面均有了很大提升，具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和生命力[3]。

第三代短波自適應(yīng)通信以物理層3G-ALE信號為協(xié)議信息傳輸載體，在鏈路層實(shí)現(xiàn)鏈路建立、業(yè)務(wù)管理等關(guān)鍵通信過程的協(xié)議交互。因此，協(xié)議信息在整個通信系統(tǒng)中扮演著關(guān)鍵角色，協(xié)議信息的可靠傳輸對于通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。協(xié)議信息為一串比特流序列，為提高協(xié)議信息傳輸可靠性，在鏈路層對協(xié)議信息進(jìn)行增加冗余比特、擴(kuò)頻與加擾碼等數(shù)據(jù)編碼操作，形成八進(jìn)制序列后再調(diào)制發(fā)射出去。與上一代2G-ALE信號相比，3G-ALE信號在鏈路層的數(shù)據(jù)編碼方式上更加復(fù)雜，對于協(xié)議信息傳輸可靠性的提高更加有效，相應(yīng)地給非合作的通信對抗造成了更大困難。因此，針對3G-ALE信號鏈路層數(shù)據(jù)編碼原理與性能展開分析研究，仿真實(shí)現(xiàn)編碼結(jié)果，并通過對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)編碼對于提高協(xié)議信息傳輸可靠性的重要作用，從而為后續(xù)深入研究3G-ALE信號的偵察接收處理與可行干擾等對抗技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

1 第三代短波通信標(biāo)準(zhǔn)

美軍標(biāo)MIL-STD-188-141B[4]包括了一整套完整的短波通信標(biāo)準(zhǔn)族，從上至下依次涉及短波子網(wǎng)絡(luò)層與高層、會話層管理、數(shù)據(jù)鏈路層以及物理層，如圖1所示。其中，在鏈路層與物理層對3G-ALE信號的協(xié)議信息、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編碼方式與信號樣式等內(nèi)容做出了詳細(xì)規(guī)定。

圖1 美軍標(biāo)MIL-STD-188-141B通信標(biāo)準(zhǔn)族

鏈路層實(shí)際上包括了自動鏈路建立（ALE）、業(yè)務(wù)管理（TM）、高速數(shù)據(jù)鏈路（HDL）、低速數(shù)據(jù)鏈路（LDL）與鏈路連接管理（CLC）等5個具體的子協(xié)議。ALE協(xié)議負(fù)責(zé)建立可靠的點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)的通信鏈路；TM協(xié)議在此基礎(chǔ)上建立適合的業(yè)務(wù)傳輸鏈路，并完成通信業(yè)務(wù)的交互與管理；HDL與LDL協(xié)議提供高速與低速的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，以分別適應(yīng)較好信道條件下高數(shù)據(jù)量與較差信道條件下低數(shù)據(jù)量的傳輸要求；CLC協(xié)議用于完成鏈路連接的實(shí)時監(jiān)控與優(yōu)化[5-6]。

物理層使用5種不同的8PSK調(diào)制的突發(fā)波形（BW0～BW4，Burst Wave）作為鏈路層協(xié)議信息的傳輸載體，分別實(shí)現(xiàn)鏈路建立、控制管理與數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。BW0用于自動鏈路建立，BW1用于業(yè)務(wù)管理與高速數(shù)據(jù)鏈路的確認(rèn)，BW2用于高速數(shù)據(jù)傳輸，BW3用于低速數(shù)據(jù)傳輸，BW4用于低速數(shù)據(jù)鏈路的確認(rèn)。5種突發(fā)波形統(tǒng)稱為3G-ALE信號，而每種突發(fā)波形都有各自不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2 鏈路層數(shù)據(jù)編碼分析

2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征

美軍標(biāo)MIL-STD-188-141B規(guī)定，用于鏈路建立與數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溌穼訁f(xié)議信息的傳輸載體均為相同信號樣式的8PSK調(diào)制的突發(fā)波形，從而提高了通信系統(tǒng)的靈活性[7]。3G-ALE信號突發(fā)波形一般包含保護(hù)序列（TLC/AGC）、探測報頭序列（PRE）與有效載荷數(shù)據(jù)序列（DATA），如圖2所示。

圖2 突發(fā)波形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征

保護(hù)序列（TLC/AGC）用以保證呼叫方的發(fā)送電平控制與被呼方的自動增益控制在各自的探測報頭序列輸入前達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，并減小該過程帶來的失真；該序列是偽隨機(jī)的八進(jìn)制序列，不需要另外復(fù)合偽隨機(jī)序列，可以直接進(jìn)行調(diào)制。不同突發(fā)波形的探測報頭序列（PRE）是不同的偽隨機(jī)八進(jìn)制序列，可用于完成波形捕獲、識別與同步。有效載荷數(shù)據(jù)序列（DATA）攜帶特定交互作用的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）比特信息，經(jīng)過鏈路層數(shù)據(jù)編碼后，實(shí)際傳輸為八進(jìn)制序列。

2.2 數(shù)據(jù)編碼流程

為克服時變特性的短波信道對通信接收端正確接收判決的影響，通信發(fā)送端需要對3G-ALE信號突發(fā)波形攜帶的協(xié)議信息采取一定的用于抗擾糾錯的鏈路層數(shù)據(jù)編碼技術(shù)，通過增加大量冗余比特與擴(kuò)頻等處理，提高協(xié)議信息的容錯糾錯性能，降低接收判決錯誤率，實(shí)現(xiàn)可靠傳輸。鏈路層數(shù)據(jù)編碼流程如圖3所示。

圖3 鏈路層數(shù)據(jù)編碼流程

比特協(xié)議信息在鏈路層主要完成卷積編碼、交織編碼、Walsh正交擴(kuò)頻與偽隨機(jī)加擾等數(shù)據(jù)編碼操作，形成用于傳輸?shù)陌诉M(jìn)制序列。以3G-ALE信號用于自動鏈路建立ALE協(xié)議的突發(fā)波形BW0為例，具體分析鏈路層數(shù)據(jù)編碼原理與性能。

2.2.1 卷積編碼

美軍標(biāo)MIL-STD-188-141B規(guī)定了3G-ALE信號突發(fā)波形BW0采用編碼效率r=1/2、約束長度m=7的（2，1，7）卷積編碼，編碼器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 （2，1，7）卷積編碼器

編碼器每輸入1 bit信息元，相應(yīng)地輸出一組2 bits編碼元

輸出的生成多項(xiàng)式為：

輸出的生成多項(xiàng)式為：

因此，突發(fā)波形BW0攜帶的26 bits協(xié)議信息，經(jīng)過卷積編碼后輸出52 bits序列。通信接收端可使用Viterbi硬判決算法進(jìn)行卷積譯碼，能夠產(chǎn)生一定的編碼處理增益[8]：

式中，r為編碼效率，為卷積碼自由距離。文獻(xiàn)[9]指出，（2，1，7）卷積編碼的卷積碼自由距離因此通信接收端能夠產(chǎn)生的編碼處理增益。

2.2.2 交織編碼

3G-ALE信號突發(fā)波形BW0采用4×13的塊交織編碼，交織器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 4×13塊交織器

從卷積編碼器輸出的52 bits序列，按行從左至右、從上至下讀入塊交織器，按列從上至下、從左至右讀出，即進(jìn)行簡單的行列變換，實(shí)現(xiàn)將輸入信息序列置亂，輸出52 bits序列。

通信接收端按照相反規(guī)則，即按列從上至下、從左至右讀入解交織器，按行從左至右、從上至下讀出，就能夠?qū)⑿诺涝斐傻倪B續(xù)突發(fā)錯誤離散為隨機(jī)錯誤，有利于錯誤被有效檢測并糾正[10-11]。

2.2.3 Walsh正交擴(kuò)頻

與直接序列擴(kuò)頻類似，3G-ALE信號突發(fā)波形BW0采用（64，4）的Walsh正交擴(kuò)頻，通過對帶寬的擴(kuò)展，降低對信噪比的要求。Walsh擴(kuò)頻序列相互之間嚴(yán)格正交[12-13]，每4 bits映射為一組16符號序列，正交擴(kuò)頻映射關(guān)系如表1所示。

表1 Walsh正交擴(kuò)頻映射關(guān)系

Walsh正交擴(kuò)頻調(diào)制器每次從塊交織器輸出的52 bits序列中取出4 bits，根據(jù)表1所示的正交擴(kuò)頻映射關(guān)系將其映射為一組16符號序列，再進(jìn)行4倍冗余。這樣每4 bits就映射為64符號序列，輸入52 bits序列最終映射輸出832符號擴(kuò)頻序列。通信接收端進(jìn)行解擴(kuò)頻時，能夠產(chǎn)生的擴(kuò)頻處理增益計(jì)算表達(dá)式為：

式中，k為輸入比特長度，N為映射輸出符號序列長度，N k即為擴(kuò)頻因子。因此，（64，4）的Walsh正交擴(kuò)頻在通信接收端解擴(kuò)頻時，能夠產(chǎn)生的擴(kuò)頻處理增益。

2.2.4 偽隨機(jī)加擾

盡管Walsh擴(kuò)頻序列具有良好的相關(guān)性質(zhì)[14]，但由于其不是偽隨機(jī)序列，取值具有明顯的規(guī)律性，使得自相關(guān)運(yùn)算會產(chǎn)生較大旁瓣，并且僅在相位對齊時才呈現(xiàn)較好的正交性質(zhì)，如圖6所示。因此，Walsh正交擴(kuò)頻的擴(kuò)頻性能并不理想。實(shí)際中，需要使用偽隨機(jī)序列作為擾碼序列進(jìn)行加擾處理，將Walsh擴(kuò)頻序列與偽隨機(jī)擾碼序列相結(jié)合形成復(fù)合序列，使擴(kuò)頻序列隨機(jī)化，改善擴(kuò)頻性能，增強(qiáng)信息傳輸保密性[15-17]。

圖6 Walsh擴(kuò)頻序列的相關(guān)性質(zhì)

提供給3G-ALE信號突發(fā)波形BW0的擾碼序列是256符號的偽隨機(jī)八進(jìn)制序列，即：

將該偽隨機(jī)擾碼序列與Walsh正交擴(kuò)頻調(diào)制器輸出的832符號擴(kuò)頻序列，按符號進(jìn)行模8和運(yùn)算：

式中，為Walsh擴(kuò)頻序列，為偽隨機(jī)擾碼序列，⊕表示模8和運(yùn)算，為偽隨機(jī)加擾后的復(fù)序列。每256次模8和運(yùn)算后，擾碼序列就重復(fù)一次。Walsh擴(kuò)頻序列加偽隨機(jī)擾碼序列后的復(fù)合序列的相關(guān)性質(zhì)如圖7所示。

圖7 Walsh擴(kuò)頻序列加擾碼的相關(guān)性質(zhì)

可以看到，復(fù)合序列消除了Walsh擴(kuò)頻序列自相關(guān)運(yùn)算時產(chǎn)生的較大旁瓣，同時相位非對齊時的互相關(guān)性質(zhì)較好，并且使得擴(kuò)頻序列變換成為近似隨機(jī)的序列，改善了Walsh正交擴(kuò)頻性能。

3G-ALE信號經(jīng)過以上鏈路層數(shù)據(jù)編碼，理論上可以通過卷積譯碼與解擴(kuò)頻在通信接收端產(chǎn)生4+12=16 dB左右的處理增益，同時交織編碼提高了糾正連續(xù)突發(fā)錯誤的能力，并且通過偽隨機(jī)加擾將序列隨機(jī)化，因此大大提高了鏈路層協(xié)議信息傳輸可靠性。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

本章在實(shí)現(xiàn)編碼結(jié)果的基礎(chǔ)上，仿真3G-ALE信號突發(fā)波形BW0在高斯白噪聲信道中的傳輸情況。通過計(jì)算通信接收端解調(diào)的協(xié)議信息誤比特率，反映鏈路層數(shù)據(jù)編碼在有效提高協(xié)議信息傳輸可靠性上發(fā)揮的重要作用。仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

26 bits協(xié)議信息經(jīng)過鏈路層數(shù)據(jù)編碼形成832符號八進(jìn)制有效載荷數(shù)據(jù)序列后，在其前端依次添加256符號八進(jìn)制保護(hù)序列、384符號八進(jìn)制探測報頭序列，組幀形成1 472符號的突發(fā)波形BW0序列，如圖8所示。

圖8 突發(fā)波形BW0序列

BW0序列在物理層經(jīng)過射頻調(diào)制被發(fā)射出去，已調(diào)制突發(fā)波形BW0如圖9所示。

圖9 已調(diào)制突發(fā)波形BW0

通信接收端在接收到3G-ALE信號后，首先對接收信號下變頻與頻域去干擾，之后依次通過解擾碼、解擴(kuò)頻、解交織與卷積譯碼，解調(diào)還原得到協(xié)議信息。計(jì)算解調(diào)的協(xié)議信息誤比特率，并對比未經(jīng)過鏈路層數(shù)據(jù)編碼的協(xié)議信息傳輸性能，不同信噪比下的誤比特率曲線如圖10所示。

圖10 不同信噪比下的誤比特率曲線

仿真結(jié)果表明，相比未經(jīng)過鏈路層數(shù)據(jù)編碼，經(jīng)過鏈路層數(shù)據(jù)編碼的協(xié)議信息的解調(diào)誤比特率具有15 dB左右的信噪比優(yōu)勢。因此，通信接收端獲得的處理增益約為15 dB，與第2章的編碼分析結(jié)果一致，有效提高了協(xié)議信息傳輸可靠性。

4 結(jié) 語

針對短波3G-ALE信號鏈路層數(shù)據(jù)編碼進(jìn)行研究，在分析信號的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征與數(shù)據(jù)編碼流程的基礎(chǔ)上，依次從卷積編碼、交織編碼、Walsh正交擴(kuò)頻與偽隨機(jī)加擾等四個編碼操作，具體分析數(shù)據(jù)編碼提高鏈路層協(xié)議信息傳輸可靠性的機(jī)理，最后仿真實(shí)現(xiàn)編碼結(jié)果與傳輸性能。仿真結(jié)果表明，3G-ALE信號經(jīng)過鏈路層數(shù)據(jù)編碼，通信接收端能夠獲得15 dB左右的處理增益，有效提高了協(xié)議信息傳輸可靠性。后續(xù)將在此基礎(chǔ)上深入開展3G-ALE信號的偵察接收處理與可行干擾技術(shù)的研究。

[1] 徐啟華.短波寬帶偵察中的信號分選與檢測[D].西安: 西安電子科技大學(xué),2013.XU Qi-hua.The Signal Separation and Detection for Wide-band Reconnaissance in High Frequency[D].Xi’an:Xidian University,2013.

[2] Eric E J.Analysis of third-generation HF ALE technologies[C].21st Century Military Communications Conference Proceedings,2000.

[3] 陳曉毅.第三代短波通信網(wǎng)[J].通信技術(shù),2002(02):15-17.CHEN Xiao-yi.The Third-Generation HF Networking[J].Communications Technology,2002(02):15-17.

[4] U.S.Department of Defense.MIL-STD-188-141B[S].U.S.DoD,1999.

[5] 楊瑩瑩.第三代短波通信數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的研究與實(shí)現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2012.YANG Ying-ying.Research and Implementation on the Data Link Layer Protocol of 3G HF Communication System[D].Xi’an:XiDian University,2012.

[6] Chamberlain M W,Furman W N,Palum L F,et al.Performance of US MIL-STD-188-141B appendix C data link protocols[C].Eighth International Conference on HF Radio Systems and Techniques,2000.

[7] Eric E J.Third-generation technologies for HF radio networking[C].IEEE Military Communications Conference,1998.

[8] 王新梅,肖國鎮(zhèn).糾錯碼——原理與方法(修訂版)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2011.WANG Xin-mei,XIAO Guo-zhen.Error Correcting Code-principles and Methods,Revised Edition[M].Xi’an:Xidian University Press,2011.

[9] John G P.Digital Communications[M].Fifth Edition.Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2011.

[10] Daneshgaran F,Laddomada M,Mondin M.Interleaver Design for Serially Concatenated Convolutional Codes:Theory and Application[J].IEEE Transactions on Information Theory,2004,50(06):1177-1188.

[11] Sang I H,Fonseka J P,Dowling E M.Bit by Bit Row/Column Interleaving of Block Accumulate Codes[J].Electronics Letters,2013,49(10):653-654.

[12] 唐大宇.結(jié)合RS糾錯編碼和Walsh變換的軟擴(kuò)頻技術(shù)[J].電訊技術(shù),2012,52(06):943-947.TANG Da-yu.Soft Spectrum Spreading Technique Combining RS Error-correction Coding and Walsh Transforming[J].Telecommunication Engineeri ng,2012,52(06):943-947.

[13] Cyril-Daniel I.Performance of Multicode DS/CDMA With Noncoherent Mary Orthogonal in the Presence of Timing Errors[J].IEEE Transactions on Vehicular Techn ology,2008,57(06):3867-3874.

[14] Mo-Han F,Bhargava V K,Qiang W.Concatenated Orthogonal/PN Spreading Sequences and Their Application to Cellular DS-CDMA Systems with Integrated Traffic[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,1996,14(03):547-558.

[15] 張健.短波寬帶擴(kuò)頻數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)應(yīng)用研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2011.ZHANG Jian.Applied Research on Wideband HF Spread Spectrum System for Data Transmission[D].Xi’an:Xidian University,2011.

[16] 虞紅芳,吳曼,劉曼,等.一種快速準(zhǔn)確適用性廣的偽隨機(jī)擾碼識別方法[J].電子科技大學(xué)學(xué)報,2015,44(04):500-504.YU Hong-fang,WU Man,LIU Man,et al.Fast and Correct Recognition Method for Pseudo-Randomizer Code[J].Journal of University of Electronic Science and Technology of China,2015,44(04):500-504.

[17] 馬鈺,張立民,王好同.編碼加擾序列的幀同步盲識別[J].電子學(xué)報,2016,44(09):2087-2092.MA Yu,ZHANG Li-min,WANG Hao-tong.Blind Identification of Frame Synchronization in Scrambled Coding Sequence[J].Acta Electronica Sinica,2016,44(09):2087-2092.