ITU-R关于短波数字通信的最新建议

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1 技术背景
　　近年来，电子技术的迅猛发展，促进了短波通信技术和装备的更新换代，形成了现代短波通信新技术、新体制，短波通信实现了复兴。在信道技术方面，3G-ALE的应用促使频率自适应技术不断发展，扩频、跳频等技术已经进入实用化，跳速可达5000H/s的CHESS系统正在开发；在终端技术方面，OFDM技术可在短波信道上实现16kbit/s～64kbit/s的传输速率；软件无线电技术将使得短波通信具有更加开放的结构和灵活的性能。所有这些都表明，短波通信与其他信息技术一样，进入了快速发展时期，成为信息社会的重要技术支撑手段。
　　与卫星通信、光缆等通信手段相比，短波通信不需要建立中继站即可实现远距离通信，可在很小区域到全球范围内支持商用航空和海难救助，基础设施受到损毁的陆上灾难地区采用搬移式短波通信设备可快速实现长距离通信，其设备简单，维护费用低；同时短波通信还具备使用灵活，电路调度容易等优势。这些显著的优点，是其他通信手段不可比拟的。随着数字短波技术的发展，在短波信道上支持局域网连接和宽带应用成为短波通信新的发展方向。2007年5月，ITU-R 第9C工作组通过了美国代表团提交的《高级短波数字通信系统特性》作为新的建议书草案，稍后举行的第九研究组大会批准了这一建议草案，并决定按照加速程序交由各成员审批。该建议书草案阐明了短波令牌传递协议和宽带调制解调器的典型射频特性，为短波数字通信系统的组网和宽带应用提供了标准。
2 令牌传递协议
　　令牌传递为非常拥挤的网络提供了有效的接入控制。但是，当网络的丢包率不容忽视时，令牌传递就易于瘫痪而不能使用。在短波网络中，不可预见的传播衰落变化可能导致信道的丢包率达到极端水平。如果某些节点与整个网络失去联络，会大大降低网络性能，从而使数据传输速率大为降低。传播扰动会降低短波网络使用的频谱效率。健全的令牌管理体系有助于共享短波网络的数据信道。对短波网络采用专用令牌管理方法，可以使令牌网络从令牌丢失和双重令牌中快速恢复，有效地解决网络连接性和节点变化等问题。
　　令牌传递协议提供了节点进入和退出网络的一般机制。当在无线WAN上使用令牌传递时，无线传输介质会引起一系列额外的令牌管理问题：
　　——持有令牌的节点可能会与下一个令牌接受节点联络不通，从而造成令牌丢失；
　　——持有令牌的节点可能会与网络其他部分联络不通，从而造成整个网络丢失令牌；
　　——一个网络可能会被分割成两个子网络，其中一个子网必须新建令牌；
　　——一个节点可能只能与网络中的另一个节点相连接，从而不能形成环形网络拓扑结构；
　　——两个或更多使用同一信道的节点可能会覆盖彼此区域，这会引起相互干扰，除非令牌环合并或改变信道；
　　——令牌环合并或丢失令牌恢复可能会造成同一环中存在多个令牌。
　　网络连接问题发生时，处于失去连接或浮游状态的节点，或者等待邀请加入残余令牌环，或者周期性地请求其所连接的节点加入其令牌环。从这些问题中恢复的方法是在失去连接或浮游状态的节点中放置一些节点，这些新放入的节点并不是活动令牌传递环的节点。
　　短波频段无线广域网所固有的长链路和长周转时间使得令牌循环时间长达分钟级。例如，在N个节点的链路上，令牌周转时间为2秒，如果允许持有令牌的节点最多发送8秒的数据，这样的网络数据传输效率是80%，而令牌循环一周时间高达10N秒。
　　如果限制请求加入令牌环的指令为每个令牌循环期间只有一次，各节点轮流持有请求权，这样在N个令牌循环期间每个节点可以请求加入该令牌环一次。取N=10，当网络连接问题发生时，采用非短波导向的无线令牌协议会使请求加入的节点可能花费大约10分钟仍可能不成功进入网络，这对正在提供服务的动态网络来说，显然太长了。而采用短波令牌协议就比较具有吸引力，短波令牌传递协议安排，首先用N个时隙(时隙时长等于一个包的时长加上令牌循环时间)来识别延时，之后只需在每一次令牌循环中增加一个额外的包时间和周转时间。在10个节点的例子中，用于识别延时停顿时间不到30秒，因此增加的令牌循环时间只有2%多一点。
　　由于令牌冲突，会产生残余网络。采用非短波导向的无线令牌协议从中重建令牌环所需要的时间至少需要：先形成一个小的令牌环，而其余所有的节点保持请求静寂等待加入网络。而短波令牌传递协议的安排是：首先经历数据包碰撞，直到其中一个节点发起令牌环合并，一旦合并令牌环的请求被采纳，只需经过一次令牌循环时间加上N+1个数据包（也就是建立正常的令牌接受顺序和一次快速令牌循环）传输时间，正常的数据传输就可恢复，在10个节点的网络实例中少于30秒。
3 宽带调制解调器
　　3.1 多信道实现
　　现代调制解调器的发展，已经可以在多个独立的边带上同时转换数据。它在每个音频信道上分别具有独立的PSK/QAM调制器，编码器输出的码流分配到各个独立的信道进行传输。如果这些独立信道载频相邻，虽然各信道的误码并不是完全相关，但信噪比是近似的，各信道共用一个前向纠错编码器。
　　当相邻载频所提供的信道质量不能满足数据传输需求时，必须采用非相邻信道。在这种情况下，各信道信噪比变化很大，所有信道共用单一编码器进行分配并不是最佳选择，每一信道应采用独立的编码流控制，从而使得整体的数据流量接近所用频谱可提供的最大可能值。
　　3.2 信道划分
　　单一信道HF设备应采用一个标称3kHz的信道的上边带或下边带（可选）。对多信道HF设备来说，可能的信道安排如下：
　　——两个标称3kHz上边带信道或下边带信道（两个独立边带同为上边带或下边带，上下边带可选）；
　　——一个标称6kHz上边带信道或下边带信道（可选）；
　　——两个标称3kHz上边带信道和两个下边带信道（四个独立3kHz信道，上下边带各两个）；
　　——一个标称6kHz上边带信道和下边带信道（两个独立6kHz边带，上下边带各一个）；
　　——一个标称12kHz上边带信道和一个上边带信道（两个独立12kHz边带，上下边带各一个）；
　　——一个标称3kHz上边带信道和一个上边带信道（两个独立3kHz边带，上下边带各一个）。
　　当需要四个独立边带操作时，四个独立的3kHz信道应该如图1进行安排，图1还给出了四个信道相应的幅度响应。图中A2、B2信道应为对应A1、B1信道的反转和置换，这可视作6290Hz载频的上下边带来实现，也可采用其他技术实现信道的置换和反转。

　　

　　图1 四信道独立边带操作

　　（注：图中所标频率是在相应的标注了滤波器衰减dB值处的频率。）
　　如图1所示，考虑到信道A2、B2分别只占有发射机发射频谱的四分之一，因此与发射机峰值包络功率的25%相比，其信道内任何子载频载波抑制比要大于40dB；相比每一信道（无论实际或虚拟）载频，在250Hz到3100Hz范围内任一独立边带的射频频率幅度响应平坦度在2dB以内，50Hz到3250Hz之外信道衰减至少达到40dB，250Hz到3550Hz至少达到60dB。
　　在370Hz到750Hz和3000Hz到3100Hz两频段内，群时延畸变不大于1500ms；在750Hz到3000Hz频段不大于1000ms，并且在区间570Hz到3000Hz之间任意增加相邻100Hz频带内，群时延不大于150ms；在区间300Hz到3050Hz之间绝对时延小于10ms。以上端到端测量为背靠背设置的无线电设备（发射机音频输入到接收机音频输出）。
　　3.3 数字无线电广播
　　数字无线电广播系统已经经历了固定式和移动式的验证应用，是窄带正交编码数字传输系统，具有改变其传输特性来适应无线电传播特性和服务需求的能力。其采用的所有子载波都采用集成了前向纠错编码的QAM调制器，两种基本的调制方式是64-QAM和16QAM。另外，也可采用QPSK用于高突发模式信令传输。数据按时间交叉分配在所有子载频上以对抗时间和频率选择性衰落。
　　3.4 特性表
　　高级数字短波无线电通信系统的特性见表1。

　　表1 高级数字短波无线电通信系统特性表

　　

4 结论
　　出于效率考虑，在一点对多点以及点对点通信时，多个短波节点试图共享一个信道，这时就需要建立信道接入协议。利用令牌传递协议是一种途径。短波信道特有的窄带、高延时和高损耗特性对这一协议提出了特别严格的要求。短波专用令牌传递协议，可有效满足短波信道上适用令牌传递的要求。
　　当传输数据需求超出一个标称3kHz信道所能提供的速率时，可采用一种机制将该数据分配到多个信道上去传输。宽带调制解调器可较大幅度增加网络的数据吞吐量，因而是一种可行的方法，独立边带调制在保持频谱效率的同时支持多信道操作来增加传输带宽，对多个独立边带调制时的信道安排进行规范，增加了宽带调制的互操作性。
　　参考文献
　　[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 《短波频率自适应通信的发展及信号监测》，《中国无线电》2006年第11期
　　[4] 胡中豫主编 《现代短波通信》国防工业出版社2003年10月第一版