程 磊 ，童新海 ，吳久銀 ，張忠超 ，孔 博

(1.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院研三隊(duì)，江蘇 南京210007；2.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院衛(wèi)星通信教研室，江蘇 南京210007)

衛(wèi)星移動(dòng)通信作為全球移動(dòng)通信的重要組成部分，其目的是實(shí)現(xiàn)通信終端手持化和個(gè)人通信全球化[1]。相比地面3G、4G移動(dòng)通信，衛(wèi)星信道的長延時(shí)、高誤碼和非對稱信道使得其通信質(zhì)量遠(yuǎn)不能滿足業(yè)務(wù)需要。為滿足衛(wèi)星高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，本文基于衛(wèi)星移動(dòng)通信信道特性，考慮移植或借鑒地面3G中成熟高效的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)如自適應(yīng)調(diào)制編碼(AMC)、混合自動(dòng)請求重傳(HARQ)在衛(wèi)星移動(dòng)通信中的應(yīng)用。

跨層設(shè)計(jì)(Cross-layer Design)作為下一代移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)，目前在眾多領(lǐng)域得到了研究和應(yīng)用[2-3]。衛(wèi)星信道與地面信道一樣隨時(shí)間變化，易受環(huán)境影響，加之衛(wèi)星通信延時(shí)長、時(shí)延帶寬積高的特點(diǎn)，最終使衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)不同協(xié)議層之間的性能相互影響。因此，衛(wèi)星移動(dòng)通信同樣可以考慮采用跨層設(shè)計(jì)方法。

本文從跨層設(shè)計(jì)角度出發(fā)，對衛(wèi)星移動(dòng)通信特點(diǎn)和跨層設(shè)計(jì)作了簡要介紹，建立典型衛(wèi)星移動(dòng)通信信道模型，提出一種適用于衛(wèi)星移動(dòng)通信的HARQ聯(lián)合AMC的L/P跨層設(shè)計(jì)，并使用Matlab工具進(jìn)行仿真并作對比分析。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)明顯提高了系統(tǒng)的平均頻譜利用率。

1 衛(wèi)星移動(dòng)通信特點(diǎn)及跨層設(shè)計(jì)

衛(wèi)星移動(dòng)通信的一系列突出優(yōu)點(diǎn)[4]使得它非常迅速地成為通信領(lǐng)域中發(fā)展研究方向和現(xiàn)代通信強(qiáng)有力的手段之一。但相比地面移動(dòng)通信，其誤碼率較高，若不能采取有效的差錯(cuò)控制機(jī)制，系統(tǒng)業(yè)務(wù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)的有效傳輸將受到直接影響，最終影響業(yè)務(wù)推廣。實(shí)際中采用自動(dòng)請求重傳ARQ(Automatic Repeat reQuest)解決數(shù)據(jù)丟失問題，但傳統(tǒng)ARQ僅將出錯(cuò)數(shù)據(jù)丟棄而未充分利用，無形中浪費(fèi)了系統(tǒng)資源。DVB-S標(biāo)準(zhǔn)中采用的AMC技術(shù)只通過反饋信道來選擇編碼調(diào)制方式，碼率和調(diào)制方式有限,在多信道選擇 MCS(Multiple Channel Select)的兩個(gè)端點(diǎn)處不能充分發(fā)揮AMC技術(shù)的優(yōu)勢。針對這兩個(gè)問題，考慮在衛(wèi)星移動(dòng)通信中同時(shí)引入HARQ和AMC技術(shù)。

跨層設(shè)計(jì)以充分利用系統(tǒng)資源為原則，旨在大幅度提高通信系統(tǒng)各項(xiàng)性能，滿足用戶對不同業(yè)務(wù)的QoS需求。它打破網(wǎng)絡(luò)各層獨(dú)立性，充分利用不同層間的相互作用進(jìn)行交互式跨層設(shè)計(jì)[5]。跨層設(shè)計(jì)通常分內(nèi)在型和外在型兩種[6]，前者考慮整體協(xié)議最優(yōu)化，而后者強(qiáng)調(diào)在不同層之間傳輸參數(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)適應(yīng)。結(jié)合衛(wèi)星移動(dòng)通信信道特點(diǎn)，基于外在跨層設(shè)計(jì)的思想，本文將鏈路層HARQ技術(shù)與物理層AMC技術(shù)聯(lián)合考慮。

2 L/P跨層設(shè)計(jì)方法

2.1 系統(tǒng)模型

本文基于衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，考慮地面關(guān)口站經(jīng)衛(wèi)星中繼且與地面移動(dòng)終端之間單發(fā)單收的通信情況，簡化系統(tǒng)如圖1所示。其工作原理為：根據(jù)鏈路層所容忍的最大延時(shí)，選擇最大的傳輸次數(shù)；根據(jù)誤包率要求確定物理層模式選擇切換的臨界點(diǎn)；用循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)來檢驗(yàn)信息數(shù)據(jù)包是否正確譯碼，確定重傳的必要性；根據(jù)信道估計(jì)值，選擇最優(yōu)的調(diào)制編碼方式，實(shí)現(xiàn)傳送數(shù)據(jù)速率最大化。

圖1 系統(tǒng)模型

在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)移動(dòng)終端所處物理環(huán)境的不同,衛(wèi)星移動(dòng)信道可分為Rayleigh信道、Rice信道、Rician/Lognormal信道[7]。本文使用Nakagami-m[8](m為信道衰落參數(shù))信道模型描述衛(wèi)星移動(dòng)信道質(zhì)量參數(shù)。Nakagamim分布可以通過控制參數(shù)m模擬多種不同的分布：當(dāng)m=1時(shí)，相當(dāng)于Rayleigh分布；當(dāng)m=1/2時(shí)，等同于單邊高斯分布；當(dāng)m=0時(shí)，則表示無衰落分布；當(dāng)m→∞時(shí)，為高斯分布。

圖2 跨層交互模型

如圖2所示，本文跨層設(shè)計(jì)存在于物理層與鏈路層之間，通過鏈路層向物理層傳遞必要參數(shù)，以指導(dǎo)物理層選擇合理的HARQ方式以及調(diào)制編碼方式，在滿足鏈路層性能的同時(shí)，能夠使物理層的性能得到改善，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)傳輸。

2.2 HARQ聯(lián)合AMC的L/P跨層設(shè)計(jì)

在實(shí)際的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，一方面，系統(tǒng)能夠容許的延時(shí)是有限的，因此每個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸次數(shù)將受到限制，系統(tǒng)能夠容許的最大延時(shí)除以一次往返所需的時(shí)間(不同軌道高度的往返時(shí)間有差別)取整數(shù)部分就是系統(tǒng)能夠容許的最大傳輸次數(shù)Nmax，如果在傳輸次數(shù)Nmax之內(nèi)，接收端仍然不能正確解碼，將丟棄這包數(shù)據(jù)，進(jìn)行下一包數(shù)據(jù)的傳輸。另一方面，不同業(yè)務(wù)對誤包率的要求也有所不同。HARQ是將前向糾錯(cuò)(FEC)和自動(dòng)請求重傳技術(shù)(ARQ)聯(lián)合使用的鏈路可靠性保障技術(shù)，它能夠有效降低誤碼率，減小時(shí)延。通常HARQ可按照參考文獻(xiàn)[9]的方法劃分為 Type-I、II、III型,仿真實(shí)驗(yàn)證明 Type-III型HARQ穩(wěn)定性、可靠性好，有較高的頻譜利用率。考慮衛(wèi)星移動(dòng)信道的實(shí)際情況和仿真復(fù)雜度，設(shè)定最大重傳次數(shù)Nmax≤3。AMC技術(shù)根據(jù)信道質(zhì)量反饋，動(dòng)態(tài)選擇匹配當(dāng)前信道狀況的最佳調(diào)制編碼方式，以實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率和可靠通信。在編碼方式上，在衛(wèi)星通信常用編碼中，Turbo碼以及最近幾年興起的LDPC碼等都是常用的糾錯(cuò)編碼方式[10]。從方便對數(shù)據(jù)進(jìn)行碼率調(diào)整和Turbo碼的成熟應(yīng)用方面考慮,本文選擇Turbo碼作為信道編碼方式[11]。

Type-III型 HARQ的數(shù)據(jù)初始處理過程為：將1184信息比特加上16 bit的CRC校驗(yàn)碼采用1/3碼率的Turbo碼進(jìn)行信道編碼，生成總比特?cái)?shù)為3 600 bit的信道編碼信息，接下來，不同類型的HARQ機(jī)制選擇不同的刪余矩陣處理。表1給出了衛(wèi)星通信常用的BPSK、QPSK、16QAM調(diào)制方式和Turbo編碼6種調(diào)制編碼組合，考慮到AMC頻繁的切換會(huì)增加系統(tǒng)開銷，故而在此只選用6種方案。系統(tǒng)選擇調(diào)制編碼方式通常會(huì)考慮功率效率和頻譜效率的折衷，本文考慮衛(wèi)星信道功率受限的情況。通過設(shè)置各級MCS切換門限，根據(jù)系統(tǒng)的SNR值區(qū)間，選用不同類型的 MCS。表2 中的 P0、P1、P2、P3分別是各次傳輸中所用的刪余矩陣,其中P0代表首次傳輸時(shí)的刪余矩陣，矩陣內(nèi)部元素0表示此位置被刪除，1表示被保留，刪截僅針對校驗(yàn)比特，其目的是使用重傳機(jī)制實(shí)現(xiàn)對碼率的調(diào)整。

不同Nmax下AMC切換調(diào)制方式的數(shù)值點(diǎn)如表3所示。

表1 調(diào)制編碼(Turbo碼)的6種模式

表2 Type-III型HARQ的刪余矩陣

表3 HARQ-Type-III型不同最大傳輸次數(shù)時(shí)切換點(diǎn)數(shù)值

按照上面的跨層設(shè)計(jì)方法，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行流程為：每個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸過程中，通過反饋回的信道估計(jì)的情況，按照表1進(jìn)行MCS進(jìn)行更新。若首次傳輸出錯(cuò)，則按照表2重傳方式，選擇最大傳輸次數(shù)為 Nmax時(shí)的重傳規(guī)則進(jìn)行重傳。

3 仿真及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文中跨層設(shè)計(jì)的性能，假設(shè)信道頻域平坦、單幀不變、逐幀可變，AMC隨之調(diào)整，使用Matlab搭建了上述信道模型的仿真平臺，模擬傳輸參數(shù)信息。下面分別給出不同Nmax時(shí)的HARQ聯(lián)合AMC的L/P跨層設(shè)計(jì)的平均頻譜利用率的性能曲線，同時(shí)給出無跨層設(shè)計(jì)情況的性能曲線與之作比較。在本文的研究中，使用Nakagami-m信道，m=1，假定在Nmax次傳輸之內(nèi)，HARQ在物理層的誤包率PER≤0.01,最終實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)就是選擇合理的HARQ與AMC組合,來滿足物理層的誤包率和業(yè)務(wù)的延時(shí)要求。仿真設(shè)定信噪比為符號功率與噪聲功率的比值 Es/N0，結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3～圖5分別為無跨層設(shè)計(jì)僅在鏈路層采用Type-III型HARQ技術(shù)的系統(tǒng)平均頻譜利用率性能分析結(jié)果。

圖6為以Nmax=2時(shí)，不同調(diào)制方式在無跨層設(shè)計(jì)中的平均誤包率，粗黑色線標(biāo)識給出了L/P跨層設(shè)計(jì)中不同調(diào)制方式在設(shè)定誤包率為Ptarget=0.01條件下的切換點(diǎn)。

圖3 Nmax=1時(shí)，無跨層設(shè)計(jì)系統(tǒng)平均頻譜利用率

圖4 Nmax=2時(shí)，無跨層設(shè)計(jì)系統(tǒng)平均頻譜利用率

圖5 Nmax=3時(shí),無跨層設(shè)計(jì)系統(tǒng)平均頻譜利用率

圖7給出了不同Nmax下HARQ聯(lián)合AMC的L/P跨層設(shè)計(jì)的系統(tǒng)平均頻譜利用率性能分析結(jié)果。從圖中的比較可以看出，在相同信噪比條件下，后者的系統(tǒng)平均頻譜利用率相比前者要高，且變化曲線較為平緩，即意味著系統(tǒng)傳輸速率明顯提高，系統(tǒng)較為穩(wěn)定。同時(shí)還可以看出，隨著最大重傳次數(shù)的增大，系統(tǒng)平均頻譜利用率也相應(yīng)提高(Nmax增大，HARQ糾檢錯(cuò)能力增強(qiáng)，也就減輕了對物理層糾檢錯(cuò)能力的要求，即對物理層的性能要求降低了，傳輸速率則可以相應(yīng)地增加，使得系統(tǒng)頻譜利用率提高），但增長的速度卻有所減小，也就是說，Nmax是有上限的。實(shí)際中推薦使用Nmax=2，小的重傳次數(shù)僅需要較小的緩沖區(qū)和時(shí)延既可以實(shí)現(xiàn)較高的頻譜利用率。

圖6 Nmax=2時(shí)，不同調(diào)制方式下的平均誤包率

圖7 Nmax=1、2、3時(shí)，HARQ+AMC 的 L/P 跨層設(shè)計(jì)系統(tǒng)平均頻譜利用率

跨層設(shè)計(jì)對提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能有良好的前景，國際衛(wèi)星及空間通信專題研討會(huì)IWSSC2005曾對衛(wèi)星通信中的跨層設(shè)計(jì)作了專題的征文與討論。本文提出了一種提高系統(tǒng)平均頻譜利用率的L/P跨層設(shè)計(jì)方法，基于實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，根?jù)典型的衛(wèi)星移動(dòng)通信信道情況，通過HARQ技術(shù)聯(lián)合AMC技術(shù)，使得系統(tǒng)平均頻譜利用率得到了有效提高，為將來設(shè)計(jì)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸提供一定的理論支撐。未來衛(wèi)星通信中跨層設(shè)計(jì)研究方向是協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)，各層之間相互都有接口，綜合考慮系統(tǒng)各層參數(shù)，如物理層誤比特率、網(wǎng)絡(luò)層時(shí)延或路由效率等，以充分利用資源、優(yōu)化系統(tǒng)整體性能。

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