1 研究背景
　　短波(HF)通信利用短波波段(頻率3M~30MHz)電磁波進行無線通信，是重要的遠距離無線電通信手段，廣泛應用于氣象、商業等部門，特別是軍事通信領域。1988年，美軍推出了工作在異步模式的《第二代中短波系統互操作及性能標準》(即MIL-STD-188-141A標準，簡稱HF-2G)，為了能夠更好地支持大規模數據傳輸和Internet應用，1998年《第三代中短波系統互操作及性能標準》(即MIL-STD-188-141B，簡稱HF-3G)^[1]及2001年的修改版^[2]相繼誕生。HF-3G的改進和優勢在于它以同步方式操作，在高網絡負載下有更好的性能。
　　HF-3G所有的鏈路" title="鏈路">鏈路建立以及同步數據傳輸都依賴于站點的同步時鐘" title="同步時鐘">同步時鐘。HF-3G網絡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。但當無法獲得統一的外部同步時鐘時，同步管理協議就顯得尤為重要。
　　本文主要介紹HF-3G同步管理協議在VC6.0上的軟件實現。HF-3G協議中并沒有對該同步管理協議進行測試，本文的實現數據證明了其實用性。
2 第三代短波同步管理協議介紹
　　HF-3G同步管理協議主要包括：初始時間發布、同步校驗握手、異步站點入網、同步保持四個子協議。它們共同完成以下3個任務：
　　(1)補償時間基準漂移的同步保持。
　　(2)為后來進入網絡的站點提供時間服務。
　　(3)為網絡成員提供初始時間發布。
　　下面介紹該協議中駐留組和駐留時間的概念以及主要同步管理協議數據單元的定義。
2.1 駐留組與駐留時間
　　HF-3G網絡中成員被劃分成組，不同的組在每個掃描的駐留時間內分別監聽不同的信道。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。在同一時間監聽同一信道的組稱為一個駐留組。文獻^[2]中規定，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 同步管理協議數據單元
　　同步管理協議中用到的協議數據單元(PDU)均為26bit格式的數據，其同步管理的PDU結構如圖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布，完成各站點與時間服務器的首次校準；LE_Sync Check PDU和LE_Timeoffset PDU在第2次校準時間的過程中發揮著重要作用：主叫站點(被校準方)發送LE_ Sync Check PDU，請求時間校驗，被叫站點(校準方)回應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一步調整本地時鐘的時間。二次校準完成網絡時鐘的同步。
3 HF-3G同步協議實現
　　整個HF-3G系統多線程示意圖如圖2所示。

　　應用層線程為應用程序啟動的主線程，提供接口接收用戶消息(如發起呼叫、接收呼叫、獲取并發送用戶數據、中止通信等)，同時顯示接收到的數據和其他底層狀態信息。此外，應用層還負責基本的設置，包括同步方式、站點的身份(一般站點或時間服務器)、時間不確定度" title="不確定度">不確定度等。
　　鏈路層" title="鏈路層">鏈路層線程是系統的主要工作線程，負責鏈路建立、信道自適應等工作；物理層線程受鏈路層的控制，負責收發數據，分為接收線程和發送線程；解碼線程負責將收到的數據解碼并解析，通知鏈路層所收PDU類型以便鏈路層做出相應的處理。同步線程是本文的重點，下面將詳細介紹該線程的實現。
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。這部分不是同步協議實現的必須模塊，只作為與同步協議并行部分保留。
　　同步初始化模塊是初始時間發布模塊，完成初始時間的發布和獲得。協議規定，首先主時間服務器以異步模式進行初次時間發布，網絡進入同步運行模式。在接下來的32個駐留時間內，完成駐留組時間服務器與網絡主時間服務器的時間校準。而后，在組時間服務器完成本組內的首次初始時間發布，再用60個駐留時間來完成駐留組的成員與所對應的組時間服務器的同步校驗握手，校準本地時間。
　　同步校驗握手模塊在網絡允許的時間漂移范圍內完成主叫站點的時間校準工作。
　　異步站點入網模塊，完成在網絡同步之后接入網絡的站點與網絡時間的校準和同步；或者幫助網絡時間漂移超過網絡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的時間不確定度小于規定的范圍，超過額度則發起中斷，執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的范圍則執行后入網站點模塊，保證本地時間的準確度。
3.2 同步管理多線程實現
　　在HF-3G同步管理協議中，有三種不同的功能角色：主時間服務器、組內時間服務器和組內成員。為了清晰劃分功能，系統中分別采用三個線程來實現三種不同的功能。其同步管理多線程實現示意圖如圖3所示。在系統啟動時，用戶可在界面上選擇不同角色以完成不同線程的啟動。

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

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