閆樂樂，劉小勇

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.火箭軍裝備部駐廊坊地區(qū)軍事代表室，河北 廊坊 065000）

0 引 言

以太網(wǎng)業(yè)務(wù)作為無線通信系統(tǒng)中的主要業(yè)務(wù)類型，其傳輸質(zhì)量是評(píng)價(jià)通信設(shè)備性能好壞的重要指標(biāo)。通常以太網(wǎng)業(yè)務(wù)傳輸是采用透明傳輸方式，上層業(yè)務(wù)處理在通信設(shè)備層面是不可見的，業(yè)務(wù)層也不必清楚具體信道層面的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。并且無線信道底層協(xié)議可承載最大幀長(zhǎng)往往小于以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)最大幀長(zhǎng)，依靠傳輸設(shè)備協(xié)議拆組包勢(shì)必帶來很大的信道和資源開銷[1]。另一方面，由于復(fù)雜不穩(wěn)定的無線信道環(huán)境會(huì)導(dǎo)致業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在傳輸過程產(chǎn)生誤碼現(xiàn)象，丟包率隨著誤碼率升高而上升，進(jìn)而極大影響上層的業(yè)務(wù)通信質(zhì)量[2]。即使在以太網(wǎng)協(xié)議傳輸層增加重傳機(jī)制（如TCP協(xié)議），信道頻繁的分片數(shù)據(jù)丟失會(huì)導(dǎo)致整個(gè)分組數(shù)據(jù)的頻繁重傳，信道利用率會(huì)大大下降[3,4]。綜合考慮以上因素，為了提高通信可靠性，本文從信道幀長(zhǎng)適配以及在低層增加輕量級(jí)重傳機(jī)制角度設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種無線通信透?jìng)饕蕴W(wǎng)數(shù)據(jù)分片重傳協(xié)議和裝置。

1 分片重傳協(xié)議設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

無線通信透?jìng)饕蕴W(wǎng)數(shù)據(jù)分片重傳協(xié)議，包括業(yè)務(wù)接口模塊、拆幀模塊、組幀模塊、數(shù)據(jù)緩存管理模塊和信道接口模塊，信號(hào)流程如圖1所示。

業(yè)務(wù)接口模塊包含數(shù)據(jù)接口和控制接口，數(shù)據(jù)接口負(fù)責(zé)接收所有上層以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，對(duì)無用的雜包進(jìn)行過濾以節(jié)省信道帶寬資源，將有用的數(shù)據(jù)幀輸出至拆幀模塊，以及將經(jīng)過組幀模塊正確組幀后的完整以太網(wǎng)幀發(fā)送至上層業(yè)務(wù)端?？刂平涌谪?fù)責(zé)接收上層監(jiān)控端的控制數(shù)據(jù)以調(diào)整工作參數(shù)。

拆幀模塊負(fù)責(zé)將業(yè)務(wù)接口模塊來的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀按長(zhǎng)度拆分成適合信道接入設(shè)備的分片數(shù)據(jù)，添加利于收端組幀模塊處理的幀頭和校驗(yàn)字段后封裝成小幀輸出至原始數(shù)據(jù)緩存和重傳數(shù)據(jù)緩存[5]。

原始數(shù)據(jù)緩存、重傳數(shù)據(jù)緩存和ACK應(yīng)答緩存中存放有將要發(fā)送至信道接入設(shè)備的小幀數(shù)據(jù)和重傳次數(shù)以及加入隊(duì)列時(shí)間等控制信息，在緩存控制器的作用下按照ACK應(yīng)答緩存>重傳數(shù)據(jù)緩存>發(fā)送數(shù)據(jù)緩存的優(yōu)先級(jí)排隊(duì)發(fā)送至信道接口模塊。

信道接口模塊包含數(shù)據(jù)接口和控制接口，數(shù)據(jù)接口負(fù)責(zé)將不同緩存送來的小幀發(fā)送給信道接入設(shè)備，同時(shí)接收信道接入設(shè)備發(fā)來的數(shù)據(jù)并送至組幀模塊處理?？刂平涌谪?fù)責(zé)接收信道接入設(shè)備發(fā)來的信道狀態(tài)參數(shù)，并適應(yīng)性地調(diào)整工作參數(shù)。

組幀模塊負(fù)責(zé)將收到的信道小幀組合成為完整以太網(wǎng)幀并發(fā)送至業(yè)務(wù)接口模塊，并提取收到的數(shù)據(jù)幀序號(hào)信息送至ACK應(yīng)答緩存，以及提取接收到的ACK幀信息給緩存控制器處理重傳數(shù)據(jù)緩存。

1.2 幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度為64～1518 Bytes，除去4 Bytes幀校驗(yàn)序列（Frame Check Sequence，F(xiàn)CS），網(wǎng)卡裸抓下來長(zhǎng)度為60～1514 Bytes[6]。本文以太網(wǎng)數(shù)據(jù)分片長(zhǎng)度為190 Bytes，分片數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中Type、Seq、Subseq、Len字段組成了小幀頭部，Type表示小幀類型，用來區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)幀和ACK應(yīng)答幀；Seq表示大幀序號(hào)，范圍0～65 535；Subseq表示小幀序號(hào)，范圍0～7，用來標(biāo)記該小幀處于大幀的什么位置；Len用來表示Data數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；Last標(biāo)記位用來表示該小幀是否為大幀的最后一片；Data為有效的分片數(shù)據(jù)；Chksum為CRC-16校驗(yàn)字段。數(shù)據(jù)幀有效長(zhǎng)度為7～196 Bytes，相當(dāng)于減小了以太網(wǎng)幀最大長(zhǎng)度，分片數(shù)據(jù)幀格式能夠更好地適應(yīng)無線信道特點(diǎn)，在信道存在誤碼的情況下減小丟包概率。

1.2.2 ACK幀結(jié)構(gòu)

ACK應(yīng)答幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3中，Type表示小幀類型；Num_int為已經(jīng)組幀成功的大幀序號(hào)個(gè)數(shù)，Int_seqs表示具體Num_int個(gè)大幀序號(hào)；Num_part表示未組幀成功的大幀序號(hào)個(gè)數(shù)；Part_seqs表示這些大幀的具體接收狀態(tài)信息，這其中包含3部分內(nèi)容，第1部分是未收全小幀即組幀未成功的大幀序號(hào)Seq，第2部分是該大幀序號(hào)下已經(jīng)接收到的小幀個(gè)數(shù)Num_in，第3部分是具體的小幀序號(hào)Subseq；Chksum為幀校驗(yàn)。

整個(gè)ACK應(yīng)答幀的最大長(zhǎng)度需與數(shù)據(jù)幀保持一致以適應(yīng)信道特征。組幀模塊判斷接收到的數(shù)據(jù)是ACK應(yīng)答幀，則解析出對(duì)端已成功接收的幀序號(hào)信息，輸入到本端的重傳緩沖，執(zhí)行重傳緩沖刪除相應(yīng)序號(hào)幀的操作。這種將組幀成功與否的大幀序號(hào)進(jìn)行分類填充的方法（ACK信息聚合）相比ACK回復(fù)所有接收包序號(hào)的方式，可以減少ACK應(yīng)答數(shù)據(jù)量降低信道開銷。幀中包含整個(gè)接收端收包狀態(tài)信息，能夠在小幀丟包情況下達(dá)到選擇重傳效果，極大減少重傳數(shù)據(jù)量，并且降低以太網(wǎng)包丟包率。

重傳緩存數(shù)據(jù)發(fā)送的前提是超時(shí)時(shí)間內(nèi)未接收到ACK回復(fù)，超時(shí)時(shí)間由信道狀態(tài)信息決定。ACK應(yīng)答緩存數(shù)據(jù)發(fā)送的前提為ACK緩存數(shù)據(jù)已滿或超時(shí)未傳送，設(shè)置ACK緩存超時(shí)時(shí)間目的是能夠在業(yè)務(wù)量極少情況下及時(shí)獲取ACK應(yīng)答以節(jié)約系統(tǒng)內(nèi)部資源，提高性能。當(dāng)收到的小數(shù)據(jù)幀循環(huán)冗余驗(yàn)碼（Cyclic Redundancy Check，CRC）校驗(yàn)正確后需放入組包緩存，由于系統(tǒng)資源受限，組包緩存需循環(huán)利用，每個(gè)大幀應(yīng)該在組包緩存超時(shí)時(shí)間內(nèi)完成組幀操作。

2 協(xié)議仿真結(jié)果

無線信道下誤包率PER和誤碼率BER和幀長(zhǎng)L的關(guān)系為

可以看出在一定誤碼率下，誤包率會(huì)隨著幀長(zhǎng)的增加而增加[7]。在誤碼率為10-5、最大重傳次數(shù)為1次的情況下，計(jì)算不同幀長(zhǎng)下引入分片重傳機(jī)制前后的誤包率，如圖4所示。由圖4可見，本文分片重傳協(xié)議能夠明顯降低誤包率。

根據(jù)數(shù)據(jù)幀和ACK（信息聚合前后）幀格式計(jì)算不同以太網(wǎng)幀長(zhǎng)情況下的協(xié)議開銷，如圖5所示。

由圖5可知，在ACK使用信息聚合后，協(xié)議開銷在不同以太網(wǎng)幀長(zhǎng)下均下降，并且?guī)L(zhǎng)越大效果越顯著。

3 結(jié) 論

本文主要解決了無線信道以太網(wǎng)數(shù)據(jù)透明傳輸?shù)目煽啃詥栴}，提出一種無線通信透?jìng)饕蕴W(wǎng)數(shù)據(jù)分片重傳方法，協(xié)議分析與仿真結(jié)果表明，該方法在增加有限的帶寬開銷的情況下可極大降低以太網(wǎng)誤幀率，提高業(yè)務(wù)傳輸質(zhì)量。特別適用于誤碼率較高的無線信道下對(duì)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸有高可靠性要求的場(chǎng)合。