（通信与信息系统专业论文）短波通信中数据链路层协议研究.pdf

摘要 本文首先全面介绍了第三代短波自动链路建立系统，并对其自动链路建立 ( 灿正) 协议和业务管理( t m ) 协议的工作机制作了简要描述。重点讨论了数据 传输协议体系的设计和实现。数据传输协议包括高速数据链路传输协议( h d l ) 和低速数据链路传输协议( u ) l ) 两部分，它们分别采用不同的自动请求重传 ( a r q ) 机制，使用不同的帧结构和组包方式，以应用于不同的信道传输条件和 不同大小的文件传输。本文已经完成了对这两种数据传输协议在p c 机上的实现， 达到了对各种文件的顺利传输。 进一步讨论了第三代数据传输协议的性能，并与第二代协议的做出了比较。 用m a t l a b 语言对两种数据传输协议在不同信道条件下的吞吐量进行了仿真，直 观地展现了第三代数据传输协议的高效性和优越性。 关键词：数据传输协议第三代短波通信系统a r q 吞吐量 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，t h e3 r dg e n e r a t i o n 3 g h f i sm t r o d u c e dr o u n d l y ，a n d s y n c h r o n o u sh fm e s s a g i n gp r o t o c o l ，n a m e d t h ew o r km e c h a n i s m so fa l ea n dt r a f f i c m a n a g e m e n t 仃m ) p r o t o c o l sa r eb d e f l yd e s c r i b e d t h e n ，t h ep a p e rf o c u s e so nt h e d e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h ed a t al i n kp r o t o c o l s t w od a t al i n kp r o t o c o l sa r ep r o v i d e d ： t h eh i g h - r a t ed a t al i n kp r o t o c o l ( h d l ) a n dt h el o w r a t ed a t au l l l 【p r o t o c o l ( l d l ) ， t h e ya r eu n d e rd i f f e r e n ta u t o m a t i ce r r o rr e q u e s te q u i p m e n t ( a r q ) ，d i f f e r e n tf r a m e a n dd i f f e r e n tp a c k e tm o d e s ，a n da d a p tt od i f f e r e n tc h a n n e lc o n d i t i o n s i nt h i sp a p e r , b o t ho ft h ed a t al i n kp r o t o c o l sa r er e a l i z e db e t w e e nt w oc o m p u t e r s ，a n dd i f f e r e n tk i n d s o ff i l e sc a l lb et r a n s m i t t e ds m o o t h l y f u r t h e r m o r e ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h e3 gd a t al i n kp r o t o c o l si sd i s c u s s e di nt h i s p a p e r ，a n di sc o m p a r e dw i t ht h e2 gp r o t o c 0 1 i nt h i sp a p e r t h et h r o u g h p u tp e r f o r m a n c e o ft h e s ep r o t o c o l si ss i m u l a t e di nm a t l a bu n d e rd i f f e r e n tc h a n n e lc o n d i t i o n s ，a n d t h r o u g ht h er e s u l tw e c a l ls e et h a tt h e3 gd a t al i n kp r o t o c o l sp r e s e n tm u c h h i g h e r e f f i c i e n ta n ds u p e r i o r k e y w o r d ：d a t al i n kp r o t o c o l 3 g - h fa r q t h r o u g h p u t 创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：2 三! 亟日期泣2 厶 之 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本学位论文属于上珥在年解密后适用本授权书。 本人签名：i 二垒 别隧氰织 研q 、，以 日期鲤z ! 翌： 日期l 晦业 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 短波通信是指在2 m h z , - 一3 0 m h z 频段范围内，通过电离层反射进行远距离通 信或通过地波进行近距离通信的一种通信手段。它具有机动灵活，容易重建，设 备简单，成本低廉，受地形影响小，抗毁性强等优点。由于这些固有的特点，长 期以来一直被广泛应用于政府、外交、气象、商业等各个部门，用以传送电报、 电话、传真、数据和图像、语音广播等信息；同时它也是高空飞行和海上航行的 必备通信方式；尤其在军事部门，它始终是军事指挥的重要手段之一。虽然卫星 通信相对短波通信能为用户提供宽得多的频带以及稳定的高质量通信链路，但事 实上，它还不能从根本上取代短波无线电通信。另外，并不是所有用户都需要卫 星，都能得到卫星提供的通信链路。尤其在军事通信领域，卫星易于被敌方摧毁， 这已成为信息战中的一个严重问题。由于具有不可替代的重要作用，短波通信重 新引起了世界各国的高度重视，诸多机构都在不遗余力地进行研究。 近年来，短波通信领域里的研究非常活跃，国际上出现了许多的研究机构， 例如：i e e 在近三年的时间里已经连续举行了8 次“短波通信系统与技术”的会 议；i e e e 每年都召开“m i l c o m ”会议，会上有相当多的关于短波通信技术的文 章；美国为此成立了一个“短波通信工业协会( h f l a ) ，有诸多的大公司如h a r r i s ， m o t o r o l a ，r o c k w e l l ，h a l c o m m ，t h a l e s ，m o b i c o m m 等参加，每年召开2 3 次短波技 术交流的会议。另外，世界上还有其他的一些相关组织，如北欧无线电协会( n r s ) 、 加拿大的通信研究中心( c r c ) 。这表明经过了上世纪五六十年代卫星通信带来的 短暂冲击后，短波通信又重新唤起了人们的研究热情，在技术方面也获得了很大 的进展。 1 2 短波通信的发展及软件无线电 近年来短波通信正在向信道数字化、网络一体化、网管智能化、业务综合化 方向发展。自适应实时选频技术、短波组网技术、调频和差分调频抗干扰技术、 自动链路评估等技术的开发和应用，使短波通信具有更强的生命力和发展前景， 越来越受到军事通信部门的重视。我军短波通信系统的发展已从常规电台过渡到 自适应电台，从自适应电台过渡到抗干扰电台，从抗干扰电台过渡到数字化电台， 2 短波通信中数据链路层协议研究 “十五”期间正在从数字电台向可编程模块化电台这一国际先进水平迈进。 1 9 9 5 年4 月我军制定了g j b 2 0 7 7 9 4 短波自适应通信系统链路自动建立规程标 准，它是参照美军标中高频无线设备互通性和性能标准( m i l - s t d 1 8 8 1 4 1 a ) 而制剧，并通过了我国自行研发的短波自适应通信系统的验证。该标准的颁布对 我军短波自适应通信系统的发展起到了推动作用。 1 9 9 9 年3 月美军经过再次修改、完善和升级，制定了新的中高频无线设备互 通性和性能标准( m i l - s t d 1 8 8 1 4 1 b ) ，该标准将取代1 4 1 a 标准用于国防部所有 新系统和设备或升级换代老产品。m i l - s t d 1 8 8 1 4 1 b 中提出了第三代短波通信技 术的概念，其在支持第二代短波通信协议规定的话音通信和小型网络的基础上， 有效地支持大规模、数据密集型、快速高质量的短波通信系统，该标准的确立又 一次掀起了世界性的短波通信研究高潮。 1 9 9 2 年5 月，m i l t r e 公司的j e om i t o l a 首次明确地提出了软件无线电 ( s o f t w a r er a d i o ) 的概念【8 j 。其中心思想是：构造一个具有开放性、标准化、模块 化的通用硬件平台，将各种功能，如工作频段，调制解调类型、数据格式、加密 模式、通信协议等用软件来完成，并使宽带a d 和d a 转化尽可能靠近天线，以 研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。可以说这种电台是可用 软件控制和再定义的电台。选用不同软件模块就可以实现不同的功能，而且软件 可以升级更新，硬件也可以像计算机一样不断地升级换代。由于软件无线电的各 种功能是用软件实现的，因此要实现新的业务或调制方式只要增加一个新的软件 模块即可。同时，它能形成各种调制波形和通信协议，还可以与旧体制的各种电 台通信，大大延长了电台的使用周期，也节约了开支。软件无线电的优势主要表 现在以下几个方面： ( 1 ) 系统结构通用化。不同的通信系统可由相对一致的硬件平台利用不同的 软件来实现，系统的改进和升级方便； ( 2 ) 互操作性强。软件无线电提供了不同系统互操作的可能性。只要在硬件 平台上加载相应的软件模块并配备相应的射频部分，就能很自然地实现互通； ( 3 ) 模块复用。系统设计采用模块化设计思想，这些模块具有很强的通用性， 不同系统之间能够复用这些模块。技术更新时，只需要更新个别模块，大大降低 系统研制的成本； ( 4 ) 开发周期短。在软件无线电中，软件的生存期决定着通信系统的生存期。 一般地，软件开发的周期相对于硬件要短，开发费用要低，这样就能更快地跟踪 市场的变化，满足新的使用要求，降低更新换代的成本： ( 5 ) 功能实现灵活。由于系统主要功能都由软件来实现，可方便地采用各种 新的信号处理手段提高抗干扰性能，其它诸如系统频带监控、可编程信号波形、 在线改变信号调制方式等功能的实现也成为可能。 第一章绪论 3 软件无线电作为未来通信乃至未来无线电技术的发展方向，世界各国都在进 行深入的研究，美国尤为突出。美国军方制定了具体的发展计划，来研制三军通 用的软件无线电，即基于数字信号处理、软件可编程、模块化、多频段、多模式， 并具有波形重新配置能力的电台一p c a k c 舔y ( 易通话) ，电台工作频率为2 m h z - - 一 2 g h z ，计划与1 5 种在役或在研电台兼容，具备a m 、f m 、p m 以及各种数字调制 解调方式，含有许多无线电台特定的调制和专用的软件模块，还可以作为各种不 同模式电台之间通信的中继转发电台。 利用软件无线电技术来改变传统的短波通信系统的结构，形成新型的基于软 件无线电的数字化短波系统，是现代短波通信的一个新趋势。目前的短波通信设 备多采用硬件来实现调制以及频率变换等功能，由于受到器件的限制使得性能和 技术指标难以提高。对于短波通信而言，由于系统的工作频率较低( 2 m h z - - 一 3 0 m h z ) ，降低了对a d 电路的性能要求，可以利用现有的器件实现r f 射频信号 数字化，这是其实现软件无线电的一大优势。软件无线电技术不仅为新一代短波 通信设备提供了最佳的解决方案，并且为短波通信体制的突破发展提供了有利的 研究基础。 利用软件无线电思想，采用高速a d 和a 以及高速d s p ，可以实现具有开 放结构的短波软件无线电，如下图所示1 8 j 。， r 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一i 语音 图像 数据 传真 可 编 程 用 户 终 端 薹i|i蓁l妻sl蓁l： 调 可编程d s p 模块 高 速 d a c 功 放 l n a 天 馈 系 统 霰豁d s 析p 狭别l 软件开发工具 ( 可编程 模块) ll ”“一” ( a ) 开放结构的短波软件无线电发送原理图 l f 吗匝 怔 恒三至丑( 互悃 ( b ) 基于软件无线电的信号接收原理图 图1 1 具有开放结构的软件无线电 这个系统是由实时信号处理、环境分析管理以及软件开发工具三个模块组成。 其中，实时信号处理主要实现各种业务的综合、信源编码解码、数据链路控制( 流 量、差错控制) 、基带自适应调制解调、s s b 调制解调的数字实现、上下变频以及 4 短波通信中数据链路层协议研究 适用的电子对抗技术( 如分集和跳频) 等；环境分析管理针对短波通信的特点， 分析时间、空间、频率选择性衰落等特性，实现信道评估、最佳工作频率选择以 及通信链路的建立等，并进行相应的控制以获得最佳的通信状态：软件开发工具 可以分析和定义更先进的通信技术，并可以修改各工作模块以实现业务和性能的 升级。 1 3 选题背景和论文工作安排 美国国防部制定的中高频无线电系统互通性和性能标准m i l - s t d 1 8 8 1 4 1 b 定义了第三代短波自动链路建立系统，该系统以简洁而高效的设计有效地解决了 第二代短波系统所面临的各种问题。它用同步方式实现了快速的高频通信链路自 动建立，并在网络容量和数据吞吐量方面都取得了巨大的进展。在国内，一些单位 开始致力于第三代短波自动链路建立系统协议的研究、仿真及实现。本课题就是 从事了这方面的研究。 整个课题包括上层软件、数据链路层协议和物理层的调制解调和硬件平台等， 它们分别完成各自模块的方案设计和实现，并在整个系统中联合工作。硬件平台 设计和物理层的工作由本项目组中的其它老师和同学负责完成。本文的工作主要 集中于数据链路层协议的方案设计、软件实现、性能研究以及与第二代数据传输 协议性能的深入比较。 内容安排如下： 第二章主要介绍了短波通信数据传输协议的理论背景和常用的差错控制和流 量控制方式。包括对短波通信系统的软件模型和对a r q 方式、f e c 方式以及混合 a r q 方式的介绍，详细分析了c r c 校验的理论依据和实际实现方法，为以后的分 析打下了理论基础。 第三章介绍了第三代短波通信系统数据链路层协议的具体实现方案。首先介 绍系统的整体设计方案和各模块的分工，然后结合各个模块给出了数据传输协议 的设计，最后介绍了整体协议所遵守的同步定时机制以及本文所使用的硬件平台。 第四章主要研究了数据传输协议的性能并进行了比较。首先简要介绍了第二 代短波数据传输协议的帧结构形式，并分析了吞吐量的计算方法，然后将其与第 三代数据传输协议的性能做出了比较，用m a t l a b 仿真的形式得出了第三代协议 的优越性。 第五章总结了本文工作的经验和不足，并对以后的工作提出了展望。 由于作者理论和专业水平有限，加上时间和其它方面条件的限制，本文难免 有错误或疏漏之处，希望阅读本文的老师和同学给予批评指正，欢迎提出宝贵的 意见和建议。 第二章短波通信的数据传输协议 5 第二章短波通信的数据传输协议 2 1 数据传输软件系统模型 参照o s i 协议体系结构模型【4 】，短波点对点自适应数据传输系统可分为四层： 用户应用层、文件传输层、数据链路层和物理层，其中数据链路层又分为f e c 层 和链路控制层，如图2 1 所示。 厂1 丽丽 文件传输层 数据链路层 用户应用层 文件传输层 数据链路层 匪萼圃li 匪粤 盘l 盘 物理层物理层 无线信道 图2 1 数据传输软件模型 ( 1 ) 用户应用层是整个数据传输系统的最高层，是人机交互式界面，通过它 对发送和接收文件进行设置，并提供了短消息、断点续传以及地址编辑、串口设 置等辅助功能。 ( 2 ) 文件传输层定义了关于文件的传输协议，也包括直接对文件内部进行操 作。发送方提取出要发文件的属性形成数据包，接收方收到后生成相同格式的文 件；发送方按顺序将文件形成数据包，接收方收到后按顺序写到文件中去。 ( 3 ) 数据链路层分为链路控制层和f e c 层，二者共同负责传输系统的差错控 制，为文件传输层提供无差错的数据单元。 链路控制层有三方面的功能，一是组成链路控制层协议数据单元；二是控制 数传过程，保证数据的完整和正确；三是对收发双方的数据缓冲区进行管理。 f e c 层的主要功能是信道编译码、交织和解交织：发送时将链路层协议数据 单元进行编码、交织，转换成f e c 层的协议数据单元，也就是实际要发送的比特 6 短波通信中数据链路层协议研究 流；接收时完成解交织、译码、帧同步、速率识别等功能，将收到的比特流组织 成链路控制层所需的协议数据单元，支持链路控制层的运行。编码和交织的主要 作用是为了纠错和防止突发性错误。 ( 4 ) 物理层，在发送时依照要求对待发送的比特流进行波形形成，产生基带 信号，加入适当的同步序列，并对数字信号进行调制。接收时进行解调、捕捉同 步序列、位同步，并转化成数字信息，支持f e c 层的工作。 通常对于高质量远距离的短波通信系统，仅仅提高信道性能，往往不易达到 用户提出的要求，这一方面是由于多径展宽和多普勒频移确定了信道差错率的下 限；另一方面，还有一些其他因素，如天线场地、经济费用等，都在某种程度上 限制了信道性能的进一步提高，此时采用差错控制可能是最简单经济的方法。对 于无论多径、衰落或干扰所造成的数据错误接收，在一定的容限内，绝大部分都 可以通过差错控制系统纠正过来，从而提高系统的通信质量。 差错控制系统对改善通信质量一般来说都是有条件的，这个条件就是通信信 道本身的误码率不能超过某一个门限值( 例如1 0 之) 。实验证明，过分差的短波信 道，采用差错控制系统不但无益反而有害。因此仍然需要不断地研究改进信道性 能的各种技术，在不大的功率代价条件下，获得规定的信道性能【4 】。 差错控制方式基本上可分为两类。一类差错控制方式称为a r o 方式，即自动 请求重传方式( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) 。对于这种方式，在线路中必须具备反馈 信道，它常适用于专向通信。另一类差错控制方式称为f e c 方式，即前向纠错方 式( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 。在这种方式下，在发送方对所传送的信息利用一种较 为复杂的编码方式，而在接收端则按编码原则自动纠正一定程度的传播差错。目 前，综合这两种纠错方式，又衍生了h e c 方式，即混合纠错方式( h y b r i de r r o r c o n t r 0 1 ) 。 2 2 差错控制技术 2 2 1a r o 方式 目前在高质量非实时的短波数据传输系统中，最常用的是a r q 方式，在短波 干线上使用这种方式后，在原误组率为1 0 3 的基础上，使系统差错率减小到1 0 ， 即改善了1 0 0 0 0 倍。即使在比较差的情况下，误组率也可由1 0 之降到l f f7 ，完全符 合国际通报的要求l 引。 a r q 技术主要分为三类：停等式a r q 、退n 步a r 0 和选择重传式a r q 。 1 停等式a r 0 第二章短波通信的数据传输协议7 停等式a r q 的工作原理是：发送方每发送完帧数据后主动停下来等待接收 方的应答帧，并启动定时器。接收方收到数据帧后进行译码检错及其他处理，若 检验无误，则发送确认帧；否则不做处理。发送方若收到确认帧，开始发送下一 个数据帧：若定时器超时仍然没有收到确认帧，就认为该帧丢失或损坏并重发此 帧。为了保证数据帧的顺序和防止接收重帧，必须对数据帧和应答帧进行编号。 编号只需要模2 计数，数据帧编号称为s n ，用以保留最近发送数据帧的编号( o 或1 ) ；应答帧编号称为r n ，用以保留希望接收的下一个帧的编号( o 或1 ) 。 2 退n 步a r q 在停等式a r q 协议中，对于发送方来说，在任一个时刻仅有一个特殊的帧发 送或等待确认，这就没有很好的利用传输介质。为了提高效率，在等待确认的同 时可以传输多个帧。换句话说，我们需要让更多的帧处于未被确认状态。这种连 续发送的a r q 有两种方式，一种是退n 步a r q ，一种是选择重传a r q ，下面分 别介绍。 退n 步a r q 的基本工作原理如下：发送方按照它的窗口大小尽可能发送数据 帧，并设置定时器。接收方的窗口大小则始终是1 ，接收方总是在寻找按特定的顺 序到达的特定的帧，任何不按顺序到达的数据帧都被放弃并需要重传此帧，此帧 接收正确后，窗口向后滑动。如果数据帧安全、可靠并有序的到达，那么接收方 就发送确认。如果数据帧受到损坏或没有按序到达，接收方就保持沉默并且在它 收到所希望的帧之前放弃所有后续的帧，这样就会引起发送方定时器超时，则发 送方从没有收到确认的第一个帧开始重传所有的帧。接收方不必为每一个收到的 数据帧都发送确认，可以为几个数据帧发送累计的确认。 3 选择重传a r q 退n 步a r q 简化了接收站点的处理过程。接收方仅需要一个变量，不需要缓 冲乱序帧，这些帧会被简单的放弃掉。这样，如果一个数据帧受损，意味着要重 传更多的帧。对一个差错率高的链路来说，效率是非常低的。选择重传a r q 是在 退n 步a r q 的基础上，只重传出错的数据帧而不必重传n 个帧，这种机制在差 错率高的链路中非常有效，但是同时接收方的处理会更加复杂。 对于选择重传a r q ，接收窗口必须和发送窗口保持一致【引。如果数据帧的序 列号的范围是0 2 ”- 1 ，则发送窗口和接收窗口的大小至多为2 ”1 。下面以m - - 2 为例加以说明。m = 2 ，意味着数据包的序列号是0 - - 3 ，窗口的大小至多是2 图 2 2 中对当m = 2 时窗口大小为2 和3 的情况做了比较。 8 短波通信中数据链路层协议研究 时间 发送方接收方 加匝霉 豳 到国珂 发送方接收方 孕p 2 v a 一时志囊 n 孺司 l e e = = = = = 0 z = = 趟 图2 2 选择重传a r q 窗口的大小 如果窗口的大小是2 并且所有的确认都丢失，则帧0 的定时器超时并重传帧o 。 但是，接收方的窗口目前希望的是帧2 或帧3 而不是帧o ，所以这个复制帧理所当 然的被丢弃。当窗口的大小为3 且所有的确认帧都丢失时，发送方就发送一个帧0 的复制，但在这时，接收方希望的是接收帧0 ( 0 属于窗口内的部分) ，因此，作 为下一循环的第一帧而不是作为复制，它接收帧o 。这显然产生了错误。 2 2 2f e c 方式 这种方式要求发出的码字具有相当的纠错能力。接收端译码后不但可以发现 错码，而且能够判断错误码元所在的位置并予以自动纠正。因此纠错编码需要附 加较多的冗余码元，往往占总发送码元的2 0 , - - - 5 0 i 引，影响了传输效率，同时其 编译码比较复杂。但由于不需要反馈信道，实时性较好。 常用的f e c 编码方式有汉明码、循环码、卷积码等。 2 2 3 混合a r q 方式 和f e c 方式相比，a r q 方式除了能给用户提供较高的准确度外，还具有以下 优点： 1 ) 能够用于a r q 系统的检错码不需要大量的监督元，通常监督元的数量只占码 元总数的5 - - 一2 0 ，因此在满足一定准确度的要求下，a r q 系统利用数据信道的 效率比f e c 系统高。 2 ) 一般来说，在满足相同的信息准确度的要求下，a r q 设备的复杂性和费用均 低于f e c 。 3 ) a r q 系统能用来监督数据信道的性能。监督的方法通常是在特定的时间内， 一一一一一 = 囹 囹 豳凰 第二章短波通信的数据传输协议9 计算要求重发的次数，当重发次数超过门限时，就应采取措施改进所使用信道的 性能，或者提醒用户转用另一信道。由于短波数据传输系统中加入微处理器或p c 机，利用a r q 监督数据传输的短波信道，当重发次数超过门限时，就可以自动切 换速率或信道。 a r q 的主要特点是不能有效地用于通播网，只适用于专向通信，所以a r q 的应用具有一定的局限性，当用于通播网时，就要选用f e c 方式。 将f e c 设备与a r q 设备串联，构成一个混合a r q 系统，此时少量差错将在 接收端自行纠正，当差错严重，超出f e c 的纠错能力时，就向发送方发出请求重 发的信号，让发送方重发出错的部分信号。显然，这很好地适应了短波信道是典 型的随机一突发组合信道的特点。 本系统中采用了混合a r q 方式，f e c 层用卷积编码作为纠错码，链路控制层 的a r q 则分别应用了停等式a r q 和选择重传a r q ，将在第三章中做详细介绍。 2 3 循环冗余校验 c r c 即为c y c l i c a lr e d u n d a n c yc h e c k ，叫做循环冗余校验，它利用除法及余数 的原理来做错误侦测，是非常有效的检错方法。如果选择一些常用的标准多项式， 并假设多项式的阶数为l ，那么 1 ) c r c 能够检测所有影响奇数个位的突发性差错。 2 ) c r c 能够检测到所有长度小于或等于l 的突发性错误。 3 ) c r c 能够以2 l 概率检测到长度大于l 的突发性错误。 它的基本思想是利用线性编码理论，在发送端根据要传送的k 位二进制码序 列，以一定的规则产生一个校验用的监督码( 既c r c 码) r 位，并附在信息后边， 构成一个新的二进制码序列数共( k4 - r ) 位，最后发送出去。在接收端，则根据信息 码和c r c 码之间所遵循的规则进行检验，以确定传送中是否出错。实际应用时， 发送装置计算出c r c 值并随数据一同发送给接收装置，接收装置对收到的数据重 新计算c r c 并与收到的c r c 相比较，若这两个c r c 值不同，则说明数据通信出 现了错误。c r c 算法检测错误的成功率一般达到9 9 7 ，因此目前在通信程序中 得到广泛使用。 代数运算中，将一个码组表示为一个多项式，码组中各码元当作多项式的系 数。例如1 1 0 0 1 0 1 表示为：1 x 6 + 1 x 5 + 0 x 4 + 0 x 3 + 1 x 2 + 0 x + l ，即x 6 + x 5 + x 2 + 1 。 设编码前的原始信息多项式为p ( x ) ，p ( x ) 的最高幂次加1 等于k ；生成多项式 为g ( x ) ，g ( x ) 的最高幂次等于r ；c r c 多项式为r ( x ) ；编码后的带c r c 的信息多 项式为t ( x ) 。 发送方编码方法：将p ( x ) 乘以x 。( 即对应的二迸制码序列左移r 位) ，再除以 1 0短波通信中数据链路层协议研究 g ( x ) ，所得余式即为r ( x ) 。用公式表示为：t ( x ) - x p ( x ) + r ( x ) 。 接收方解码方法：将t ( x ) 除以g ( x ) ，如果余数为0 ，则说明传输中无错误发生， 否则说明传输有误。 求c r c 码所采用模2 加减运算法则，是不带进位和借位的按位加减，实际上 就是逻辑上的异或运算，加法和减法等价，乘法和除法运算与普通代数式的乘除 法运算一样。生成c r c 码的多项式如下，其中c r c 1 6 和c r c c c i t t 产生1 6 位 的c r c 码，而c r c 3 2 则产生的是3 2 位的c r c 码。 c r c 1 6 ：( 美国二进制同步系统中采用) g ) = r 6 + f 5 + x 2 + 1 c r c c c i t r ：( 由欧洲c c i t r 推荐) g ) = f 6 + f 2 + x 5 + 1 c r c 3 2 ： 6 ( x 、= x 3 2 + x 2 6 + x 2 3 + x 2 2 + f 6 + f 2 + f 1 + f o + x 8 + x 1 + x 5 + x 4 + x 2 + 叠+ 1 接收方将接收到的二进制序列数( 包括信息码和c r c 码) 除以多项式，如果 余数为o ，则说明传输中无错误发生，否则说明传输有误。 但在实际工程中t 9 1 ，我们不会直接这样去计算和验证c r c 。以下将说明工程 推导和实现c r c 的原理，以1 6 位为例： 1 6 位的c r c 码产生的规则是先将要发送的二进制序列数左移1 6 位( 既乘 以2 1 6 ) 后，再除以一个多项式，最后所得到的余数既是c r c 码，如式( 2 1 ) 式所示，其中b ( x ) 表示1 1 位的二进制序列数，g ( 酌为多项式，q ( 均为整数，r ( 均 是余数( 既c r c 码) 。 b ( x ) 2 1 6 ：q + 塑 ( 2 1 ) g ) 一7 g ) 幻按位计算 对于一个二进制序列数可以表示为： 曰( x ) = 或。2 “+ 色1 。2 4 1 + 且。2 + 曰o ( 2 - 2 ) 求此二进制序列数的c r c 码时，先乘以2 1 6 后( 即左移1 6 位) ，再除以多项式g ( x ) ， 所得的余数即是所要求的c r c 码。如式( 2 3 ) 所示： b ( x ) 2 1 6 。里2 2 一+ 堡= ! ：竺2 ”+ 里芷2 + 里芷( 2 - 3 ) g )g o )g )g )g ) 可以设： 等= 洲+ 等 ( 2 - 4 ) 其中q o ) 为整数，r 。o ) 为1 6 位二进制余数。将式( 2 - 4 ) 代入式( 2 3 ) 得： 等啪+ 等心4 + 等掣+ 等m 等 第二章短波通信的数据传输协议 观妒+ t 等+ 等心“+ 。+ 酉b i 2 1 6 “等协5 ， 再设： 等+ 等叱阱锗 弦6 ) 其中q 一。o ) 为整数，r 州o ) 为1 6 位二进制余数，将式( 2 - 6 ) 代入式( 2 5 ) ，如 上类推，最后得到： 等观妒舭靠：w - 2 + + q 0 m 等( 2 - 7 ) 根据c r c 的定义，十六位二进制数r 。o ) 即是我们要求的c r c 码。式( 2 6 ) 是 编程计算c r c 的关键，它说明计算本位后的c r c 码等于上一位c r c 码乘以2 后除以多项式，所得的余数再加上本位值除以多项式所得的余数。 按位计算c r c 虽然代码简单，所占用的内存比较少，但其最大的缺点就是一 位一位地计算会占用很多的处理器处理时间，尤其在高速通讯的场合，这个缺点 更是不可容忍。因此下面再介绍一种按字节查表快速计算c r c 的方法。 b ) 按字节计算 对于一个二进制序列数可以按字节表示为式( 2 8 ) ，其中风) 为一个字节 ( 共8 位) 。 b o ) 一b 。o ) 2 跏+ b 柑o ) 2 8 ”n + - - b 1 0 ) 2 8 + b o o ) ( 2 8 ) 求此二进制序列数的c r c 码时，先乘以2 1 6 后( 既左移1 6 位) ，再除以多 项式g ( ) ( ) ，所得的余数即是所要求的c r c 码。如式( 2 - 9 ) 所示： 堡垒! ：三! 。堡垡2 ：兰兰2 s 一+ 堡= ! 堡2 ：兰兰2 s ( 柚) + + b o ( x ) - 2 1 6 ( 2 - 9 ) g )g 似)g )g ) 可以设： 等吨m 鬻 协 其中q o ) 为整数，r 。( x ) 为1 6 位二进制余数。将式( 2 1 0 ) 代入式( 2 9 ) 得： 等也+ 等跏+ 锗口+ 等 咆防2 等+ 警 8 忙1 _ + 等( 2 - 1 1 ) 短波通信中数据链路层协议研究 义： r 。o ) 2 8 = 【尺栅8 ) 2 8 + 尺此8 0 ) 】2 8 - r 柑8 ) 2 1 6 + 尺址8 0 ) 2 8 ( 2 1 2 ) 其中。 ) 是疋o ) 的高八位，。 ) 是r 。 ) 的低八位。将式( 2 1 1 ) 代入 式( 2 1 0 ) ，经整理后得： 等- 删口叫等+ 髓铲”鲫1 ) + + b o ( x ) 2 1 6( 2 1 3 ) g 0 ) 再设： g o ) + b 0 ) 】2 1 6 g o )喙+ 锗( 2 - 1 4 ) 其中q 一。o ) 为整数，尺。4 0 ) 为1 6 位二进制余数。将式( 2 1 3 ) 代入式( 2 - 1 2 ) ， 如上类推，最后得： 等吨啪) 2 鼬- 1 ) + + 筹 ( 2 _ 1 5 ) 十六位二进制数舶( x ) 即是我们要求的c r c 码。式( 2 1 4 ) 是编写按字节计算 c r c 程序的关键，它说明计算本字节后的c r c 码等于上一字节余式c r c 码的 低8 位左移8 位后，再加上上一字节c r c 右移8 位( 也即取高8 位) 和本字节 之和后所求得的c r c 码，如果我们把8 位二进制序列数的c r c 全部计算出来， 放入一个表里，可以大大提高计算速度，这也就是所谓的查表法。 在本文所完成的设计中，用到了4 位、1 2 位、1 6 位和3 2 位的c r c 校验，均 可以运用以上所述的原理推导得出实现方法。 第三章第三代短波通信数据传输协议的实现 1 3 第三章第三代短波通信数据传输协议的实现 3 1 第三代短波通信协议体系介绍 随着短波通信网络的增长，第二代短波自适应链路建立协议在链路建立速度、 网络控制、信道利用率、信息吞吐量和兼容性等方面逐渐难以满足要求，用户迫 切需要更有效的短波通信管理协议。1 9 9 9 年3 月美军对m ，s t d 1 8 8 1 4 i a 标准 进行修改，制定了第三代短波自动链路建立系统协议( m ，s t d 1 8 8 1 4 1 b ) ，并于 2 0 0 1 年8 月3 1 日进行了进一步的完善和修订。第三代短波自动链路建立系统协议 在支持第二代协议规定的语音通信和小型网络的前提下，有效地支持大规模、数 据密集型快速高质量的短波通信系统。标准的确立又一次掀起了世界性的短波通 信研究高潮。 ， 3 1 。1 概述 3 g - a l e 全自动高频网络设备包括电台、a l e 控制器与a l em o d e m 、数据控 制器与数据m o d e m 、h f 网络控制器h f n c l l l l 2 4 l 。 3 g 舢正标准采用了扩频及r a k e 接收等技术。扩频技术具有功率谱密度低，不 易被截获和干扰等特点。由于利用宽带信号分离信道中的多径信息，实现多径分 集，在对抗色散的同时也提供了较强的抗衰落能力，尤其适用于高速数据传输。 相对于第二代短波自动链路建立系统，第三代短波自动链路建立系统进行了许多 改进，采用了许多新技术，主要表现为：数字p s k 调制解调方式、b w 系列波形 传输、呼叫信道的同步扫描、将网络内的电台划分为不同的驻留组、信道分离、 时间片信道访问方式、信道设计采用特殊的载波侦听机制，达到共享呼叫信道的 同时监控传输信道，从而避免冲突，支持呼叫信道和传输信道分离，有利于对传 输信道的监听，在建链成功后迅速转移到传输信道上。 3 g 6 衄在链接能力、链接速度、网络规模、网络效率、数据吞吐量等方面显 著提高了短波通信网络的性能： 1 ) 链路建立快速，最快可达到1 6 s ，次成功建链仅需完成双向传输，不是 2 g 。虹正需要的三次握手，大大减少了建链时间及a l e 信息在空中暴露的时间； 2 ) 较低的s n r 下仍然可实现连接( 在衰落信道中可改善6 - 9 d b ) ； 3 ) 全网络可以同步工作，具有优先级的信道访问和防碰撞措施，支持更多站点( 最 1 4短波通信中数据链路层协议研究 多可容纳1 9 2 0 个) 和更大信息量，效率高； 4 ) 创- 正( 自动链路建立) 和d l p ( 数据链路协议) 使用统一波形( 串行单音8 p s k 波形) 实现链路建立和业务交换； 5 ) 采用增强的a r q 协议，提高在各种信道条件下的通过率，简化自适应算法； 6 ) 支持i n t e m e t 协议及应用。 第三代短波自动链路建立系统共分为4 个层次，其组织结构和模块划分如图 3 1 所示。其中虚线中间部分为3 g h f 系统协议数据链路层。 图3 1 协议层次划分 根据o s i 七层模型，通常将数据链路层的协议分成两层，即l l c 层和m a c 层。其中l l c 层包括4 个部分：3 g 剐正、t m 、数据连接管理( 包括高速数据连接 管理( h d l ) 和低速数据连接管理( l d l ) ) 和电路连接管理( c i r c u i tl i n km a n a g e m e n t ) ， m a c 层为物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 。 3 1 2 物理层 物理层负责对调制解调器等外设的控制，完成所有的串行数据操作。通过物理 层的划分，使得上层协议和底层硬件分割开来，对于上层协议隐藏了数据流传输 的细节以及不同类型调制解调器的差别。 第三代短波通信在链路建立、业务管理和数据传输中使用突发波形来进行分组 交换，从而提高了系统的灵活性。为了满足不同信令在白噪声、衰落和多经信道 第三章第三代短波通信数据传输协议的实现 下，对载荷、持续时间、时间同步、捕获和解调性能的不同要求，1 4 1 b 定义了 b w 0 一b w 4 五种突发波形。如图3 2 所示： w t , v e u s e a lf o rb u n ad u r a t i o n p 母, l o a dl x e a m b l of e c d i n g l i n e rl e a v i n gd a t af o n n 甜 e f f e c t r v e l 磊觚c o d e 瓣。l 3 g - a l e 6 1 33 3 m s 1 6 00 0 1 mr a t e = l 2 ，k = 7 1 6 - m y b w 02 6 b i 虹3 8 4p s kc o n v o l u t i o n a l4 1 3b l o c k o r t h o g o m l l 瞒 p d u s1 4 7 2p s ks y m b o l s w a l s h s y m b o l s( n of l i u s hb i i s ) f l l n c t i o l l t i 桶c m m l a g e m e u t 2 4 0 0 0 mr a t e l 3 , k = 9 1 6 - n r y p d u s ； 1 3 0 6 6 7s e c o n d s o r t h o g o m l i ，1 4 4b w l4 8 b i t l l5 7 6 p s kc o n v o l u t i o n a l1 6 9b l o c k w a i s hh d l a c k n o w 3 1 3 6p s ks y m b o l s 日a a b o l s( n of l i u s hb i i s ) l e d g e m e n l f u n c t o n p d u s 6 4 0 + ( n + 4 0 0 ) m s 2 66 7 r m h d li r a 币c 1 5 3 6 + f n 9 6 0 ) p s k n 1 3 8 i 6 4p s kr a t e = k - - 8 3 2u n k n o w v m a n e ： b w 2 s y m b o j s ( f o r c o n v o l u t i o n a l d a r t sp d u s s y m b o l s b i 协1 6k o n wi i t o i 4 n = 3 ，6 ，1 2 0 r 2 4 e q u a l i z e r( 7f l i u s hb i t s ) t r a i n i n g ) 3 7 3 3 3 + 1 33 3 nn i t 2 6 6 6 7 n mr a t e = l 2 土= 7 1 6 - a r y l d l 缸a 妇f i c 3 2 n + 8 9 6p s k $ n + 2 5c o l l v o l u t i o m lo r t h o g o n n lv m a b l e ： b w 36 4 0 p s kc o n v o l u t i o o n l d a m p d u s y m b o l s , n = 3 2 nh i mb l o c kw a l s h1 1 2 t ol 小 m = 1 3 - 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