Link16數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中消息可靠傳輸研究

魏龍飛

摘 要：為了提高Link16數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)消息傳輸可靠性，將前向糾錯(cuò)碼和自動重傳技術(shù)相結(jié)合，提出了基于混合自動重傳技術(shù)的可靠傳輸方案，該方案在Link16系統(tǒng)中引入自動重傳技術(shù)，并將譯碼錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)幀保存，與新發(fā)送的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行等增益合并，利用數(shù)據(jù)幀的時(shí)間分集增益提高消息傳輸可靠性。經(jīng)過仿真驗(yàn)證，該方案提高了消息傳輸?shù)目煽啃?，同時(shí)減少了自動重傳的次數(shù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)鏈;HARQ;可靠傳輸;Chase;Link16;自動重傳

中圖分類號：TP39;TN913文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）07-00-03

0 引 言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，未來戰(zhàn)爭將以聯(lián)合作戰(zhàn)為中心，誰能以最快的方式獲得戰(zhàn)場中的各種信息資源，就能獲得戰(zhàn)爭的主導(dǎo)權(quán)。數(shù)據(jù)鏈將傳感器、指揮控制系統(tǒng)和各作戰(zhàn)平臺連接起來形成一個(gè)有機(jī)整體，以實(shí)現(xiàn)各作戰(zhàn)單元之間的信息無縫交換，為各層次的指揮員快速、準(zhǔn)確地決策提供信息保障[1-2]。

戰(zhàn)場電磁環(huán)境異常復(fù)雜，信號接收受反射、繞射、散射以及各種干擾和噪聲的影響，導(dǎo)致信道特性極為復(fù)雜。

自動重傳技術(shù)在接收端對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，若檢驗(yàn)有錯(cuò)，則發(fā)送錯(cuò)誤信號至發(fā)送端請求對前一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行重發(fā)，直到達(dá)到最大重傳次數(shù)[3]。

前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)在發(fā)送端對信息進(jìn)行編碼，在發(fā)送內(nèi)容中增加冗余信息，如果在傳輸過程中發(fā)生錯(cuò)誤可以糾正，發(fā)送端無需重新發(fā)送數(shù)據(jù)，但糾錯(cuò)碼設(shè)計(jì)將降低傳輸效率[4-5]。

在Link16數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中，前向糾錯(cuò)編碼采用RS碼（Reed-Solomon codes，RS）[6]，將RS碼與自動重傳技術(shù)相結(jié)合，提出了基于混合自動重傳技術(shù)（Hybrid Automatic Repeat-request，HARQ）的可靠傳輸方案，在接收端將多次傳輸?shù)南⑦M(jìn)行合并，通過時(shí)間分集增益提高消息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1 Link16數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)消息可靠傳輸

1.1 可靠傳輸模型

無線通信中，傳統(tǒng)的ARQ（Automatic Repeat-request，ARQ）接收端接收到數(shù)據(jù)后，若數(shù)據(jù)幀校驗(yàn)錯(cuò)誤，則丟棄該數(shù)據(jù)包，同時(shí)將NACK（Negative Acknowledgement，NACK）信息反饋至發(fā)送端，發(fā)送端收到重選請求后重傳數(shù)據(jù)幀，實(shí)現(xiàn)雖簡單，但傳輸時(shí)延大、傳輸效率較低。HARQ技術(shù)將前向糾錯(cuò)技術(shù)與ARQ技術(shù)相結(jié)合，接收端將上一次錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)幀和本次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀合并進(jìn)行譯碼，通過重傳帶來的合并增益提高了數(shù)據(jù)幀譯碼的正確率，從而提高了傳輸可靠性[7-8]。

在Link16數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中，可靠傳輸系統(tǒng)模型如圖1所示。發(fā)送端的數(shù)據(jù)幀經(jīng)RS編碼后送入信道傳輸，同時(shí)該數(shù)據(jù)幀在發(fā)送端進(jìn)行緩存;接收端將接收到的數(shù)據(jù)幀送入RS譯碼，并在接收端緩存，若數(shù)據(jù)幀譯碼錯(cuò)誤，則將NACK指令反饋至發(fā)送端。發(fā)送端重發(fā)該數(shù)據(jù)幀，接收端將重發(fā)的數(shù)據(jù)與緩存的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)幀進(jìn)行合并處理，然后送至RS譯碼，直至達(dá)到最大重傳次數(shù)或數(shù)據(jù)幀譯碼正確。

對接收端來說，多個(gè)數(shù)據(jù)幀是不同時(shí)間經(jīng)過信道到達(dá)的，可認(rèn)為是相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)，可以通過合并多個(gè)數(shù)據(jù)幀獲得合并增益。

1.2 Chase合并原理

在Chase合并方案中，發(fā)送端每次發(fā)送的數(shù)據(jù)幀相同，接收端按照每次接收數(shù)據(jù)幀的信噪比加權(quán)對數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，然后對合并后的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼[9-10]。Chase合并通過不同數(shù)據(jù)幀的時(shí)間分集，可獲得合并增益。最大傳輸次數(shù)為N的Chase合并過程如圖2所示。

Chase合并是將收到的多個(gè)碼率為Rs的數(shù)據(jù)幀合并，數(shù)據(jù)幀的碼率不變。若最大傳輸次數(shù)為NMax，則接收端合并后的數(shù)據(jù)：

式中：ri為第i次收到的數(shù)據(jù)幀;αi為合并的加權(quán)系數(shù)。數(shù)據(jù)幀的信噪比越高，RS譯碼的正確概率就越大，當(dāng)αi為歸一化信噪比時(shí)，該Chase進(jìn)行最大比合并，合并后的數(shù)據(jù)信噪比最大。但最大比合并需要計(jì)算信噪比，計(jì)算復(fù)雜度高，接收機(jī)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。在工程上，為了便于實(shí)現(xiàn)，采用等增益合并，接收端合并后的數(shù)據(jù)：

1.3 可靠傳輸方案

基于以上分析，在Link16數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中，本文提出了消息可靠傳輸方法，算法的實(shí)現(xiàn)流程如下。

（1）對數(shù)據(jù)塊進(jìn)行CRC編碼，以便在接收端判斷數(shù)據(jù)譯碼校驗(yàn)是否正確。

（2）對CRC編碼后的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行RS編碼形成數(shù)據(jù)幀，在緩存處理的同時(shí)發(fā)送至接收端。

（3）接收端對接收到的數(shù)據(jù)緩存處理后，先進(jìn)行RS譯碼和CRC校驗(yàn)，若CRC校驗(yàn)失敗，則進(jìn)入數(shù)據(jù)幀等增益合并過程。

（4）對合并后的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行CRC校驗(yàn)，若校驗(yàn)失敗，反饋NACK至發(fā)送端，發(fā)送端啟動重傳機(jī)制。

（5）接收端對重傳的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行等增益合并后，進(jìn)行RS譯碼和CRC校驗(yàn)，直至數(shù)據(jù)幀譯碼正確或達(dá)到最大重傳次數(shù)。

2 性能分析

在傳統(tǒng)ARQ系統(tǒng)中，設(shè)最大傳輸次數(shù)為NMax，數(shù)據(jù)幀被正確譯碼的概率為Pe，則第i次數(shù)據(jù)幀被正確譯碼的概率：

3 仿 真

在無自動重傳ARQ、自動重傳ARQ、基于Chase合并的混合重傳HARQ三種模式中系統(tǒng)進(jìn)行仿真。仿真調(diào)制方式采用BPSK，信道采用高斯信道，RS編碼使用RS（31， 15），一幀數(shù)據(jù)長度為155 bit，最大重傳次數(shù)設(shè)置為3。仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖可知，當(dāng)信噪比小于7 dB時(shí)，自動重傳ARQ、基于Chase合并的混合重傳HARQ平均傳輸次數(shù)約等于3，傳輸可靠性接近;當(dāng)信噪比在7～12 dB之間時(shí)，基于Chase合并的混合重傳HARQ平均傳輸次數(shù)小于自動重傳ARQ，在HARQ方案中，由于充分利用了時(shí)間分集增益，將每一幀數(shù)據(jù)中的冗余信息合并，因此提高了糾錯(cuò)性能;當(dāng)信噪比大于12 dB時(shí)，信道環(huán)境較好，自動重傳ARQ、基于Chase合并的混合重傳HARQ平均傳輸次數(shù)約等于1，即發(fā)送端發(fā)送一次數(shù)據(jù)幀，接收端就可以正確接收。

基于Chase合并的混合重傳HARQ可以提高Link16數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)消息傳輸可靠性，但同時(shí)會提高接收機(jī)的復(fù)雜度，在實(shí)際運(yùn)用過程中，需要權(quán)衡處理開銷和系統(tǒng)性能。

4 結(jié) 語

本文將HARQ技術(shù)引入Link16數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，給出了基于HARQ技術(shù)的消息可靠傳輸方案。該方案在接收端對多個(gè)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行Chase合并，利用時(shí)間分集增益提高消息傳輸可靠性。仿真結(jié)果表明，該消息可靠傳輸方案降低了重傳次數(shù)，使得Link16系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確地傳輸指令報(bào)文，提升作戰(zhàn)

性能。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]相征.數(shù)據(jù)鏈技術(shù)與系統(tǒng)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2014：1-11.

[2]宋南瑩，溫東，劉翠海.Link-16戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)糾錯(cuò)性能分析[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2018，36（10）：210-211.

[3]朱安周，靳志廣，段濤，等.RS碼在戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中的性能分析[J].信息通信，2018（8）：43-46.

[4] HLAING M， MAO Z， VIJAY K B. On ARQ scheme with adaptive error control [J]. IEEE transactions on vehicular technology，2001，50（6）：1426-1436.

[5]溫曉楠.基于前向糾錯(cuò)碼（FEC）的無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯縖D].杭州：浙江大學(xué)，2005.

[6]張川.數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中RS編譯碼研究及其實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2012.

[7]朱鴻斌，戴勝辰，康凱，等.改進(jìn)型極化碼混合自動請求重傳法[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2017，39（5）：1136-1141.

[8]張強(qiáng)，閆斌，楊蔚，等.基于預(yù)測的混合自動重傳請求算法[J].通信技術(shù)，2016，49（5）：544-548.

[9] CHASE D. Code combining：a maximum likelihood decoding approach for combining an arbitrary number of noisy packets [J]. IEEE transactions on communications，1985，33（5）：385-393.

[10]卞銀兵，酆廣增.一種基于Chase的RS碼代數(shù)軟判決譯碼算法[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2009，14（4）：39-44.