1 研究背景
　　短波(HF)通信利用短波波段(頻率3M~30MHz)電磁波進(jìn)行無線通信，是重要的遠(yuǎn)距離無線電通信手段，廣泛應(yīng)用于氣象、商業(yè)等部門，特別是軍事通信領(lǐng)域。1988年，美軍推出了工作在異步模式的《第二代中短波系統(tǒng)互操作及性能標(biāo)準(zhǔn)》(即MIL-STD-188-141A標(biāo)準(zhǔn)，簡稱HF-2G)，為了能夠更好地支持大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸和Internet應(yīng)用，1998年《第三代中短波系統(tǒng)互操作及性能標(biāo)準(zhǔn)》(即MIL-STD-188-141B，簡稱HF-3G)^[1]及2001年的修改版^[2]相繼誕生。HF-3G的改進(jìn)和優(yōu)勢在于它以同步方式操作，在高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下有更好的性能。
　　HF-3G所有的鏈路" title="鏈路">鏈路建立以及同步數(shù)據(jù)傳輸都依賴于站點的同步時鐘" title="同步時鐘">同步時鐘。HF-3G網(wǎng)絡(luò)同步操作計劃通過外部方式(如GPS接收器)獲得時鐘，保持同步。但當(dāng)無法獲得統(tǒng)一的外部同步時鐘時，同步管理協(xié)議就顯得尤為重要。
　　本文主要介紹HF-3G同步管理協(xié)議在VC6.0上的軟件實現(xiàn)。HF-3G協(xié)議中并沒有對該同步管理協(xié)議進(jìn)行測試，本文的實現(xiàn)數(shù)據(jù)證明了其實用性。
2 第三代短波同步管理協(xié)議介紹
　　HF-3G同步管理協(xié)議主要包括：初始時間發(fā)布、同步校驗握手、異步站點入網(wǎng)、同步保持四個子協(xié)議。它們共同完成以下3個任務(wù)：
　　(1)補償時間基準(zhǔn)漂移的同步保持。
　　(2)為后來進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的站點提供時間服務(wù)。
　　(3)為網(wǎng)絡(luò)成員提供初始時間發(fā)布。
　　下面介紹該協(xié)議中駐留組和駐留時間的概念以及主要同步管理協(xié)議數(shù)據(jù)單元的定義。
2.1 駐留組與駐留時間
　　HF-3G網(wǎng)絡(luò)中成員被劃分成組，不同的組在每個掃描的駐留時間內(nèi)分別監(jiān)聽不同的信道。這樣，呼叫在時間上和頻率上就被分開，減少了呼叫信道擁塞的可能性。在同一時間監(jiān)聽同一信道的組稱為一個駐留組。文獻(xiàn)^[2]中規(guī)定，一個駐留組在一個信道上的停留時間為5.4秒，該時間稱為一個駐留時間。
2.2 同步管理協(xié)議數(shù)據(jù)單元
　　同步管理協(xié)議中用到的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)均為26bit格式的數(shù)據(jù)，其同步管理的PDU結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括：呼叫PDU(LE_Call PDU)、同步校驗PDU(LE_ Sync Check PDU，即命令字=“100”的握手PDU)、組時間廣播PDU(LE_GTB PDU)和同步補償PDU(LE_Timeoffset PDU)。

　　LE_GTB PDU主要用于初始時間的發(fā)布，完成各站點與時間服務(wù)器的首次校準(zhǔn)；LE_Sync Check PDU和LE_Timeoffset PDU在第2次校準(zhǔn)時間的過程中發(fā)揮著重要作用：主叫站點(被校準(zhǔn)方)發(fā)送LE_ Sync Check PDU，請求時間校驗，被叫站點(校準(zhǔn)方)回應(yīng)LE_ Timeoffset PDU，給出時間差度。主叫站點接收到LE_ Timeoffset PDU后，利用該接收到PDU的理論時間和實際時間的差值進(jìn)一步調(diào)整本地時鐘的時間。二次校準(zhǔn)完成網(wǎng)絡(luò)時鐘的同步。
3 HF-3G同步協(xié)議實現(xiàn)
　　整個HF-3G系統(tǒng)多線程示意圖如圖2所示。

　　應(yīng)用層線程為應(yīng)用程序啟動的主線程，提供接口接收用戶消息(如發(fā)起呼叫、接收呼叫、獲取并發(fā)送用戶數(shù)據(jù)、中止通信等)，同時顯示接收到的數(shù)據(jù)和其他底層狀態(tài)信息。此外，應(yīng)用層還負(fù)責(zé)基本的設(shè)置，包括同步方式、站點的身份(一般站點或時間服務(wù)器)、時間不確定度" title="不確定度">不確定度等。
　　鏈路層" title="鏈路層">鏈路層線程是系統(tǒng)的主要工作線程，負(fù)責(zé)鏈路建立、信道自適應(yīng)等工作；物理層線程受鏈路層的控制，負(fù)責(zé)收發(fā)數(shù)據(jù)，分為接收線程和發(fā)送線程；解碼線程負(fù)責(zé)將收到的數(shù)據(jù)解碼并解析，通知鏈路層所收PDU類型以便鏈路層做出相應(yīng)的處理。同步線程是本文的重點，下面將詳細(xì)介紹該線程的實現(xiàn)。
3.1 同步功能模塊劃分
　　HF-3G同步功能模塊主要包括GPS時間獲取模塊、同步初始化模塊、同步校驗握手模塊、異步站點入網(wǎng)模塊和時間不確定度檢查模塊。
　　GPS時間獲取模塊是外部時鐘同步模塊，完成本地時間與GPS或者UTC的時間校準(zhǔn)。這部分不是同步協(xié)議實現(xiàn)的必須模塊，只作為與同步協(xié)議并行部分保留。
　　同步初始化模塊是初始時間發(fā)布模塊，完成初始時間的發(fā)布和獲得。協(xié)議規(guī)定，首先主時間服務(wù)器以異步模式進(jìn)行初次時間發(fā)布，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入同步運行模式。在接下來的32個駐留時間內(nèi)，完成駐留組時間服務(wù)器與網(wǎng)絡(luò)主時間服務(wù)器的時間校準(zhǔn)。而后，在組時間服務(wù)器完成本組內(nèi)的首次初始時間發(fā)布，再用60個駐留時間來完成駐留組的成員與所對應(yīng)的組時間服務(wù)器的同步校驗握手，校準(zhǔn)本地時間。
　　同步校驗握手模塊在網(wǎng)絡(luò)允許的時間漂移范圍內(nèi)完成主叫站點的時間校準(zhǔn)工作。
　　異步站點入網(wǎng)模塊，完成在網(wǎng)絡(luò)同步之后接入網(wǎng)絡(luò)的站點與網(wǎng)絡(luò)時間的校準(zhǔn)和同步；或者幫助網(wǎng)絡(luò)時間漂移超過網(wǎng)絡(luò)所允許范圍的站點重新同步。
　　時間不確定度檢查模塊保持系統(tǒng)的時間不確定度小于規(guī)定的范圍，超過額度則發(fā)起中斷，執(zhí)行同步校驗握手模塊功能，如果時間不確定度超過同步校驗握手模塊所能校準(zhǔn)的范圍則執(zhí)行后入網(wǎng)站點模塊，保證本地時間的準(zhǔn)確度。
3.2 同步管理多線程實現(xiàn)
　　在HF-3G同步管理協(xié)議中，有三種不同的功能角色：主時間服務(wù)器、組內(nèi)時間服務(wù)器和組內(nèi)成員。為了清晰劃分功能，系統(tǒng)中分別采用三個線程來實現(xiàn)三種不同的功能。其同步管理多線程實現(xiàn)示意圖如圖3所示。在系統(tǒng)啟動時，用戶可在界面上選擇不同角色以完成不同線程的啟動。

　　(1)主時間服務(wù)器同步線程
　　主時間服務(wù)器不進(jìn)行同步掃描，只在固定的信道上接收和發(fā)送PDU。其主要功能是在初始啟動時進(jìn)行初始時間發(fā)布。完成網(wǎng)絡(luò)同步后，等待同步校驗握手請求和異步入網(wǎng)請求。
　　(2)組內(nèi)時間服務(wù)器同步線程
　　組內(nèi)時間服務(wù)器的主要功能是在初始時間發(fā)布中先與主時間服務(wù)器進(jìn)行校準(zhǔn)，然后與組內(nèi)成員進(jìn)行校準(zhǔn)；網(wǎng)絡(luò)同步后，根據(jù)同步校驗握手請求、異步入網(wǎng)請求等做出相應(yīng)操作，同時，保持本地時鐘同步。
　　(3)組內(nèi)成員同步線程
　　組內(nèi)成員同步線程初始處于掛起狀態(tài)，當(dāng)接收到主時間服務(wù)器發(fā)來的通知PDU后，啟動同步線程，獲得初始時間并校準(zhǔn)；本地同步后，等待異步入網(wǎng)請求并保持本地時鐘的同步。
3.3 協(xié)議的改進(jìn)
　　原協(xié)議的LE_GTB PDU格式即為圖1中組時間廣播協(xié)議數(shù)據(jù)單元。其中4位駐留為廣播時間服務(wù)器駐留計數(shù)器的低四位，一個駐留時間為5.4秒，則時間校準(zhǔn)范圍(允許校準(zhǔn)前與時間服務(wù)器之間的最大時間差)可以達(dá)到23×5.4秒，即43.2秒。實現(xiàn)中，機器的初始時間差在大部分情況下都大于43.2秒，該PDU格式不能滿足系統(tǒng)要求。
　　主時間服務(wù)器在發(fā)布時間時不會用到分組信息，所以本文將主時間服務(wù)器廣播的LE_GTB PDU稍作調(diào)整后稱之為LE_MGTB PDU，如圖4所示，將LE_GTB PDU中的駐留和服務(wù)組號域合并為9bit的新駐留域，來傳遞主時間服務(wù)器中駐留數(shù)計數(shù)器的低9位。這樣，時間校準(zhǔn)范圍可以達(dá)到2⁸×5.4秒，即1382.4秒，基本滿足了系統(tǒng)實現(xiàn)的需求。

　　LE_MGTB是在一個駐留的最后時隙" title="時隙">時隙發(fā)布的，這樣，經(jīng)過主時間服務(wù)器的初始時間廣播后，網(wǎng)內(nèi)站點的時間差能保持在一個時隙內(nèi)。因此，在組內(nèi)廣播LE_GTB PDU時用4bit的精度能滿足要求，無需修改。
　　在初始時間發(fā)布的時候，協(xié)議中規(guī)定在第1次初始時間后，整個網(wǎng)絡(luò)的再次校驗握手將持續(xù)(32+1+60)個駐留時間，即502.2秒。具體過程如圖3。這種設(shè)置是針對飽和網(wǎng)絡(luò)(共有32個駐留組，每組有不包括時間服務(wù)器的60個獨立站點)所設(shè)計的，這對小型網(wǎng)絡(luò)是極大的浪費。
　　如果網(wǎng)絡(luò)中站點的個數(shù)及分組信息可知(這在實際應(yīng)用中可以得到)，則可以將主時間服務(wù)器與組時間服務(wù)器的時間校準(zhǔn)時間T_MG設(shè)置為：
　　T_MG=N_group×T_dwell
　　其中，N_group為駐留組數(shù)，T_dwell為駐留時間。
　　而各個組內(nèi)部的校驗時間T_GSi設(shè)為：
　　T_GSi=N_station×T_dwell
　　其中，N_station為每組內(nèi)站點數(shù)目。
　　再次校驗握手時間T_again為：
　　T_again=T_MG+(T_GSi)+T_GT
　　其中T_GT為組時間服務(wù)器初次時間發(fā)布所用時間。
　　以站點數(shù)分別為80、850和1 920為例，假定站點均勻分配到各駐留組，不考慮網(wǎng)絡(luò)延時，信息速率為7 200bps，改進(jìn)前后完成初始時間發(fā)布所需時間對照表如表1所示。其中，TMT=0.61333×N_dwell為主時間服務(wù)器首次發(fā)布初始時間所需時間，Ttotal為整個初始時間發(fā)布的總時間，T為改進(jìn)前的時間，T′為改進(jìn)后的時間?？梢姼倪M(jìn)后的初始時間發(fā)布對于中小型網(wǎng)絡(luò)完成同步速度有很大提高。