Link16數據鏈系統(tǒng)中消息可靠傳輸研究

魏龍飛

摘 要：為了提高Link16數據鏈系統(tǒng)消息傳輸可靠性，將前向糾錯碼和自動重傳技術相結合，提出了基于混合自動重傳技術的可靠傳輸方案，該方案在Link16系統(tǒng)中引入自動重傳技術，并將譯碼錯誤的數據幀保存，與新發(fā)送的數據幀進行等增益合并，利用數據幀的時間分集增益提高消息傳輸可靠性。經過仿真驗證，該方案提高了消息傳輸的可靠性，同時減少了自動重傳的次數。

關鍵詞：數據鏈;HARQ;可靠傳輸;Chase;Link16;自動重傳

中圖分類號：TP39;TN913文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）07-00-03

0 引 言

隨著信息技術的飛速發(fā)展，未來戰(zhàn)爭將以聯合作戰(zhàn)為中心，誰能以最快的方式獲得戰(zhàn)場中的各種信息資源，就能獲得戰(zhàn)爭的主導權。數據鏈將傳感器、指揮控制系統(tǒng)和各作戰(zhàn)平臺連接起來形成一個有機整體，以實現各作戰(zhàn)單元之間的信息無縫交換，為各層次的指揮員快速、準確地決策提供信息保障[1-2]。

戰(zhàn)場電磁環(huán)境異常復雜，信號接收受反射、繞射、散射以及各種干擾和噪聲的影響，導致信道特性極為復雜。

自動重傳技術在接收端對數據進行校驗，若檢驗有錯，則發(fā)送錯誤信號至發(fā)送端請求對前一幀數據進行重發(fā)，直到達到最大重傳次數[3]。

前向糾錯編碼技術在發(fā)送端對信息進行編碼，在發(fā)送內容中增加冗余信息，如果在傳輸過程中發(fā)生錯誤可以糾正，發(fā)送端無需重新發(fā)送數據，但糾錯碼設計將降低傳輸效率[4-5]。

在Link16數據鏈系統(tǒng)中，前向糾錯編碼采用RS碼（Reed-Solomon codes，RS）[6]，將RS碼與自動重傳技術相結合，提出了基于混合自動重傳技術（Hybrid Automatic Repeat-request，HARQ）的可靠傳輸方案，在接收端將多次傳輸的消息進行合并，通過時間分集增益提高消息傳輸的可靠性。

1 Link16數據鏈系統(tǒng)消息可靠傳輸

1.1 可靠傳輸模型

無線通信中，傳統(tǒng)的ARQ（Automatic Repeat-request，ARQ）接收端接收到數據后，若數據幀校驗錯誤，則丟棄該數據包，同時將NACK（Negative Acknowledgement，NACK）信息反饋至發(fā)送端，發(fā)送端收到重選請求后重傳數據幀，實現雖簡單，但傳輸時延大、傳輸效率較低。HARQ技術將前向糾錯技術與ARQ技術相結合，接收端將上一次錯誤的數據幀和本次傳輸的數據幀合并進行譯碼，通過重傳帶來的合并增益提高了數據幀譯碼的正確率，從而提高了傳輸可靠性[7-8]。

在Link16數據鏈系統(tǒng)中，可靠傳輸系統(tǒng)模型如圖1所示。發(fā)送端的數據幀經RS編碼后送入信道傳輸，同時該數據幀在發(fā)送端進行緩存;接收端將接收到的數據幀送入RS譯碼，并在接收端緩存，若數據幀譯碼錯誤，則將NACK指令反饋至發(fā)送端。發(fā)送端重發(fā)該數據幀，接收端將重發(fā)的數據與緩存的錯誤數據幀進行合并處理，然后送至RS譯碼，直至達到最大重傳次數或數據幀譯碼正確。

對接收端來說，多個數據幀是不同時間經過信道到達的，可認為是相互獨立的數據，可以通過合并多個數據幀獲得合并增益。

1.2 Chase合并原理

在Chase合并方案中，發(fā)送端每次發(fā)送的數據幀相同，接收端按照每次接收數據幀的信噪比加權對數據進行合并，然后對合并后的數據進行解碼[9-10]。Chase合并通過不同數據幀的時間分集，可獲得合并增益。最大傳輸次數為N的Chase合并過程如圖2所示。

Chase合并是將收到的多個碼率為Rs的數據幀合并，數據幀的碼率不變。若最大傳輸次數為NMax，則接收端合并后的數據：

式中：ri為第i次收到的數據幀;αi為合并的加權系數。數據幀的信噪比越高，RS譯碼的正確概率就越大，當αi為歸一化信噪比時，該Chase進行最大比合并，合并后的數據信噪比最大。但最大比合并需要計算信噪比，計算復雜度高，接收機設計較為復雜。在工程上，為了便于實現，采用等增益合并，接收端合并后的數據：

1.3 可靠傳輸方案

基于以上分析，在Link16數據鏈系統(tǒng)中，本文提出了消息可靠傳輸方法，算法的實現流程如下。

（1）對數據塊進行CRC編碼，以便在接收端判斷數據譯碼校驗是否正確。

（2）對CRC編碼后的數據塊進行RS編碼形成數據幀，在緩存處理的同時發(fā)送至接收端。

（3）接收端對接收到的數據緩存處理后，先進行RS譯碼和CRC校驗，若CRC校驗失敗，則進入數據幀等增益合并過程。

（4）對合并后的數據幀進行CRC校驗，若校驗失敗，反饋NACK至發(fā)送端，發(fā)送端啟動重傳機制。

（5）接收端對重傳的數據幀進行等增益合并后，進行RS譯碼和CRC校驗，直至數據幀譯碼正確或達到最大重傳次數。

2 性能分析

在傳統(tǒng)ARQ系統(tǒng)中，設最大傳輸次數為NMax，數據幀被正確譯碼的概率為Pe，則第i次數據幀被正確譯碼的概率：

3 仿 真

在無自動重傳ARQ、自動重傳ARQ、基于Chase合并的混合重傳HARQ三種模式中系統(tǒng)進行仿真。仿真調制方式采用BPSK，信道采用高斯信道，RS編碼使用RS（31， 15），一幀數據長度為155 bit，最大重傳次數設置為3。仿真結果如圖4所示。

由圖可知，當信噪比小于7 dB時，自動重傳ARQ、基于Chase合并的混合重傳HARQ平均傳輸次數約等于3，傳輸可靠性接近;當信噪比在7～12 dB之間時，基于Chase合并的混合重傳HARQ平均傳輸次數小于自動重傳ARQ，在HARQ方案中，由于充分利用了時間分集增益，將每一幀數據中的冗余信息合并，因此提高了糾錯性能;當信噪比大于12 dB時，信道環(huán)境較好，自動重傳ARQ、基于Chase合并的混合重傳HARQ平均傳輸次數約等于1，即發(fā)送端發(fā)送一次數據幀，接收端就可以正確接收。

基于Chase合并的混合重傳HARQ可以提高Link16數據鏈系統(tǒng)消息傳輸可靠性，但同時會提高接收機的復雜度，在實際運用過程中，需要權衡處理開銷和系統(tǒng)性能。

4 結 語

本文將HARQ技術引入Link16數據鏈系統(tǒng)，給出了基于HARQ技術的消息可靠傳輸方案。該方案在接收端對多個數據幀進行Chase合并，利用時間分集增益提高消息傳輸可靠性。仿真結果表明，該消息可靠傳輸方案降低了重傳次數，使得Link16系統(tǒng)可以快速、準確地傳輸指令報文，提升作戰(zhàn)

性能。

參 考 文 獻

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