GEO衛(wèi)星移動通信RLC層重傳機制研究

王 洋，劉立祥

（1.中國科學院軟件研究所 天基綜合信息系統(tǒng)重點實驗室，北京100190；2.中國科學院研究生院，北京100190）

0 引 言

為保證GEO衛(wèi)星移動通信RLC層連接的可靠性和吞吐量，本文對于GEO衛(wèi)星移動通信協(xié)議RLC層重傳機制展開研究［1－3］。

重傳機制的基本概念是通過接收端Rx發(fā)送的確認消息來通知發(fā)送端Tx發(fā)送的分組是否被正確接收（ACK）或者沒有正確接收（NACK）。近年來研究較多的混合自動重傳請求（HARQ）協(xié)議將ARQ重傳機制與信道編碼相結(jié)合，以使在多變的無線信道上提供可靠的傳輸成為可能。現(xiàn)在已經(jīng)有很多基于確認消息在無錯傳輸假設(shè)下的HARQ性 能分 析 研 究 ：比 如 針 對 MAC 層 的［4－5］，針 對 網(wǎng) 絡(luò) 層［6－7］的，以及應(yīng)用層級別的［8］。但是對于以大延遲、高誤碼為特點的GEO衛(wèi)星移動通信信道上傳輸?shù)拇_認消息，出現(xiàn)錯誤與超時的幾率很大。目前只有少部分的文獻研究了在非無錯環(huán)境下傳輸確認消息（ACK／NACK）的情況。其中一些工作研究了在無限次重傳下的HARQ I型混合重傳協(xié)議的效率［9］；文獻［10］則研究了對于HARQ I型在有限次重傳的下性能問題。文獻［11］研究了使用Chase合并的HARQ II型重傳協(xié)議。所有上面提到的參考文獻是基于等停協(xié)議（SW－ARQ）的重傳機制。另外一些文獻是基于Markov鏈使用選擇性重傳協(xié)議（SR－ARQ）［12－13］或基于后退N步協(xié)議（GBN－ARQ）［14］進行的研究。上述這些研究工作對現(xiàn)有的多種ARQ技術(shù)進行了較為全面的分析，但其是以地面移動通信網(wǎng)絡(luò)或者有線網(wǎng)絡(luò)為研究背景，沒有考慮到GEO衛(wèi)星移動通信信道上大延遲特點。因此本文提出一種適用于GEO衛(wèi)星移動通信信道的HARQ重傳機制（G－HARQ），此機制通過減少重傳機制中控制消息的個數(shù)從而降低衛(wèi)星鏈路上RLC層端到端的總延遲，提高RLC層吞吐量。

1 GEO衛(wèi)星移動通信無線鏈路控制（RLC）層重傳機制研究與設(shè)計

1.1 RLC層連接建立過程

在GMPRS中，無線鏈路控制層（RLC）同時出現(xiàn)在傳輸面和控制面。其主要負責為LLC層和MAC層提供接口，使得LLC－PDU可以在 MAC層和LLC層之間傳遞；提供將LLC－PDU分割成RLC數(shù)據(jù)包以及反方向上的重組過程；以及提供可靠連接，即當收到的RLC數(shù)據(jù)包有錯誤時，使用ARQ機制進行重傳。下面分上／下行業(yè)務(wù)分別說明RLC層連接建立和重傳的過程：

對于上行業(yè)務(wù)，MES在PRACH發(fā)送一個接入請求分組（packet channel request），然后網(wǎng)絡(luò)端在PAGCH上回應(yīng)一個分組資源分配方案（packet uplink assignment），其中包含分配給MES的無線資源的相關(guān)參數(shù)。在MES接收到這個分配方案后，MES發(fā)送一系列的數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)端使用ACK／NACK周期性的發(fā)送確認消息。這些消息指出那些需要重傳的錯誤數(shù)據(jù)包。最終，MES重傳這些出現(xiàn)錯誤的數(shù)據(jù)包。直到網(wǎng)絡(luò)端回復(fù)一個ACK消息表示成功接收到了最后一個數(shù)據(jù)包為止。

對于下行業(yè)務(wù)，當MES處于移動管理中的 “STANDBY”狀態(tài)時，網(wǎng)絡(luò)端負責移動管理的模塊通過在PPCH信道上發(fā)送尋呼請求（packet paging request）發(fā)起群呼過程。MES則回應(yīng)一個類型為 “尋呼回應(yīng)”的接入請求，同時MES由 “STANDBY”狀態(tài)進入 “READY”狀態(tài)。當 MES進入 “READY”狀態(tài)后，網(wǎng)絡(luò)端就會在PAGCH上發(fā)送分組資源分配方案，來指導(dǎo)MES如何使用PDCH信道來傳送數(shù)據(jù)。之后，網(wǎng)絡(luò)端開始發(fā)送一系列數(shù)據(jù)包給MES，同時MES發(fā)送ACK／NACK來告知網(wǎng)絡(luò)端是否有錯誤。當MES正確接收了所有數(shù)據(jù)包后，回復(fù)ACK以便終止連接。

1.2 基于SR－ARQ的GEO衛(wèi)星移動通信協(xié)議RLC層選擇重傳機制

地面移動通信協(xié)議RLC層使用SR－ARQ作為重傳機制，由于GMPRS標準沒有規(guī)定使用何種重傳機制，故將其根據(jù)GMPRS標準框架要求進行修改進行實驗。但在2.2節(jié)的仿真結(jié)果中表明SR－ARQ重傳機制產(chǎn)生的ACK／NACK消息將引入較大RLC層延遲，造成RLC層吞吐量的低下。盡管如此，SR－ARQ仍會作為G－HARQ在信道質(zhì)量極惡劣情況下的一種工作方式。

每一個RLC發(fā)送實體，簡稱Tx，在窗口W的限制內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包。RLC接收實體，簡稱Rx，周期性的回復(fù)ACK／NACK。參數(shù)V（S）和V（A）限定了Tx的發(fā)送窗口，V（S）是下一個要發(fā)送的數(shù)據(jù)包的BSN，V（A）是最早被確認發(fā)送成功了的數(shù)據(jù)包的BSN。當Tx檢測窗口駐留條件滿足：［V（S）＝V（A）＋W］%（2×W）時，通知Rx并重傳最早沒有被確認過的數(shù)據(jù)包，以此類推。參數(shù)V（R）和V（Q）限定了Rx的接收窗口，V（R）的值為下一個期待收到的數(shù)據(jù)包的BSN，V（Q）的值是最早收到的數(shù)據(jù)包的BSN。V（R）在收到新數(shù)據(jù)包時更新，而V（Q）在發(fā)送ACK／NACK時更新。如果Rx收到了一個處于接收窗口之外的數(shù)據(jù)包，即：［BSN＜V（R）－W］%（2×W）時，這個數(shù)據(jù)包就被視為無效的。

每一個ACK／NACK消息對應(yīng)一個控制數(shù)據(jù)包，包含當時的V（R）和一個bitmap，bitmap用于標記最多前 W個收到的數(shù)據(jù)包的確認狀態(tài)。當收到了ACK／NACK后，Tx重傳出錯的數(shù)據(jù)包并調(diào)整其發(fā)送窗口。圖1展示了RLC層確認模式下SR－ARQ重傳機制的過程，其中B表示當前需要傳送的數(shù)據(jù)包個數(shù)，W為窗口大小，k為出錯數(shù)據(jù)包個數(shù)。

圖1 RLC層確認模式下SR－ARQ重傳機制

1.3 適用于GEO衛(wèi)星移動通信的G－HARQ重傳機制

在基于SR－ARQ的重傳機制中，當數(shù)據(jù)包發(fā)生錯誤需要重傳時，平均每個TBF會有大量時間消耗在Tx與Rx之間傳遞的控制信息上。為了提高系統(tǒng)吞吐量并降低延遲，本文提出一種新的混合G－HARQ機制的重傳機制可以盡可能的在GEO衛(wèi)星鏈路上減少TBF中控制消息的個數(shù)。首先定義一下G－HARQ中使用的概念：

（1）G－HARQ中對RLC層發(fā)送的數(shù)據(jù)使用Reed－Solo－mon前向糾錯編碼（FEC），如果數(shù)據(jù)包錯誤可以通過FEC糾正就不用發(fā)送控制信息了。

（2）數(shù)據(jù)包分為信息數(shù)據(jù)包（I數(shù)據(jù)包）和冗余數(shù)據(jù)包（R數(shù)據(jù)包）。

（3）定義一組反饋消息（OK，NOK，SNACK）指出Rx端所收到的一組數(shù)據(jù)包的接收狀態(tài)：

1）OK消息表示接收端Rx已經(jīng)正確接收到了上一組的數(shù)據(jù)包；

2）NOK表示通過發(fā)送R數(shù)據(jù)包可以恢復(fù)的出錯數(shù)據(jù)包，NOK消息可以指出請求所需要的R數(shù)據(jù)包個數(shù)；

3）SNACK消息表示出錯的數(shù)據(jù)包不能夠通過前向糾錯過程恢復(fù)，需要使用ACK／NACK的重傳過程。

G－HARQ機制具體描述如下：

（1）RLC發(fā)送實體Tx，發(fā)送K個（比如K＝16）I數(shù)據(jù)包。

（2）RLC接收端在每次檢測到一組（K個）I數(shù)據(jù)包傳輸結(jié)束時都會發(fā)送反饋消息：

1）如果Tx收到OK消息，它將從其緩沖器中丟棄最近的一組I數(shù)據(jù)包，認為它們已經(jīng)被正確接收了。

2）如果Tx收到了NOK消息，它將會最多發(fā)送L個R數(shù)據(jù)包。當Tx收到OK消息或者ACK／NACK消息時停止發(fā)送R數(shù)據(jù)包。

3）如果Tx收到了SNACK消息，它將保留緩沖器中的I數(shù)據(jù)包并切換到SR－ARQ機制。當Rx發(fā)送反饋消息（SNACK）后，它會立即再發(fā)送一個NACK給Tx，表示通過bitmap指出確切哪些I數(shù)據(jù)包出錯。

（3）K和L的取值在開始時不是固定的，其值可以根據(jù)RLC連接狀況進行調(diào)整。

圖2展示了K＝16，L＝2時的傳輸情景。NOK消息有兩個取值，NOK1表示Rx需要1個R數(shù)據(jù)包，NOK2表示Rx需要2個R數(shù)據(jù)包，R1、R2表示發(fā)送的第一個R數(shù)據(jù)包和第二個R數(shù)據(jù)包，具體過程如下：

第1組數(shù)據(jù)，BSN∈ ｛1，16｝被Rx正確接收，Tx收到了OK反饋消息。繼續(xù)發(fā)送第2組數(shù)據(jù)；

第2組數(shù)據(jù)包中有一個發(fā)生了錯誤，所以Tx收到了NOK1并發(fā)送1個R數(shù)據(jù)包，以便恢復(fù)出錯的數(shù)據(jù)包。繼續(xù)發(fā)送第3組數(shù)據(jù)；

第3組有兩個錯誤，因此Rx發(fā)送NOK2讓Tx發(fā)送2個R數(shù)據(jù)包，以便恢復(fù)出錯的數(shù)據(jù)包。繼續(xù)發(fā)送第4組數(shù)據(jù)。

第4組的錯誤不能被2個R數(shù)據(jù)包恢復(fù)，所以此時會切換到SR－ARQ機制進行選擇重傳。在發(fā)送SNACK后，Rx繼續(xù)發(fā)送NACK，其中包含的bitmap會指出發(fā)生錯誤的數(shù)據(jù)包編號。

上述的G－HARQ重傳機制，通過限制控制消息（ACK／NACK）的個數(shù)，優(yōu)化反饋資源并減小傳輸時延，優(yōu)化了系統(tǒng)的吞吐量。

圖2 G－HARQ重傳機制

2 仿真實驗與結(jié)果分析

2.1 仿真平臺架構(gòu)

基于QualNet的仿真平臺由MES、GEO衛(wèi)星、GSS這三類節(jié)點組成。MES端實現(xiàn)了SNDCP、LLC、SM、GMM、RLC、MAC層協(xié)議；GSS地面站主要實現(xiàn)了RLC／MAC協(xié)議，提供類似基站的作用；GEO衛(wèi)星實現(xiàn)透明轉(zhuǎn)發(fā)。MES通過衛(wèi)星鏈路連接到GSS站點，RLC在GEO衛(wèi)星鏈路上提供確認模式的TBF和重傳功能。應(yīng)用層可以根據(jù)需要加載不同種類業(yè)務(wù)負載模型。圖3顯示了仿真平臺結(jié)構(gòu)和協(xié)議棧架構(gòu)。

仿真實驗中在RLC上采用SR－ARQ和G－HARQ兩種不同的重傳機制，針對靜態(tài)信道質(zhì)量模型和Gilbert信道模型分別應(yīng)用WWW業(yè)務(wù)負載進行實驗。首先在相同的信道質(zhì)量下，即TBF傳輸時的C／I為常數(shù)（靜態(tài)信道質(zhì)量模型），使用WWW業(yè)務(wù)作為負載，這是一個非實時分組業(yè)務(wù)。一個分組業(yè)務(wù)服務(wù)包含一個或者多個業(yè)務(wù)請求，一個業(yè)務(wù)請求對應(yīng)下載一個WWW文檔。在成功下載文檔后，用戶花費一定的時間閱讀。完成每一個業(yè)務(wù)請求需要一系列的下行分組，一個業(yè)務(wù)所需要的下行分組個數(shù)符合幾何分布。實驗結(jié)果見2.2節(jié)。對于時變的信道質(zhì)量模型—Gilbert信道模型使用一個兩狀態(tài)的Markov過程表示，見圖4。一個狀態(tài)表示信道質(zhì)量 “好”（鏈路誤碼率低），另一個狀態(tài)表示信道質(zhì)量 “差”（信道誤碼率高）。P1是從 “差”狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 “好”狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率，P2是從 “好”狀態(tài)到“差”狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率。P1取值越大、P2取值越小，表示信道的整體狀態(tài)越好。同樣在此信道模型上應(yīng)用WWW業(yè)務(wù)模型，實驗結(jié)果同見2.2節(jié)。

圖3 仿真平臺結(jié)構(gòu)和協(xié)議棧架構(gòu)

圖4 兩個轉(zhuǎn)移狀態(tài)的傳輸信道模型

G－HARQ重傳機制的主要目的是為了減少確認消息。因此性能仿真的主要參量為接收端在正確接收TBF所傳送的數(shù)據(jù)包時發(fā)送的ACK／NACK數(shù)量和RLC層吞吐量。在G－HARQ機制仿真中使用的參數(shù)為 K＝16，L＝2，且NOK消息可以指出需要R數(shù)據(jù)包的個數(shù)。另外，定義一個數(shù)據(jù)包只要有1個bit發(fā)生了錯誤就會被認為是傳輸失敗。

2.2 仿真結(jié)果及分析

這里給出一組仿真結(jié)果，并對其進行分析。圖5繪制了在靜態(tài)信道質(zhì)量模型下，RLC接收端正確接收完整TBF后平均發(fā)送的ACK／NACK個數(shù)。通過仿真結(jié)果，我們看出平均ACK／NACK數(shù)量在G－HARQ機制下少于SR－ARQ重傳機制，而且在當C／I下高于20時，G－HARQ機制下的ACK／NACK個數(shù)趨于常數(shù)。

圖6繪制的是在Gilbert信道模型下使用WWW業(yè)務(wù)負載模型，當P1取0.1，0.5時，RLC層成功完成TBF傳輸所需要的ACK／NACK個數(shù)隨1／P2的變化情況。從圖中可以觀察出在相同轉(zhuǎn)換概率P1的情況下，G－HARQ中產(chǎn)生的ACK／NACK個數(shù)少于原有重傳機制。而在不同轉(zhuǎn)換概率下，G－HARQ的性能也更優(yōu)。

圖5 兩種重傳機制下的ACK／NACK個數(shù)與信道質(zhì)量的關(guān)系

圖6 P1＝0.1、0.5時，兩種重傳機制下的ACK／NACK個數(shù)與P2的關(guān)系

圖7繪制了在Gilbert信道模型中應(yīng)用WWW業(yè)務(wù)負載模型的情況下，兩種重傳機制在P1取0.1，0.5時的吞吐量。曲線顯示G－HARQ吞吐量性能總是優(yōu)于現(xiàn)有的SRARQ，原因是因為G－HARQ在地球同步軌道移動通信衛(wèi)星信道上的信道利用率更高。SR－ARQ下接收端的接收窗口中存在缺口，重傳時產(chǎn)生的控制消息需要占用多個RTT時間，導(dǎo)致上層協(xié)議的數(shù)據(jù)包（LLC－PDU）計時器超時，緩存于接收隊列寄存器中的正確接受的RLC數(shù)據(jù)包被丟棄，最終引起RLC層重傳所有LLC－PDU分割的數(shù)據(jù)包。G－HARQ可以降低這種帶寬上的浪費，因為在G－HARQ中絕大部分錯誤可以通過前向糾錯使用的R數(shù)據(jù)包恢復(fù)。

上述實驗表明混合G－HARQ重傳機制可以提升GEO衛(wèi)星移動通信RLC層吞吐量性能，說明G－HARQ機制給RLC層帶來的性能優(yōu)化足以抵消前向糾錯引入的冗余數(shù)據(jù)包的花銷。另外，盡管FEC需要終端實現(xiàn)額外的解碼部分，在GEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星只需要透明轉(zhuǎn)發(fā)，現(xiàn)今的MES的處理能力足以實現(xiàn)這一功能［15］。

圖7 P1＝0.1、0.5時，兩種重傳機制下的吞吐量與P2的關(guān)系

3 結(jié)束語

在GEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)背景下，為了克服衛(wèi)星鏈路大延遲、高誤碼的鏈路特性，本文提出了一個針對GEO衛(wèi)星移動通信信道上的HARQ重傳機制（G－HARQ）。此重傳機制有效的減少了在傳輸過程中需要控制消息數(shù)量。通過仿真，在靜態(tài)信道質(zhì)量模型和Gilbert信道模型中評估了現(xiàn)有選擇重傳機制和G－HARQ重傳機制的性能，仿真結(jié)果表示G－HARQ有效的提高了吞吐量、減少了重傳時需要的控制消息的數(shù)量。RLC層通過選擇重傳可以恢復(fù)傳輸中出錯的數(shù)據(jù)包，而恢復(fù)意味著帶來對上層TCP協(xié)議的延遲。后續(xù)的工作應(yīng)集中在GEO衛(wèi)星移動通信背景下，研究基于TCP應(yīng)用的性能表現(xiàn)，進一步分析TCP與RLC層ARQ協(xié)議如何協(xié)作以便在GEO衛(wèi)星移動背景下獲得更好的表現(xiàn)。

［1］Wu Jianjun，Cheng Yuxin，Wang Kun，et al.A GEO satellite mobile telecommunications system architecture design based on UMTS／S－UMTS［C］／／Beijing：Wireless Communications ＆ Signal Processing，2009：1－5.

［2］Ravishankar C，Morris A，Barnett C，et al.Design and performance of a 3Gmobile satellite system［C］／／Baltimore MD：MILCOM，2011：1946－1951.

［3］ETSI TS 101 376－4－12V2.3.1，GMPRS（Release 2）；Part 4：Radio interface protocol specifications；Sub－part 12：MES－BSS interface；RLC／MAC protocol［S］.

［4］Lott C，Milenkovic O，Soljanin E.Hybrid ARQ：Theory，state of the art and future directions［C］／／Solstrand：IEEE Information Theory Workshop on Information Theory for Wireless Networks，2007：1－5.

［5］Chen Q，F(xiàn)an P.Performance analysis of Hybrid ARQ with code combining over interleaved Rayleigh fading channel［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2005，54（3）：1207－1214.

［6］Le Duc A，Le Martret C J，Ciblat P.Delay and Jitter closedform expressions for cross－layer hybrid ARQ schemes［C］／／Anchorage AK：Vehicular Technology Conference Fall，2009：1－5.

［7］Le Duc A，Le Martret C J，Ciblat P.Efficiency closed－form expressions for any IR－HARQ scheme at the IP level［C］／／Marrakech：Signal Processing Advances in Wireless Communications，2010：1－5.

［8］Andriyanova I，Soljanin E.IR－HARQ schemes with finitelength punctured LDPC codes over the BEC［C］／／Taormina：Information Theory Workshop，IEEE，2009：125－129.

［9］Wu P，Jindal N.Coding versus ARQ in fading channels：How reliable should the PHY be？［C］／／Honolulu HI：Global Telecommunications Conference，2009：1－6.

［11］Ausavapattanakun K，Nosratinia A.Analysis of selective－repeat ARQ via matrix signal－flow graphs［J］.IEEE Transactions on Communications，2007，55（1）：198－204.

［12］Badia L.On the effect of feedback errors in Markov models for SR ARQ packet delays［C］／／Honolulu HI：Global Telecommunications Conference，2009：1－6.

［13］Ausavapattanakun K，Nosratinia A.Analysis of go－back－N ARQ in block fading channels［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2007，6（8）：2793－2797.

［14］Peter McGuiggan，GPRS in Practice：A companion to the specifications［M］.Wiley，2004.

［15］Wang Xiaoqiu，Konishi S，Kitahara T，et al，Experimental evaluation of adaptive SR－SW－ARQ／FEC scheme for ultra lowlatency mobile networks［C］／／Kowloon：Wireless Communications and Networking Conference，2007：378－383.