适用于卫星通信的虚拟ARQ机制

刘　刚，窦志斌，国晓博（中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄050081）

适用于卫星通信的虚拟ARQ机制

刘刚，窦志斌，国晓博
（中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄050081）

随着载人航天技术的发展，越来越多的航天任务需要利用卫星通信进行信息传输。已有的研究成果大都采用了ARQ机制来降低卫星信道的数据丢失率。然而由于卫星信道还具有长时延的特点，因此ARQ所采用的反馈机制会大幅增加卫星信道的传输时延。为了克服卫星信道中反馈机制带来的大时延问题，提出了一种虚拟ARQ（Virtual ARQ，VARQ）机制。在VARQ中，发送端并不依靠接收端的反馈信息来进行分组重发，而只根据当时估计的丢包概率来决定传输策略，从而可以大幅降低卫星信道的传输时延。随后，还对VARQ所具有的一些时延性质进行了理论证明。仿真结果显示，相对于选择性重传ARQ机制，VARQ机制能够降低大约25.69%的时延。

卫星通信；长时延；ARQ；VARQ

1　引言

随着卫星通信技术的高速发展，有越来越多的应用服务开始利用卫星网络进行信息传输。尤其是在载人航天领域，有很多信息都经过中继卫星实现地面端和航天器之间的交互。因此，卫星通信中的业务传输性能及服务质量成为近年国内外学者广泛关注的问题。

卫星通信信道所处的环境非常复杂，其特性并不理想，是一种变参信道。接收端不仅会受到地理环境引起的衰落和阴影以及移动引起的多普勒频移的影响，而且还会受到开放式信道结构带来的各种干扰和噪声的影响。这些衰落和干扰严重影响到卫星信道的通信质量，因此，为了降低卫星信道的数据丢失率，提高卫星信道的数据传输可靠性，可借鉴地面差错控制技术，尤其是自动重传请求（Automatic Repeat reQuest，ARQ）技术。

ARQ主要有停止等待、后退N步和选择性重传3种重传方式。在停止等待式通信模式下，发送端每发送一个分组就停下来等待从接收端反馈的应答信号，若反馈否定应答信号NACK，就重发该分组；若反馈肯定应答信号ACK，就接着发送下一个分组。在后退N步式通信模式下，发送端连续发送分组，当接收端反馈一个分组的NACK后，接收端会重发该分组及该分组以后的所有分组。在选择性重传式通信模式下，接收端也会连续发送分组，但是只重发接收端反馈的NACK的分组。因此，可以明显看出，在具有长时延特性的卫星信道环境下，选择性重传的发送效率明显优于停止等待和后退N步模式［1］。

然而由于卫星信道具有传播时延长、链路传输易出错等不同于地面无线网络的特点。而这些卫星信道独有的特点致使很多在地面设计的协议用于卫星网络时效率很低［2］。当前已有一些工作对于空间信道［3］环境和深空环境［4］使用各种模式的ARQ时的链路性能进行了深入分析。此外，也有研究［1，5］在借鉴地面ARQ传输机制的思想上，针对卫星环境对ARQ机制进行了适应性改进。但是，这些工作都利用了ARQ的反馈机制，而在长时延的卫星信道环境下，这些反馈信息会大幅度增大信息的传输时延。有很多应用对时延敏感，尤其是在经过卫星中继的航天器操作指令等数据量较少、较紧急的信息传输上，因此，需设计有效的传输机制来尽量减少卫星信道的时延。

为了克服卫星信道中反馈机制带来的大时延问题，本文提出了一种虚拟ARQ（Virtual ARQ，VARQ）技术。在VARQ中，发送端只根据当前时刻估计的丢包概率来决定传输策略，并不依靠接收端的反馈信息来进行分组重发，因此可以大幅降低卫星信道的传输时延。

本文先对N通道停止等待式ARQ重传机制进行了介绍；然后给出了系统模型，并在借鉴N通道停止等待式ARQ机制的思想上，提出了适用于卫星通信的VARQ机制，VARQ不需要接收端的反馈信息，而是根据发送端估计的分组单次传输丢失概率来决定传输策略；随后，在理论上分析了VARQ具有的一些性质，并对VARQ进行了仿真实验验证。

2　 N通道停止等待式ARQ机制

在停止等待式ARQ模式下，当折返时间RTT远大于发送一个数据包所需时间的时候，就会使信道处于闲置状态的时间远大于处于工作状态的时间，从而导致信道的传输效率非常低下。为了解决这个问题，地面3GPP LTE系统［6］［7］采用了N个通道并行的、各自运行一套停止等待式ARQ协议共用一个物理信道的方式，称为N通道停止等待式ARQ，从而当一个ARQ通道在等待反馈信息时，会有另一个ARQ通道在共有物理信道上发送数据，于是就能够使信道一直保持工作状态，因此最终能够很好地克服停止等待式ARQ机制效率低下的问题。N通道停止等待式ARQ工作机制如图1所示：

图1　 N通道停止等待式ARQ机制Fig.1 N processes stop and wait ARQ mechanism

对于N通道停止等待式ARQ机制，当通道0停下来等待确认信息期间，通道1、通道2、通道3……会不断地向信道上发送分组数据包，直到通道0收到确认信息之后，通道0就可以接着发送后面的分组数据包。N通道停止等待式ARQ机制就将以这种方式周而复始的运行下去，各个通道之间没有任何共享的信息，互不干扰，但共享物理信道却一直保持功能状态，于是很好地克服了停止等待式ARQ机制传输效率低的问题，最终能够达到接近选择性重传ARQ机制的性能。

对于N通道停止等待式ARQ机制，一个ARQ通道在传输一个分组后，需等待RTT的时间才能进行下一次传输。在这段时间内，需要发起其他的并行ARQ通道来传输分组，以充分利用资源。ARQ的通道数量N的大小与传输时延和设备的处理时延直接相关。RTT越大，需要并行的ARQ通道越多。

3　虚拟ARQ重传机制

在卫星信通信环境中，由于两个终端之间物理距离较远，无论是使用何种ARQ机制（停止等待、回退N、选择性重传、N通道停止等待），都需要等待接收端的反馈信息，从而导致了信息的过大传输时延。为了降低传输时延，本文提出接收端在不依据反馈信息的情况下，而只根据当时估计的链路丢包率信息，来决定分组数据的传输策略，从而可以极大地降低卫星信道的传输时延。

3.1系统模型

本文考虑的网络模型如图2所示。发送端通过透明转发的中继卫星将信息传输给接收端。其中发送端可以是地面卫星终端、地面移动终端，接收端可以是地面卫星终端、地面移动终端、航天设备。称由发送端发送分组信息到接收端方向的链路为前向链路，由接收端发送分组信息到发送方的链路为反向链路。本文只考虑前向链路的情况，但由于反向链路在传输方式上和前向链路完全一致，因此本文的研究成果同样适用于反向链路。

图2　网络模型Fig.2 Network model

为了简化系统处理，可以调整分组数据包长度大小，以达到每1 ms发送一个分组数据包。假设有NG个分组数据包需要发送，可以用符号gi表示第i个分组数据包，其中1≤i≤NG。同时假设卫星信道是一个慢衰落信道，因此对于每一个分组数据包，可以假设根据历史分组数据包信息估计的单次发送丢包率即为当前数据分组数据包单次发送丢失的概率；该单次发送丢包率会每隔一段时间进行更新。已有很多工作［8］［9］对实时丢包率信息进行了估计，但本文只集中于根据丢包率信息来决定传输策略，而对实时丢包率的估计内容则超出了本文的研究界限。假设分组gi发送的次数为Mi，可以用符号pi，j表示分组gi在第j次发送时的单次发送丢失率，其中1≤j≤Mi。

VARQ机制是一种根据N停止等待式ARQ机制改进的适用于卫星通信等长时延环境下的差错控制机制，它并不利用反馈信息，而只是根据历史估计的丢包率信息来预测当前分组的发送失败概率，并决定是重传上一个分组还是接着传输下一个分组。假设VARQ共有N个通道，则每个通道在发送完一个分组数据后，至少在N ms之后才会发送下一个数据或者重传上一次发送的分组，如图3所示。因此本论文的目标就是确定每一个通道在被调度发送数据包时，是传输下一个分组数据还是重传上一次发送的分组。

图3　 VARQ机制图示Fig.3 Diagram of VARQ mechanism

3.2 VARQ详述

为了适应卫星信道的长时延特性，采用N通道停止等待式ARQ机制。同时，考虑到协议实现复杂度，N的数值不宜过大。为了减少卫星信道的传输时延，VARQ取消了反馈确认机制，而是根据历史的丢包概率来决定每个分组数据包的发送方式。

VARQ依次轮询调度每个通道进行数据包传输。每个通道起始都依次传输最先未被传输的数据包。

假设应用业务需求（可容忍）的最大丢包率为Pmax，则某个通道在被调度传输分组数据包时，首先要确定是重传上一个分组数据包，还是传输下一个分组数据包。假设上一个分组数据包为gi，且gi已被发送过mi次，则该分组数据包未被成功接收到的概率如式（1）：

若当前分组数据包的丢失概率Pi，mi大于可容忍的最大丢包率Pmax，并且已传输次数还未达到最大传输次数，则需要重发分组gi，并更新相关信息；否则表明该数据包的丢失概率已满足需求或者达到了最大传输次数，此时就要标记该分组为已传输完毕，并在随后发送下一个未被传输的分组。即式（2）：

其中M为每个数据包的最大传输次数。

若所有分组都已传输完毕，则传输过程结束。

ARQ机制详述如图4所示。其中T表示所有数据包的最多发送时间。

图4　 VARQ机制Fig.4 VARQ mechanism

4　 VARQ性能分析

本节对VARQ机制具有的一些优良性质（定理1和定理2）进行了介绍，证明如下：

定理1：对于一个分组，VARQ机制或者满足应用业务的丢包率需求，或者达到最大传输次数。

证明：假设存在一个分组数据包gi，其传输次数Mi＜M且其丢失概率Pi，Mi＞Pmax。那么当传输gi的通道在传输完毕gi时的下一次被调度传输分组数据包时，会判断是重传分组数据包gi还是传输下一个分组数据包，由于此时有Pi，Mi＞Pmax且Mi＜M，根据VARQ机制描述和公式（2）可知，该通道会重传分组gi，矛盾。故本定理成立。证毕。

定理2：VARQ的传输时延不会大于ARQ的传输时延。

证明：假设每个分组数据包gi的最大传输次数为M，即最大重传次数为M-1；用符号si表示卫星信道传输分组gi成功所需次数。则一个分组数据包在第k次传输成功的概率如式（3）：

而达到最大传输次数M的概率如式（4）：

假设从发送端到接收端的单向时延为d，从接收端到发送端的单向反馈信息传输时延也为d，则选择性重传ARQ（SRARQ）的期望时延如式（5）：

很容易看出当N≤d时，VARQ的时延不大于选择性重传ARQ。而由三种标准ARQ的特性可知，选择性ARQ的时延也不大于回退N步ARQ和停等式ARQ（包含N停止等待ARQ）。因此VARQ的传输时延不会大于ARQ的传输时延。证毕。

VARQ相对于其他ARQ而言，由于其不需要反馈信息，因此当发送完一个分组后，就可以清除该分组，而其他ARQ需要等待确认信息才能删除分组信息；此外VARQ的时延也不小于ARQ的时延，从而VARQ需要的缓冲区更小，因此可以节省缓冲区容量。同时VARQ也不需要占用反向链路发送确认信息，从而能够节省反向链路的带宽。但是VARQ的缺点是在正向链路上会减少系统的吞吐量。

5　仿真分析

为验证本文提出的VARQ机制的性能，对卫星链路进行了仿真设计。仿真场景为一个发送端连续发送一百万个数据包给一个接收端。假设每个时刻的单次发送丢包率在［0.1，0.2］内的随机数。同时借鉴地面ARQ技术，设置每个包的最大传输次数为4次，即最大重传次数为3次。由于地面3GPP LTE中，FDD模式下的MAC层中的HARQ通道数为8，因此本仿真同样设置VARQ的通道数量为8。在C++仿真环境下对该仿真场景进行了仿真，并在仿真中将VARQ与SRARQ的性能进行了比较。

首先考虑1，000，000个包的平均延迟随RTT的变化情况，其中RTT从140 ms变化到990 ms（仿真结果如图4所示）。从图5可以看出，不论是VARQ还是SRARQ机制，其平均时延都随RTT的增大而增大，同时还可以看出VARQ相对于SRARQ可以降低约25.69%的时延。

图5　平均时延随RTT变化关系Fig.5 Average delay vs.RTT

其次考虑不同正确接收分组数据包的次数对时延的影响。表1给出了单向时延设置为270 ms，即RTT为540 ms时在不同传输次数正确接收到分组数据包的情况。从表2可以看出，随着正确接收到数据包的传输次数的增加，SRARQ相对于ARQ会极具地增大时延。当在第4次才成功接收到数据包时（或者达到最大传输次数），VARQ相对于SRARQ能降低约84.44%的时延。

表1　 RTT为540m s时的VARQ机制性能情况Table 1 VARQ mechanism performance when RTT is540ms

6　结论

1）提出了VARQ机制来克服卫星信道中反馈机制带来的大时延问题；

2）对于一个分组，VARQ机制或者满足应用业务的丢包率需求，或者达到最大传输次数；并且VARQ的传输时延不会大于ARQ的传输时延；

3）仿真结果显示VARQ相对于SRARQ可以降低约25.69%的时延。

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The Virtual ARQ M echanism for Satellite Communications

LIU Gang，DOU Zhibin，GUO Xiaobo
（The54thResearch Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shijiazhuang 050081，China）

With the development ofmanned space technology，more and more space flightmissions require information transmission via satellite communication.The existing research resultsmainly use ARQmechanism to decrease the data loss probability of satellite channel.However，the acknowledgmentmechanism of ARQ will highly increase the transmission delay of satellite channel.Therefore，a Virtual ARQ（VARQ）mechanism was proposed in this paper to decrease the transmission delay of satellite channel due to acknowledgmentmechanism.In VARQ，the sender does not use the acknowledgmentmessages，and only use the estimated packet loss probability to decide the transmission policy.VARQ can highly decrease the transmission delay of satellite channel.In additon，the theoretical analysis of VARQ was also given.The simulation results showed that the VARQmechanism could decrease the transmission delay by about25.69%as compared with the selective repeat ARQ.

satellite communication；long delay；ARQ；VARQ

V423.4+5；TN927

A

1674-5825（2015）02-0130-05

2014-07-28；

2015-02-04

国家863计划（2012AA01A505）

刘刚（1986-），男，博士，工程师，研究方向为卫星通信。E-mail：369056695@qq.com