通用短波数据传输协议发展状况综述
张有光
江琥 熊鹰
（北京航空航天大学电子工程系， 北京 100083）
摘 要：主要介绍通用短波数据传输协议从产生到现在所经历的3个发展阶段，对3代协议的性能进行了简要比较。
关键词：短波通信；数据传输协议；综述
一、 引言
短波通信具有成本低、通信距离远、抗毁能力强、机动性能好等优点，长期以来广泛用于远距离、大范围、移动通信等场合，是一种十分重要的通信手段。到了20世纪60年代中期，卫星通信问世。卫星通信以其传输稳定、信号质量好、波段范围宽、通信容量大、覆盖范围广，且可以实现多址通信等一系列独特的优点，很快发展成为中、远程通信的主要手段。短波通信因此受到冷落，大有被卫星通信取代之势。70年代末和80年代初，空间技术、热核技术和电子对抗技术的发展，对通信卫星的顽存性构成了严重的威胁。在通信卫星遭到打击通信中断的情况下，短波通信仍是唯一的远程通信手段。而且随着微电子的技术、大规模集成电路技术和计算机技术的发展，使短波通信技术取得了一系列重大进展, 短波通信设备在世界范围内有了更为广泛的应用。相应地，短波数据传输协议也有了迅速的发展。
二、
短波数据传输协议的发展历程
从上个世纪初到现在，短波数据传输协议的发展大体上可分为3个阶段。
(1)以RTTY为代表的第一代数传协议（又称为电传）
这是由19世纪发明的莫尔斯电码发展而来，在二战中开始广泛应用。它一般采用5位的博多码，每个码都有起始位和停止位，以便接收方作同步。采用FSK（频移键控）的调制方式， 传输速率一般都不超过100 bps。这种方式不具备纠检错的能力，一旦信号受到一点轻微的干扰，接收方就有可能产生误码（对于短波这种基本依靠大气中的电离层进行传输的通信方式来说，干扰是不可避免的），这给通信带来了极大的不便。例如，重要的数据段有可能要发送２～３遍，以保证接收的准确性，这样更降低了通信效率。
(2)以AMTOR、PACKET、PACTOR以及CLOVER为代表的第二代传输协议
1)AMTOR是在80年代初期由Peter
Martinez参考SITOR协议经过修改演变而来，是对RTTY方式的改进。修改的原则是能使用简单的设备和在恶劣的传播条件下更有效地提高通信质量，因此使用了高冗余度来进行质量保障，其通信效果要比RTTY优越得多。和RTTY一样，AMTOR使用170 Hz频偏的FSK调制方式，每个字符的编码采用5个比特来表示，跟电传不同的是在这5个比特上又加了2个比特来保证每个编码包含4个MARK位和3个SPACE位，接收方可以以此检查接收是否有错。
AMTOR有ARQ和FEC两种基本模式。ARQ模式中，数据的发送是单向的。发送站一次发送3个字符的数据包，接收站对每个字符进行4/3的比特校验，如果正确，接收站发送一个表示“发送下一段数据”的控制信号，否则， 发送“重发上一段数据”的控制信号。FEC模式不把数据分成3个字符一段进行发送，而是每个字符发送2次，不需要回传确认。接收方把2次收到的字符都进行4/3的比特校验，如果正确就接受，如果其中有一次出现差错，就使用另外一次的接收字符代替，如果2次都有错误，直接输出错误符号。这种方式具有同时向多个电台发送的能力， 但是纠错能力有限，不如ARQ。而ARQ只能在2个站之间传数据，不具备一点对多点的能力。
AMTOR数据包占时短，
抗干扰能力强， 传输速度因而比较低。但由于其在恶劣的通信条件下仍能建立有效的通信，所以应用较广，现在仍然被广泛使用在海上短波通信及无线BBS和无线邮箱。
2)PACKET是一种基于AX.25协议的数据通信方式。AX.25是在有线通信协议X.25的基础上发展起来的，由于传播介质和地址分配形式的不同，对X.25协议做了修改。PACKET使用了完整的AX25协议，可以容易地实现诸如数据的多重转发、文件的上传下载、信件的接收和发送、远端控制以及捆绑其他协议实现更多的功能。
在PACKET方式下，链路层以数据块的形式传送数据，称为“帧”。每个帧由几个较小的数据段组成。数据被编为一个个8位的字节。任何8位的二进制数据（包括ASCII码）都可以直接传送。一个典型的PACKET数据帧的格式如表1所示。
数据帧的开头和结尾是帧标志，指示数据帧的开始和停止。地址段包含发送方/接收方的地址，也可以包括转发站地址。控制段是对数据帧的描述。PID是协议描述，帧校验序列（FCS）用于检验一个帧在从发送端到达接收端时是否受到破坏。
PACKET采用FSK调制，标准速率是300
bps。在链路层上，AX.25采用退N步的连续ARQ，但不包括前向纠错，这就要求信道状况必须相当地好以避免频繁的重传,这使它在短波环境下不是很有效率。而且在短波环境下，300 bps的标准速度显得太快，容易受到多径传播失真所带来的干扰。PACKET的一个数据帧占时也比较长，即使很小的干扰脉冲都有可能破坏数据帧中的几位，从而造成整个数据帧的接收失败。
3)PACTOR是为了克服AMTOR和PACKET的已知缺点而设计的，它兼有AMTOR和PACKET的特点。PACTOR使用100或者200 bps的双音频FSK调制，可以传送任何8位的二进制数据。根据短波信道的情况，其速率可以在100或者200 bps之间自动切换。PACTOR对于数据采用CRC校验，对于数据中的文本还可以进行霍夫曼编码进一步提高数据吞吐量。
PACTOR由于其为短波优化了的协议，可以在恶劣的短波段传播环境中提供更快的传送速度，并且可以方便地使用扩展的ASCII码，是短波段数据传送较流行的一种方式。
4)CLOVER是专为在恶劣的短波环境下传输数据而设计的通信协议。早期CLOVER先后发展出了2种不同的模式：CLOVER－I和CLOVER－II。CLOVER－I使用单频的PSK调制，占用100 Hz的带宽。它对modem硬件的要求不高，但对电台的频率稳定性要求非常的高。CLOVER－II是CLOVER－I的扩展版本，在很多方面应用了先进的DSP技术。CLOVER－II采用包括频率、相位、振幅调制在内的四音频多进制调制系统。为了对抗在短波频段由多径传播失真带来的干扰，它使用非常低的基带数据速率： 31.25 符号/秒。由于采用多进制的频率、相位、幅度调制，数据包内的数据传输速率为125～750 bps。它动态地评估每一个数据包的信噪比、相位漂移和纠检错情况，对数据进行分析，从而在发送下一个数据包时对调制模式进行调整以适应当前的信道情况。
每个CLOVER－II的数据包都进行RS纠错编码，这使得CLOVER－II能够在不重发数据包的情况下纠正许多错误。而AMTOR、PACTOR和AX.25 PACKET数据分包协议都需要重发数据包来纠正错误。如果误码超过了RS译码器的纠错能力，CLOVER也会重新发送数据包，但只重发需要被纠正的数据包，这种方式称为选择式ARQ。RS纠错编码和选择式ARQ的结合能够提供快速有效的无差错传输。CLOVER－II的ARQ模式是双向的，不需要“OVER”命令，数据可以同时双向进行传输。在进行RS编码时， 原数据被编成8 bit一个字节的数据，再加上纠错码，所以对数据流来说是透明的，因此压缩的或加密的原数据不必担心数据的完整性。
(3)以CLOVER-2000和PACTOR -II 为代表的第三代传输协议
它们分别是在CLOVER-II和PACTOR－1的基础上发展起来的，是目前较为先进的两种短波数传协议，下面分别加以介绍。
1)CLOVER-2000是一个先进的短波数传协议，它完全包括了前述CLOVER协议的所有优点，如可根据当前信道状况调节信号调节方式的ARQ控制，RS编译码，选择式ARQ重传，而且在传输速率上有了一个很大的提高。在不进行数据压缩的情况下，CLOVER-2000可以达到2 000 bps的传输率，并且带宽控制在2 000 Hz之内（500～2 500 Hz），所以它兼容所有的SSB电台。由于采用差分调制而不是绝对相位和幅度调制，所以不需要安装昂贵的线性相位和宽带滤波器。
CLOVER-2000的ARQ传输包括5种不同的调制方式：BPSM、QPSM、8PSM、8P2A和16P4A。最大的数据传输速度在BPSM调制时为35字节/秒，而在16P4A调制时为210字节/秒。BPSM一般用于信号微弱或干扰较强的情况，而16P4A则要求信道情况相当的好。
CLOVER - 2000解调器每接收一个数据块，都会衡量和存储信噪比SNR，相位漂移PHS，错误校正能力ECC。这些信息和每种模式的基准值比较，确定最优的调制模式。这种判决每5.5
s一次。与那些只有一种或者两种传输速率可选的自适应ARQ协议相比，CLOVER-2000不是调整完传输速率后再测试以判断调整是否合适，而是直接衡量信号参数，然后采用可行的调制模式。
CLOVER-2000使用两层ARQ协议。在发送系统的控制信息包时，使用非常强壮的调制模式；在传输数据的时候采用适应当前信道状况的调制模式。
多数的短波ARQ协议在同一时间内只能允许通信的一方进行发送，另一方直到接收到“OVER”信号后，才可以转入发送状态。CLOVER-2000的ARQ协议是双向的。其时间帧会自动地调整长度以适应单向或双向的数据量。在建链时，链路两端使用6个字节的控制包来交换信息。如果一方有大量数据, ARQ模式自动调整到加长的时间帧。同样，如果另一方有大量数据，时间帧也会相应的延长。
2)随着高性能的CPU 和DSP芯片在商用无线通信设备上的逐渐普及，需要一种新的协议来发挥其在信号处理上的能力，于是，在 PACTOR－I的基础上产生了 PACTOR
-II。PACTOR -II在调制模式、ARQ控制、编译码算法以及传输效率上都大大优于PACTOR -I，而且向下完全兼容PACTOR－I。在初始建链时，先使用PACTOR－I的FSK方式进行通信，如果两边都支持PACTOR -II，则会进行自动的切换。PACTOR -II基本上使用一种双音的DPSK调制模式，调制信号为升余弦脉冲，这使得信号的带宽保持在500 Hz以内。其最大的绝对传输速率为800
bps，如果采用改进的在线式压缩，可以达到1 200 bps的传输速率。
在差错控制方面，除了使用选择式ARQ外，PACTOR-II在各种传输速度下都使用限长为9的卷积码和实时的软判决维特比译码。因此PACTOR-II是一种非常健壮的传输模式，能够在非常恶劣的条件下建立起链接并达到适宜的传输速率。同CLOVER-2000类似，如果有大量的数据要发送，PACTOR -II也会自动切换到加长的数据包。长数据包基本上和短数据包的结构一样，只是有一个更长的数据区，最长可以容纳2 208 bit的有效数据。
PACTOR－II使用不同的DPSK调制方式和不同的码速率：200 bps下使用DBPSK；400 bps下使用DQPSK；600 bps下使用8-DPSK；800 bps下使用16-DPSK。它不使用抗干扰能力较差的ASK调制，因此其信号的幅度因数（Crest Factor）只有1.45。传输速度的选择是根据链接状态和实际信道质量自动选择的，无需人工干预。
三、 各种数传协议的比较
为了选择测定各种协议的性能，以选择最佳的数字传输方式，隶属于美国国家无线通信与信息部（NTIA）的无线通信科学研究所（ITS）对第二代、第三代的数传协议做了比较测试， 其结果图表部分如图1所示。
图1和图2中的Modem A 和Modem B分别表示应用同种协议的不同厂家的Modem 。由两图可见，作为第三代通用短波数传协议代表之一的PACTOR-II在性能上大大优于第二代数传协议。
图3～图5分别给出了CCIR良好信道、高斯噪声信道以及CCIR差信道情况下的PACTOR -II与CLOVER-2000的测试结果。
由上面的图中可以看出：在第三代协议中，在高斯噪声信道中，CLOVER-2000的传输速度快于PACTOR-II。当信噪比较高而且是在CCIR良好信道中，两者性能相近。但在CCIR差信道中或信噪比较低的时候，PACTOR-II明显优于CLOVER-2000。在占用带宽方面，CLOVER-2000（2000 Hz）是PACTOR-II（500 Hz）的4倍。
四、结束语
应用第三代通用短波数传协议的调制解调器在性能上已经接近支持美国军标110A的高速串行调制解调器，如果不需要进行数据加密的话，完全可以满足通常的数据传输需求。而在其他方面，又有着110A调制解调器不可比拟的优势。首先，第三代通用短波数传协议如CLOVER-2000，它的协议和调制解调器是一体的，协议在调制解调器中已经实现；而目前市场上的110A调制解调器，需要另行购买配套的协议卡和相应的通信软件，才能组成完整的通信系统。而如果针对110A调制解调器自行开发通信协议和软件，要想充分发挥出110A标准的效能，达到稳定高效的通信效果，绝非易事。我们在这方面做了一定的研究，在基于110A高速串行调制解调器之上研究开发了以选择式ARQ为核心的链路层通信协议。然而要完全发挥110A标准的效能，仍有大量的工作要做。第二，从成本上来说，应用第三代通用短波数传协议的调制解调器的价格远低于110A调制解调器，考虑到使用后者需要购买价格不菲的协议卡，成本更加高昂。第三，与110A调制解调器相比，第三代通用短波数传协议对电台设备的要求相对较低，比较适合国内目前应用的电台性能状况。考虑到以上几点，在我国非常适合推广应用第三代通用短波数传协议。
参考文献
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［２］张有光，赵瑞，赵卫军．高速短波数据通信链路协议的设计与实现［Ｊ］．无线电通信技术，2001，２７（４）：２１～２４．
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