王鹏，黄伟强，陈晓天

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510663）

0 引言

短波通信覆盖3～30 MHz 的频率范围，是通过电离层反射的天波实现的超视距通信，是保证国计民生所需通信不中断的最后手段。

由于太阳辐射、太阳黑子、地磁活动等影响，短波信道传输面临多径、色散、衰落等恶劣环境[1]。此外，短波通信可用频率窗口不仅随时间变化，还受存在的大量工业干扰的影响。通过对通信质量进行自动动态评估，选择最优频点建立通信链接的自动建链（Automatic Link Establishment，ALE）技术是目前短波电台通信常用的手段。由于短波电台每次数据传输前先利用ALE 根据业务类型需求进行频率选择，因此建链波形的机制及性能也近似决定了短波通信的效能。于是短波通信的发展阶段也通常以ALE 的发展来划分，在2017 年以美军发布的MIL-STD-188-141DInteroperability and Performance Standards for Medium and High Frequency Radio Systems为代表的第4 代自动建链（4G-ALE）技术的出现，以及宽带通信MIL-STD-188-110DInteroperability and Performance Standards for Data Modems波形标准的发布，标志着短波通信正式进入第4 代。

本文结合国内短波研究的进展，面向国内短波宽带通信需求，探讨支持短波宽带通信的4G-ALE波形。

1 短波建链技术发展

为应对天波传输中复杂时变色散信道及各种干扰，国内外短波通信专家们针对短波通信的建链体制，包括波形性能、抗干扰性、配合数据传输效能等方面开展了大量的研究工作[2-3]。

为配合早期基于3 kHz 带宽的MIL-STD-188-110A[4]和MIL-STD-188-110B[5]的短波数据传输波形，美军及国际电联发布了第2 代自动建链（2G-ALE）标准MIL-STD-188-141A[6]和第3 代自动建链（3G-ALE）标准MIL-STD-188-141B[7]。为进一步提高短波数据传输能力，美军于2012 年发布的MIL-STD-188-110C[8]标准将带宽扩展到6～24 kHz，最高速率可达120 kbit/s。2017 年，美军又发布了MIL-STD-188-110D[9]标准，补充了30～48 kHz 宽带波形，最高速率可达240 kbit/s[10]，同年发布短波宽带建链标准MIL-STD-188-141D[11]。国内外ALE 技术发展概况如图1 所示。

图1 国内外ALE 技术发展概况

1.1 短波2G/3G 自动链路建立（2G/3G-ALE）

1988 年，美军发布了第2 代短波自动链路建立（2G-ALE）技术标准MIL-STD-188-141A，规定了建链波形、信道自动扫描、自动链路建立及链路质量统计等功能，很好地满足了80～90 年代以话音通信为主且对数据通信要求不高的场景需求，因此成为全球统一标准。国内也制定了类似标准GJB 2077—94《短波自适应通信系统自动线路建立规程》[12]。但2G-ALE 采用8FSK 调制的异步建链方式，其所需建链时间较长，抗干扰能力较弱，如图2所示；此外，2G-ALE 建链比低速数据传输波形的信噪比高，导致在低速数据传输可通情况下，因不能建链而无法通信等问题。

图2 短波2G 通信（天波）时频及建链持续时间

美军于1999 年发布了第3 代短波自动链路建立技术（3G-ALE）标准MIL-STD-188-141BInteroperability and Performance Standards for Medium and High Frequency Radio Systems，除规定了建链波形，还规定了数据传输波形，以及建链波形和数据传输波形之间的配合协议，即链路维护（Automate Link maintainess，ALM）。与2G-ALE技术相比，如图3 所示，3G-ALE 的建链和数据传输均采用了PSK 调制，具有鲁棒建链和快速建链两种方式，并增加同步机制，加快了链路建立速度，降低了建链信噪比要求。通过ALM 机制，采用混合自动重传请求（Hybrid Automatic RepeatreQuest，HARQ）方式，提升了数据传输的吞吐率和抗干扰性。国内也制定了类似标准GJB 2077—94《短波自适应通信系统自动线路建立规程》[13]。

图3 短波3G 通信（天波）的时频及建链持续时间

1.2 短波4G 自动链路建立（4G-ALE）

为了支持短波宽带传输，美军在2011 年发布了MIL-STD-188-141C[14]标准，仅明确了3G 快速建链采用STANAG 4538，未对宽带波形建链给出规范，这也导致从2011 年开始一直没有宽带通信电台面世。直到2017 年美军才发布了支持宽带自动链路建立（WideBand ALE，WALE）的MIL-STD-188-141D 标准，采用频谱感知技术在优选频率上可变信道及信号带宽，并兼容3G-ALE 的信号接收。之后，各大公司纷纷推出短波4G 通信体制。

4G-ALE 主要有WALE、3 代宽带通信（3G Wide Band，3GWB）、短波自适应宽带通信（HF XL）、短波认知网络通信（Cognitive Networked HF，CNHF）4 种体制。其中，WALE 是由Rockwell Collins 主导的4G-ALE标准MIL-STD-188-141D，3GWB是由L3Harris 主导的标准，HF XL 是由THALES 主导的STANAG 5070（ALE）+STANAG 4539（数据传输）标准，CNHF 是由芬兰KNL 公司研制的宽带体制。

2 短波4G-ALE 体制的抗干扰机制

4G ALE 最大的特点就是增加了频谱感知，收发双方根据交互的信道传输实时情况，在优选频率附近自动调整信道频率及波形的带宽、调制方式、数据速率等参数，使得传输鲁棒性和吞吐率极大提升。短波4G-ALE 建链交互逻辑关系如图4 所示。因为宽带体制需要同时升级硬件，各公司考虑到自己产品的兼容性及应用方式，其建链体制和抗干扰机制也有所不同。

图4 短波4G-ALE 建链交互逻辑关系

2.1 WALE

WALE 延续了3G ALE 的思路，提供了鲁棒建链（Deep）和快速建链（Fast）两种PSK 调制波形，其中鲁棒建链波形为波形使用75 bit/s 数据速率，快速波形使用750 bit/s 数据速率。建链性能上Deep 波形和3G-ALE 建链性能相似，Fast 波形与2G-ALE 性能相似，但由于Fast 波形持续时间约为200 ms，极大地缩短了建链时间，使得抗干扰性能明显增强。短波WALE 通信过程的时频图及建链持续时间如图5 所示。

图5 短波WALE 通信过程的时频及建链持续时间

2.2 3GWB

3GWB也在MIL-STD-188-141D 中的5.5.7 节中作为参考项提出。实际上3GWB 仍使用3G-ALE建链波形，仅为自适应宽带通信而增加了用于ALM的感知交互波形。ALM 波形采用8PSK 调制，持续时间0.6 s，性能弱于3G-ALE，但优于2G-ALE，短波3GWB 通信过程的瀑布图及建链持续时间如图6 所示。虽然3G 建链性能很好，但由于增加了感知交互波形，延长了建链整体时间，且沿用3G-ALE 选频策略，即在一组固定频率集中择优，使得建链抗干扰性相对变差。

图6 短波3GWB 通信过程的瀑布及建链持续时间

2.3 HF XL

HF XL 可以在200 kHz 带宽内最多支持16 路3 kHz 窄带波形同时发射，如果使用收发异频，最大可支持32 个通路，建链体制上兼容2G-ALE、3G-ALE 等标准波形。HF XL 与3GWB 一样为自适应多载波宽带通信，并且增加了用于ALM 的感知交互波形。HF XL 瀑布及建链通路交互的时频如图7 所示。

图7 HFXL 瀑布及建链通路交互的时频

2.4 CNHF

CNHF 系统是由芬兰KNL 公司研制的短波宽带通信系统，与其他4G 系统一样采用了频谱感知技术，也利用ALM 采用混合ARQ 方式提高数据传输吞吐率。特别地，其建链使用1.8 kHz 带宽PSK 调制的突发信号波形，持续时间为0.3 s，且建链呼叫、建链应答和数据传输均可以不在邻近信道。CNHF 通信过程的时频及建链持续时间如图8 所示。虽然CNHF建链信号与2G ALE 建链性能相似，但由于其建链信号的突发性使其难以被发现，抗干扰性很强。

图8 CNHF 通信过程的时频及建链持续时间

3 4G 建链抗干扰性对比

4G 建链波形仍然保持和2G、3G 相似的抗干扰性，这也与数据传输波形相关，如2G-ALE信噪比为6 dB，3G-ALE 信噪比为-6 dB，MILSTD-188-110 系列波形的波形信噪比基本上在0 dB以上，但从体制上看，4G 有明显提升。

本文对比了WALE、3GWB、HF XL 和CNHF的波形参数，结果如表1 所示。

表1 4G-ALE 波形参数对比

（1）WALE 具有驻守（同步）和扫描（异步）模式，通过减少建链时延，提升了抗干扰性；缺点是建链未考虑链路维护，还是采用STANAG 5066v4[15]，影响了数据吞吐率和数据传输整体抗扰性。

（2）3GWB 建链中增加了频谱感知结果的交互，虽使其抗截获能力降低，但使得ALM 与数据传输波形紧密结合，整体数据吞吐率为4 种4G 体制中最优。

（3）Thales 公司的HF XL 由于沿用2G/3GALE 建链波形，抗干扰性没有提升，但从系统上看，其应用于一套被称为功率库的短波通信系统，由16个1 kW 发射机组成，共用1 根天线，最大合成功率为4 kW，也可支持16 路50 W 同时发射。建链波形可以在16 路通路上任意选择频点发送，最大功率支持到4 kW，较原系统提升3 dB 以上，且可以多路分集接收，其抗干扰性明显增强。缺点是只能应用于大型固定台站或大型机动平台。

（4）CNHF 为了保证信号的突发性，其设备需要支持上千路信道监听，即采用前端无自适应滤波器的射频直采技术，抗大功率干扰或脉冲干扰性能下降，尤其是在多台共址时容易互相干扰。

综上所述，3GWB 波形仍可匹配窄带中频滤波器，其综合性能是4G 建链波形中最优的，也是使用最广的波形。此外，其保持了对2G 和3G 系统的兼容，虽由于建链时间延长导致抗干扰性有所降低，但ALM 和宽带数据波形结合后，宽带数据波形的抗干扰性提升。

4 结语

4G-ALE 通过减少建链时间、增加信道数量、提升功率、突发波形等常用手段提升了建链的抗干扰性，更重要的是通过频谱感知技术[16]将建链和数据传输信道解耦，解决了2G/3G 建链和数据传输使用相同信道易受人为干扰的特质[17]，从而降低了建链抗干扰性要求。但由于4G-ALE 均使用窄带波形建链和基于频谱能量检测的宽带频谱感知，存在两个问题：（1）无法判断干扰类型（天波衰落、人为干扰或是共址干扰）而合理地规避干扰；（2）建链前无法提供宽带衰落估计，用于选择最佳建链频率。人工智能（Artificial Intelligence，AI）技术，尤其是一维卷积神经网络，对频谱检测和信道估计可以给出更多的参数，并可与宽带跳频结合，更有效地对干扰进行规避。

4G-ALE 技术的进展带动了短波宽带通信，天波数据速率可达到38.4～78.6 kbit/s。美军的HFGCS、北约的BRASS、英国DHFCS、澳大利亚MHFCS 系统均将升级为宽带系统，升级后将支持LINK 16、LINK 22 的接入转发，届时短波将起到更大的作用，因此4G-ALE 及其抗干扰技术值得深入研究。