基于短波通信协议的分段帧长研究

林梦思，李迟生，李程文，吴小晴，张 轲

（南昌大学 信息工程学院，江西 南昌 330031）

0 引 言

随着信息技术的快速发展，短波网络通信[1⁃2]是一个重要的发展方向，为未来短波通信作出了贡献，越来越受到广泛的重视。为了适应短波通信的网络化发展趋势，短波通信协议制定了一系列数据传输标准，使得所有访问短波网络的用户能够进行互操作性的数据通信[3]。在短波通信中，短波信道具有时变的传输特点，存在多径时延、衰落、多普勒频移、天电干扰和电台干扰等一系列复杂现象，从而导致信道质量不稳定、干扰严重等特点[4]。因此，需要在特定的信道特性中选择合适的传输方式来保证系统性能最优化。而在数据传输过程中数据帧所包含的分段帧长也会对系统的吞吐率造成一定的影响，所以选择合适的分段帧长也是至关重要的[5]。

本文选择合适的信道条件在短波网络中进行数据传输，对短波通信协议的数据传输子层中数据帧的分段帧长进行研究。通过对系统的平均有效吞吐率表达式的分析，得到分段帧长和系统平均有效吞吐率的关系，最后得出适合在数据传输过程中的分段帧长。通过仿真验证，在一定条件下，最佳分段帧长相比其他分段帧长可以产生更高的吞吐率。

1 数据帧结构的分析

数据传输子层[6]（Data Transfer Sublayer，DTS）是处理本节点到远程节点的数据传输，并为连接的客户端提供可靠的数据链接服务。该层确保基于数据交换规则将D_PDU（DTS 协议数据单元）或“帧”传送到远程节点。对数据传输子层的数据帧结构[7]进行分析，为最佳分段帧长的选择提供了理论基础。用户数据经过上层传递后到达数据传输子层形成数据帧（D_PDU），该数据帧有两种结构：不能承载分段帧（C_PDU）的数据帧和能够承载分段帧的数据帧。具体结构如图1 和图2 所示。本文主要针对能够承载分段帧的数据帧进行研究。

图1 不包含分段帧的D_PDU

图2 包含分段帧的D_PDU

可以看到，不包含分段帧的D_PDU 主要由三部分组成，分别为：2 B 的同步序列、最大可承受38 B 的报头和2 B 的报头检验码CRC。

与不包含分段帧的D_PDU 相比，包含分段帧的D_PDU 增加了两个部分：最大可承受1 023 B 的分段帧和4 B 的分段帧检验码CRC。

图3 显示了分段帧C_PDU 的分段过程。假设收到长度为2 080 B 的C_PDU，由图2 可知，数据帧D_PDU中最多可以承受1 023 B 的C_PDU，因此需要对该C_PDU 进行分段。图3 中取分段长度为1 000 B，将C_PDU 分成3 段，每个分段都有一个序列号，目的是接收方收到数据后能够正确重组，若取其他分段长度也按照上述过程进行分段。本文主要针对C_PDU 长度进行研究，选出最适合在进行数据传输时使用的分段帧长度，从而提高系统的吞吐率。

图3 C_PDU 的分段过程

2 仿真模型的建立

2.1 通信模型的建立

本文选用的通信模型是基于8PSK 调制的通信系统，信道为瑞利信道，收发双方都使用8PSK 调制方式，接收端采用相干解调。

假设使用8PSK 调制方式，调制带宽为3 kHz。选用两种数据传输速率[8]：1 200 b/s 和2 400 b/s。在文献[9]中，提出了对于MPSK 信号的误符号率表达式。因此，可以得到8PSK 信号在瑞利信道下的误符号率[9]公式如下：

式中：B 为8PSK 信号的调制带宽（3 kHz）；Rb为数据传输速率；γ 为信号信噪比。将式（2）代入式（1）得到：

对于8PSK 信号在瑞利信道中特定速率条件下，平均符号差错率[10]为：

因为γs的矩母函数为：

而且在瑞利衰落信道中，存在：

将式（5）和式（6）代入式（4）可以得到：

最后，可以得到8PSK 信号在瑞利信道中特定数据传输速率情况下，平均误比特率和平均分段交付率分别为：

式中L 为分段帧的长度（比特）。

2.2 系统平均有效吞吐率数学模型的建立

吞吐率[11]是表示在传输时间内系统正确接收到的有效数据量。本文用系统平均有效吞吐率ηs表示系统数据传输的效率，即单位时间内数据帧中正确接收的分段帧的数量。

在短波通信协议中，DTS 层收到来自上层的数据，因为网络在传输数据的过程中，数据如果比较大，不易处理，因此需要对数据帧进行分段处理，从而实现数据的有效传输[12]。在分段过程中，将收到的C_PDU 按照分段帧长度分段成多个C_PDU，最后加上同步序列号、报头和校验码形成D_PDU 发送出去。在数据传输过程中，一个数据帧中包括分段帧的数量为N，分段帧的长度为L bit，分段中的有用数据帧长度为LDbit，冗余数据长度为Lrbit。在数据一次向前传输过程中，传输时间为Tr，链路轮回时间为Tl，ACK（Acknowledgement）确认时间为TA。可以得到如下表示：

根据式（7）～式（9）可以得到在某一特定数据传输速率条件下系统平均有效吞吐率为：

式中：分段帧长L 与分段数量N 是比例关系。分段帧长越大，分段数量越少。

本文主要研究DTS 层收到长度过长的C_PDU 后将其按照分段帧长进行分段后封装形成数据帧D_PDU，在特定数据传输速率和信噪比的情况下，分段帧长L 对系统平均有效吞吐率的影响。

3 仿真与结果分析

在进行仿真过程中，假设传输相同用户信息，信号信噪比在0～30 dB 之间变化，假设选择数据传输速率为1 200 b/s 和2 400 b/s，对以下7 种分段帧长进行实验仿真：50 B，100 B，200 B，400 B，800 B，1 000 B 和1 023 B（可承受的最大分段帧长）。根据以上几种分段帧长，使用同一用户数据在搭建的网络平台上进行数据传输，假设A 节点与B 节点进行交互，两节点建立链路所产生的时间和A 节点将信息传到B 节点后反馈信息回到A 节点所产生的时间如表1 所示。

表1 仿真中涉及的参数值

根据表1所得参数，首先选用数据传输速率2 400 b/s进行仿真，在该条件下使用相同用户数据进行传输，得到7 种分段帧长与系统平均有效吞吐率的仿真结果，如图4 所示。

从图4 中可以看出：在速率一定的条件下，7 种分段帧长中50 B 所产生吞吐率最大，而且在速率一定且信噪比相同的情况下，分段帧长越大，吞吐率越小。

图5 表示数据传输速率为1 200 b/s 时得到的仿真结果，由图5 可知，在特定速率且信噪比一定的条件下，几种分段帧长中同样也是50 B 产生的吞吐率最大。与速率2 400 b/s 相比，该速率下产生的吞吐率相对较大。

图4 速率为2 400 b/s 的系统平均有效吞吐率

图5 速率为1 200 b/s 的系统平均有效吞吐率

通过表1 可知，冗余长度也会影响数据传输的性能，在传输相同用户数据时，分段帧的长度越短，分段的数量越多，冗余数据长度也就相对越长。因此，根据有效数据长度与数据总长度的比值得到有效吞吐率。根据分段帧长与有效吞吐率的关系，对7 种分段帧长进行仿真，结果如图6 所示。

图6 分段帧长与有效吞吐率的关系

由图6 可知，分段帧长越长，有效吞吐率越大。分段帧长为50 B 时，有效吞吐率反而最小；分段帧长为1 023 B 时，有效吞吐率却最大。由此可得出，冗余数据长度对数据传输性能有一定影响。

通过图4 和图5 可以得到，在一定速率和信噪比情况下，分段帧长为50 B 时所产生吞吐率最大。结合图6分析可知，在考虑冗余数据长度的影响下，分段帧长为50 B 时的有效吞吐率却最小。因此，对比7 种分段帧的长度在图4～图6 所产生的有效吞吐率可得，取分段中间长度200 B 是折中的选择，既保证了在一定传输速率和信噪比下的有效吞吐率，也保证了在受到冗余数据长度影响情况下的有效吞吐率。最终得出结论，在一定条件下，分段帧长为200 B 是最佳分段帧长，对系统吞吐率的提高有一定的参考价值。

4 结 语

本文通过对短波通信协议的研究，发现数据帧中的分段帧大小对系统的吞吐率有一定的影响，分析数据传输子层的数据帧结构，结合分段帧的分段过程，根据系统的平均有效吞吐率的表达式对不同分段帧长进行实验仿真，经仿真验证表明，在一定情况下，最佳分段帧长为200 B。相比其他几种分段帧长，最佳分段帧长对系统的有效吞吐率有一定的优势。