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摘 要：由于短波通信存在带宽窄、传输效率低、抗干扰性差等问题，一般网络通信协议不适用于短波窄带传输，本文从协议分层设计的角度出发，提出一种适用于短波通信的空口协议设计方法，通过将短波空口协议分为通道层、传输层、应用层三层，为短波点对点通信和组网通信提供一种高压缩高可靠的短波空口协议设计方案。
关键词：短波通信;窄带通信;空口协议;协议分层
1引言
短波通信又称高频（HF）通信，使用频率范围在1.6MHz～30MHz的电磁波进行无线通信，主要利用电离层反射的天波实现远距离通信，利用大地传播的地波实现近距离通信。作为通信领域的重要保底通信手段，短波通信具有通信距离远、抗毁性强、运行成本低、设备安装简便等优点，长期广泛应用于报文传送、气象广播、商业传播、航海航空、军事指挥、防汛救灾等领域，用来传输文字、图像、数据、音频等多种信息。但短波通信由于受制于带宽约束，传输效率很低，抗干扰性差，传输可靠性低，因此要求短波通信的空口协议具备高压缩和高可靠的协议设计。
2协议分层设计
本文提出的短波空口协议分层设计方法，主要将短波空口协议分为通道层、传输层、应用层三层，其中通道层面向底层传输通道，负责提供短波数据传输通道，包括报文、数据流等数据传输方式;传输层面向传输控制，负责提供短报文和长报文两种数据传输方式，支持可靠和不可靠两种传输方式，支持数据分包传输，提供数据校验和多种ARQ（Automatic Repeat request，自動重传请求）传输控制;应用层面向用户应用接口，提供文本短信、语音短信、文件（文本文件、压缩文件、图片文件等）、定位等应用的协议约定。
短波空口协议分层方式如图1所示，应用层协议内容按照空口协议应用层协议约定封装后，按照传输层协议数据部分约定的长度上限进行分包，每个应用层数据单元包由传输层协议进行打包封装，增加传输层协议头和CRC（Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验）字段，然后在通道层增加物理链路协议头，借助短波电台等通信设备提供的底层传输通道，将短波空口协议数据发送给对方。对方收到短波空口协议数据后，按照反方向进行协议解析，从而完成短波空口协议的整个收发过程。
3协议内容设计
3.1通道层
通道层从短波基础通信设备方面提供基本的数据传输通路，由于通道层由短波设备提供，具备独特性、私有性、专用性等特点，不同厂家或不同型号的短波电台提供的通道层接口千差万别，但一般都提供报文、数据流、可靠长数据等基础数据通道。由于通道层差异化严重，不在本文讨论范围。
3.2传输层
传输层协议是短波空口协议的关键部分和控制核心，具备以下特点：
1）提供短报文和长报文两种数据传输方式，其中短报文提供短数据的单包一次性传输，长报文提供长数据的分包多次传输;
2）提供可靠和不可靠两种确认方式，其中可靠传输基于确认和重传，传输可靠性高但效率低，不可靠传输不需要确认和重传，效率高但传输可靠性低;
3）数据包以开始字和结束字标识开始和结束，数据长度不受制于通道层提供的单包数据长度限制，接收端数据重组方便;
4）提供对传输层数据的CRC校验功能，增强数据接收安全性，对传输误码、信道干扰、数据篡改有较高的识别能力，同时提高了传输的可靠性。
传输层协议格式设计如图2所示。
传输层协议以开始字和结束字进行协议封装，中间字节与开始字或结束字重复的字节采用转义/解义处理，在发送端转义，在接收端解义，从而保证传输层空口数据传输过程中，不受制于通道层的数据接口或底层分包等限制，便于接收端进行数据重组;长度字段用来描述整个协议在扣除开始字和结束字后的完整原始数据长度;源ID和目的ID为发送端和接收端的传输链路ID，一般采用短波电台的地址;关键字用来区分传输层的不同报文类型，主要用区分为短报文请求、短报文应答、长报文请求、长报文应答四种，其中短报文适用于发送单包可以承载的业务数据，例如文本短信等，长报文适用于发送多包承载的业务数据，如文件等;传输类型分为可靠传输和不可靠传输两种，其区别在于接收端是否需要回复应答，以及发送端以是否收到应答为依据决定是否需要重传当前数据包;CRC字段用来对除开始字和结束字之外的完整原始数据内容生成校验码，用于接收端进行数据安全性检查。
3.3应用层
应用层协议提供面向用户的具体业务类型，可根据用户的需求进行扩展，本文仅介绍提供给短波用户的文本短信、文件、语音短信、拨号话音、定位上报五种业务类型，应用层协议格式设计如图3所示。
应用层协议中的长度字段用来描述整个应用层协议的数据长度。标识字段用来描述当前业务的唯一业务索引，用来区分两次不同的业务。收据字段用来控制接收端收到业务后是否立即回复业务收据。业务关键字用来区分应用层协议可提供的业务类型，包括文本短信、文件、语音短信、话音拨号请求、挂机、定位上报共六种类型，满足短波用户对文本短信、语音短信、文件、拨号话音、定位等应用的需求。
4结束语
本文提出的基于短波通信的空口协议分层设计方法，将短波空口协议进行标准化和通用化，可以在不同层面满足不同的应用场景，并且支持协议的裁剪与扩展。如果仅需要提供短波报文传输通道，不需要关心具体的业务类型，则只需要实现传输层空口协议;如果仅在当前传输体制下，向外扩展其他业务类型，则只需要在应用层设计上进行拓展延伸。
本文提出的方案即可以应用于传统网专方式的基于短波电台点对点通信的空口协议设计，又可以应用于新型接入网方式的基于机动短波用户和固定接入节点的大型短波组网系统的空口协议设计，同时也可以延伸应用于超短波、中长波等其他窄带通信领域。
参考文献：
[1] 胡中豫. 现代短波通信[M]. 国防工业出版社， 2004.
[2] 刘琦. 探讨短波通信电台在人防通信中的重要作用[J]. 通信世界， 2014.
[3] 罗健. 移动通信网空中接口协议与信令的研究[D]. 北京：北京邮电大学， 2007.
[4] 蔡正翔. 基于软件无线电的空中接口监测系统研究. 广西：广西师范大学， 2014.
关键词：短波通信;窄带通信;空口协议;协议分层
1引言
短波通信又称高频（HF）通信，使用频率范围在1.6MHz～30MHz的电磁波进行无线通信，主要利用电离层反射的天波实现远距离通信，利用大地传播的地波实现近距离通信。作为通信领域的重要保底通信手段，短波通信具有通信距离远、抗毁性强、运行成本低、设备安装简便等优点，长期广泛应用于报文传送、气象广播、商业传播、航海航空、军事指挥、防汛救灾等领域，用来传输文字、图像、数据、音频等多种信息。但短波通信由于受制于带宽约束，传输效率很低，抗干扰性差，传输可靠性低，因此要求短波通信的空口协议具备高压缩和高可靠的协议设计。
2协议分层设计
本文提出的短波空口协议分层设计方法，主要将短波空口协议分为通道层、传输层、应用层三层，其中通道层面向底层传输通道，负责提供短波数据传输通道，包括报文、数据流等数据传输方式;传输层面向传输控制，负责提供短报文和长报文两种数据传输方式，支持可靠和不可靠两种传输方式，支持数据分包传输，提供数据校验和多种ARQ（Automatic Repeat request，自動重传请求）传输控制;应用层面向用户应用接口，提供文本短信、语音短信、文件（文本文件、压缩文件、图片文件等）、定位等应用的协议约定。
短波空口协议分层方式如图1所示，应用层协议内容按照空口协议应用层协议约定封装后，按照传输层协议数据部分约定的长度上限进行分包，每个应用层数据单元包由传输层协议进行打包封装，增加传输层协议头和CRC（Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验）字段，然后在通道层增加物理链路协议头，借助短波电台等通信设备提供的底层传输通道，将短波空口协议数据发送给对方。对方收到短波空口协议数据后，按照反方向进行协议解析，从而完成短波空口协议的整个收发过程。
3协议内容设计
3.1通道层
通道层从短波基础通信设备方面提供基本的数据传输通路，由于通道层由短波设备提供，具备独特性、私有性、专用性等特点，不同厂家或不同型号的短波电台提供的通道层接口千差万别，但一般都提供报文、数据流、可靠长数据等基础数据通道。由于通道层差异化严重，不在本文讨论范围。
3.2传输层
传输层协议是短波空口协议的关键部分和控制核心，具备以下特点：
1）提供短报文和长报文两种数据传输方式，其中短报文提供短数据的单包一次性传输，长报文提供长数据的分包多次传输;
2）提供可靠和不可靠两种确认方式，其中可靠传输基于确认和重传，传输可靠性高但效率低，不可靠传输不需要确认和重传，效率高但传输可靠性低;
3）数据包以开始字和结束字标识开始和结束，数据长度不受制于通道层提供的单包数据长度限制，接收端数据重组方便;
4）提供对传输层数据的CRC校验功能，增强数据接收安全性，对传输误码、信道干扰、数据篡改有较高的识别能力，同时提高了传输的可靠性。
传输层协议格式设计如图2所示。
传输层协议以开始字和结束字进行协议封装，中间字节与开始字或结束字重复的字节采用转义/解义处理，在发送端转义，在接收端解义，从而保证传输层空口数据传输过程中，不受制于通道层的数据接口或底层分包等限制，便于接收端进行数据重组;长度字段用来描述整个协议在扣除开始字和结束字后的完整原始数据长度;源ID和目的ID为发送端和接收端的传输链路ID，一般采用短波电台的地址;关键字用来区分传输层的不同报文类型，主要用区分为短报文请求、短报文应答、长报文请求、长报文应答四种，其中短报文适用于发送单包可以承载的业务数据，例如文本短信等，长报文适用于发送多包承载的业务数据，如文件等;传输类型分为可靠传输和不可靠传输两种，其区别在于接收端是否需要回复应答，以及发送端以是否收到应答为依据决定是否需要重传当前数据包;CRC字段用来对除开始字和结束字之外的完整原始数据内容生成校验码，用于接收端进行数据安全性检查。
3.3应用层
应用层协议提供面向用户的具体业务类型，可根据用户的需求进行扩展，本文仅介绍提供给短波用户的文本短信、文件、语音短信、拨号话音、定位上报五种业务类型，应用层协议格式设计如图3所示。
应用层协议中的长度字段用来描述整个应用层协议的数据长度。标识字段用来描述当前业务的唯一业务索引，用来区分两次不同的业务。收据字段用来控制接收端收到业务后是否立即回复业务收据。业务关键字用来区分应用层协议可提供的业务类型，包括文本短信、文件、语音短信、话音拨号请求、挂机、定位上报共六种类型，满足短波用户对文本短信、语音短信、文件、拨号话音、定位等应用的需求。
4结束语
本文提出的基于短波通信的空口协议分层设计方法，将短波空口协议进行标准化和通用化，可以在不同层面满足不同的应用场景，并且支持协议的裁剪与扩展。如果仅需要提供短波报文传输通道，不需要关心具体的业务类型，则只需要实现传输层空口协议;如果仅在当前传输体制下，向外扩展其他业务类型，则只需要在应用层设计上进行拓展延伸。
本文提出的方案即可以应用于传统网专方式的基于短波电台点对点通信的空口协议设计，又可以应用于新型接入网方式的基于机动短波用户和固定接入节点的大型短波组网系统的空口协议设计，同时也可以延伸应用于超短波、中长波等其他窄带通信领域。
参考文献：
[1] 胡中豫. 现代短波通信[M]. 国防工业出版社， 2004.
[2] 刘琦. 探讨短波通信电台在人防通信中的重要作用[J]. 通信世界， 2014.
[3] 罗健. 移动通信网空中接口协议与信令的研究[D]. 北京：北京邮电大学， 2007.
[4] 蔡正翔. 基于软件无线电的空中接口监测系统研究. 广西：广西师范大学， 2014.