关于低轨卫星通信网络中HARQ技术的分析

李 想

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

卫星通信具有覆盖面大、保密性强等优势，自20世纪60年代开始得到广泛应用。卫星通信在防灾救灾应急通信等方面发挥着重要的作用。卫星通信网络是实现全球无缝漫游移动通信的重要基础设施，在宽带广播等新兴通信服务中起到了重要作用。传统静止卫星由于轨道高、时延大，难以满足时效性要求高的通信应用需求。NGSO卫星星座具有时延小等优点，成为支持宽带高效通信的有效途径[1]。利用卫星移动通信网形成独立的空间网络已成为卫星通信发展的重要方向。随着科技的发展，人们对卫星通信可靠性提出更高的要求。卫星通信所处环境存在大量衰落噪声干扰，影响了卫星通信质量，通信距离远，路径损耗影响卫星通信质量，如何保证卫星通信传输质量是值得关注的问题。信道衰落等问题可通过HARQ技术解决，HARQ技术相比FEC技术可以保证更高的传输可靠性。传统的HARQ技术在卫星环境存在一些问题，如信道时延大，使用传统HARQ技术接收端不能及时接收ACK/NACK消息，必须考虑采用适合卫星网络的HARQ技术保证业务传输质量。

1 HARQ技术研究

移动通信系统因受到各类随机噪声的影响而发生传输错误，无线通信系统通常引入差错控制技术来降低系统传输误码率，保证不同业务数据传输质量。传统差错控制技术包括FEC与ARQ，ARQ按需重传机制的原理是在信息码元中加入少量监督码元，当接收端检测到信息码元错误时会向发送端发送信号请求重新发送，直到接收端检测无误为止。ARQ技术差错控制能力强，当信道质量变差时信息码元出错率增加会降低有效传输速率[2]。ARQ时延可变，使得通信实时性差，不适合提供实时服务。FEC前向纠错技术的原理是，发送端发送信息数据与冗余纠错码，接收端使用译码器处理接收信号并根据冗余部分重构原始信息。FEC技术有恒定通过量，实时性好，但接收端译码错误导致传输可靠性差，纠错码冗余度大导致编码效率低且译码电路复杂。

HARQ差错控制技术结合了FEC和A RQ的优点，相比FEC技术，传输误码率低可靠性高；相比A RQ技术，在保证相同传输质量情况下传输效率更高[3]。ARQ是OSI模型中数据链路层错误纠正协议，常用的ARQ协议包括SW-ARQ、Go-back-N与SR-ARQ。HARQ可针对信道衰落提高系统传输可靠性，发送端数据经过调制编码在发送缓存中备份；接收端将接收数据加入缓存，合并解码后将结果通过反馈信道反馈至发送端。利用HARQ技术可将前几次传输失败的数据信息与重传数据合并联合解码。HARQ技术的应用类型有I、II、III型。I型HARQ方式是FEC和ARQ的简单组合，采用同时进行检错纠错冗余码方式[4]。接收端接收首次传输信息时采用与FEC技术相同方式纠错，首次传输错误信息比特数较少时，通过码字纠错能力纠正错误信息比特；如首次传输信息比特数较多，超出码字纠错能力，部分错误信息码纠正接收端要求发送端重传。发送端重新传信息，与首次传输相同[5]。I型HARQ方式不同于ARQ技术，将未正确解码信息丢弃，下次仅用重传信息检错纠错，每次传输会受到随机噪声干扰，将多次传输信息合并以提升纠错能力。

I型HARQ吞吐量在高信噪比信道中受到FEC编码器速率的限制。II型HARQ系用递增冗余的HARQ机制，在I型HARQ基础上加入组合译码，首次传输时带有较少冗余，如首次传输失败，发送端开始重传但接收错误数据不会丢弃，重传数据在首次传送数据块基础上增加冗余信息。接收端将收到数据块合并解码，如果二次重传后无法纠错再增加新的冗余重传，直到将完成正确纠错。II型HARQ增加冗余信息提高了系统编码增益，首次传输编码信息与重传信息合并后新编码含有冗余信息，纠错能力强，提升了传输可靠性。其缺点是只有首次传输包含信息比特重发数据块，只有冗余信息不具备独立译码能力。如首次传输原始信息比特误码严重，多次重将传难以纠错。III型HARQ不同于II型HARQ，重传数据块中包含系统信息位重传数据可以自解码，可以先用新的重传数据独立解码，重传数据有误码，将之前收到数据合并提高纠错能力。III型HARQ重传数据库可以恢复原始数据信息，在每次传输时仅需进行1次译码。III型HARQ接收端可能需要进行数据块间的组合解码。

2 基于LDPC的卫星通信网络HARQ方案

低密度奇偶校验码LDPC是前向纠错码，其校验矩阵为稀疏矩阵。准循环LDPC是LDPC中的重要类型。QC-LDPC特殊结构可以降低编码的复杂度，具有优良性能，本文研究在卫星通信网络的HARQ-LDPC方案中采用QC-LDPC[6]。卫星通信网络中LDPC必须灵活支持不同码率以满足通信场景需求，LDCP必须支持IRHARQ以保证传输可靠性。LDPC采用Raptor-Like结构增加校验比特，支持不同码率，但QC-LDPC离散移位因子等支持的信息块大小存在限制，可考虑在卫星通信网络的HARQ-LDPC方案中通过循环缓存实现与速率匹配。将编码比特存储在循环缓冲区，每次重传数据块时为缓冲区读取对应比特，读取比特位置必须为移位因子Z的整数倍以实现速率匹配。各冗余版本分布不均匀，RV2靠近循环缓存末尾使得RVo和RV2可以独立译码。图1是卫星网络中的HARQ-LDPC传输规则。

图1 卫星网络中的HARQ-LDPC传输规则

本文研究在卫星通信网络框架中对比HARQ-CC、no HARQ系列仿真性能，卫星通信网络特征是通信距离远，接收端发送确认帧ACK时延大，频繁收发ACK导致系统传输效率低[7]。卫星网络中的HARQ-LDPC传输规则要求减小ACK次数，星地传输HARQ数据单位长于地面无线网络，仿真考虑HARQ媒体协议数据单元。仿真条件为目标码率1/2，采样频率为20 MHz，加性高斯白噪声信道；数据单元长度10 000～5 000，最大重传次数为20次；对数似然比信息合并。评价性能指标吞吐量计算方法为C=K/T=K×fs/S，T为传输成功所需总时间，S为传输成功时发送总符号数；K为MPDU的比特数，fs为采样频率，S=I×KR/M，R为编码率，I为传输成功所需次数，M为调制阶数。平均吞吐量CM=(P/P1)MPfs，PI为总MPDU数，P为传输MPDU数。误比特率n=1-Kr/K，Kr为MPDU成功传输比特数。表2是MPDU长度为5 000时的编码参数。

表1 MPDU长度为10 000 bit时的编码参数

根据HARQ-CC吞吐量仿真结果可知，信噪比偏低时HARQ-CC使用低阶制的吞吐量更高。信噪比决定了可以选择最优的调制方式。图2为卫星通信网络LDPC信息处理流程，随着重传次数增加HARQ-CC误比特率下降，对比正交相移键控仿真结果，HARQIR重传后误码率低于10-6，信噪比低时HARQ-IR所需重传次数小于HARQ-CC[8]。高阶调制对信道要求过高，分析HARQ-IR在不同条件下误码率性能可知，随着重传次数增加HARQ-IR误码率减小，HARQ-IR误比特率收敛速度更快。HARQ-IR吞吐量在信噪比为-10～0 dB范围内高于HARQ-CC。根据HARQ-IR在不同调制方式传输次数下吞吐量仿真结果可以确定HARQ-IR合并最优调制方式，无HARQ机制在不同信噪比下最优调制方式与HARQ-CC最优调制方式相同。对于高阶调制，目标次数对吞吐量无影响，由于高级调制误码率较高，随着平均传输次数增加传输效率降低，目标传输次数对吞吐量无影响。

图2 卫星通信网络LDPC信息处理流程

3 基于BBC的卫星通信网络HARQ方案

BCC异或校验在纵向奇偶校验中校验位为8位数据，具体算法以字节为单位，对发送信息数据按顺序进行异或，所得结果为异或校验码，数据比特经BCC编码器编码后信息比特与冗余比特无明显区分。基于BCC的HARQ重传考虑了基于比特级的合并方案，每次传输时接收端解调出传输比特LLR相加得到新的LLR值，比特级合并可用于HARQ-IR合并方案，由于CC或IR合并只需将每次重传数据计算比特的LLR简单相加。由于每次传输冗余信息不同，某次重传无比特信息，将无比特信息对应LLR设为0即可。选择对CC合并方式仿真，对比不同重传合并方式的效果，相同调制方式下BCC-CC合并吞吐量低于BCC-IR。这表明重传时补充打孔比特可有效帮助信息传输，现有通信系统中BCC编码得到应用，但BBC的HARQ重传机制未得到应用。

重传单元是HARQ传输机制中的重要部分，研究分析传输单元中的PHY和MAC单元，物理层单元过程包括检查HARQ单元是否在物理层内成功传输，检查HARQ错误，定义新的HARQ反馈框架结构。物理层单元开销问题包括信令与反馈开销，物理层报头上需要信令开销，收发端间某些过程协商可以减少信令开销，如新的数据不允许包含在重传协议数据单元中，HARQ单元在跟随PPDU时不能切换顺序。反馈开销需要定义新的HARQ反馈框架结构与指示需要重传单元方法，在PPDU中有很多单元，HARQ反馈应包含很多信息，可以用多个码字定义HARQ单元，减少反馈信息。MAC单元处理过程为根据MPDU中使用循环冗余校验确定HARQ ACK/NACK。现有块确认可以用作HARQ反馈，使用额外的AMC填充重传过程简单但造成额外开销。无额外MAC填充MPDU和码字间影射信息导致额外开销。图3是BCC-CC合并方式和BCC-IR合并方式吞吐量仿真结果。MAC层单元信令开销问题是PHY头需要包含MPDU与LDPC码间的映射信息，有额外的MAC填充只需码字字数信息将某个MPDU映射到码字，无额外MAC填充则需额外的指示，由于1个码字可以与多个MPDU相关。现有的Block ACK框架可利用作为HARQ反馈。

图3 基于物理层的反馈方案

4 结束语

传统地面网络覆盖范围较小、难以满足全球通信服务的需求。随着航天技术的进步，使用低轨通信卫星系统可较好地解决这一问题，因此低轨卫星系统受到民众关注程度日益增加。卫星通信实现地面终端间的通信，是地面通信的有效补充延伸，具有可全球覆盖，空间容错性好等优点。低轨卫星通信系统具有覆盖范围广及抗毁性强等优点。将MEC技术融入低轨卫星网络可以降低卫星服务响应时间。如何高效管理系统的通信资源是亟待解决的关键问题。低轨卫星中用户被多个卫星覆盖，用户关联卫星切换会影响系统的性能，系统中存在多个计算节点。卫星信道传输时延大，影响卫星通信传输指令。HARQ可以保证传输的可靠性更高，但HARQ技术在卫星环境中也存在一些问题，必须考虑采用适合卫星网络的HARQ技术来保证业务传输质量。■