1 研究背景
　　短波(HF)通信利用短波波段(频率3M~30MHz)电磁波进行无线通信，是重要的远距离无线电通信手段，广泛应用于气象、商业等部门，特别是军事通信领域。1988年，美军推出了工作在异步模式的《第二代中短波系统互操作及性能标准》(即MIL-STD-188-141A标准，简称HF-2G)，为了能够更好地支持大规模数据传输和Internet应用，1998年《第三代中短波系统互操作及性能标准》(即MIL-STD-188-141B，简称HF-3G)^[1]及2001年的修改版^[2]相继诞生。HF-3G的改进和优势在于它以同步方式操作，在高网络负载下有更好的性能。
　　HF-3G所有的链路" title="链路">链路建立以及同步数据传输都依赖于站点的同步时钟" title="同步时钟">同步时钟。HF-3G网络同步操作计划通过外部方式(如GPS接收器)获得时钟，保持同步。但当无法获得统一的外部同步时钟时，同步管理协议就显得尤为重要。
　　本文主要介绍HF-3G同步管理协议在VC6.0上的软件实现。HF-3G协议中并没有对该同步管理协议进行测试，本文的实现数据证明了其实用性。
2 第三代短波同步管理协议介绍
　　HF-3G同步管理协议主要包括：初始时间发布、同步校验握手、异步站点入网、同步保持四个子协议。它们共同完成以下3个任务：
　　(1)补偿时间基准漂移的同步保持。
　　(2)为后来进入网络的站点提供时间服务。
　　(3)为网络成员提供初始时间发布。
　　下面介绍该协议中驻留组和驻留时间的概念以及主要同步管理协议数据单元的定义。
2.1 驻留组与驻留时间
　　HF-3G网络中成员被划分成组，不同的组在每个扫描的驻留时间内分别监听不同的信道。这样，呼叫在时间上和频率上就被分开，减少了呼叫信道拥塞的可能性。在同一时间监听同一信道的组称为一个驻留组。文献^[2]中规定，一个驻留组在一个信道上的停留时间为5.4秒，该时间称为一个驻留时间。
2.2 同步管理协议数据单元
　　同步管理协议中用到的协议数据单元(PDU)均为26bit格式的数据，其同步管理的PDU结构如图1所示。主要包括：呼叫PDU(LE_Call PDU)、同步校验PDU(LE_ Sync Check PDU，即命令字=“100”的握手PDU)、组时间广播PDU(LE_GTB PDU)和同步补偿PDU(LE_Timeoffset PDU)。

　　LE_GTB PDU主要用于初始时间的发布，完成各站点与时间服务器的首次校准；LE_Sync Check PDU和LE_Timeoffset PDU在第2次校准时间的过程中发挥着重要作用：主叫站点(被校准方)发送LE_ Sync Check PDU，请求时间校验，被叫站点(校准方)回应LE_ Timeoffset PDU，给出时间差度。主叫站点接收到LE_ Timeoffset PDU后，利用该接收到PDU的理论时间和实际时间的差值进一步调整本地时钟的时间。二次校准完成网络时钟的同步。
3 HF-3G同步协议实现
　　整个HF-3G系统多线程示意图如图2所示。

　　应用层线程为应用程序启动的主线程，提供接口接收用户消息(如发起呼叫、接收呼叫、获取并发送用户数据、中止通信等)，同时显示接收到的数据和其他底层状态信息。此外，应用层还负责基本的设置，包括同步方式、站点的身份(一般站点或时间服务器)、时间不确定度" title="不确定度">不确定度等。
　　链路层" title="链路层">链路层线程是系统的主要工作线程，负责链路建立、信道自适应等工作；物理层线程受链路层的控制，负责收发数据，分为接收线程和发送线程；解码线程负责将收到的数据解码并解析，通知链路层所收PDU类型以便链路层做出相应的处理。同步线程是本文的重点，下面将详细介绍该线程的实现。
3.1 同步功能模块划分
　　HF-3G同步功能模块主要包括GPS时间获取模块、同步初始化模块、同步校验握手模块、异步站点入网模块和时间不确定度检查模块。
　　GPS时间获取模块是外部时钟同步模块，完成本地时间与GPS或者UTC的时间校准。这部分不是同步协议实现的必须模块，只作为与同步协议并行部分保留。
　　同步初始化模块是初始时间发布模块，完成初始时间的发布和获得。协议规定，首先主时间服务器以异步模式进行初次时间发布，网络进入同步运行模式。在接下来的32个驻留时间内，完成驻留组时间服务器与网络主时间服务器的时间校准。而后，在组时间服务器完成本组内的首次初始时间发布，再用60个驻留时间来完成驻留组的成员与所对应的组时间服务器的同步校验握手，校准本地时间。
　　同步校验握手模块在网络允许的时间漂移范围内完成主叫站点的时间校准工作。
　　异步站点入网模块，完成在网络同步之后接入网络的站点与网络时间的校准和同步；或者帮助网络时间漂移超过网络所允许范围的站点重新同步。
　　时间不确定度检查模块保持系统的时间不确定度小于规定的范围，超过额度则发起中断，执行同步校验握手模块功能，如果时间不确定度超过同步校验握手模块所能校准的范围则执行后入网站点模块，保证本地时间的准确度。
3.2 同步管理多线程实现
　　在HF-3G同步管理协议中，有三种不同的功能角色：主时间服务器、组内时间服务器和组内成员。为了清晰划分功能，系统中分别采用三个线程来实现三种不同的功能。其同步管理多线程实现示意图如图3所示。在系统启动时，用户可在界面上选择不同角色以完成不同线程的启动。

　　(1)主时间服务器同步线程
　　主时间服务器不进行同步扫描，只在固定的信道上接收和发送PDU。其主要功能是在初始启动时进行初始时间发布。完成网络同步后，等待同步校验握手请求和异步入网请求。
　　(2)组内时间服务器同步线程
　　组内时间服务器的主要功能是在初始时间发布中先与主时间服务器进行校准，然后与组内成员进行校准；网络同步后，根据同步校验握手请求、异步入网请求等做出相应操作，同时，保持本地时钟同步。
　　(3)组内成员同步线程
　　组内成员同步线程初始处于挂起状态，当接收到主时间服务器发来的通知PDU后，启动同步线程，获得初始时间并校准；本地同步后，等待异步入网请求并保持本地时钟的同步。
3.3 协议的改进
　　原协议的LE_GTB PDU格式即为图1中组时间广播协议数据单元。其中4位驻留为广播时间服务器驻留计数器的低四位，一个驻留时间为5.4秒，则时间校准范围(允许校准前与时间服务器之间的最大时间差)可以达到23×5.4秒，即43.2秒。实现中，机器的初始时间差在大部分情况下都大于43.2秒，该PDU格式不能满足系统要求。
　　主时间服务器在发布时间时不会用到分组信息，所以本文将主时间服务器广播的LE_GTB PDU稍作调整后称之为LE_MGTB PDU，如图4所示，将LE_GTB PDU中的驻留和服务组号域合并为9bit的新驻留域，来传递主时间服务器中驻留数计数器的低9位。这样，时间校准范围可以达到2⁸×5.4秒，即1382.4秒，基本满足了系统实现的需求。

　　LE_MGTB是在一个驻留的最后时隙" title="时隙">时隙发布的，这样，经过主时间服务器的初始时间广播后，网内站点的时间差能保持在一个时隙内。因此，在组内广播LE_GTB PDU时用4bit的精度能满足要求，无需修改。
　　在初始时间发布的时候，协议中规定在第1次初始时间后，整个网络的再次校验握手将持续(32+1+60)个驻留时间，即502.2秒。具体过程如图3。这种设置是针对饱和网络(共有32个驻留组，每组有不包括时间服务器的60个独立站点)所设计的，这对小型网络是极大的浪费。
　　如果网络中站点的个数及分组信息可知(这在实际应用中可以得到)，则可以将主时间服务器与组时间服务器的时间校准时间T_MG设置为：
　　T_MG=N_group×T_dwell
　　其中，N_group为驻留组数，T_dwell为驻留时间。
　　而各个组内部的校验时间T_GSi设为：
　　T_GSi=N_station×T_dwell
　　其中，N_station为每组内站点数目。
　　再次校验握手时间T_again为：
　　T_again=T_MG+(T_GSi)+T_GT
　　其中T_GT为组时间服务器初次时间发布所用时间。
　　以站点数分别为80、850和1 920为例，假定站点均匀分配到各驻留组，不考虑网络延时，信息速率为7 200bps，改进前后完成初始时间发布所需时间对照表如表1所示。其中，TMT=0.61333×N_dwell为主时间服务器首次发布初始时间所需时间，Ttotal为整个初始时间发布的总时间，T为改进前的时间，T′为改进后的时间。可见改进后的初始时间发布对于中小型网络完成同步速度有很大提高。