Link16数据链系统中消息可靠传输研究

魏龙飞

摘 要：为了提高Link16数据链系统消息传输可靠性，将前向纠错码和自动重传技术相结合，提出了基于混合自动重传技术的可靠传输方案，该方案在Link16系统中引入自动重传技术，并将译码错误的数据帧保存，与新发送的数据帧进行等增益合并，利用数据帧的时间分集增益提高消息传输可靠性。经过仿真验证，该方案提高了消息传输的可靠性，同时减少了自动重传的次数。

关键词：数据链;HARQ;可靠传输;Chase;Link16;自动重传

中图分类号：TP39;TN913文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）07-00-03

0 引 言

随着信息技术的飞速发展，未来战争将以联合作战为中心，谁能以最快的方式获得战场中的各种信息资源，就能获得战争的主导权。数据链将传感器、指挥控制系统和各作战平台连接起来形成一个有机整体，以实现各作战单元之间的信息无缝交换，为各层次的指挥员快速、准确地决策提供信息保障[1-2]。

战场电磁环境异常复杂，信号接收受反射、绕射、散射以及各种干扰和噪声的影响，导致信道特性极为复杂。

自动重传技术在接收端对数据进行校验，若检验有错，则发送错误信号至发送端请求对前一帧数据进行重发，直到达到最大重传次数[3]。

前向纠错编码技术在发送端对信息进行编码，在发送内容中增加冗余信息，如果在传输过程中发生错误可以纠正，发送端无需重新发送数据，但纠错码设计将降低传输效率[4-5]。

在Link16数据链系统中，前向纠错编码采用RS码（Reed-Solomon codes，RS）[6]，将RS码与自动重传技术相结合，提出了基于混合自动重传技术（Hybrid Automatic Repeat-request，HARQ）的可靠传输方案，在接收端将多次传输的消息进行合并，通过时间分集增益提高消息传输的可靠性。

1 Link16数据链系统消息可靠传输

1.1 可靠传输模型

无线通信中，传统的ARQ（Automatic Repeat-request，ARQ）接收端接收到数据后，若数据帧校验错误，则丢弃该数据包，同时将NACK（Negative Acknowledgement，NACK）信息反馈至发送端，发送端收到重选请求后重传数据帧，实现虽简单，但传输时延大、传输效率较低。HARQ技术将前向纠错技术与ARQ技术相结合，接收端将上一次错误的数据帧和本次传输的数据帧合并进行譯码，通过重传带来的合并增益提高了数据帧译码的正确率，从而提高了传输可靠性[7-8]。

在Link16数据链系统中，可靠传输系统模型如图1所示。发送端的数据帧经RS编码后送入信道传输，同时该数据帧在发送端进行缓存;接收端将接收到的数据帧送入RS译码，并在接收端缓存，若数据帧译码错误，则将NACK指令反馈至发送端。发送端重发该数据帧，接收端将重发的数据与缓存的错误数据帧进行合并处理，然后送至RS译码，直至达到最大重传次数或数据帧译码正确。

对接收端来说，多个数据帧是不同时间经过信道到达的，可认为是相互独立的数据，可以通过合并多个数据帧获得合并增益。

1.2 Chase合并原理

在Chase合并方案中，发送端每次发送的数据帧相同，接收端按照每次接收数据帧的信噪比加权对数据进行合并，然后对合并后的数据进行解码[9-10]。Chase合并通过不同数据帧的时间分集，可获得合并增益。最大传输次数为N的Chase合并过程如图2所示。

Chase合并是将收到的多个码率为Rs的数据帧合并，数据帧的码率不变。若最大传输次数为NMax，则接收端合并后的数据：

式中：ri为第i次收到的数据帧;αi为合并的加权系数。数据帧的信噪比越高，RS译码的正确概率就越大，当αi为归一化信噪比时，该Chase进行最大比合并，合并后的数据信噪比最大。但最大比合并需要计算信噪比，计算复杂度高，接收机设计较为复杂。在工程上，为了便于实现，采用等增益合并，接收端合并后的数据：

1.3 可靠传输方案

基于以上分析，在Link16数据链系统中，本文提出了消息可靠传输方法，算法的实现流程如下。

（1）对数据块进行CRC编码，以便在接收端判断数据译码校验是否正确。

（2）对CRC编码后的数据块进行RS编码形成数据帧，在缓存处理的同时发送至接收端。

（3）接收端对接收到的数据缓存处理后，先进行RS译码和CRC校验，若CRC校验失败，则进入数据帧等增益合并过程。

（4）对合并后的数据帧进行CRC校验，若校验失败，反馈NACK至发送端，发送端启动重传机制。

（5）接收端对重传的数据帧进行等增益合并后，进行RS译码和CRC校验，直至数据帧译码正确或达到最大重传次数。

2 性能分析

在传统ARQ系统中，设最大传输次数为NMax，数据帧被正确译码的概率为Pe，则第i次数据帧被正确译码的概率：

3 仿 真

在无自动重传ARQ、自动重传ARQ、基于Chase合并的混合重传HARQ三种模式中系统进行仿真。仿真调制方式采用BPSK，信道采用高斯信道，RS编码使用RS（31， 15），一帧数据长度为155 bit，最大重传次数设置为3。仿真结果如图4所示。

由图可知，当信噪比小于7 dB时，自动重传ARQ、基于Chase合并的混合重传HARQ平均传输次数约等于3，传输可靠性接近;当信噪比在7～12 dB之间时，基于Chase合并的混合重传HARQ平均传输次数小于自动重传ARQ，在HARQ方案中，由于充分利用了时间分集增益，将每一帧数据中的冗余信息合并，因此提高了纠错性能;当信噪比大于12 dB时，信道环境较好，自动重传ARQ、基于Chase合并的混合重传HARQ平均传输次数约等于1，即发送端发送一次数据帧，接收端就可以正确接收。

基于Chase合并的混合重传HARQ可以提高Link16数据链系统消息传输可靠性，但同时会提高接收机的复杂度，在实际运用过程中，需要权衡处理开销和系统性能。

4 结 语

本文将HARQ技术引入Link16数据链系统，给出了基于HARQ技术的消息可靠传输方案。该方案在接收端对多个数据帧进行Chase合并，利用时间分集增益提高消息传输可靠性。仿真结果表明，该消息可靠传输方案降低了重传次数，使得Link16系统可以快速、准确地传输指令报文，提升作战

性能。

参 考 文 献

[1]相征.数据链技术与系统[M].西安：西安电子科技大学出版社，2014：1-11.

[2]宋南莹，温东，刘翠海.Link-16战术数据链系统纠错性能分析[J].数字技术与应用，2018，36（10）：210-211.

[3]朱安周，靳志广，段涛，等.RS码在战术数据链系统中的性能分析[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]溫晓楠.基于前向纠错码（FEC）的无线数据传输的研究[D].杭州：浙江大学，2005.

[6]张川.数据链系统中RS编译码研究及其实现[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

[7]朱鸿斌，戴胜辰，康凯，等.改进型极化码混合自动请求重传法[J].电子与信息学报，2017，39（5）：1136-1141.

[8]张强，闫斌，杨蔚，等.基于预测的混合自动重传请求算法[J].通信技术，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]卞银兵，酆广增.一种基于Chase的RS码代数软判决译码算法[J].电路与系统学报，2009，14（4）：39-44.