城際鐵路通信系統跨層自適應傳輸方案研究

張 婷

鐵路數字移動通信系統 （GSM－R）作為珠三角城際軌道交通工程的核心技術之一，在沿線提供無線網絡覆蓋；為調度命令傳送、無線車次號校核提供無線數據傳輸通；提供無線語音和短消息服務。為保障列車的安全運行，GSM－R比公眾移動通信系統要求具有更高的可靠性和QoS。

現有的GSM－R系統中，若不同等級的業務釆用相同的傳輸方案，則不能滿足高等級業務的可靠性需求，反而還會造成低等級業務資源浪費，降低效率。而且城際鐵路通信系統信道變化劇烈，信號深衰落，掉話率、阻塞率激增，頻率干擾嚴重，以及負荷較大的地區資源不足導致的接入時延大等問題，嚴重影響鐵路運輸的可靠性、安全性和有效性，一旦系統出現錯誤，將直接影響列車控制和列車調度的正常進行，嚴重的將釀成重大的安全事故。因此，根據業務類型的不同需求，優化城際鐵路通信系統傳輸方案是十分必要的。

1 跨層設計

跨層設計是無線通信系統的一項先進技術，通過整合協議棧，可有效利用和管理無線資源。也就是說，為了滿足各業務類型的不同需求，通過傳遞各協議層的特定信息來調整各層之間的操作參數，以適應無線環境。跨層設計要求在各層之間進行信息共享，根據各層協議的不同要求和狀態來調節相關協議層的參數，對系統的整體性能進行優化。跨層設計充分利用調制編碼技術、傳輸功率控制、信道狀態等資源，實現系統總傳輸功率的最小化、吞吐量最大化以及總誤包率最小化。

按照消息傳遞方向，可將跨層設計分為2類。

1.由上層到下層機制。底層根據高層信息來調整其資源分配和傳輸策略，滿足高層QoS需求。

2.由下層到上層機制。下層發送狀態指示信息到上層，上層通過對下層提供的反饋信息，做出相應的決策，優化系統性能。

基于城際鐵路承載的業務，跨層設計采用由下至上的機制，聯合物理層的自適應調制編碼（AMC）技術和鏈路層的自適應重傳 （HARQ）技術對傳輸方案進行優化，并通過仿真分析這種優化方案的系統性能。

2 AMC－HARQ跨層自適應傳輸設計

城際鐵路通信系統承載的主要業務，有電路域數據話音業務和分組域數據業務。具體如表1所示。

表1 珠三角城際GSM－R系統承載的鐵路業務現狀

電路域數據話音業務對實時性要求較高，又要十分準確地傳遞信息，具有最高或者較高的優先級；分組域數據業務對實時性要求較低 （與電路域業務相比），突發性強，有一定的數據量。本文將跨層設計應用于城際鐵路無線通信系統中，根據業務類型的不同，在物理層和鏈路層進行AMCHARQ跨層優化設計。AMC－HARQ跨層自適應傳輸的系統模型如圖1所示。

圖1 AMC－HARQ跨層自適應傳輸的系統模型

物理層釆用自適應調制編碼技術，根據業務類型分類，制定M種調制方式和編碼方式。首先，接收端通過信道測量技術，估計出信道質量信息，并通過反饋信道，將信道質量信息反饋給發送端；然后，發送端根據接收到的信道質量，選擇下次傳輸要使用的調制編碼階數。

MAC層采用同步并行停等協議即HARQ協議。首先對各數據幀分別進行CRC編碼，級聯構成數據幀進入物理層。物理層使用FEC編碼對整個數據幀進行編碼，然后存入緩存用以進行重傳。接收端經過譯碼、CRC校驗后，回送確認幀。確認幀包含了幀確認號和重傳比特向量。幀確認號表示鏈路層上一個按序接收的幀的序號，重傳比特向量比接收窗口長度 （W）小1的比特向量，即長度為 W－1。比特向量表示當前接收窗口的所有幀接收情況，如 “1”表示需要重傳，“0”表示接收成功。由于重傳比特向量是接收窗口的歷史移位記錄，即使當前的確認幀因信道變化而丟失，確認幀也不應重發，因為后續的確認幀包含歷史的接收記錄。確認幀格式如圖2所示。

收發雙方的鏈路層都緩存W個數據幀。發方維護發送緩存和重傳列表，發送緩存中保存著當前發送窗口中未確認的幀，重傳列表中保存了待重傳的幀序號。收方的接收緩存保存當前接收窗口中亂序的數據幀，當接收到的幀有序后，鏈路層向上提交最近一段有序幀。

圖2 確認幀

發端的等待定時器時延Tw計算：

Tw＝Tround＋Tf

Tround＝Tp＋2Trtt

其中，Tround是發端的處理時延 （Tp）加上2倍的鏈路往返時延 （Trtt）；Tf是每一幀的鏈路傳輸時延。

3 AMC－HARQ跨層自適應傳輸性能分析

本文使用Matlab仿真工具對基于AMCHARQ跨層自適應傳輸系統進行仿真分析，模擬信道使用瑞利衰落信道模型，每個數據包中含信息位500bit，通過1/3碼率的卷積碼，仿真包數目每次1000個，結果取6次平均值，同時假設CRC能正確校驗。

在物理層，提供不調制、BPSK、QPSK、8PSK等4種傳輸模式，系統可以根據AMC中每種傳輸模式的瞬時誤包率 （PER）和接收到的SNR在各種物理層傳輸模式之間的關系，自適應地選擇合適的調制編碼方式。

在鏈路層，要綜合考慮時延、誤包率和吞吐量，真正滿足城際鐵路不同業務的QoS要求。設置最大重傳次數為N＝0、1、2，測試在不同干擾條件下，不同的業務類型的成功率，見圖3，圖4，圖5。

可見，通過AMC－HARQ跨層自適應傳輸方案，當鏈路層重傳1次，可以在5%干擾情況下實現95%的接收成功率；鏈路層重傳2次，可以在5%干擾情況下實現99%的接收成功率，在10%干擾情況下實現94%以上的接收成功率。

綜上所述，根據業務類型不同分類，對實時性要求較高且數據量小的電路域數據、話音業務，系統可采用不重傳或重傳1次模式；對實時性要求較低分組域數據業務，突發性強，且有一定的數據量，系統可采用重傳2次模式保證接收成功率。

圖3 未采用鏈路層重傳報文成功率與MTU長度的關系

圖4 采用1次鏈路層重傳報文成功率與MTU長度的關系

圖5 采用2次鏈路層重傳報文成功率與MTU長度的關系

4 結束語

本文針對城際鐵路專用業務對可靠性和安全性要求較高的特點，提出鏈路傳輸關聯業務數據類型的跨層自適應傳輸方案，分析綜合AMC和HARQ技術時的系統平均誤包率和接收成功率等指標。仿真結果表明，改進的跨層設計方案可顯著提高系統的可靠性和安全性，滿足城際鐵路通信系統的各種類型業務要求。

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