GEO衛(wèi)星移動通信RLC層重傳機(jī)制研究

王 洋，劉立祥

（1.中國科學(xué)院軟件研究所 天基綜合信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190；2.中國科學(xué)院研究生院，北京100190）

0 引 言

為保證GEO衛(wèi)星移動通信RLC層連接的可靠性和吞吐量，本文對于GEO衛(wèi)星移動通信協(xié)議RLC層重傳機(jī)制展開研究［1－3］。

重傳機(jī)制的基本概念是通過接收端Rx發(fā)送的確認(rèn)消息來通知發(fā)送端Tx發(fā)送的分組是否被正確接收（ACK）或者沒有正確接收（NACK）。近年來研究較多的混合自動重傳請求（HARQ）協(xié)議將ARQ重傳機(jī)制與信道編碼相結(jié)合，以使在多變的無線信道上提供可靠的傳輸成為可能。現(xiàn)在已經(jīng)有很多基于確認(rèn)消息在無錯傳輸假設(shè)下的HARQ性 能分 析 研 究 ：比 如 針 對 MAC 層 的［4－5］，針 對 網(wǎng) 絡(luò) 層［6－7］的，以及應(yīng)用層級別的［8］。但是對于以大延遲、高誤碼為特點(diǎn)的GEO衛(wèi)星移動通信信道上傳輸?shù)拇_認(rèn)消息，出現(xiàn)錯誤與超時的幾率很大。目前只有少部分的文獻(xiàn)研究了在非無錯環(huán)境下傳輸確認(rèn)消息（ACK／NACK）的情況。其中一些工作研究了在無限次重傳下的HARQ I型混合重傳協(xié)議的效率［9］；文獻(xiàn)［10］則研究了對于HARQ I型在有限次重傳的下性能問題。文獻(xiàn)［11］研究了使用Chase合并的HARQ II型重傳協(xié)議。所有上面提到的參考文獻(xiàn)是基于等停協(xié)議（SW－ARQ）的重傳機(jī)制。另外一些文獻(xiàn)是基于Markov鏈?zhǔn)褂眠x擇性重傳協(xié)議（SR－ARQ）［12－13］或基于后退N步協(xié)議（GBN－ARQ）［14］進(jìn)行的研究。上述這些研究工作對現(xiàn)有的多種ARQ技術(shù)進(jìn)行了較為全面的分析，但其是以地面移動通信網(wǎng)絡(luò)或者有線網(wǎng)絡(luò)為研究背景，沒有考慮到GEO衛(wèi)星移動通信信道上大延遲特點(diǎn)。因此本文提出一種適用于GEO衛(wèi)星移動通信信道的HARQ重傳機(jī)制（G－HARQ），此機(jī)制通過減少重傳機(jī)制中控制消息的個數(shù)從而降低衛(wèi)星鏈路上RLC層端到端的總延遲，提高RLC層吞吐量。

1 GEO衛(wèi)星移動通信無線鏈路控制（RLC）層重傳機(jī)制研究與設(shè)計(jì)

1.1 RLC層連接建立過程

在GMPRS中，無線鏈路控制層（RLC）同時出現(xiàn)在傳輸面和控制面。其主要負(fù)責(zé)為LLC層和MAC層提供接口，使得LLC－PDU可以在 MAC層和LLC層之間傳遞；提供將LLC－PDU分割成RLC數(shù)據(jù)包以及反方向上的重組過程；以及提供可靠連接，即當(dāng)收到的RLC數(shù)據(jù)包有錯誤時，使用ARQ機(jī)制進(jìn)行重傳。下面分上／下行業(yè)務(wù)分別說明RLC層連接建立和重傳的過程：

對于上行業(yè)務(wù)，MES在PRACH發(fā)送一個接入請求分組（packet channel request），然后網(wǎng)絡(luò)端在PAGCH上回應(yīng)一個分組資源分配方案（packet uplink assignment），其中包含分配給MES的無線資源的相關(guān)參數(shù)。在MES接收到這個分配方案后，MES發(fā)送一系列的數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)端使用ACK／NACK周期性的發(fā)送確認(rèn)消息。這些消息指出那些需要重傳的錯誤數(shù)據(jù)包。最終，MES重傳這些出現(xiàn)錯誤的數(shù)據(jù)包。直到網(wǎng)絡(luò)端回復(fù)一個ACK消息表示成功接收到了最后一個數(shù)據(jù)包為止。

對于下行業(yè)務(wù)，當(dāng)MES處于移動管理中的 “STANDBY”狀態(tài)時，網(wǎng)絡(luò)端負(fù)責(zé)移動管理的模塊通過在PPCH信道上發(fā)送尋呼請求（packet paging request）發(fā)起群呼過程。MES則回應(yīng)一個類型為 “尋呼回應(yīng)”的接入請求，同時MES由 “STANDBY”狀態(tài)進(jìn)入 “READY”狀態(tài)。當(dāng) MES進(jìn)入 “READY”狀態(tài)后，網(wǎng)絡(luò)端就會在PAGCH上發(fā)送分組資源分配方案，來指導(dǎo)MES如何使用PDCH信道來傳送數(shù)據(jù)。之后，網(wǎng)絡(luò)端開始發(fā)送一系列數(shù)據(jù)包給MES，同時MES發(fā)送ACK／NACK來告知網(wǎng)絡(luò)端是否有錯誤。當(dāng)MES正確接收了所有數(shù)據(jù)包后，回復(fù)ACK以便終止連接。

1.2 基于SR－ARQ的GEO衛(wèi)星移動通信協(xié)議RLC層選擇重傳機(jī)制

地面移動通信協(xié)議RLC層使用SR－ARQ作為重傳機(jī)制，由于GMPRS標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定使用何種重傳機(jī)制，故將其根據(jù)GMPRS標(biāo)準(zhǔn)框架要求進(jìn)行修改進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。但在2.2節(jié)的仿真結(jié)果中表明SR－ARQ重傳機(jī)制產(chǎn)生的ACK／NACK消息將引入較大RLC層延遲，造成RLC層吞吐量的低下。盡管如此，SR－ARQ仍會作為G－HARQ在信道質(zhì)量極惡劣情況下的一種工作方式。

每一個RLC發(fā)送實(shí)體，簡稱Tx，在窗口W的限制內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包。RLC接收實(shí)體，簡稱Rx，周期性的回復(fù)ACK／NACK。參數(shù)V（S）和V（A）限定了Tx的發(fā)送窗口，V（S）是下一個要發(fā)送的數(shù)據(jù)包的BSN，V（A）是最早被確認(rèn)發(fā)送成功了的數(shù)據(jù)包的BSN。當(dāng)Tx檢測窗口駐留條件滿足：［V（S）＝V（A）＋W］%（2×W）時，通知Rx并重傳最早沒有被確認(rèn)過的數(shù)據(jù)包，以此類推。參數(shù)V（R）和V（Q）限定了Rx的接收窗口，V（R）的值為下一個期待收到的數(shù)據(jù)包的BSN，V（Q）的值是最早收到的數(shù)據(jù)包的BSN。V（R）在收到新數(shù)據(jù)包時更新，而V（Q）在發(fā)送ACK／NACK時更新。如果Rx收到了一個處于接收窗口之外的數(shù)據(jù)包，即：［BSN＜V（R）－W］%（2×W）時，這個數(shù)據(jù)包就被視為無效的。

每一個ACK／NACK消息對應(yīng)一個控制數(shù)據(jù)包，包含當(dāng)時的V（R）和一個bitmap，bitmap用于標(biāo)記最多前 W個收到的數(shù)據(jù)包的確認(rèn)狀態(tài)。當(dāng)收到了ACK／NACK后，Tx重傳出錯的數(shù)據(jù)包并調(diào)整其發(fā)送窗口。圖1展示了RLC層確認(rèn)模式下SR－ARQ重傳機(jī)制的過程，其中B表示當(dāng)前需要傳送的數(shù)據(jù)包個數(shù)，W為窗口大小，k為出錯數(shù)據(jù)包個數(shù)。

圖1 RLC層確認(rèn)模式下SR－ARQ重傳機(jī)制

1.3 適用于GEO衛(wèi)星移動通信的G－HARQ重傳機(jī)制

在基于SR－ARQ的重傳機(jī)制中，當(dāng)數(shù)據(jù)包發(fā)生錯誤需要重傳時，平均每個TBF會有大量時間消耗在Tx與Rx之間傳遞的控制信息上。為了提高系統(tǒng)吞吐量并降低延遲，本文提出一種新的混合G－HARQ機(jī)制的重傳機(jī)制可以盡可能的在GEO衛(wèi)星鏈路上減少TBF中控制消息的個數(shù)。首先定義一下G－HARQ中使用的概念：

（1）G－HARQ中對RLC層發(fā)送的數(shù)據(jù)使用Reed－Solo－mon前向糾錯編碼（FEC），如果數(shù)據(jù)包錯誤可以通過FEC糾正就不用發(fā)送控制信息了。

（2）數(shù)據(jù)包分為信息數(shù)據(jù)包（I數(shù)據(jù)包）和冗余數(shù)據(jù)包（R數(shù)據(jù)包）。

（3）定義一組反饋消息（OK，NOK，SNACK）指出Rx端所收到的一組數(shù)據(jù)包的接收狀態(tài)：

1）OK消息表示接收端Rx已經(jīng)正確接收到了上一組的數(shù)據(jù)包；

2）NOK表示通過發(fā)送R數(shù)據(jù)包可以恢復(fù)的出錯數(shù)據(jù)包，NOK消息可以指出請求所需要的R數(shù)據(jù)包個數(shù)；

3）SNACK消息表示出錯的數(shù)據(jù)包不能夠通過前向糾錯過程恢復(fù)，需要使用ACK／NACK的重傳過程。

G－HARQ機(jī)制具體描述如下：

（1）RLC發(fā)送實(shí)體Tx，發(fā)送K個（比如K＝16）I數(shù)據(jù)包。

（2）RLC接收端在每次檢測到一組（K個）I數(shù)據(jù)包傳輸結(jié)束時都會發(fā)送反饋消息：

1）如果Tx收到OK消息，它將從其緩沖器中丟棄最近的一組I數(shù)據(jù)包，認(rèn)為它們已經(jīng)被正確接收了。

2）如果Tx收到了NOK消息，它將會最多發(fā)送L個R數(shù)據(jù)包。當(dāng)Tx收到OK消息或者ACK／NACK消息時停止發(fā)送R數(shù)據(jù)包。

3）如果Tx收到了SNACK消息，它將保留緩沖器中的I數(shù)據(jù)包并切換到SR－ARQ機(jī)制。當(dāng)Rx發(fā)送反饋消息（SNACK）后，它會立即再發(fā)送一個NACK給Tx，表示通過bitmap指出確切哪些I數(shù)據(jù)包出錯。

（3）K和L的取值在開始時不是固定的，其值可以根據(jù)RLC連接狀況進(jìn)行調(diào)整。

圖2展示了K＝16，L＝2時的傳輸情景。NOK消息有兩個取值，NOK1表示Rx需要1個R數(shù)據(jù)包，NOK2表示Rx需要2個R數(shù)據(jù)包，R1、R2表示發(fā)送的第一個R數(shù)據(jù)包和第二個R數(shù)據(jù)包，具體過程如下：

第1組數(shù)據(jù)，BSN∈ ｛1，16｝被Rx正確接收，Tx收到了OK反饋消息。繼續(xù)發(fā)送第2組數(shù)據(jù)；

第2組數(shù)據(jù)包中有一個發(fā)生了錯誤，所以Tx收到了NOK1并發(fā)送1個R數(shù)據(jù)包，以便恢復(fù)出錯的數(shù)據(jù)包。繼續(xù)發(fā)送第3組數(shù)據(jù)；

第3組有兩個錯誤，因此Rx發(fā)送NOK2讓Tx發(fā)送2個R數(shù)據(jù)包，以便恢復(fù)出錯的數(shù)據(jù)包。繼續(xù)發(fā)送第4組數(shù)據(jù)。

第4組的錯誤不能被2個R數(shù)據(jù)包恢復(fù)，所以此時會切換到SR－ARQ機(jī)制進(jìn)行選擇重傳。在發(fā)送SNACK后，Rx繼續(xù)發(fā)送NACK，其中包含的bitmap會指出發(fā)生錯誤的數(shù)據(jù)包編號。

上述的G－HARQ重傳機(jī)制，通過限制控制消息（ACK／NACK）的個數(shù)，優(yōu)化反饋資源并減小傳輸時延，優(yōu)化了系統(tǒng)的吞吐量。

圖2 G－HARQ重傳機(jī)制

2 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 仿真平臺架構(gòu)

基于QualNet的仿真平臺由MES、GEO衛(wèi)星、GSS這三類節(jié)點(diǎn)組成。MES端實(shí)現(xiàn)了SNDCP、LLC、SM、GMM、RLC、MAC層協(xié)議；GSS地面站主要實(shí)現(xiàn)了RLC／MAC協(xié)議，提供類似基站的作用；GEO衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)透明轉(zhuǎn)發(fā)。MES通過衛(wèi)星鏈路連接到GSS站點(diǎn)，RLC在GEO衛(wèi)星鏈路上提供確認(rèn)模式的TBF和重傳功能。應(yīng)用層可以根據(jù)需要加載不同種類業(yè)務(wù)負(fù)載模型。圖3顯示了仿真平臺結(jié)構(gòu)和協(xié)議棧架構(gòu)。

仿真實(shí)驗(yàn)中在RLC上采用SR－ARQ和G－HARQ兩種不同的重傳機(jī)制，針對靜態(tài)信道質(zhì)量模型和Gilbert信道模型分別應(yīng)用WWW業(yè)務(wù)負(fù)載進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先在相同的信道質(zhì)量下，即TBF傳輸時的C／I為常數(shù)（靜態(tài)信道質(zhì)量模型），使用WWW業(yè)務(wù)作為負(fù)載，這是一個非實(shí)時分組業(yè)務(wù)。一個分組業(yè)務(wù)服務(wù)包含一個或者多個業(yè)務(wù)請求，一個業(yè)務(wù)請求對應(yīng)下載一個WWW文檔。在成功下載文檔后，用戶花費(fèi)一定的時間閱讀。完成每一個業(yè)務(wù)請求需要一系列的下行分組，一個業(yè)務(wù)所需要的下行分組個數(shù)符合幾何分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見2.2節(jié)。對于時變的信道質(zhì)量模型—Gilbert信道模型使用一個兩狀態(tài)的Markov過程表示，見圖4。一個狀態(tài)表示信道質(zhì)量 “好”（鏈路誤碼率低），另一個狀態(tài)表示信道質(zhì)量 “差”（信道誤碼率高）。P1是從 “差”狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 “好”狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率，P2是從 “好”狀態(tài)到“差”狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率。P1取值越大、P2取值越小，表示信道的整體狀態(tài)越好。同樣在此信道模型上應(yīng)用WWW業(yè)務(wù)模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果同見2.2節(jié)。

圖3 仿真平臺結(jié)構(gòu)和協(xié)議棧架構(gòu)

圖4 兩個轉(zhuǎn)移狀態(tài)的傳輸信道模型

G－HARQ重傳機(jī)制的主要目的是為了減少確認(rèn)消息。因此性能仿真的主要參量為接收端在正確接收TBF所傳送的數(shù)據(jù)包時發(fā)送的ACK／NACK數(shù)量和RLC層吞吐量。在G－HARQ機(jī)制仿真中使用的參數(shù)為 K＝16，L＝2，且NOK消息可以指出需要R數(shù)據(jù)包的個數(shù)。另外，定義一個數(shù)據(jù)包只要有1個bit發(fā)生了錯誤就會被認(rèn)為是傳輸失敗。

2.2 仿真結(jié)果及分析

這里給出一組仿真結(jié)果，并對其進(jìn)行分析。圖5繪制了在靜態(tài)信道質(zhì)量模型下，RLC接收端正確接收完整TBF后平均發(fā)送的ACK／NACK個數(shù)。通過仿真結(jié)果，我們看出平均ACK／NACK數(shù)量在G－HARQ機(jī)制下少于SR－ARQ重傳機(jī)制，而且在當(dāng)C／I下高于20時，G－HARQ機(jī)制下的ACK／NACK個數(shù)趨于常數(shù)。

圖6繪制的是在Gilbert信道模型下使用WWW業(yè)務(wù)負(fù)載模型，當(dāng)P1取0.1，0.5時，RLC層成功完成TBF傳輸所需要的ACK／NACK個數(shù)隨1／P2的變化情況。從圖中可以觀察出在相同轉(zhuǎn)換概率P1的情況下，G－HARQ中產(chǎn)生的ACK／NACK個數(shù)少于原有重傳機(jī)制。而在不同轉(zhuǎn)換概率下，G－HARQ的性能也更優(yōu)。

圖5 兩種重傳機(jī)制下的ACK／NACK個數(shù)與信道質(zhì)量的關(guān)系

圖6 P1＝0.1、0.5時，兩種重傳機(jī)制下的ACK／NACK個數(shù)與P2的關(guān)系

圖7繪制了在Gilbert信道模型中應(yīng)用WWW業(yè)務(wù)負(fù)載模型的情況下，兩種重傳機(jī)制在P1取0.1，0.5時的吞吐量。曲線顯示G－HARQ吞吐量性能總是優(yōu)于現(xiàn)有的SRARQ，原因是因?yàn)镚－HARQ在地球同步軌道移動通信衛(wèi)星信道上的信道利用率更高。SR－ARQ下接收端的接收窗口中存在缺口，重傳時產(chǎn)生的控制消息需要占用多個RTT時間，導(dǎo)致上層協(xié)議的數(shù)據(jù)包（LLC－PDU）計(jì)時器超時，緩存于接收隊(duì)列寄存器中的正確接受的RLC數(shù)據(jù)包被丟棄，最終引起RLC層重傳所有LLC－PDU分割的數(shù)據(jù)包。G－HARQ可以降低這種帶寬上的浪費(fèi)，因?yàn)樵贕－HARQ中絕大部分錯誤可以通過前向糾錯使用的R數(shù)據(jù)包恢復(fù)。

上述實(shí)驗(yàn)表明混合G－HARQ重傳機(jī)制可以提升GEO衛(wèi)星移動通信RLC層吞吐量性能，說明G－HARQ機(jī)制給RLC層帶來的性能優(yōu)化足以抵消前向糾錯引入的冗余數(shù)據(jù)包的花銷。另外，盡管FEC需要終端實(shí)現(xiàn)額外的解碼部分，在GEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星只需要透明轉(zhuǎn)發(fā)，現(xiàn)今的MES的處理能力足以實(shí)現(xiàn)這一功能［15］。

圖7 P1＝0.1、0.5時，兩種重傳機(jī)制下的吞吐量與P2的關(guān)系

3 結(jié)束語

在GEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)背景下，為了克服衛(wèi)星鏈路大延遲、高誤碼的鏈路特性，本文提出了一個針對GEO衛(wèi)星移動通信信道上的HARQ重傳機(jī)制（G－HARQ）。此重傳機(jī)制有效的減少了在傳輸過程中需要控制消息數(shù)量。通過仿真，在靜態(tài)信道質(zhì)量模型和Gilbert信道模型中評估了現(xiàn)有選擇重傳機(jī)制和G－HARQ重傳機(jī)制的性能，仿真結(jié)果表示G－HARQ有效的提高了吞吐量、減少了重傳時需要的控制消息的數(shù)量。RLC層通過選擇重傳可以恢復(fù)傳輸中出錯的數(shù)據(jù)包，而恢復(fù)意味著帶來對上層TCP協(xié)議的延遲。后續(xù)的工作應(yīng)集中在GEO衛(wèi)星移動通信背景下，研究基于TCP應(yīng)用的性能表現(xiàn)，進(jìn)一步分析TCP與RLC層ARQ協(xié)議如何協(xié)作以便在GEO衛(wèi)星移動背景下獲得更好的表現(xiàn)。

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