短波宽带数据通信传输体制性能分析*

王董礼，曹 鹏，黄国策，孙启禄，卓 琨

（1.空军工程大学 信息与导航学院，陕西 西安 710077；2.93995部队，陕西 西安 710306）

短波宽带数据通信传输体制性能分析*

王董礼1，曹 鹏1，黄国策1，孙启禄1，卓 琨2

（1.空军工程大学 信息与导航学院，陕西 西安 710077；2.93995部队，陕西 西安 710306）

针对短波宽带数据传输的研究热点，介绍分析两种主流短波宽带传输体制，从多个角度进行对比研究。结果表明，WBHF（Wideband High Frequency）对比HF XL（Thalse宽带传输替代方案）频谱可用性较差，射频性能中相位噪声较大，峰均功率比较低，抗干扰性能有限。WBHF和HF XL在不同指标方面各具优势，因此在实际频谱环境下要根据传输需求选择合适的传输方案。

短波通信；宽带数据通信；WBHF；HF XL

0 引 言

短波以其超视距（Beyond Line of Sight，BLOS）通信优势和近垂直入射天波（Near Vertical Incidence Skywave，NVIS）传播技术，一直是军事通信、无盲区通信和应急通信的重要手段。传统的3 kHz短波信道一般传输速率为600 bps[1]，即便是使用现代调制波形（STANAG 4539[2]或MIL-STD-188-110C附录C[3]），在3 kHz信道上最高传输速率也不超过9.6 kbps[4]。随着短波通信需求的不断增长和网络化应用的不断拓展，窄带低速数据传输已经无法满足通信发展的需求，因此短波宽带高速数据传输成为研究的热点。

目前，短波宽带数据通信体制主要有两种：一是基于美军标MIL-STD-188-110C附录D的WBHF（Wideband High Frequency），是单一连续带宽最高为24 kHz（甚至更宽）的单载波传输体制；二是基于北约STANAG 4539标准的HF XL（法国Thalse公司的宽带传输替代方案），是在多个不连续的3 kHz信道上（最多16个）进行数据传输的多载波传输体制[5]。本文首先对WBHF和HF XL两种宽带体制进行详细介绍，其次从频谱可用性、射频性能、峰均功率比和抗干扰的角度进行对比研究。结果表明，两种宽带体制针对不同的评价指标各具优势。总体而言，WBHF传输性能较好，对电台要求较高，而HF XL使用较为灵活，能够与现有电台兼容，实现复杂度低。

1 美军标MIL-STD-188-110C附录D（WBHF）

2011年，美军颁布最新的短波调制解调标准MIL-STD-188-110C。该标准在附录D中定义了连续带宽最高可达24 kHz的宽带调制波形[3]，构成了WBHF的基础。MIL-STD-188-110C附录D以3 kHz为间隔，带宽从3 kHz到24 kHz（共8种），数据传输速率从75 bps到120 kbps（共33种），4种交织深度可选，数据帧长度可变，共13种调制波形。110C打破了传统的窄带传输体制，是第一个完全意义上的宽带数据传输标准。在WBHF体制中，用户可以根据需求选择不同的带宽、调制方式、数据传输速率、交织深度和编码约束长度等，可使调制解调器的效用达到最高。因此，WBHF比110B具有更高的选择性和灵活性[6]。

WBHF传输体制所采用的帧格式由同步序列、数据块和收发双方已知的微探测序列组成。相较110B中单一带宽数据帧长度固定而言，WBHF帧中数据块和微探测序列随着带宽的变化而变化。其中，微探测序列一般采用工程上的FH（Frank-Heimiller）序列和QR（Quadratic-Residue）序列来对信道响应进行准确估计[7]。通常，WBHF宽带数据通信技术体制中，随着传输速率的下降，数据块的长度减少，微探测序列的长度增加[4]。通过这种方式减少微探测序列之间的时间间隔来提高对多普勒扩展的容忍度，增加微探测序列的长度来提高对多径时延的容忍度，但同时牺牲了数据传输效率。

为验证WBHF的性能，2010年的跨大西洋链路实验在12 kHz信道上实现了19.2 kbps和38.4 kbps的传输速率[8]。2011年的短波IP网络实验评估高速数据传输下短波IP协议的性能，在18 kHz带宽天波链路上实现了72 kbps传输速率[9]。2013年，美国Rockwell公司对WBHF带宽和传输速率进行了扩展研究，将带宽扩展到30、36、42和48 kHz，并在48 kHz带宽上实现了240 kbps的传输速率。该公司向110C技术咨询委员会建议为110C标准增加一个新的附录，以便为短波带宽的进一步扩展研究提供标准[4,10]。美国进行的一系列实验，对带宽扩展后的短波波形的性能和互操作性进行了分析，验证了WBHF的宽带波形比窄带波形具有更好的性能。

2 Thalse宽带传输替代方案（HF XL）

由短波宽带信道可用性[11-12]可知，短波信道随着带宽的增加可用性减小，连续带宽较大的频谱空洞数量较少、可用时间较短。但是，研究表明，不连续的窄带频谱空洞的数量较多[13]，因而如何有效利用这些分散的窄带信道，实现高速的宽带数据传输成为研究的重要方向。2012年，法国Thalse公司进行了宽带传输替代解决方案——HF XL[14]。该传输体制中使用的宽带波形与WBHF中所定义的不同，是在多个不连续的3 kHz信道上传输STANAG 4539标准所定义的窄带波形。STANAG 4539标准建议使用多个独立信道，在2～8个3 kHz信道上实现并行数据传输[2]，Thalse的HF XL在此基础上进行了探索和改进。

HF XL是在连续的200 kHz频段上，在多个不连续的3 kHz信道上，进行多路窄带数据传输，其使用的传输信道如图1所示。同时，多个使用HF XL波形的用户可实现对200 kHz频段的共享，以实现频谱的高效利用，共享方式如图2所示。在200 kHz频段上实现多路窄带传输，HF XL用户首先要感知该频段的频谱状况，然后对可用的频谱空洞进行评估，动态地进行信道选择，从中选出满足HF XL用户QoS（Quality of Service）需求的可用信道进行数据传输。当HF XL所使用的信道数为1时，就变成了传统的STANAG 4539定义的窄带波形。因此，HF XL可以与使用该标准的短波电台完全兼容，且工程上容易实现，其传输系统框图如图3所示。

图1 HFXL8信道体制

图2 多个HFXL用户频段共享

HF XL支持在连续的宽带信道上进行传输，只不过与WBHF的单载波相比，HF XL是把宽带信道划分为多个3 kHz窄带信道，并在这些3 kHz信道上进行数据传输。Thalse公司在2012的首次验证实验中，在15个3 kHz信道和传输错误比特率小于10-5的要求下，实现的最高瞬时传输速率为138 kbps，并且在8～15条链路上实现了稳定的64 kbps数据传输速率[14]。

3 性能对比

3.1 频谱可用性

WBHF使用连续宽带信道进行数据传输，由于宽带频谱空洞在整个短波频段内数量较少，占用频段较宽，易受突发干扰影响，因此可用性较差。HF XL使用多路窄带波形进行数据传输。根据Thalse在法国Coulommiers地区频谱可用性统计测量结果表明，8个3 kHz窄带信道的可用性优于连续12 kHz宽带信道，且远好于连续的24 kHz宽带信道，同时，16个3 kHz窄带信道与连续12 kHz宽带信道的频谱可用性相当，且在16个3 kHz信道上实现的吞吐量是24 kHz连续信道的两倍[13]。HF XL相较WBHF，可选择性和灵活性更强。例如，在200 kHz频段上进行同等的24 kHz宽带传输，HF XL需要使用8个3 kHz信道，共有6×109种可能的组合方式，而WBHF需要使用连续24 kHz宽带信道，只有59种，远小于HF XL。因而，短波频段上多路窄带信道在时间和空间上可用性较高，且HF XL可以通过自适应技术避开窄带干扰，在实际运用中更加灵活。

3.2 射频性能

与传统的窄带体制不同，宽带体制对短波电台的射频性能提出了更高的要求。文献[15]从调制错误比率和带外辐射两个指标对两种体制中所使用波形的射频性能进行分析研究，并从发射机的相位噪声和功放的线性度两方面对其进行对比。当发射机功率一定时，WBHF中波形随着带宽的增加，功率谱密度降低，增加了潜在的相位噪声功率，使发射信号调制错误比率增大，系统性能降低。相比而言，HF XL是多载波窄带并行数据传输，单个信道相位噪声较低。但是，HF XL多载波调制波形比WBHF单载波带外辐射更加严重，在发射机性能较大提升的情况下，带外辐射只是一个中度的提高，且在相同发射水平和相等的24 kHz带宽下，根据文献[15]的仿真结果，带外辐射的功率谱密度要高出WBHF 20～40 dB。

3.3 峰均功率比

峰均功率比（Peak to Average Power Ratio, PAPR）是多载波传输不可避免的问题。HF XL体制中，波形由多个载波叠加而成，当各个子载波相位相同或者相近时，叠加信号便会受到相同初始相位信号的调制，从而产生较大的瞬时功率峰值，由此带来较高的峰均功率比。由于一般功放的动态范围有限，所以峰均功率比较大的HF XL信号容易进入功放的非线性区域，导致产生非线性失真，从而造成明显的频谱扩展干扰和带内信号畸变，致使系统性能严重下降。相对而言，WBHF体制单载波传输的峰均功率比很低。在64QAM高阶调制下，峰均比为4.5～5.5 dB[16]，在单载波调制解调模式中既可以实现数据的高速传输，又可以降低峰均功率比。

3.4 抗干扰

在对传输可靠性要求较高的场合，HF XL多路窄带数据传输可以使用频率分集技术[17]，如图3所示。数据流经过信道编码和交织后，通过串并变换把高速的数据流变成多路低速数据流。此时，为保证数据传输的可靠性，可以在调制解调器中引入频率分集技术，把冗余信息调制在不同载频上进行传输。由于每路信道数据传输速率相对较低，即便是在一路或多路信道干扰严重的情况下，也可以通过其他未受干扰的信道恢复出原有数据，从而保证数据传输的可靠性，对窄带干扰和信道扰动有很强的抗干扰能力。而WBHF由于带宽较宽，易受突发干扰的影响，且一般采用前向纠错（FEC）和均衡技术来抵抗干扰和失真。但是，由于FEC纠错能力有限，宽带均衡技术实现较为复杂，无法使用频率分集，因而其抗干扰能力有限。表1为WBHF与HF XL性能对比的情况。

表1 WBHF与HFXL性能对比

4 结 语

WBHF体制本质上是单载波单边带传输，能充分利用扩展的信号带宽，在单音调制下实现宽带数据传输。HF XL体制本质上是多载波单边带传输，通过串并变换把高速串行数据流变为多路低速数据流，适应信道衰落特性，可靠性较高。WBHF和HF XL两种技术体制各具特点。如表1所示，它们分别适用于不同的应用环境和场景。例如，短波的低频段十分拥挤，宽带频谱空洞较少，此时可以利用多个不连续的窄带频谱空洞，使用HF XL中定义的波形进行宽带传输，提高频谱利用率；而短波高频段使用较少，此时可以使用WBHF体制的宽带波形来进行高速数据传输。总体而言，WBHF传输性能较好，实现需要高性能的元器件，对电台要求较高。而HF XL使用更加灵活，实现复杂度低，能够与现有电台兼容。

短波宽带高速数据传输是短波通信的研究热点，本文介绍分析WBHF和HF XL两种宽带数据通信技术体制，并从多个角度进行对比研究。为应用两种宽带数据通信技术体制，最重要的是信道选取问题。根据短波宽带信道可用性，看似拥挤的短波频段实则存在大量频谱空洞，因而应用认知无线电技术，从拥挤的短波频段中选择可用的频谱空洞，进而自适应选择合适的宽带体制进行宽带传输，是下一步研究的重点。

[1] 胡中豫.现代短波通信[M].北京:国防工业出版社,2003:1-5. HU Zhong-yu.Morden Shortwave Communication[M]. Beijing:National Defence Industry Press,2003:1-5.

[2] North Atlantic Treaty Organization.STANAG 4539,Nonhopping HF Communications waveforms[S].2000.

[3] US Department of Defense.MIL-STD-188-110C,Interoperability and Performance Standard for Data Modems[S].1991.

[4] Jorgenson M B,Johnson R W,Nelson R W.An Extension of Wideband HF Capabilities[C].Military Communications Conference,2013:1201-1206.

[5] Lamy-Bergot C.HF XL:Adaptive Wideband HF Transmissions[C].Nordic HF Conference(HF 13),2013.

[6] 屠文超,江天娇,叶向阳等.美军短波宽带数据通信标准的最新进展[J].电讯技术,2012,52(09):1547-1551. TU Wen-chao,JIANG Tian-jiao,YE Xiang-yang,et al. Latest Development of US Wideband Standard for Data Communication over HF Radio[J].Telecommunication Enginee-ring,2012,52(09):1547-1551.

[7] Furman W N,Nieto J W.Latest On-air Testing of U.S. MIL-STD-188-110C Appendix D Wideband HF Data Waveforms[C].Iet International Conference on Ionospheric Radio Systems & Techniques(IRST 2012),2012:1-5.

[8] Jorgenson,Nelson,Doms,et al.WBHF Testing over Transatlantic Link[R].HFIA:2011.

[9] Jorgenson M B,Nelson R W.Wideband HF Over-The-Air Test Results for ARQ and Networking Applications[C]. International Conference on Ionospheric Radio Systems & Techniques,2012:56.

[10] Jorgenson M B,Nigel T C.Results from a Wideband HF Usability Study[C].Milcom 2015 Track1-Waveforms and Signal Processing,2015:1454-1459.

[11] William Furman.Summary-Wideband HF-ChannelAvailability Working Group[R].HFIA:2014.

[12] Bram Watson.Wide Band HF UK Spectrum Utilisation [R].HFIA:2015.

[13] Lamy-Bergot C,Chantelouve J B,Lemenager C.Spectrum Issues for HF Wideband Communications[R].HFIA:2012.

[14] Eric Bader.HF XL An Alternative 4G Solution[R]. HFIA:2012.

[15] Eric Koski.RF Performance Implications of Wideband HF Waveforms[C].Military Communications Conference,2014:1491-1497.

[16] 王玉龙.短波宽带波形技术体制发展探讨研究[J].通信技术,2013,46(08):44-47. WANG Yu-long.Study on Development of Wideband HF Waveform Technology[J].Communication Technology, 2013,46(08):44-47.

[17] Lamy-Bergot C.HF XL Modem[R].HFIA:2013.

王董礼（1992—），男，硕士研究生，主要研究方向为短波认知通信；

曹 鹏（1982—），男，博士后，讲师，主要研究方向为短波通信组网；

黄国策（1962—），男，硕士，教授，博士生导师，主要研究方向为军事通信组网；

孙启禄（1977—），男，博士，讲师，主要研究方向为短波通信组网、卫星通信;

卓 琨（1987—），男，博士，工程师，主要研究方向为短波装备应用。

Performance Analysis of HF Wideband Data Communication Transmission Systems

WANG Dong-li1, CAO Peng1, HUANG Guo-ce1, SUN Qi-lu1, ZHUO Kun2
(1.School of Information and Navigation, Air Force Engineering University, Xi'an Shaanxi 710077,China；2. Unit 93995 of PLA, Xi'an Shannxi 710306, China)

Aiming at the research hotpot of the HF wideband data transmission, two major HF wideband data communication transmission systems are described and analyzed, and compared from multiple angles. Comparison with HF XL (Thalse's alternative solution for wideband transmission)indicates that WBHF (Wideband High Frequency) has fairly low spectrum availability, PAPR and anti-jamming performance, but is higher in phase noise of RF performance. In a word, WBHF and HF XL both have their own advantages, so it is necessary to choose proper transmission scheme in accordance with the actual spectrum environment.

HF communication; wideband data communication; WBHF; HF XL

China Postdoctoral Science Foundation(No.2013M532220)

TN92

A

1002-0802(2016)-07-0812-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.07.003

2016-03-10;

2016-06-13 Received date:2016-03-10;Revised date:2016-06-13

中国博士后科学基金（No.2013M532220）