調(diào)制方式對AOS中基于碼合并的混合重傳方案性能的影響分析

付 垚，馬常領(lǐng)，田 野

(沈陽理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

為了適應(yīng)空間技術(shù)的發(fā)展，滿足復(fù)雜航天器的數(shù)據(jù)處理要求，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(Consultative Committee for Space Data System，CCSDS)于1989年開發(fā)了高級在軌系統(tǒng)AOS。AOS以標(biāo)準(zhǔn)化的方式進行數(shù)據(jù)處理與交換，能夠在空間鏈路中雙向傳輸音頻、視頻以及科學(xué)實驗等多種不同類型的數(shù)據(jù)。目前，AOS在航空航天技術(shù)領(lǐng)域中的作用越來越突出［1］。

AOS空間通信具有數(shù)據(jù)傳輸量大、傳輸速率高、信道時延長、信道誤碼率高以及信道時變衰落等特點，而上述特點對常規(guī)的空間通信的傳輸效率和可靠性提出了新的要求。多進制調(diào)制作為鏈路自適應(yīng)的重要組成部分，是提高系統(tǒng)傳輸速率的重要方案。文獻［2］研究了Ka頻段下衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的自適應(yīng)調(diào)制編碼方案的具體設(shè)計和性能分析，研究表明采用自適應(yīng)調(diào)制編碼可顯著提高系統(tǒng)的吞吐量性能。混合請求重傳協(xié)議通過對接收出錯的數(shù)據(jù)幀進行重傳，可以有效保證通信系統(tǒng)一定的可靠性，文獻［3］分析了混合重傳技術(shù)在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，研究了基于遞增冗余的HARQ方案對系統(tǒng)誤碼率性能的改善和適用條件。鏈路自適應(yīng)和混合請求重傳都是提高AOS系統(tǒng)性能的重要技術(shù)，但近年來國內(nèi)外的研究對這兩種技術(shù)多數(shù)是進行相對獨立的分析，而通信系統(tǒng)中兩者是共同存在并發(fā)揮作用的，關(guān)于有效的聯(lián)合運用鏈路自適應(yīng)和混合請求重傳技術(shù)的問題，目前尚無充分的研究成果。本文主要研究基于碼合并的混合重傳方案的具體實現(xiàn)以及系統(tǒng)性能，并分析不同調(diào)制方式對混合重傳方案的系統(tǒng)性能的影響。

1 基于碼合并的混合重傳方案HARQ的實現(xiàn)原理

在基于碼合并的HARQ方案中，發(fā)送端首先將信息比特進行前向糾錯編碼，然后按照一定的周期將編碼后的校驗比特進行打孔，系統(tǒng)對每次發(fā)送的數(shù)據(jù)幀采用互補刪除方式，最后按照碼率兼容原則將打孔后的信息比特按次序發(fā)送給接收端?；诖a合并的混合重傳方案的譯碼過程如下:接收端首先對接收的數(shù)據(jù)幀進行單獨譯碼，若譯碼正確則提交;若譯碼錯誤，則對于譯碼錯誤的數(shù)據(jù)幀并不直接丟棄，而是將其與存放在緩存區(qū)的前幾個譯碼錯誤的數(shù)據(jù)幀進行加權(quán)合并，然后對合并后的數(shù)據(jù)幀進行譯碼。

基于碼合并的HARQ方案按照重傳數(shù)據(jù)幀的冗余版本不同，可以分成兩種［4］。一種是只具有一個冗余版本的混合重傳方案HARQ，初傳和多次重傳數(shù)據(jù)幀的冗余版本相同，即重傳分組的格式和內(nèi)容與第一次傳輸?shù)南嗤?，這種方案稱為基于 chase合并(Chase Combination，CC)的 HARQ方案。另一種是具有多個冗余版本的混合重傳方案HARQ，初傳數(shù)據(jù)幀和各次重傳數(shù)據(jù)幀的冗余版本不同。編碼后的數(shù)據(jù)幀按照刪除冗余矩陣進行冗余比特的刪除，由于刪除方式是經(jīng)過精心設(shè)計的，使得刪除冗余后的碼字互補等效，因此合并后的碼字能夠覆蓋FEC編碼中的比特位，使合并碼字含有更全面的譯碼信息，更利于正確譯碼，這種方案稱為冗余遞增(Increase Redundancy，IR)的HARQ方案。

基于碼合并的混合重傳方案中，碼合并算法直接影響方案的性能。目前比較常用的加權(quán)合并算法有兩種，一種是增益合并(Equal Gain Combining，EGC)算法和最大比合并(Maximal Ratio combining，MRC)算法。EGC合并是將每個接收到的數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)按照等比例合并。MRC合并首先根據(jù)每次重傳數(shù)據(jù)幀的信噪比SNR或者噪聲功率計算各數(shù)據(jù)幀的加權(quán)值，然后根據(jù)加權(quán)值合并數(shù)據(jù)幀。MRC合并需要估算噪聲功率，復(fù)雜度較高，但可以得到最大輸出信噪比，是最佳的分集合并方式。本文采用基于重傳數(shù)據(jù)幀的噪聲功率的MRC算法。基于噪聲功率加權(quán)MRC合并的表達式為

式中:I為將重傳數(shù)據(jù)幀進行加權(quán)疊加處理后的數(shù)據(jù);Y(i)為第i次接收到的重傳數(shù)據(jù)幀;wi為第i次接收到的重傳數(shù)據(jù)幀的加權(quán)系數(shù);pNoise(i)為第i次重傳數(shù)據(jù)幀的噪聲功率值;M為接收到的數(shù)據(jù)幀的分組個數(shù)。

2 不同調(diào)制方式對基于碼合并的混合重傳方案的性能影響分析

系統(tǒng)吞吐量定義為單位時間內(nèi)地面節(jié)點成功接收的平均有效用戶數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)［6］。影響鏈路層吞吐量的主要因素為鏈路速率 Rs、調(diào)制效率effmod、編碼效率effcode、幀效率efff和數(shù)據(jù)幀正確接收的概率p等，計算公式為

式中:M進制QAM調(diào)制的調(diào)制效率為effmod=log2M(M為調(diào)制階數(shù));編碼效率effcode等于數(shù)據(jù)幀的編碼碼率Rate;幀效率efff等于數(shù)據(jù)幀中有效數(shù)據(jù)長度(Lf－Cf)與數(shù)據(jù)幀長Lf的比值;Cf為幀開銷;則式(2)又可表示為

在通信過程中，當(dāng)信道條件達到理想狀態(tài)，每個數(shù)據(jù)幀都可以被正確譯碼接收，p≈1，增大調(diào)制階數(shù)，可以顯著提高吞吐量性能。

由式(3)可知，若要求出系統(tǒng)吞吐量，需要求出數(shù)據(jù)幀正確接收的概率。設(shè)最大的重傳次數(shù)為Nmax，由于重傳過程中，數(shù)據(jù)幀在第i次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀單獨譯碼正確的概率為 pe(i)，i=1，2，3，…，Nmax+1。在第i次碼合并的數(shù)據(jù)幀可以正確譯碼的概率為 pcomb(j)，(j=1，2，3，4，…，Nmax)。則一個數(shù)據(jù)幀在第i次傳輸中，被正確譯碼接收的概率P(i)為

則在基于IR遞增冗余的HARQ方案中，數(shù)據(jù)幀被正確譯碼接收的概率p(IR)為

在基于chase合并的HARQ方案中，由于每次重傳的數(shù)據(jù)幀的冗余位是相同的，所以在相同信道條件下，數(shù)據(jù)幀在第i次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀單獨譯碼正確的概率pe(i)相同，因此數(shù)據(jù)幀被正確譯碼接收的概率p(chase)為

由全概率公式得到基于碼合并的HARQ方案的數(shù)據(jù)幀平均傳輸次數(shù)Nave(IR)、的計算公式如式(7)、(8)所示。

聯(lián)合式(3)、(5)、(6)，可得基于IR遞增冗余的HARQ方案和基于chase合并的HARQ方案中系統(tǒng)吞吐量的計算公式如式(9)、(10)所示。

3 實驗仿真

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

在AOS低軌衛(wèi)星通信中，由于多徑衰落和多普勒頻移以及天氣等因素的影響，低軌衛(wèi)星通信信道具有時變衰落的特性，萊斯衰落加高斯白噪聲信道可以較好地模擬低軌衛(wèi)星通信信道［7］，本文采用萊斯衰落加高斯白噪聲信道作為實驗仿真的環(huán)境，仿真使用Matlab軟件，通過編程模擬仿真AOS下行鏈路數(shù)據(jù)幀的傳輸和反饋過程，并且對仿真結(jié)果進行統(tǒng)計和圖形化表示。仿真中用到的具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

3.2 仿真結(jié)果及分析

在不同調(diào)制方式下，兩種基于碼合并的混合重傳方案的數(shù)據(jù)幀平均傳輸次數(shù)和系統(tǒng)吞吐量的仿真結(jié)果如圖1、圖2所示:

圖1 數(shù)據(jù)幀平均傳輸次數(shù)

圖2 系統(tǒng)吞吐量性能

對于同一種混合重傳方案，由圖1、圖2可知，在相同的信道條件下，隨著調(diào)制階數(shù)的增大，雖然數(shù)據(jù)幀平均傳輸次數(shù)有所增加，但采用多進制調(diào)制，每個傳輸符號包括的信息比特數(shù)較大，因此系統(tǒng)吞吐量也隨之增大。所以當(dāng)采用高階的調(diào)制方案時，雖然通信系統(tǒng)的抗干擾能力有所降低，數(shù)據(jù)幀出錯的概率增大，數(shù)據(jù)幀的平均傳輸次數(shù)增大，但系統(tǒng)正確傳輸?shù)挠行畔?shù)量有所增加，系統(tǒng)吞吐量增大。

對于兩種基于碼合并的混合重傳方案，當(dāng)采用相同的調(diào)制方式時，IR遞增冗余的HARQ方案的吞吐量值高于chase合并的HARQ方案，數(shù)據(jù)幀平均傳輸次數(shù)也低于chase合并的HARQ方案。信噪比越低，IR遞增冗余的HARQ方案的性能優(yōu)勢越明顯。但是隨著調(diào)制階數(shù)的增大，IR遞增冗余HARQ系統(tǒng)的吞吐量性能優(yōu)勢逐漸降低，當(dāng)采用64進制調(diào)制編碼時，IR遞增冗余的HARQ方案的吞吐量略低于chase合并的HARQ方案。所以IR遞增冗余的HARQ方案的系統(tǒng)性能優(yōu)于chase合并的HARQ方案。

4 結(jié)論

研究了AOS中基于碼合并的混合重傳方案的實現(xiàn)原理和理論性能，并且對采用不同調(diào)制方式的混合重傳方案進行了理論分析和實驗仿真。當(dāng)采用高階的調(diào)制方案時，雖然通信系統(tǒng)的抗干擾能力有所降低，但系統(tǒng)吞吐量性能可以得到有效提高。在相同的調(diào)制方式下，基于IR遞增冗余的HARQ的性能優(yōu)于基于chase合并HARQ的性能，且信噪比越低，IR遞增冗余的HARQ系統(tǒng)的吞吐量以及數(shù)據(jù)幀平均傳輸次數(shù)等性能優(yōu)勢越明顯。本文的結(jié)論可以為基于碼合并的混合重傳方案和多進制調(diào)制方案在AOS中的實際應(yīng)用提供一定的參考。

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