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        城際鐵路通信系統(tǒng)跨層自適應傳輸方案研究

        2015-01-01 02:33:02
        鐵道通信信號 2015年2期
        關(guān)鍵詞:鏈路層重傳物理層

        張 婷

        鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng) (GSM-R)作為珠三角城際軌道交通工程的核心技術(shù)之一,在沿線提供無線網(wǎng)絡覆蓋;為調(diào)度命令傳送、無線車次號校核提供無線數(shù)據(jù)傳輸通;提供無線語音和短消息服務。為保障列車的安全運行,GSM-R比公眾移動通信系統(tǒng)要求具有更高的可靠性和QoS。

        現(xiàn)有的GSM-R系統(tǒng)中,若不同等級的業(yè)務釆用相同的傳輸方案,則不能滿足高等級業(yè)務的可靠性需求,反而還會造成低等級業(yè)務資源浪費,降低效率。而且城際鐵路通信系統(tǒng)信道變化劇烈,信號深衰落,掉話率、阻塞率激增,頻率干擾嚴重,以及負荷較大的地區(qū)資源不足導致的接入時延大等問題,嚴重影響鐵路運輸?shù)目煽啃浴踩院陀行?,一旦系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤,將直接影響列車控制和列車調(diào)度的正常進行,嚴重的將釀成重大的安全事故。因此,根據(jù)業(yè)務類型的不同需求,優(yōu)化城際鐵路通信系統(tǒng)傳輸方案是十分必要的。

        1 跨層設計

        跨層設計是無線通信系統(tǒng)的一項先進技術(shù),通過整合協(xié)議棧,可有效利用和管理無線資源。也就是說,為了滿足各業(yè)務類型的不同需求,通過傳遞各協(xié)議層的特定信息來調(diào)整各層之間的操作參數(shù),以適應無線環(huán)境??鐚釉O計要求在各層之間進行信息共享,根據(jù)各層協(xié)議的不同要求和狀態(tài)來調(diào)節(jié)相關(guān)協(xié)議層的參數(shù),對系統(tǒng)的整體性能進行優(yōu)化??鐚釉O計充分利用調(diào)制編碼技術(shù)、傳輸功率控制、信道狀態(tài)等資源,實現(xiàn)系統(tǒng)總傳輸功率的最小化、吞吐量最大化以及總誤包率最小化。

        按照消息傳遞方向,可將跨層設計分為2類。

        1.由上層到下層機制。底層根據(jù)高層信息來調(diào)整其資源分配和傳輸策略,滿足高層QoS需求。

        2.由下層到上層機制。下層發(fā)送狀態(tài)指示信息到上層,上層通過對下層提供的反饋信息,做出相應的決策,優(yōu)化系統(tǒng)性能。

        基于城際鐵路承載的業(yè)務,跨層設計采用由下至上的機制,聯(lián)合物理層的自適應調(diào)制編碼(AMC)技術(shù)和鏈路層的自適應重傳 (HARQ)技術(shù)對傳輸方案進行優(yōu)化,并通過仿真分析這種優(yōu)化方案的系統(tǒng)性能。

        2 AMC-HARQ跨層自適應傳輸設計

        城際鐵路通信系統(tǒng)承載的主要業(yè)務,有電路域數(shù)據(jù)話音業(yè)務和分組域數(shù)據(jù)業(yè)務。具體如表1所示。

        表1 珠三角城際GSM-R系統(tǒng)承載的鐵路業(yè)務現(xiàn)狀

        電路域數(shù)據(jù)話音業(yè)務對實時性要求較高,又要十分準確地傳遞信息,具有最高或者較高的優(yōu)先級;分組域數(shù)據(jù)業(yè)務對實時性要求較低 (與電路域業(yè)務相比),突發(fā)性強,有一定的數(shù)據(jù)量。本文將跨層設計應用于城際鐵路無線通信系統(tǒng)中,根據(jù)業(yè)務類型的不同,在物理層和鏈路層進行AMCHARQ跨層優(yōu)化設計。AMC-HARQ跨層自適應傳輸?shù)南到y(tǒng)模型如圖1所示。

        圖1 AMC-HARQ跨層自適應傳輸?shù)南到y(tǒng)模型

        物理層釆用自適應調(diào)制編碼技術(shù),根據(jù)業(yè)務類型分類,制定M種調(diào)制方式和編碼方式。首先,接收端通過信道測量技術(shù),估計出信道質(zhì)量信息,并通過反饋信道,將信道質(zhì)量信息反饋給發(fā)送端;然后,發(fā)送端根據(jù)接收到的信道質(zhì)量,選擇下次傳輸要使用的調(diào)制編碼階數(shù)。

        MAC層采用同步并行停等協(xié)議即HARQ協(xié)議。首先對各數(shù)據(jù)幀分別進行CRC編碼,級聯(lián)構(gòu)成數(shù)據(jù)幀進入物理層。物理層使用FEC編碼對整個數(shù)據(jù)幀進行編碼,然后存入緩存用以進行重傳。接收端經(jīng)過譯碼、CRC校驗后,回送確認幀。確認幀包含了幀確認號和重傳比特向量。幀確認號表示鏈路層上一個按序接收的幀的序號,重傳比特向量比接收窗口長度 (W)小1的比特向量,即長度為 W-1。比特向量表示當前接收窗口的所有幀接收情況,如 “1”表示需要重傳,“0”表示接收成功。由于重傳比特向量是接收窗口的歷史移位記錄,即使當前的確認幀因信道變化而丟失,確認幀也不應重發(fā),因為后續(xù)的確認幀包含歷史的接收記錄。確認幀格式如圖2所示。

        收發(fā)雙方的鏈路層都緩存W個數(shù)據(jù)幀。發(fā)方維護發(fā)送緩存和重傳列表,發(fā)送緩存中保存著當前發(fā)送窗口中未確認的幀,重傳列表中保存了待重傳的幀序號。收方的接收緩存保存當前接收窗口中亂序的數(shù)據(jù)幀,當接收到的幀有序后,鏈路層向上提交最近一段有序幀。

        圖2 確認幀

        發(fā)端的等待定時器時延Tw計算:

        Tw=Tround+Tf

        Tround=Tp+2Trtt

        其中,Tround是發(fā)端的處理時延 (Tp)加上2倍的鏈路往返時延 (Trtt);Tf是每一幀的鏈路傳輸時延。

        3 AMC-HARQ跨層自適應傳輸性能分析

        本文使用Matlab仿真工具對基于AMCHARQ跨層自適應傳輸系統(tǒng)進行仿真分析,模擬信道使用瑞利衰落信道模型,每個數(shù)據(jù)包中含信息位500bit,通過1/3碼率的卷積碼,仿真包數(shù)目每次1000個,結(jié)果取6次平均值,同時假設CRC能正確校驗。

        在物理層,提供不調(diào)制、BPSK、QPSK、8PSK等4種傳輸模式,系統(tǒng)可以根據(jù)AMC中每種傳輸模式的瞬時誤包率 (PER)和接收到的SNR在各種物理層傳輸模式之間的關(guān)系,自適應地選擇合適的調(diào)制編碼方式。

        在鏈路層,要綜合考慮時延、誤包率和吞吐量,真正滿足城際鐵路不同業(yè)務的QoS要求。設置最大重傳次數(shù)為N=0、1、2,測試在不同干擾條件下,不同的業(yè)務類型的成功率,見圖3,圖4,圖5。

        可見,通過AMC-HARQ跨層自適應傳輸方案,當鏈路層重傳1次,可以在5%干擾情況下實現(xiàn)95%的接收成功率;鏈路層重傳2次,可以在5%干擾情況下實現(xiàn)99%的接收成功率,在10%干擾情況下實現(xiàn)94%以上的接收成功率。

        綜上所述,根據(jù)業(yè)務類型不同分類,對實時性要求較高且數(shù)據(jù)量小的電路域數(shù)據(jù)、話音業(yè)務,系統(tǒng)可采用不重傳或重傳1次模式;對實時性要求較低分組域數(shù)據(jù)業(yè)務,突發(fā)性強,且有一定的數(shù)據(jù)量,系統(tǒng)可采用重傳2次模式保證接收成功率。

        圖3 未采用鏈路層重傳報文成功率與MTU長度的關(guān)系

        圖4 采用1次鏈路層重傳報文成功率與MTU長度的關(guān)系

        圖5 采用2次鏈路層重傳報文成功率與MTU長度的關(guān)系

        4 結(jié)束語

        本文針對城際鐵路專用業(yè)務對可靠性和安全性要求較高的特點,提出鏈路傳輸關(guān)聯(lián)業(yè)務數(shù)據(jù)類型的跨層自適應傳輸方案,分析綜合AMC和HARQ技術(shù)時的系統(tǒng)平均誤包率和接收成功率等指標。仿真結(jié)果表明,改進的跨層設計方案可顯著提高系統(tǒng)的可靠性和安全性,滿足城際鐵路通信系統(tǒng)的各種類型業(yè)務要求。

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