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第三代短波自动链路建立技术分析
埃里克·E·约翰逊
新墨西哥州立大学
摘要
第三代短波自动链路建立（ALE）技术实现了在连接速度，网络规模以及流量上比第二代自动链路建立技术更加大的提高。在本文中，我们分别测试了包括同步操作，驻留组以及单独通话和传输频率在内的第三代标准技术对这个提高的贡献。
1.引言
第二代短波自动化技术提供了强大，可靠并且可以交互操作的短波链路，由此从20世纪80年代开始，短波无线电开始引起人们的注意，移动语音网络开始兴起。然而，到了20世纪90年代中期，短波通信网络的逐渐发展使人们意识到需要更有效的协议来让有限的短波频谱可以支持更大规模的网络和更多的数据流量。
政府，工业和学术界的共同努力创造出了第三代自动链路技术（3G-ALE）协议，这个协议现在已经在美国MIL-STD-188-141B协议附录C中标准化，并且在北约标准化协议中被提出。一些关键的3G改进技术如下：
·链接建立更快
·链接信噪比更低
·信道容量提高
·ALE和数据流量使用相同的波形族
·对长短数据消息更高的吞吐量
·更好的支持Internet协议和应用
并入3G-ALE的致使性能提高的新技术包括以下几种:
·突发PSK波形
·呼叫信道的同步扫描
·将站点分隔进驻留组
·中继操作（即，单独的呼叫和传输信道）
·使用呼叫优先级的多时隙信道接入
·带有冲突避免技术(CSMNCA)信道的载波监听多路访问
本文介绍了这些技术在提高3G短波通信网络性能方面的贡献。
2.3G技术概况
以前的论文已经讨论了很多3G技术的创新，完整的细节可以在MIL-STD-188-141B
附录C和STANAG 4538标准中找到。本节总结了这些文献，包括对理解后面介绍的结果很重要的那些细节。
A.波形
链路和数据传输协议数据单元（PDU）都通过一系列PSK波形在信道上传输，PSK波形源自MIL-STD-188-1 10A串行频调制解调器。新波形针对突发而不是长传输进行了优化，从而提高了系统的灵活性。 3G波形的测量表明AWGN和衰落信道在2G波形上的改进为6-9 dB。
B.扫描
当没有链接或传输时，无线电扫描分配的信道监听呼叫，并记录信道的占用情况（有时候也会记录传播情况）。 3G扫描与2G仅在细节上不同（例如，同步扫描）。
C.呼叫
当一个呼叫和响应PDU成功地发送出去之后，一个链路就建立了。在大多数情况下，响应由被叫站发送，但在特殊情况下可以由主叫站发送。 呼叫站在发送其PDU之前监听呼叫信道，以避免干扰其它传输。
相比之下，2G ALE使用3次握手。 2G ALE中的第三个PDU的功能由3G ALE中的流量启动超时完成。
D.同步操作
2G-ALE是一种异步系统，其中呼叫站不对目的地站将何时监听任何特定信道进行假设。 因此，2G站必须使用长呼叫来“捕获”扫描接收机。 3G-ALE包括异步模式，但它在同步操作下实现了最高性能。
当在同步模式下操作时，3G-ALE网络中的所有扫描接收机同时改变频率（在相对较小的时间不确定性内）。 任何时间都可以计算由网络中的每个3G无线电监控的分配的呼叫频率，因此在一次呼叫中必须仅发送单个，简短的呼叫PDU。
然而，同步操作在基础设施和开销中产生了维持同步的成本。
E.驻留组
所有站不必同时监视相同的呼叫信道。 通过将网络成员划分成在每个扫描驻留中监视不同信道的组，针对网络成员站的呼叫将在频率和/或时间上分布。 这大大降低了在高流量条件下3G-ALE呼叫信道上的拥塞的概率。 同时监视相同通道的一组站点称为驻留组。
替代网络组织将所有网络成员分配到单个驻留组，允许单个呼叫立即到达所有成员（如果承载呼叫的信道支持所有成员）。 因此，驻留组的值取决于点对点与多点呼叫的混合。
F.集群模式
众所周知，CSMA系统在介质完全负载之前饱和很好。然而，如果业务信道与呼叫信道分离，则业务信道上的负载或多或少地与呼叫信道解耦。这种中继操作允许大量使用业务信道，而呼叫信道相对空闲，导致高业务吞吐量和低链路建立等待时间的良好平衡。
然而，与常规（非中继）操作相比，实现HF无线电网络的中继操作涉及一些复杂性。首先，有必要估计业务信道的可用性，而不是在链路建立期间直接测量信道。第二，即使使用这样的估计，有必要监视业务信道的占用，使得不为新链路选择已经活动的信道。
当站具有可用的多个短波无线电时，这两个任务可以被分配给空闲无线电，但是对于单个无线电（例如，人工包），它们要求接收机有时必须用于开销功能而不是监听呼叫。这可能增加与这些站链接所需的时间。
G.多时隙驻留
另一种用于减少呼叫信道拥塞的技术是在每个信道上延长停留时间以适应每个驻留多个呼叫时隙。在这种方案中，呼叫站在每个驻留中随机地选择一个时隙，在前面的时隙中侦听潜在的干扰，并且如果没有检测到干扰则呼叫。 （呼叫后的时隙用于响应）。
通过分散在多个时隙期间驻留的呼叫，并且当检测到呼叫时延迟，冲突的速率被显着减少。
如果延迟呼叫等待直到下一个驻留再试一次，该方案实际上是1 / N持续时间，其中N是每个驻留的时隙数。与1单位持续时间情况相比，这提高了负载较重的网络的性能。单时隙每驻留方案必须在呼叫失败之后并入显式回退以实现类似的效果。
STANAG 4538中规定的可选多时隙驻留结构如图1所示。注意，每个驻留（“时隙0”）中的初始时隙是为所有站点指定的，以检查业务信道上的占用情况。由于所有站点在同一时间执行此操作，因此不会丢失任何呼叫。
调整时间每次驻留发生一次，因此在驻留的所有时隙上摊销。
3.协议研究
研究评估了3G ALE特色的八种组合，如表1所示。
研究的每种组合在STANAG 4538协议中可获得。
·N1表示单时隙“快速链路建立”协议，该协议专门针对轻负载网络中的最小延迟而开发。
·Nlg向N1添加驻留组。
·Nlt将集群模式添加到N1。
·Nlgt将两个驻留组和中继操作添加到N1。
·NM指定多时隙“鲁棒链路建立”协议，原始的3G ALE协议。 这里使用与单时隙协议相同的后缀系列。
4.模拟方法
这项研究采用了NetSim模拟器和下面描述的两种网络场景。
A. NetSim概述
NetSim系列模拟器实现了图2所示的离散事件通信网络仿真架构。 所示的每个模块独立地起作用，并且以适合于此研究的细节水平实现其相应的功能。
·流量源根据指定的到达间隔时间和消息大小分布生成语音或数据消息。
·每个站的短波节点控制器（HFNC）实现网络层协议和站范围资源管理。
·ALE控制器实现所研究的ALE协议和波形。 （波形被模拟为正确的帧接收与信噪比的概率。）
·无线电和天线模块确定功率和噪声电平，互调失真，增益方位角等。
当无线电被调谐到特定频率时，它接收复合信号，该复合信号包括在该频率上正在进行的全球所有传输的效应。 为了计算复合信号的有效SNR（对于锁定到最强到达信号的接收机），足以计算最强到达信号的强度与自然噪声加上所有其他信号加失真的非相干和的比率。
在大多数NetSim模拟中使用的信道模型是电离层传播的“核桃街”模型（由联合互操作性测试中心验证），以及在高度视线内的飞机的直接波模型。 使用VOACAP计算链路的中值SNR以及SNR的第一和第九分位数的估计。 然后，这些被用来产生在感兴趣的链路上的路径损耗的代表性随机过程，使用每小时预测值之间的线性插值加上关于该线的对数正态变化，用于中间变化加上瑞利衰落。 然而，为了与其他模拟进行比较，核桃街模型可以用固定SNR模型替代。
B.空对地情景
两种情景中的第一种，即空对地情景，是大规模大多数语音网络的代表。 流量在大区域上并且随时间不均匀地分布，导致比可能预期的更少的拥塞。
一架115架飞机在美国，欧洲东部海岸和中央指挥厅的基地之间的白天时间（当地时间）在不同时间飞行，如图3所示。它们与位于整个北部的14个基站进行通信 半球和赤道南部。
模拟涵盖了6月的24小时，太阳黑子数为100。
·飞机全天候起飞。
·每个飞机在航路上每小时平均放置一个5分钟的语音电话。 （间隔和持续时间按指数分布。）地面站是自适应选择的。
·每架飞机载有一台400W ALE无线电。
·遍布全球的14个地面站中的每一个都有九个或十个相同的3G-ALE配备的无线电，每个具有4kW的输出功率。
·所有天线都是全向的。
·提供十八个通道。 对于中继操作，五个用于呼叫信道，十三个用于业务。 否则，所有十八个用于呼叫和业务。
·地面站每45分钟在每个呼叫信道上发出声音，以便飞机可以为每个呼叫自适应地选择地面站。 飞机不响。
模拟了该场景的两个变体：
AG Full:全机队，调查适度高负载与移动，分散单位。 （此网络的大小需要驻留组。）
AG 2:单飞一架两架飞机，调查一个非常轻的载荷。
C.地对地情景
图4中示出了10个固定站的网络，以及在每个链路上发送的每小时（总）消息的数量。 每个具有几个无线电台的站在温带纬度地理位置上如图所示地定位，从最左边站到最右边约150km的跨度。 该网络中的每个站通常可以听到来自每个其他站的传输。
分配了18个信道（5个呼叫，13个业务用于中继操作）。 由于在这种情况下使用的路径预期是NVIS，频率在3 - 11 MHz范围内。 不需要并且没有使用探测。
该网络模拟了两种情景：
GG语音：流量是所有语音呼叫，每个平均持续2分钟。 在每个链路上发送指定的呼叫数。
GG数据：流量是所有分组数据。 一半是低优先级，一半是高优先级。 每个优先级的呼叫数如图所示（总共显示的数字的两倍）。
注意，数据业务可以使用具有负SNR的信道，而语音业务需要至少12dB的SNR。 当建立被发现对于要发送的业务具有不足的SNR的链路时，该链路被拒绝并且请求新的链路。
5.结果
有许多指标可用于比较替代协议。 该调查使用了在短波通信网络的采购中引用的度量，例如SCOPE 指令协议和MHFCS协议：在指定时间（在这种情况下为30秒）内建立了可用链路的所有消息的分数。 该度量报告与用户对网络的满意度很好地相关。
四个场景和八个协议的仿真结果如表2所示。如前所述，只有使用驻留组的协议支持AG Full方案。
对于每个场景的结果的阶乘分析总结在表3中，该表表示各主要因素的同方向上的贡献（3G协议功能）和观察到的各相互作用的总性能变化，沿着用该功能在那种情况下性能的变化。
例如，在GG语音场景中，使用多时隙驻留对平均而言对所研究的八个协议之间的链接性能的总变化的74％的性能做出积极贡献。 单独的驻留组或中继操作的平均影响是最小的，但驻留组与多时隙驻留有强烈的相互作用。 这种相互作用是非常积极的，占八个协议中的大部分性能变化（17％）。
6.探讨
在我们继续分析仿真结果之前，应当注意，表2中的性能通过可能被真实网络中的预编程链路数据消除的“冷启动”效应而减少。
A. AG 2情景
在该场景中的轻负载在仿真中仅产生十四个呼叫。 因此，每个呼叫占总数的7％，产生表2中所示的量化。从结果的分析中，我们注意到即使在这种轻负载下，使用多时隙驻留提高了链路接收性能，并且是观察到的最大的效应。
B. GG语音情景
在这种情况下，更重的负载（每小时多达89条消息）增加了多时隙驻留的重要性。 多时隙驻留，特别是与驻留组合，减少呼叫信道拥塞一个数量级，导致较少的延迟呼叫。
在这种情况下，如在其他情况下，将驻留组或中继添加到单时隙方案降低其性能。 使用驻留组减少了单时隙站侦听到的第三方呼叫数量; 这消除了许多偶然的链路质量数据并降低了首次呼叫成功的可能性。 在N1协议中使用的退避机制然后延迟随后的重新呼叫尝试。 缺少用于监视业务信道的专用时隙降低了单时隙模式中的中继操作的性能。
C. GG数据情景
此场景的呼叫量是GG语音场景的两倍，但由于消息持续时间较短，总流量大致相同。 较短的消息和健壮的调制解调器提高了整体网络性能。
D. AG Full情景
全面空对地情景包括所研究的四种情景中最重的负载和最动态的传播。 需要使用驻留组，因为网络的大小大于60个工作站（单个驻留组的最大大小）。 对于这个业务量级别（以及以前研究的较重级别），拥塞控制技术的全范围是有益的。
7.结论
在每个研究的情景中，使在30秒内建立的链路数最大化的最重要的因素是使用多时隙驻留。
研究的其他两个因素的影响是混合的。 向单时隙协议添加驻留组和/或中继对性能具有一致的负面影响。 对于多时隙协议，使用驻留组是均匀有益的。 向多时隙协议添加中继对于支持最重的业务负载（在全空中场景中为5分钟语音呼叫）是重要的，但是在较轻负载下就不那么重要了。
致谢
这里描述的第三代协议包括来自全球短波通信社区的广泛的贡献。 特别感谢北约ARCS工作组，包括来自DERA（英国）的Paul Arthur和Andrew Gillespie，来自Thomson（法国）的Patrick Bruas，DASA（德国）的Hans Denk和Harri
全文共5368字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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