Protocoale de date specifice sistemelor radio adaptive in gama us

Protocoale de date specifice sistemelor Radio adaptive in gama US

In 1992, Administratia Nationala a Telecomunicatiilor si Informaticii din SUA - NTIA (National Telecommunications and Information Administration) a cerut industriei HF sa dezvolte si sa propuna pentru standardizare un protocol pentru modem-urile avansate de date din domeniul HF.

Pana la sfarsitul lui 1993, specialistii in domeniu au ajuns la un consens asupra elementelor principale ale protocolului, existand doar cateva diferente minore intre cele doua variante ramase in discutie. Cele doua protocoale concurente au fost implementate si testate, iar rezultatele au fost prezentate la intalnirea ce a avut loc Universitatea New Mexico in februarie 1994, punandu-se in discutie divergentele ramase. Rezultatul acestei intalniri a fost protocolul de legaturi de date in domeniul HF - HFDLP (HF Data Link Protocol ), bazat pe un modem PSK, cu optiuni ce permit optimizarea sa pentru diferitele comunitati de utilizatori (aceste optiuni vor fi prezentate pe masura ce vor fi intalnite in urmatoarele sectiuni).

HFDLP a fost apoi standardizat in MIL-STD-187-721C si FED-STD-1052.

Nevoile de capacitati din ce in ce mai mari atat pentru comunicatii de voce dar mai ales pentru transfer de date precum si reorientarea comunicatiilor militare spre asigurarea unui "Internet tactic", au scos in evidenta limitele protocolului HFDLP. Acesta presupunea un mecanism destul de complicat de adaptare a performantelor la conditiile canalului de legatura. In plus, lucrul in comun cu protocolul de legatura ALE - 2G, care utilizeaza un modem FSK, a scos in evidenta un decalaj substantial intre performantele sistemului de legatura si cele ale sistemului de transfer date.

Toate aceste elemente, coroborate cu performantele realizate in domeniul tehnologic, au condus la aparitia unui nou protocol de date - xDL, parte integranta a protocolului de realizare a legaturii ALE-3G. Acesta a fost standardizat prin MIL-STD-188-141B, anexa C, si la nivel NATO, prin standardul STANAG 4538 - care defineste atat protocolul de legatura cat si protocolul de transfer de date.

Protocolul HFDLP

HFDLP este un protocol de legaturi de date la "nivel de legatura", conform definitiei data de Modelul de Referinta pentru Legaturi intre Sisteme Deschise - OSI- RM (Open Systems Interconnection Reference Model). Acest protocol, folosit cu un modem corespunzator, ofera o metoda de transmitere fara erori a datelor printr-un canal radio HF. HFDLP este similar altor protocoale de legaturi de date in care datele utilizator (user data) adica datele furnizate catre HFDLP de o functie de nivel superior, sunt impachetate in cadre pentru a fi trimise la terminalul HFDLP de la celalalt capat al legaturii HF. Controlul erorii se realizeaza prin repetarea cadrelor receptionate eronat. Pentru minimizarea folosirii benzi HF, HFDLP foloseste pentru corectia erorilor repetari selective (selective repeats) si nu un mecanism go-back-N.

O schema go-back-N este utilizata de protocolul de legatura X.25 si de versiunea asociata cunoscuta sub numele AX.25. AX.25 este extrem de eficient in legaturi cu fir si in legaturi radio fara fading, pentru care numarul de cadre retransmise este neglijabil. In aplicatiile din domeniul HF apar situatii in care unul sau mai multe cadre sunt receptionate eronat iar urmatoarele sunt receptionate corect. Schema go-back-N folosita de X.25 si AX.25 va face ca toate cadrele incepand cu cel eronat sa fie retransmise, chiar daca au fost sau nu receptionate corect. Desi aceasta abordare elimina nevoia de software sofisticat pentru adresarea cadrelor si reasamblarea mesajelor, pot apare conditii de canal care sa impuna retransmisia multipla a unor cadre care de altfel au fost receptionate corect. Aceste retransmisii pot reduce debitul legaturilor bazate pe protocolul AX.25 pentru legaturi radio prin care HFDLP transmite cu succes date.

Numarul de biti din cadrul de date al standardului HFDLP este variabil si poate fi adaptat la conditiile canalului pentru a maximiza debitul de date. In medii cu erori ridicate, folosirea cadrelor scurte creste probabilitatea ca acestea sa treaca fara erori si reduce marimea cadrelor care sunt retransmise. Totusi, transmiterea cadrelor in mod independent si nu grupate cere un timp de confirmare dupa fiecare transmisie, fapt care va reduce puternic debitul total. In consecinta, in canal se trimit grupuri de cadre numite serii de date. Numarul de cadre dintr-o serie de date este de asemenea variabil, oferind un grad de libertate suplimentar in procesul de optimizare a performantelor legaturii de date.

Desi HFDLP poate fi utilizat in modul uzual de legaturi de date pe nivele de transfer biti - bit pipe, performantele sale sunt maximizate la orientarea pe mesaj. Cu alte cuvinte, HFDLP trateaza mesajele ca unitati, si poate negocia folosirea legaturii de date bazandu-se pe prioritatea mesajului si, de asemenea, poate rezerva spatiu tampon la terminalul receptor cunoscand marimea mesajului. HFDLP suporta de asemenea multiplexarea mai multor conexiuni intre nivele de retea printr-o singura legatura de date prin atribuirea unei identitati fiecarei conexiuni (connection ID), informatie ce este trimisa odata cu fiecare mesaj transmis.

Facilitatile de control sunt implementate prin folosirea cadrelor de control, cadre ce sunt transmise prin aceeasi retea ca si cadrele informationale. Cadrele de control constau din campuri header care sunt comune pentru cele trei subprotocoale ale HFDLP:

1. Protocolul de management al mesajelor, care considera mesajele complete ca unitati si negociaza transferul acestora prin legatura de date, oferind si optiuni de preemptiune si reluare a transmiterii mesajelor pe baza gradului de prioritate a acestora.

2. Protocolul de transfer de date, care organizeaza transferul cadrelor de date si de control, inclusiv controlul debitului si a confirmarilor precum si negocierea parametrilor modemului (viteza de transfer a datelor si gradul de intretesere -interleaver depth), a marimii cadrelor si a numarului de cadre trimise la fiecare transmisie. Dintre aceste trei subprotocoale, protocolul de transfer de date corespunde in cea mai mare masura notiunii generale de protocol de legatura de date.

3. Protocolul de management al legaturii, care organizeaza si monitorizeaza continuu activitatea nivelului fizic al legaturii pe care se realizeaza HFDLP. Cu exceptia operatiunilor in modul ARQ circuit, legatura de date este intrerupta cand nici un terminal nu mai are date de transmis. Expirarea intervalului maxim de mentinere a legaturii (link timeout), determina intreruperea acesteia cand receptia de la terminalul partener a incetat, chiar daca un mesaj este in derulare. Protocolul de management al mesajului (sau o entitate de nivel superior) va putea cere restabilirea legaturii fizice urmata de restabilirea legaturii DLP si de reluarea mesajului.

HFDLP poate opera atat cu cadre de control de lungime fixa, care contin toate campurile header, cat si cu cadre de control de lungime variabila, care contin doar acele campuri necesare pentru situatia concreta (practic una din patru multimi predefinite de campuri) asa cum este prezentat in tabelul 1.

HFDLP include trei moduri de operare. Principalul mod de operare este modul ARQ care realizeaza un transfer de date punct la punct fara erori. Celelalte doua moduri secundare de operare sunt modul broadcast si modul ARQ circuit.

Tabelul 1 Moduri de operare HFDLP

Mod ARQ (?) Marimea cadrelor de control

ARQ DA Fixa sau variabila

ARQ circuit DA Variabila

Broadcast NU Fixa

Modul broadcast permite transferul de date unidirectional catre unul sau mai multi receptori. Modul ARQ circuit permite stabilirea unei legaturi si mentinerea acesteia chiar si in absenta traficului. Modul ARQ este modul de lucru de baza.

Fiecare din cele trei subprotocoale va fi discutat in amanuntime in acest subcapitol. In discutia asupra sub-protocoalelor HFDLP vor fi folositi termenii de terminal transmitator si terminal receptor. Este important de mentionat ca terminalul transmitator nu este neaparat terminalul care momentan transmite un cadru, ci acel terminal care a negociat dreptul de a transmite cadre de date (aceasta negociere se foloseste de protocolul de management a mesajelor). Astfel, terminalul transmitator trimite atat cadre de date cat si cadre de control (anteturi - heralds) care anunta caracteristicile cadrelor de date ce urmeaza a fi transmise. De asemenea, terminalul transmitator receptioneaza cadre de control prin care se accepta cadrele de date si caracteristicile lor.

2. Protocolul de date xDL

Pentru realizarea transmisiilor de date, sistemele ALE 3 G utilizeaza doua sub-protocoale: unul "de viteza mare" - HDL (High-Rate Data Link Protocol) - utilizat pentru mesaje mari si/sau canale de buna calitate si un altul "de viteza mica" - LDL (Low-Rate Data Link Protocol) - utilizat pentru mesaje scurte si/sau canale de slaba calitate. Cand se vorbeste in asamblu despre protocolul de date specific sistemelor ALE 3 G, se mai utilizeaza si acronimul xDL (High or Low-Rate Data Link Protocol).

Nici unul dintre acestea nu utilizeaza ca metoda de adaptare la canal modificarea vitezei de transmitere pe durata transferului unui mesaj. Acest lucru a condus la o simplificare semnificativa a protocoalelor si, in acelasi timp, la o crestere importanta a capacitatii de transfer pentru toate tipurile de canale.

Spre deosebire de protocoalele ARQ conventionale care utilizeaza metoda de inlaturare a erorilor prin retransmiterea blocurilor afectate, acest protocol utilizeaza ca metoda "codarea". De asemenea, pentru reducerea erorilor, este utilizata si tehnica FEC, cu rata de cod adaptabila dinamic.

Aceste elemente (utilizarea formelor de unda "burst", sincronizarea de timp si codarea) fac ca acest tip de protocol sa efectueze o adaptare aproape "instantanee" la conditiile oferite de canal.

2.1. Low-Rate Data Link Protocol

LDL este protocolul xDL care furnizeaza un mecanism ce permite transferul mesajelor de diferite lungimi, fara erori, in conditii de canal cu performante slabe, prin utilizarea unui mecanism tip ARQ.

Dupa initializarea traficului de catre managerul de trafic si stabilirea LDL ca protocol ce va fi utilizat pentru transferul de date, va incepe procesul de transfer efectiv, constand in transmisii succesive si alternative de pachete de date informationale (LDL_DATA) si pachete de date de confirmare (LDL_ACK), asa cum este prezentat in figura 1.

Figura 1 Schimbul de date LDL

Fiecare cadru LDL contine pachete de date de lungimi cuprinse intre 32 si 512 bytes, cu pas de incrementare de 32 bytes, utilizabil la inceputul transmisiei, pe durata procesului de initializare a traficului (figura 2). Daca numarul de bytes de transmis (ramas de transmis) este mai mic decat marimea cadrului, restul de bytes va fi completat cu "bytes de completare" (toti "0"). Dupa stabilirea initiala a numarului de bytes, acesta va ramane constant pe toata durata transmisiei. La acestia, (bytes informationali), se adauga o secventa de 17 biti reprezentand numarul pachetului si 8 biti de control.

Figura 2 Modul de formare a cadrelor de date LDL

Pentru transmiterea mesajelor, LDL utilizeaza ca forma de unda tipul BW3.   Pentru confirmare si pentru terminarea mesajului este utilizata forma de unda BW4. Datorita robustetii acestei forme de unda, nu este necesara folosirea CRC.

La siguranta transmisiei contribuie atat intreteserea cat si un preambul de 266,67 ms. Aceste elemente fac ca subprotocolul LDL sa fie capabil sa transmita mesaje in conditiile in care raportul SNR este de - 8 dB.

Procesul de integrare a blocurilor de date informationale in forma de unda BW3 este prezentat in figura 3.

Figura 3 Modul de formare a secventei LDL

Pachetului de date LDL i se adauga 32 biti de control - CRC, urmati de 7 biti de completare, in vederea codarii. Aceasta secventa de date este codata FEC, utilizand un cod convolutional. Pentru fiecare bit, coder-ul produce 2 biti de iesire, Bitout₀ si Bitout₁. In procesul de formare a pachetelor de date, fiecare din cele 2 iesiri formeaza un bloc de date, rezultand astfel 2 blocuri de date - EBlk₀ si EBlk₁. La fiecare transmisie, se va transmite numai unul din cele 2 blocuri codate, incepand cu EBlk₀. Daca blocul de date este receptionat corect, este suficient un singur bloc (primul) pentru decodarea corecta a mesajului original. De fiecare data cand blocul transmis nu poate fi decodat fara erori, este retransmis un bloc de date diferit (dar cu acelasi continut informational), in ordine Eblk₁, Eblk₀, Eblk₁. . Schimbarea blocului de date codat transmis ofera informatii suplimentare la receptie, care pot fi utilizate la decodare.

Secventa de biti este intretesuta si apoi modulata cu o viteza de 75 bps. Astfel, rezulta o secventa de functie Walsh ortogonala, cu 16 puncte, fiecare continand 16 simboluri PSK, reprezentand valoarea a 4 biti codati proveniti din procesul de intretesere. Inainte de fiecare secventa Walsh este transmis un preambul de achizitie de 640 simboluri PSK cu 8 faze, utilizat numai pentru estimarea initiala a canalului. Deoarece momentul de sosire a formei de unda BW3 este cunoscut (din procesul de initiere a traficului), secventa nu necesita un preambul de achizitie.

High-Rate Data Link Protocol

Sub-protocolul HDL este un protocol tip ARQ utilizat pentru transmiterea mesajelor de date in legaturi punct la punct, cu confirmare, catre o statie cu care s-a stabilit deja legatura (dupa ce "Connection Manager" si "Traffic Manager" din arhitectura protocolului ALE 3G.

HDL este special destinat transmiterii de mesaje mari, in conditii bune de canal. Transmisiile alterneaza intre statii, statia emitatoare transmite cadre de date informationale (HDL_DATA), in timp ce statia receptoare transmite blocuri de date de confirmare (HDL_ACK), asa cum este prezentat in figura 4.

Figura 4 Schimbul de date HDL

Datorita sincronizarii de timp efectuata in cadrul fazei de initializare a traficului, fiecare statie radio are informatii exacte despre momentele la care trebuie sa receptioneze blocurile de date - informationale, de confirmare sau de sfarsit de mesaj.

Fiecare cadru HDL consta in pachete de date de 1881 biti (233 bytes (1864 biti) informationali + 17 biti reprezentand numarul secventei de date), grupate in serii de cate 3, 6, 12 sau 24. Structura cadrelor este prezentata in figura 5. Numarul de pachete din fiecare serie este determinat pe parcursul procesului de initializare a traficului. Dupa acest proces, numarul de pachete nu se mai schimba pana la terminarea transmiterii intregului mesaj.

HDL utilizeaza pentru transmiterea blocurilor de date informationale forma de unda BW2 cu un preambul de 26,67 ms. Pentru transmiterea blocurilor de date de confirmare sau de sfarsit de mesaj, se utilizeaza forma de unda BW1. Procesul de integrare a blocurilor de date informationale in forma de unda BW2 este prezentat in figura 6.

Fiecarui pachet de date i se adauga 32 biti CRC si 7 biti de completare, in vederea codarii. Secventa rezultata este codata FEC, utilizand un cod convolutional. Pentru fiecare bit, coder-ul produce 4 biti de iesire, Bitout_0, .Bitout₃ .

In procesul de formare a pachetelor de date, fiecare din cele 4 iesiri formeaza un bloc de date, rezultand astfel 4 blocuri de date - EBlk₀ ,.,EBlk₃. La fiecare transmisie, se va transmite numai unul din cele 4 blocuri codate, incepand cu Eblk₀. Daca blocul de date este receptionat corect, este suficient un singur bloc (primul) pentru decodarea corecta a mesajului original. De fiecare data cand blocul transmis nu poate fi decodat fara erori, este retransmis un bloc de date diferit (dar cu acelasi continut informational), in ordine Eblk₁, Eblk₂, Eblk₃. Schimbarea blocului de date codat transmis ofera informatii suplimentare la receptie, care pot fi utilizate la decodare.

Figura 5 Modul de formare a cadrelor de date HDL

Figura Modul de formare a secventei HDL

Secventa codata este modulata cu o viteza de 4800 bps. Rezulta o secventa de simboluri cunoscute/necunoscute de 32 simboluri necunoscute (PSK , 8 faze, cu trei biti pentru fiecare simbol, codat Gray), urmat de 16 simboluri cunoscute. La inceputul fiecarei transmisii, este transmisa o secventa de garda TLC/AGC (Transmit Level Control / Automatic Gain Control) si o secventa de 64 simboluri cunoscute, utilizate pentru egalizare. Deoarece momentul de sosire a formei de unda BW2 este cunoscut (din procesul de initiere a traficului), secventa nu necesita un preambul de achizitie.

Bibliografie

STANAG 5066, "Profile for High Frequency (HF) Radio Data Communications", North Atlantic Treaty Organization, Ratification Request 2000.

STANAG 4538, "Technical Standards for an automatic Radio Control System (ARCS) for HF Communication Links", North Atlantic Treaty Organization, Ratification Request 2000, Edition 1.

STANAG 4539, "Technical Standard for Non-Hopping HF Communications Waveforms", North Atlantic Treaty Organization, 2000.

FED-STD-1052: Telecommunications: HF Radio Modems: 1996, General Services Administration, Office of Information Resource Management, USA.

MIL-STD-188-110B, "Military Standard - Interoperability and Performance Standards for Data Modems", U.S. Department of Defense.

MIL-STD-181-141B, "Interoperability and Performance Standards for Medium and High Frequency Radio Systems", U.S. Department of Defense.

Elvy S.J. - Comparison of Second and Third Generation HF Communication Links, Harris Corporation, RF Communications Division, New York, U.S.A. 2002.

Postolache C. - Sisteme de radiocomunicatii adaptive in gama US, teza de doctorat, Academia Tehnica Militara, Bucuresti, 2004.