一種基于Internet的短波接入數(shù)據(jù)鏈路傳輸協(xié)議的改進(jìn)方法

馬偉

（江蘇信息學(xué)院 科技處，江蘇 無錫 214153）

短波通信系統(tǒng)亦稱為高頻（HF）通信系統(tǒng)，它能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低成本的通信，在邊遠(yuǎn)地區(qū)野外作業(yè)、搶險救災(zāi)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。將短波通信系統(tǒng)接入Internet，除需優(yōu)化短波信道傳輸?shù)臒o線接入?yún)f(xié)議，也需要在數(shù)據(jù)鏈路層加以研究和優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展將更多形式的信息融入網(wǎng)絡(luò)，更大程度上豐富人們的日常生活。

1 短波接入系統(tǒng)

短波接入系統(tǒng)作為一個獨立的子系統(tǒng)，與其他接入系統(tǒng)通過網(wǎng)關(guān)相連接，可以成為整個互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的一部分。

1.1 短波接入系統(tǒng)構(gòu)成

一個典型的短波接入系統(tǒng)主要包括無線終端、無線接入點、網(wǎng)絡(luò)控制器以及與無線接入系統(tǒng)連接的外部網(wǎng)絡(luò)4個部分，如圖1所示。HF網(wǎng)關(guān)處有HF節(jié)點控制器HFNC（High Frequency Node Controller），它 在 與 之 相 連的以太網(wǎng)終端和本地HF電臺節(jié)點之間充當(dāng)網(wǎng)關(guān)。HFNC主要完成HF自適應(yīng)通信系統(tǒng)的鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層功能，具有根據(jù)尋徑表完成子網(wǎng)內(nèi)尋徑、存儲轉(zhuǎn)發(fā)報文以及HF子網(wǎng)內(nèi)自動信息交換功能。網(wǎng)關(guān)與移動電臺之間可以直接通信，也可以利用中繼站作為中間節(jié)點進(jìn)行通信。

圖1 短波接入系統(tǒng)構(gòu)成

1.2 短波接入系統(tǒng)協(xié)議結(jié)構(gòu)

短波接入Internet協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖2所示。其應(yīng)用層與TCP/IP終端保持一致。當(dāng)在短波子網(wǎng)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，可以直接采用短波子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議AME（Automatic Message Exchange）， 而無須經(jīng)過 TCP和 IP，以減小其報頭開銷。此外，由于短波子網(wǎng)需通過以太網(wǎng)接入Internet，因此，該協(xié)議包含了IEEE 802協(xié)議與子網(wǎng)的互連。其中，HFDLP（Data Link Protocol）的主要任務(wù)是保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，ALE以及ALE MODEM則保障無線鏈路的建立。

圖2 短波接入Internet協(xié)議結(jié)構(gòu)

2 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議改進(jìn)的意義

邏輯鏈路控制層（LLC層）的任務(wù)是完成兩通信實體間點到點的數(shù)據(jù)幀傳輸與控制。由于短波信道利用電離層傳輸?shù)牟环€(wěn)定性，在IEEE 802.2標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上設(shè)計短波邏輯鏈路控制協(xié)議。在這種LLC協(xié)議中規(guī)定收發(fā)雙方在交換任何帶有信息的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）之前，必須先建立鏈路，收方接收到信息后必須以確認(rèn)幀應(yīng)答[1]。

2.1 數(shù)據(jù)包長度對出錯概率的影響

由于短波通信系統(tǒng)大多是半雙工工作方式，因此，在這里采用譯碼后的LLC數(shù)據(jù)包中的CRC校驗來判斷接收是否正確。若接收錯誤，則發(fā)送否定應(yīng)答NAK（Negative Acknowledge）給發(fā)送端，要求重傳；否則，發(fā)ACK（Acknowledge）給發(fā)送端，停止本次傳送。

令p為誤碼率，且每個數(shù)據(jù)包的長度為 B bit，可以用下式來估算數(shù)據(jù)包出錯的概率pB[2]：

對于給定的誤碼率，數(shù)據(jù)包出錯的概率pB隨其長度B的增加而增大。假設(shè)各二進(jìn)制位出錯概率相同且彼此獨立，這樣可以估算出，如果 B=8 000（即 1 000 B時），當(dāng)誤碼率 p=10-5，則 pB≈0.077，當(dāng)誤碼率 p=3×10-5，則pB≈0.213。

由此看以得出，誤碼率和數(shù)據(jù)包長度的增加會大大增加數(shù)據(jù)包出錯的概率。

2.2 合理的數(shù)據(jù)包長度

令β為信道上的數(shù)據(jù)速率，TW為包括雙向傳播時延以及接收端處理時間在內(nèi)的空閑時間。這樣可以得到發(fā)送一個數(shù)據(jù)包的平均等待時間加上發(fā)送時間為TW+B/β，而節(jié)點每秒最大傳輸無差錯數(shù)據(jù)包數(shù)為[3]：

經(jīng)推導(dǎo)可以得到誤碼率p與最大數(shù)據(jù)傳輸速率時數(shù)據(jù)包長度B的關(guān)系為：

其中，B為數(shù)據(jù)包長度，h為數(shù)據(jù)包報頭及報尾長度，p為誤碼率，β為信道上的數(shù)據(jù)速率，TW為發(fā)送端等待應(yīng)答的空閑時間。

在短波系統(tǒng)設(shè)計時，TW可以根據(jù)上傳流量及等待時間進(jìn)行估算，而信道上的數(shù)據(jù)速率β值可以事先得到，誤碼率p可以由ALE給出，這樣系統(tǒng)可以根據(jù)TW對其數(shù)據(jù)包大小進(jìn)行調(diào)整，以獲得最大數(shù)據(jù)傳輸速率。

圖3給出了最大數(shù)據(jù)傳輸速率的數(shù)據(jù)包長度與系統(tǒng)誤碼率的關(guān)系。這里取β=1 200，h=64。從圖3可以看出，隨著系統(tǒng)誤碼率的增大，數(shù)據(jù)包長度迅速減小，這是因為高誤碼率意味著同樣數(shù)據(jù)包長度內(nèi)出錯概率的增大。

圖3 最大數(shù)據(jù)傳輸速率的數(shù)據(jù)包長度

當(dāng)p=10-3時，LLC幀長為328 bit，每幀有效數(shù)據(jù)為264 bit；當(dāng) p=10-4時，LLC 幀長為 1 008 bit，每幀有效數(shù)據(jù)為 944 bit。

同時，在系統(tǒng)誤碼率的相同條件下，TW增大意味著可達(dá)到最大數(shù)據(jù)傳輸速率的數(shù)據(jù)包長度的增大。

3 提高鏈路傳輸效率的方法

短波通信系統(tǒng)大多采用半雙工工作方式，為了提高系統(tǒng)的有效數(shù)據(jù)輸出，在SR-SW-ARQ（Selective Repeat SW-ARQ Protocol）方式基礎(chǔ)上，采用一種無幀序號自適應(yīng)選擇式ARQ鏈路層算法，以減小上層報文傳輸時延，提高系統(tǒng)有效數(shù)據(jù)吞吐率。

3.1 無幀序號自適應(yīng)選擇式ARQ的工作方式

SR-SW-ARQ 方式工作流程如圖4所示。發(fā)送報文的過程為：先按LLC報文格式將1幀上層數(shù)據(jù)包封裝成多個LLC數(shù)據(jù)包，在發(fā)送時采用多個LLC數(shù)據(jù)包一起發(fā)送，而接收端在接收完全部報文以后，若接收報文中包含出錯，則以NAK形式將出錯LLC報文的序號返回發(fā)送端，發(fā)送端重發(fā)出錯LLC報文，發(fā)送端重新發(fā)送出錯數(shù)據(jù)包直至所有數(shù)據(jù)包都正確接收為止。

而無幀序號自適應(yīng)選擇式ARQ方式去掉了每個幀頭部的序號，發(fā)送方將沒有幀序號的數(shù)據(jù)幀發(fā)送過去，接收方根據(jù)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運算和判斷。當(dāng)1幀數(shù)據(jù)到達(dá)時，將上1幀出錯的數(shù)據(jù)和新數(shù)據(jù)取出，重新計算后進(jìn)行排序，發(fā)送方在發(fā)送下一個數(shù)據(jù)幀時，優(yōu)先填入上一次出錯的子幀[4]，付出的運算開銷由接收端的運算能力承擔(dān)。在信道質(zhì)量較好的情況下，可以用一個比特表示若干個連續(xù)子數(shù)據(jù)幀的對錯，這樣可以大大減少ACK的發(fā)送時間。

圖4 SR-SW-ARQ方式和無幀序號自適應(yīng)選擇式ARQ方式流程圖

3.2 SR-SW-ARQ方式性能分析

若上層數(shù)據(jù)包分成N個LLC幀，則采用標(biāo)準(zhǔn)SWARQ傳送該N幀數(shù)據(jù)包的傳播時延為T1（N），采用SRSW-ARQ方式傳送N幀數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)包傳播時延為T2（N）[5]。 △T（N）=T1（N）-T2（N），顯然，當(dāng) N=1 時，這兩種方式是一樣的。

短波信道誤碼率為 p，誤幀率 pB=1-（1-p）B。

采用無幀序號自適應(yīng)選擇式ARQ方式傳送N幀數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)包傳播時延為T2（N），則后者節(jié)省的時間為：△T（N）=T1（N）-T2（N）。

經(jīng)過推導(dǎo)（略），可得到計算公式：

其中，N為數(shù)據(jù)包個數(shù)，h為數(shù)據(jù)包報頭及報尾長度，pB為數(shù)據(jù)包出錯的概率。

由式（5）可以看出，在N和pB不變的情況下， 數(shù)據(jù)包報頭及報尾長度減少，將直接節(jié)省數(shù)據(jù)傳輸時間。同時，ACK次數(shù)的減少，也在一定程度上提高了傳輸效率。

3.3 無幀序號自適應(yīng)選擇式ARQ方式的傳輸?shù)姆抡鏈y試

圖5給出了無幀序號自適應(yīng)選擇式ARQ方式比選擇重發(fā)SW-ARQ方式傳輸一份數(shù)據(jù)包所節(jié)省的時間（時間以TW為單位，LLC幀長度采用上一節(jié)的最佳輸出數(shù)據(jù)包長度方法進(jìn)行設(shè)計）。

選擇上層數(shù)據(jù)包長度分別為L=12 000、6 400 和 1 600 bit（即 1 500、800、200 B）時，從圖5可以看出，節(jié)省時間隨著L的增大而增大，即 N↑?△T（N）↑。

要提高短波的傳輸效率，對于給定的誤碼率而言，數(shù)據(jù)包出錯的概率隨其長度的增加而增大，但數(shù)據(jù)包的長度過小，則意味著增加報頭和確認(rèn)信號的開銷相對較大，將影響每次傳輸數(shù)據(jù)量。本方案可以根據(jù)誤碼率的情況對其數(shù)據(jù)包大小進(jìn)行調(diào)整，以獲得最大數(shù)據(jù)傳輸速率。無幀序號自適應(yīng)選擇式ARQ方式比選擇重發(fā)SW-ARQ方式具有更高的傳輸效率，使短波接入系統(tǒng)的傳輸性能得以改進(jìn)，具有較好的現(xiàn)實意義。

圖5 無幀序號自適應(yīng)選擇式ARQ方式傳輸報文節(jié)省時間

[1]黨亞斌，自適應(yīng)短波系統(tǒng)及其鏈路建立的分析[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2003，35（2）：156-157.

[2]DAYEM R A.Mobile data and wireless LAN technologies[M].Prentice Hall，1997.

[3]JOHNSON E E，et al.Advanced high-frequency radio communications[M].Artech House， Boston， 1997.

[4]曹鵬，宋愛民，楊峰.一種改進(jìn)的短波鏈路數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議[J].電光與控制，2008， 15（5）：77-78.

[5]常永宏，第三代移動通信系統(tǒng)與技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2002年.