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(jiǎn)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(jiǎn)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(shì)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(diǎn)的同步時(shí)鐘" title="同步時(shí)鐘">同步時(shí)鐘。HF-3G網(wǎng)絡(luò)同步操作計(jì)劃通過外部方式(如GPS接收器)獲得時(shí)鐘,，保持同步,。但當(dāng)無法獲得統(tǒng)一的外部同步時(shí)鐘時(shí)，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(shí)現(xiàn),。HF-3G協(xié)議中并沒有對(duì)該同步管理協(xié)議進(jìn)行測(cè)試，本文的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)證明了其實(shí)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(shí)間發(fā)布,、同步校驗(yàn)握手、異步站點(diǎn)入網(wǎng),、同步保持四個(gè)子協(xié)議,。它們共同完成以下3個(gè)任務(wù)：
　　(1)補(bǔ)償時(shí)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(diǎn)提供時(shí)間服務(wù),。
　　(3)為網(wǎng)絡(luò)成員提供初始時(shí)間發(fā)布,。
　　下面介紹該協(xié)議中駐留組和駐留時(shí)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(shí)間
　　HF-3G網(wǎng)絡(luò)中成員被劃分成組，不同的組在每個(gè)掃描的駐留時(shí)間內(nèi)分別監(jiān)聽不同的信道,。這樣,，呼叫在時(shí)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(shí)間監(jiān)聽同一信道的組稱為一個(gè)駐留組,。文獻(xiàn)^[2]中規(guī)定，一個(gè)駐留組在一個(gè)信道上的停留時(shí)間為5.4秒,，該時(shí)間稱為一個(gè)駐留時(shí)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(yàn)PDU(LE_ Sync Check PDU，即命令字=“100”的握手PDU),、組時(shí)間廣播PDU(LE_GTB PDU)和同步補(bǔ)償PDU(LE_Timeoffset PDU),。

　　LE_GTB PDU主要用于初始時(shí)間的發(fā)布，完成各站點(diǎn)與時(shí)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(shí)間的過程中發(fā)揮著重要作用：主叫站點(diǎn)(被校準(zhǔn)方)發(fā)送LE_ Sync Check PDU,，請(qǐng)求時(shí)間校驗(yàn)，被叫站點(diǎn)(校準(zhǔn)方)回應(yīng)LE_ Timeoffset PDU,，給出時(shí)間差度,。主叫站點(diǎn)接收到LE_ Timeoffset PDU后，利用該接收到PDU的理論時(shí)間和實(shí)際時(shí)間的差值進(jìn)一步調(diào)整本地時(shí)鐘的時(shí)間,。二次校準(zhǔn)完成網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘的同步。
3 HF-3G同步協(xié)議實(shí)現(xiàn)
　　整個(gè)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(dòng)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(shí)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(diǎn)的身份(一般站點(diǎn)或時(shí)間服務(wù)器),、時(shí)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(diǎn),，下面將詳細(xì)介紹該線程的實(shí)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(shí)間獲取模塊,、同步初始化模塊,、同步校驗(yàn)握手模塊、異步站點(diǎn)入網(wǎng)模塊和時(shí)間不確定度檢查模塊,。
　　GPS時(shí)間獲取模塊是外部時(shí)鐘同步模塊,，完成本地時(shí)間與GPS或者UTC的時(shí)間校準(zhǔn)。這部分不是同步協(xié)議實(shí)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(shí)間發(fā)布模塊，完成初始時(shí)間的發(fā)布和獲得,。協(xié)議規(guī)定,，首先主時(shí)間服務(wù)器以異步模式進(jìn)行初次時(shí)間發(fā)布，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入同步運(yùn)行模式,。在接下來的32個(gè)駐留時(shí)間內(nèi),，完成駐留組時(shí)間服務(wù)器與網(wǎng)絡(luò)主時(shí)間服務(wù)器的時(shí)間校準(zhǔn)。而后,，在組時(shí)間服務(wù)器完成本組內(nèi)的首次初始時(shí)間發(fā)布,，再用60個(gè)駐留時(shí)間來完成駐留組的成員與所對(duì)應(yīng)的組時(shí)間服務(wù)器的同步校驗(yàn)握手，校準(zhǔn)本地時(shí)間,。
　　同步校驗(yàn)握手模塊在網(wǎng)絡(luò)允許的時(shí)間漂移范圍內(nèi)完成主叫站點(diǎn)的時(shí)間校準(zhǔn)工作,。
　　異步站點(diǎn)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(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的校準(zhǔn)和同步,；或者幫助網(wǎng)絡(luò)時(shí)間漂移超過網(wǎng)絡(luò)所允許范圍的站點(diǎn)重新同步,。
　　時(shí)間不確定度檢查模塊保持系統(tǒng)的時(shí)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(yàn)握手模塊功能,，如果時(shí)間不確定度超過同步校驗(yàn)握手模塊所能校準(zhǔn)的范圍則執(zhí)行后入網(wǎng)站點(diǎn)模塊，保證本地時(shí)間的準(zhǔn)確度,。
3.2 同步管理多線程實(shí)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(shí)間服務(wù)器、組內(nèi)時(shí)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(gè)線程來實(shí)現(xiàn)三種不同的功能。其同步管理多線程實(shí)現(xiàn)示意圖如圖3所示。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),，用戶可在界面上選擇不同角色以完成不同線程的啟動(dòng),。

　　(1)主時(shí)間服務(wù)器同步線程
　　主時(shí)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(dòng)時(shí)進(jìn)行初始時(shí)間發(fā)布,。完成網(wǎng)絡(luò)同步后，等待同步校驗(yàn)握手請(qǐng)求和異步入網(wǎng)請(qǐng)求,。
　　(2)組內(nèi)時(shí)間服務(wù)器同步線程
　　組內(nèi)時(shí)間服務(wù)器的主要功能是在初始時(shí)間發(fā)布中先與主時(shí)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(yàn)握手請(qǐng)求,、異步入網(wǎng)請(qǐng)求等做出相應(yīng)操作，同時(shí),，保持本地時(shí)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(shí)間服務(wù)器發(fā)來的通知PDU后,，啟動(dòng)同步線程,，獲得初始時(shí)間并校準(zhǔn)；本地同步后,，等待異步入網(wǎng)請(qǐng)求并保持本地時(shí)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(shí)間廣播協(xié)議數(shù)據(jù)單元。其中4位駐留為廣播時(shí)間服務(wù)器駐留計(jì)數(shù)器的低四位,，一個(gè)駐留時(shí)間為5.4秒,，則時(shí)間校準(zhǔn)范圍(允許校準(zhǔn)前與時(shí)間服務(wù)器之間的最大時(shí)間差)可以達(dá)到23×5.4秒，即43.2秒,。實(shí)現(xiàn)中,，機(jī)器的初始時(shí)間差在大部分情況下都大于43.2秒，該P(yáng)DU格式不能滿足系統(tǒng)要求,。
　　主時(shí)間服務(wù)器在發(fā)布時(shí)間時(shí)不會(huì)用到分組信息,，所以本文將主時(shí)間服務(wù)器廣播的LE_GTB PDU稍作調(diào)整后稱之為L(zhǎng)E_MGTB PDU,，如圖4所示,，將LE_GTB PDU中的駐留和服務(wù)組號(hào)域合并為9bit的新駐留域，來傳遞主時(shí)間服務(wù)器中駐留數(shù)計(jì)數(shù)器的低9位,。這樣,，時(shí)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(shí)現(xiàn)的需求,。

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