一种卫星移动通信中的L/P跨层设计

程 磊 ，童新海 ，吴久银 ，张忠超 ，孔 博

(1.解放军理工大学 通信工程学院研三队，江苏 南京210007；2.解放军理工大学 通信工程学院卫星通信教研室，江苏 南京210007)

卫星移动通信作为全球移动通信的重要组成部分，其目的是实现通信终端手持化和个人通信全球化[1]。相比地面3G、4G移动通信，卫星信道的长延时、高误码和非对称信道使得其通信质量远不能满足业务需要。为满足卫星高速数据传输的要求，本文基于卫星移动通信信道特性，考虑移植或借鉴地面3G中成熟高效的高速数据传输技术如自适应调制编码(AMC)、混合自动请求重传(HARQ)在卫星移动通信中的应用。

跨层设计(Cross-layer Design)作为下一代移动通信关键技术，目前在众多领域得到了研究和应用[2-3]。卫星信道与地面信道一样随时间变化，易受环境影响，加之卫星通信延时长、时延带宽积高的特点，最终使卫星网络不同协议层之间的性能相互影响。因此，卫星移动通信同样可以考虑采用跨层设计方法。

本文从跨层设计角度出发，对卫星移动通信特点和跨层设计作了简要介绍，建立典型卫星移动通信信道模型，提出一种适用于卫星移动通信的HARQ联合AMC的L/P跨层设计，并使用Matlab工具进行仿真并作对比分析。结果表明，该设计明显提高了系统的平均频谱利用率。

1 卫星移动通信特点及跨层设计

卫星移动通信的一系列突出优点[4]使得它非常迅速地成为通信领域中发展研究方向和现代通信强有力的手段之一。但相比地面移动通信，其误码率较高，若不能采取有效的差错控制机制，系统业务质量和数据的有效传输将受到直接影响，最终影响业务推广。实际中采用自动请求重传ARQ(Automatic Repeat reQuest)解决数据丢失问题，但传统ARQ仅将出错数据丢弃而未充分利用，无形中浪费了系统资源。DVB-S标准中采用的AMC技术只通过反馈信道来选择编码调制方式，码率和调制方式有限,在多信道选择 MCS(Multiple Channel Select)的两个端点处不能充分发挥AMC技术的优势。针对这两个问题，考虑在卫星移动通信中同时引入HARQ和AMC技术。

跨层设计以充分利用系统资源为原则，旨在大幅度提高通信系统各项性能，满足用户对不同业务的QoS需求。它打破网络各层独立性，充分利用不同层间的相互作用进行交互式跨层设计[5]。跨层设计通常分内在型和外在型两种[6]，前者考虑整体协议最优化，而后者强调在不同层之间传输参数实现动态适应。结合卫星移动通信信道特点，基于外在跨层设计的思想，本文将链路层HARQ技术与物理层AMC技术联合考虑。

2 L/P跨层设计方法

2.1 系统模型

本文基于卫星移动通信系统，考虑地面关口站经卫星中继且与地面移动终端之间单发单收的通信情况，简化系统如图1所示。其工作原理为：根据链路层所容忍的最大延时，选择最大的传输次数；根据误包率要求确定物理层模式选择切换的临界点；用循环冗余校验(CRC)来检验信息数据包是否正确译码，确定重传的必要性；根据信道估计值，选择最优的调制编码方式，实现传送数据速率最大化。

图1 系统模型

在实际应用中，根据移动终端所处物理环境的不同,卫星移动信道可分为Rayleigh信道、Rice信道、Rician/Lognormal信道[7]。本文使用Nakagami-m[8](m为信道衰落参数)信道模型描述卫星移动信道质量参数。Nakagamim分布可以通过控制参数m模拟多种不同的分布：当m=1时，相当于Rayleigh分布；当m=1/2时，等同于单边高斯分布；当m=0时，则表示无衰落分布；当m→∞时，为高斯分布。

图2 跨层交互模型

如图2所示，本文跨层设计存在于物理层与链路层之间，通过链路层向物理层传递必要参数，以指导物理层选择合理的HARQ方式以及调制编码方式，在满足链路层性能的同时，能够使物理层的性能得到改善，实现最优传输。

2.2 HARQ联合AMC的L/P跨层设计

在实际的卫星通信系统中，一方面，系统能够容许的延时是有限的，因此每个数据包的传输次数将受到限制，系统能够容许的最大延时除以一次往返所需的时间(不同轨道高度的往返时间有差别)取整数部分就是系统能够容许的最大传输次数Nmax，如果在传输次数Nmax之内，接收端仍然不能正确解码，将丢弃这包数据，进行下一包数据的传输。另一方面，不同业务对误包率的要求也有所不同。HARQ是将前向纠错(FEC)和自动请求重传技术(ARQ)联合使用的链路可靠性保障技术，它能够有效降低误码率，减小时延。通常HARQ可按照参考文献[9]的方法划分为 Type-I、II、III型,仿真实验证明 Type-III型HARQ稳定性、可靠性好，有较高的频谱利用率。考虑卫星移动信道的实际情况和仿真复杂度，设定最大重传次数Nmax≤3。AMC技术根据信道质量反馈，动态选择匹配当前信道状况的最佳调制编码方式，以实现高数据速率和可靠通信。在编码方式上，在卫星通信常用编码中，Turbo码以及最近几年兴起的LDPC码等都是常用的纠错编码方式[10]。从方便对数据进行码率调整和Turbo码的成熟应用方面考虑,本文选择Turbo码作为信道编码方式[11]。

Type-III型 HARQ的数据初始处理过程为：将1184信息比特加上16 bit的CRC校验码采用1/3码率的Turbo码进行信道编码，生成总比特数为3 600 bit的信道编码信息，接下来，不同类型的HARQ机制选择不同的删余矩阵处理。表1给出了卫星通信常用的BPSK、QPSK、16QAM调制方式和Turbo编码6种调制编码组合，考虑到AMC频繁的切换会增加系统开销，故而在此只选用6种方案。系统选择调制编码方式通常会考虑功率效率和频谱效率的折衷，本文考虑卫星信道功率受限的情况。通过设置各级MCS切换门限，根据系统的SNR值区间，选用不同类型的 MCS。表2 中的 P0、P1、P2、P3分别是各次传输中所用的删余矩阵,其中P0代表首次传输时的删余矩阵，矩阵内部元素0表示此位置被删除，1表示被保留，删截仅针对校验比特，其目的是使用重传机制实现对码率的调整。

不同Nmax下AMC切换调制方式的数值点如表3所示。

表1 调制编码(Turbo码)的6种模式

表2 Type-III型HARQ的删余矩阵

表3 HARQ-Type-III型不同最大传输次数时切换点数值

按照上面的跨层设计方法，整个系统的运行流程为：每个数据包的传输过程中，通过反馈回的信道估计的情况，按照表1进行MCS进行更新。若首次传输出错，则按照表2重传方式，选择最大传输次数为 Nmax时的重传规则进行重传。

3 仿真及结果分析

为了验证本文中跨层设计的性能，假设信道频域平坦、单帧不变、逐帧可变，AMC随之调整，使用Matlab搭建了上述信道模型的仿真平台，模拟传输参数信息。下面分别给出不同Nmax时的HARQ联合AMC的L/P跨层设计的平均频谱利用率的性能曲线，同时给出无跨层设计情况的性能曲线与之作比较。在本文的研究中，使用Nakagami-m信道，m=1，假定在Nmax次传输之内，HARQ在物理层的误包率PER≤0.01,最终实现的目标就是选择合理的HARQ与AMC组合,来满足物理层的误包率和业务的延时要求。仿真设定信噪比为符号功率与噪声功率的比值 Es/N0，结果如图3～图5所示。

图3～图5分别为无跨层设计仅在链路层采用Type-III型HARQ技术的系统平均频谱利用率性能分析结果。

图6为以Nmax=2时，不同调制方式在无跨层设计中的平均误包率，粗黑色线标识给出了L/P跨层设计中不同调制方式在设定误包率为Ptarget=0.01条件下的切换点。

图3 Nmax=1时，无跨层设计系统平均频谱利用率

图4 Nmax=2时，无跨层设计系统平均频谱利用率

图5 Nmax=3时,无跨层设计系统平均频谱利用率

图7给出了不同Nmax下HARQ联合AMC的L/P跨层设计的系统平均频谱利用率性能分析结果。从图中的比较可以看出，在相同信噪比条件下，后者的系统平均频谱利用率相比前者要高，且变化曲线较为平缓，即意味着系统传输速率明显提高，系统较为稳定。同时还可以看出，随着最大重传次数的增大，系统平均频谱利用率也相应提高(Nmax增大，HARQ纠检错能力增强，也就减轻了对物理层纠检错能力的要求，即对物理层的性能要求降低了，传输速率则可以相应地增加，使得系统频谱利用率提高），但增长的速度却有所减小，也就是说，Nmax是有上限的。实际中推荐使用Nmax=2，小的重传次数仅需要较小的缓冲区和时延既可以实现较高的频谱利用率。

图6 Nmax=2时，不同调制方式下的平均误包率

图7 Nmax=1、2、3时，HARQ+AMC 的 L/P 跨层设计系统平均频谱利用率

跨层设计对提高卫星通信系统的性能有良好的前景，国际卫星及空间通信专题研讨会IWSSC2005曾对卫星通信中的跨层设计作了专题的征文与讨论。本文提出了一种提高系统平均频谱利用率的L/P跨层设计方法，基于实现高速数据传输的需求，根据典型的卫星移动通信信道情况，通过HARQ技术联合AMC技术，使得系统平均频谱利用率得到了有效提高，为将来设计卫星移动通信系统实现数据的高速传输提供一定的理论支撑。未来卫星通信中跨层设计研究方向是协调设计整个系统，各层之间相互都有接口，综合考虑系统各层参数，如物理层误比特率、网络层时延或路由效率等，以充分利用资源、优化系统整体性能。

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