李 想

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

衛(wèi)星通信具有覆蓋面大、保密性強(qiáng)等優(yōu)勢，自20世紀(jì)60年代開始得到廣泛應(yīng)用。衛(wèi)星通信在防災(zāi)救災(zāi)應(yīng)急通信等方面發(fā)揮著重要的作用。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)全球無縫漫游移動通信的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在寬帶廣播等新興通信服務(wù)中起到了重要作用。傳統(tǒng)靜止衛(wèi)星由于軌道高、時延大，難以滿足時效性要求高的通信應(yīng)用需求。NGSO衛(wèi)星星座具有時延小等優(yōu)點(diǎn)，成為支持寬帶高效通信的有效途徑[1]。利用衛(wèi)星移動通信網(wǎng)形成獨(dú)立的空間網(wǎng)絡(luò)已成為衛(wèi)星通信發(fā)展的重要方向。隨著科技的發(fā)展，人們對衛(wèi)星通信可靠性提出更高的要求。衛(wèi)星通信所處環(huán)境存在大量衰落噪聲干擾，影響了衛(wèi)星通信質(zhì)量，通信距離遠(yuǎn)，路徑損耗影響衛(wèi)星通信質(zhì)量，如何保證衛(wèi)星通信傳輸質(zhì)量是值得關(guān)注的問題。信道衰落等問題可通過HARQ技術(shù)解決，HARQ技術(shù)相比FEC技術(shù)可以保證更高的傳輸可靠性。傳統(tǒng)的HARQ技術(shù)在衛(wèi)星環(huán)境存在一些問題，如信道時延大，使用傳統(tǒng)HARQ技術(shù)接收端不能及時接收ACK/NACK消息，必須考慮采用適合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的HARQ技術(shù)保證業(yè)務(wù)傳輸質(zhì)量。

1 HARQ技術(shù)研究

移動通信系統(tǒng)因受到各類隨機(jī)噪聲的影響而發(fā)生傳輸錯誤，無線通信系統(tǒng)通常引入差錯控制技術(shù)來降低系統(tǒng)傳輸誤碼率，保證不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。傳統(tǒng)差錯控制技術(shù)包括FEC與ARQ，ARQ按需重傳機(jī)制的原理是在信息碼元中加入少量監(jiān)督碼元，當(dāng)接收端檢測到信息碼元錯誤時會向發(fā)送端發(fā)送信號請求重新發(fā)送，直到接收端檢測無誤為止。ARQ技術(shù)差錯控制能力強(qiáng)，當(dāng)信道質(zhì)量變差時信息碼元出錯率增加會降低有效傳輸速率[2]。ARQ時延可變，使得通信實(shí)時性差，不適合提供實(shí)時服務(wù)。FEC前向糾錯技術(shù)的原理是，發(fā)送端發(fā)送信息數(shù)據(jù)與冗余糾錯碼，接收端使用譯碼器處理接收信號并根據(jù)冗余部分重構(gòu)原始信息。FEC技術(shù)有恒定通過量，實(shí)時性好，但接收端譯碼錯誤導(dǎo)致傳輸可靠性差，糾錯碼冗余度大導(dǎo)致編碼效率低且譯碼電路復(fù)雜。

HARQ差錯控制技術(shù)結(jié)合了FEC和A RQ的優(yōu)點(diǎn)，相比FEC技術(shù)，傳輸誤碼率低可靠性高；相比A RQ技術(shù)，在保證相同傳輸質(zhì)量情況下傳輸效率更高[3]。ARQ是OSI模型中數(shù)據(jù)鏈路層錯誤糾正協(xié)議，常用的ARQ協(xié)議包括SW-ARQ、Go-back-N與SR-ARQ。HARQ可針對信道衰落提高系統(tǒng)傳輸可靠性，發(fā)送端數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)制編碼在發(fā)送緩存中備份；接收端將接收數(shù)據(jù)加入緩存，合并解碼后將結(jié)果通過反饋信道反饋至發(fā)送端。利用HARQ技術(shù)可將前幾次傳輸失敗的數(shù)據(jù)信息與重傳數(shù)據(jù)合并聯(lián)合解碼。HARQ技術(shù)的應(yīng)用類型有I、II、III型。I型HARQ方式是FEC和ARQ的簡單組合，采用同時進(jìn)行檢錯糾錯冗余碼方式[4]。接收端接收首次傳輸信息時采用與FEC技術(shù)相同方式糾錯，首次傳輸錯誤信息比特數(shù)較少時，通過碼字糾錯能力糾正錯誤信息比特；如首次傳輸信息比特數(shù)較多，超出碼字糾錯能力，部分錯誤信息碼糾正接收端要求發(fā)送端重傳。發(fā)送端重新傳信息，與首次傳輸相同[5]。I型HARQ方式不同于ARQ技術(shù)，將未正確解碼信息丟棄，下次僅用重傳信息檢錯糾錯，每次傳輸會受到隨機(jī)噪聲干擾，將多次傳輸信息合并以提升糾錯能力。

I型HARQ吞吐量在高信噪比信道中受到FEC編碼器速率的限制。II型HARQ系用遞增冗余的HARQ機(jī)制，在I型HARQ基礎(chǔ)上加入組合譯碼，首次傳輸時帶有較少冗余，如首次傳輸失敗，發(fā)送端開始重傳但接收錯誤數(shù)據(jù)不會丟棄，重傳數(shù)據(jù)在首次傳送數(shù)據(jù)塊基礎(chǔ)上增加冗余信息。接收端將收到數(shù)據(jù)塊合并解碼，如果二次重傳后無法糾錯再增加新的冗余重傳，直到將完成正確糾錯。II型HARQ增加冗余信息提高了系統(tǒng)編碼增益，首次傳輸編碼信息與重傳信息合并后新編碼含有冗余信息，糾錯能力強(qiáng)，提升了傳輸可靠性。其缺點(diǎn)是只有首次傳輸包含信息比特重發(fā)數(shù)據(jù)塊，只有冗余信息不具備獨(dú)立譯碼能力。如首次傳輸原始信息比特誤碼嚴(yán)重，多次重將傳難以糾錯。III型HARQ不同于II型HARQ，重傳數(shù)據(jù)塊中包含系統(tǒng)信息位重傳數(shù)據(jù)可以自解碼，可以先用新的重傳數(shù)據(jù)獨(dú)立解碼，重傳數(shù)據(jù)有誤碼，將之前收到數(shù)據(jù)合并提高糾錯能力。III型HARQ重傳數(shù)據(jù)庫可以恢復(fù)原始數(shù)據(jù)信息，在每次傳輸時僅需進(jìn)行1次譯碼。III型HARQ接收端可能需要進(jìn)行數(shù)據(jù)塊間的組合解碼。

2 基于LDPC的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)HARQ方案

低密度奇偶校驗(yàn)碼LDPC是前向糾錯碼，其校驗(yàn)矩陣為稀疏矩陣。準(zhǔn)循環(huán)LDPC是LDPC中的重要類型。QC-LDPC特殊結(jié)構(gòu)可以降低編碼的復(fù)雜度，具有優(yōu)良性能，本文研究在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的HARQ-LDPC方案中采用QC-LDPC[6]。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中LDPC必須靈活支持不同碼率以滿足通信場景需求，LDCP必須支持IRHARQ以保證傳輸可靠性。LDPC采用Raptor-Like結(jié)構(gòu)增加校驗(yàn)比特，支持不同碼率，但QC-LDPC離散移位因子等支持的信息塊大小存在限制，可考慮在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的HARQ-LDPC方案中通過循環(huán)緩存實(shí)現(xiàn)與速率匹配。將編碼比特存儲在循環(huán)緩沖區(qū)，每次重傳數(shù)據(jù)塊時為緩沖區(qū)讀取對應(yīng)比特，讀取比特位置必須為移位因子Z的整數(shù)倍以實(shí)現(xiàn)速率匹配。各冗余版本分布不均勻，RV2靠近循環(huán)緩存末尾使得RVo和RV2可以獨(dú)立譯碼。圖1是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的HARQ-LDPC傳輸規(guī)則。

圖1 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的HARQ-LDPC傳輸規(guī)則

本文研究在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)框架中對比HARQ-CC、no HARQ系列仿真性能，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)特征是通信距離遠(yuǎn)，接收端發(fā)送確認(rèn)幀ACK時延大，頻繁收發(fā)ACK導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸效率低[7]。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的HARQ-LDPC傳輸規(guī)則要求減小ACK次數(shù)，星地傳輸HARQ數(shù)據(jù)單位長于地面無線網(wǎng)絡(luò)，仿真考慮HARQ媒體協(xié)議數(shù)據(jù)單元。仿真條件為目標(biāo)碼率1/2，采樣頻率為20 MHz，加性高斯白噪聲信道；數(shù)據(jù)單元長度10 000～5 000，最大重傳次數(shù)為20次；對數(shù)似然比信息合并。評價性能指標(biāo)吞吐量計(jì)算方法為C=K/T=K×fs/S，T為傳輸成功所需總時間，S為傳輸成功時發(fā)送總符號數(shù)；K為MPDU的比特數(shù)，fs為采樣頻率，S=I×KR/M，R為編碼率，I為傳輸成功所需次數(shù)，M為調(diào)制階數(shù)。平均吞吐量CM=(P/P1)MPfs，PI為總MPDU數(shù)，P為傳輸MPDU數(shù)。誤比特率n=1-Kr/K，Kr為MPDU成功傳輸比特數(shù)。表2是MPDU長度為5 000時的編碼參數(shù)。

表1 MPDU長度為10 000 bit時的編碼參數(shù)

根據(jù)HARQ-CC吞吐量仿真結(jié)果可知，信噪比偏低時HARQ-CC使用低階制的吞吐量更高。信噪比決定了可以選擇最優(yōu)的調(diào)制方式。圖2為衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)LDPC信息處理流程，隨著重傳次數(shù)增加HARQ-CC誤比特率下降，對比正交相移鍵控仿真結(jié)果，HARQIR重傳后誤碼率低于10-6，信噪比低時HARQ-IR所需重傳次數(shù)小于HARQ-CC[8]。高階調(diào)制對信道要求過高，分析HARQ-IR在不同條件下誤碼率性能可知，隨著重傳次數(shù)增加HARQ-IR誤碼率減小，HARQ-IR誤比特率收斂速度更快。HARQ-IR吞吐量在信噪比為-10～0 dB范圍內(nèi)高于HARQ-CC。根據(jù)HARQ-IR在不同調(diào)制方式傳輸次數(shù)下吞吐量仿真結(jié)果可以確定HARQ-IR合并最優(yōu)調(diào)制方式，無HARQ機(jī)制在不同信噪比下最優(yōu)調(diào)制方式與HARQ-CC最優(yōu)調(diào)制方式相同。對于高階調(diào)制，目標(biāo)次數(shù)對吞吐量無影響，由于高級調(diào)制誤碼率較高，隨著平均傳輸次數(shù)增加傳輸效率降低，目標(biāo)傳輸次數(shù)對吞吐量無影響。

圖2 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)LDPC信息處理流程

3 基于BBC的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)HARQ方案

BCC異或校驗(yàn)在縱向奇偶校驗(yàn)中校驗(yàn)位為8位數(shù)據(jù)，具體算法以字節(jié)為單位，對發(fā)送信息數(shù)據(jù)按順序進(jìn)行異或，所得結(jié)果為異或校驗(yàn)碼，數(shù)據(jù)比特經(jīng)BCC編碼器編碼后信息比特與冗余比特?zé)o明顯區(qū)分。基于BCC的HARQ重傳考慮了基于比特級的合并方案，每次傳輸時接收端解調(diào)出傳輸比特LLR相加得到新的LLR值，比特級合并可用于HARQ-IR合并方案，由于CC或IR合并只需將每次重傳數(shù)據(jù)計(jì)算比特的LLR簡單相加。由于每次傳輸冗余信息不同，某次重傳無比特信息，將無比特信息對應(yīng)LLR設(shè)為0即可。選擇對CC合并方式仿真，對比不同重傳合并方式的效果，相同調(diào)制方式下BCC-CC合并吞吐量低于BCC-IR。這表明重傳時補(bǔ)充打孔比特可有效幫助信息傳輸，現(xiàn)有通信系統(tǒng)中BCC編碼得到應(yīng)用，但BBC的HARQ重傳機(jī)制未得到應(yīng)用。

重傳單元是HARQ傳輸機(jī)制中的重要部分，研究分析傳輸單元中的PHY和MAC單元，物理層單元過程包括檢查HARQ單元是否在物理層內(nèi)成功傳輸，檢查HARQ錯誤，定義新的HARQ反饋框架結(jié)構(gòu)。物理層單元開銷問題包括信令與反饋開銷，物理層報頭上需要信令開銷，收發(fā)端間某些過程協(xié)商可以減少信令開銷，如新的數(shù)據(jù)不允許包含在重傳協(xié)議數(shù)據(jù)單元中，HARQ單元在跟隨PPDU時不能切換順序。反饋開銷需要定義新的HARQ反饋框架結(jié)構(gòu)與指示需要重傳單元方法，在PPDU中有很多單元，HARQ反饋應(yīng)包含很多信息，可以用多個碼字定義HARQ單元，減少反饋信息。MAC單元處理過程為根據(jù)MPDU中使用循環(huán)冗余校驗(yàn)確定HARQ ACK/NACK?，F(xiàn)有塊確認(rèn)可以用作HARQ反饋，使用額外的AMC填充重傳過程簡單但造成額外開銷。無額外MAC填充MPDU和碼字間影射信息導(dǎo)致額外開銷。圖3是BCC-CC合并方式和BCC-IR合并方式吞吐量仿真結(jié)果。MAC層單元信令開銷問題是PHY頭需要包含MPDU與LDPC碼間的映射信息，有額外的MAC填充只需碼字字?jǐn)?shù)信息將某個MPDU映射到碼字，無額外MAC填充則需額外的指示，由于1個碼字可以與多個MPDU相關(guān)?，F(xiàn)有的Block ACK框架可利用作為HARQ反饋。

圖3 基于物理層的反饋方案

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較小、難以滿足全球通信服務(wù)的需求。隨著航天技術(shù)的進(jìn)步，使用低軌通信衛(wèi)星系統(tǒng)可較好地解決這一問題，因此低軌衛(wèi)星系統(tǒng)受到民眾關(guān)注程度日益增加。衛(wèi)星通信實(shí)現(xiàn)地面終端間的通信，是地面通信的有效補(bǔ)充延伸，具有可全球覆蓋，空間容錯性好等優(yōu)點(diǎn)。低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣及抗毀性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。將MEC技術(shù)融入低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以降低衛(wèi)星服務(wù)響應(yīng)時間。如何高效管理系統(tǒng)的通信資源是亟待解決的關(guān)鍵問題。低軌衛(wèi)星中用戶被多個衛(wèi)星覆蓋，用戶關(guān)聯(lián)衛(wèi)星切換會影響系統(tǒng)的性能，系統(tǒng)中存在多個計(jì)算節(jié)點(diǎn)。衛(wèi)星信道傳輸時延大，影響衛(wèi)星通信傳輸指令。HARQ可以保證傳輸?shù)目煽啃愿撸獺ARQ技術(shù)在衛(wèi)星環(huán)境中也存在一些問題，必須考慮采用適合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的HARQ技術(shù)來保證業(yè)務(wù)傳輸質(zhì)量?！?/p>