GEO衛星移動通信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衛星移動通信RLC層連接的可靠性和吞吐量，本文對于GEO衛星移動通信協議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發送的確認消息來通知發送端Tx發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）協議將ARQ重傳機制與信道編碼相結合，以使在多變的無線信道上提供可靠的傳輸成為可能。現在已經有很多基于確認消息在無錯傳輸假設下的HARQ性 能分 析 研 究 ：比 如 針 對 MAC 層 的［4－5］，針 對 網 絡 層［6－7］的，以及應用層級別的［8］。但是對于以大延遲、高誤碼為特點的GEO衛星移動通信信道上傳輸的確認消息，出現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型重傳協議。所有上面提到的參考文獻是基于等停協議（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議（SR－ARQ）［12－13］或基于后退N步協議（GBN－ARQ）［14］進行的研究。上述這些研究工作對現有的多種ARQ技術進行了較為全面的分析，但其是以地面移動通信網絡或者有線網絡為研究背景，沒有考慮到GEO衛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從而降低衛星鏈路上RLC層端到端的總延遲，提高RLC層吞吐量。

1 GEO衛星移動通信無線鏈路控制（RLC）層重傳機制研究與設計

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數據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數據包有錯誤時，使用ARQ機制進行重傳。下面分上／下行業務分別說明RLC層連接建立和重傳的過程：

對于上行業務，MES在PRACH發送一個接入請求分組（packet channel request），然后網絡端在PAGCH上回應一個分組資源分配方案（packet uplink assignment），其中包含分配給MES的無線資源的相關參數。在MES接收到這個分配方案后，MES發送一系列的數據包，網絡端使用ACK／NACK周期性的發送確認消息。這些消息指出那些需要重傳的錯誤數據包。最終，MES重傳這些出現錯誤的數據包。直到網絡端回復一個ACK消息表示成功接收到了最后一個數據包為止。

對于下行業務，當MES處于移動管理中的 “STANDBY”狀態時，網絡端負責移動管理的模塊通過在PPCH信道上發送尋呼請求（packet paging request）發起群呼過程。MES則回應一個類型為 “尋呼回應”的接入請求，同時MES由 “STANDBY”狀態進入 “READY”狀態。當 MES進入 “READY”狀態后，網絡端就會在PAGCH上發送分組資源分配方案，來指導MES如何使用PDCH信道來傳送數據。之后，網絡端開始發送一系列數據包給MES，同時MES發送ACK／NACK來告知網絡端是否有錯誤。當MES正確接收了所有數據包后，回復ACK以便終止連接。

1.2 基于SR－ARQ的GEO衛星移動通信協議RLC層選擇重傳機制

地面移動通信協議RLC層使用SR－ARQ作為重傳機制，由于GMPRS標準沒有規定使用何種重傳機制，故將其根據GMPRS標準框架要求進行修改進行實驗。但在2.2節的仿真結果中表明SR－ARQ重傳機制產生的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在信道質量極惡劣情況下的一種工作方式。

每一個RLC發送實體，簡稱Tx，在窗口W的限制內發送數據包。RLC接收實體，簡稱Rx，周期性的回復ACK／NACK。參數V（S）和V（A）限定了Tx的發送窗口，V（S）是下一個要發送的數據包的BSN，V（A）是最早被確認發送成功了的數據包的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據包，以此類推。參數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據包的BSN，V（Q）的值是最早收到的數據包的BSN。V（R）在收到新數據包時更新，而V（Q）在發送ACK／NACK時更新。如果Rx收到了一個處于接收窗口之外的數據包，即：［BSN＜V（R）－W］%（2×W）時，這個數據包就被視為無效的。

每一個ACK／NACK消息對應一個控制數據包，包含當時的V（R）和一個bitmap，bitmap用于標記最多前 W個收到的數據包的確認狀態。當收到了ACK／NACK后，Tx重傳出錯的數據包并調整其發送窗口。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據包個數，W為窗口大小，k為出錯數據包個數。

圖1 RLC層確認模式下SR－ARQ重傳機制

1.3 適用于GEO衛星移動通信的G－HARQ重傳機制

在基于SR－ARQ的重傳機制中，當數據包發生錯誤需要重傳時，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衛星鏈路上減少TBF中控制消息的個數。首先定義一下G－HARQ中使用的概念：

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

（2）數據包分為信息數據包（I數據包）和冗余數據包（R數據包）。

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

1）OK消息表示接收端Rx已經正確接收到了上一組的數據包；

2）NOK表示通過發送R數據包可以恢復的出錯數據包，NOK消息可以指出請求所需要的R數據包個數；

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

G－HARQ機制具體描述如下：

（1）RLC發送實體Tx，發送K個（比如K＝16）I數據包。

（2）RLC接收端在每次檢測到一組（K個）I數據包傳輸結束時都會發送反饋消息：

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數據包，認為它們已經被正確接收了。

2）如果Tx收到了NOK消息，它將會最多發送L個R數據包。當Tx收到OK消息或者ACK／NACK消息時停止發送R數據包。

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

（3）K和L的取值在開始時不是固定的，其值可以根據RLC連接狀況進行調整。

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數據包，NOK2表示Rx需要2個R數據包，R1、R2表示發送的第一個R數據包和第二個R數據包，具體過程如下：

第1組數據，BSN∈ ｛1，16｝被Rx正確接收，Tx收到了OK反饋消息。繼續發送第2組數據；

第2組數據包中有一個發生了錯誤，所以Tx收到了NOK1并發送1個R數據包，以便恢復出錯的數據包。繼續發送第3組數據；

第3組有兩個錯誤，因此Rx發送NOK2讓Tx發送2個R數據包，以便恢復出錯的數據包。繼續發送第4組數據。

第4組的錯誤不能被2個R數據包恢復，所以此時會切換到SR－ARQ機制進行選擇重傳。在發送SNACK后，Rx繼續發送NACK，其中包含的bitmap會指出發生錯誤的數據包編號。

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

圖2 G－HARQ重傳機制

2 仿真實驗與結果分析

2.1 仿真平臺架構

基于QualNet的仿真平臺由MES、GEO衛星、GSS這三類節點組成。MES端實現了SNDCP、LLC、SM、GMM、RLC、MAC層協議；GSS地面站主要實現了RLC／MAC協議，提供類似基站的作用；GEO衛星實現透明轉發。MES通過衛星鏈路連接到GSS站點，RLC在GEO衛星鏈路上提供確認模式的TBF和重傳功能。應用層可以根據需要加載不同種類業務負載模型。圖3顯示了仿真平臺結構和協議棧架構。

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

圖3 仿真平臺結構和協議棧架構

圖4 兩個轉移狀態的傳輸信道模型

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所傳送的數據包時發送的ACK／NACK數量和RLC層吞吐量。在G－HARQ機制仿真中使用的參數為 K＝16，L＝2，且NOK消息可以指出需要R數據包的個數。另外，定義一個數據包只要有1個bit發生了錯誤就會被認為是傳輸失敗。

2.2 仿真結果及分析

這里給出一組仿真結果，并對其進行分析。圖5繪制了在靜態信道質量模型下，RLC接收端正確接收完整TBF后平均發送的ACK／NACK個數。通過仿真結果，我們看出平均ACK／NACK數量在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個數趨于常數。

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

圖5 兩種重傳機制下的ACK／NACK個數與信道質量的關系

圖6 P1＝0.1、0.5時，兩種重傳機制下的ACK／NACK個數與P2的關系

圖7繪制了在Gilbert信道模型中應用WWW業務負載模型的情況下，兩種重傳機制在P1取0.1，0.5時的吞吐量。曲線顯示G－HARQ吞吐量性能總是優于現有的SRARQ，原因是因為G－HARQ在地球同步軌道移動通信衛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，重傳時產生的控制消息需要占用多個RTT時間，導致上層協議的數據包（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數據包被丟棄，最終引起RLC層重傳所有LLC－PDU分割的數據包。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數據包恢復。

上述實驗表明混合G－HARQ重傳機制可以提升GEO衛星移動通信RLC層吞吐量性能，說明G－HARQ機制給RLC層帶來的性能優化足以抵消前向糾錯引入的冗余數據包的花銷。另外，盡管FEC需要終端實現額外的解碼部分，在GEO衛星移動通信系統中，衛星只需要透明轉發，現今的MES的處理能力足以實現這一功能［15］。

圖7 P1＝0.1、0.5時，兩種重傳機制下的吞吐量與P2的關系

3 結束語

在GEO衛星移動通信系統背景下，為了克服衛星鏈路大延遲、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量。通過仿真，在靜態信道質量模型和Gilbert信道模型中評估了現有選擇重傳機制和G－HARQ重傳機制的性能，仿真結果表示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量。RLC層通過選擇重傳可以恢復傳輸中出錯的數據包，而恢復意味著帶來對上層TCP協議的延遲。后續的工作應集中在GEO衛星移動通信背景下，研究基于TCP應用的性能表現，進一步分析TCP與RLC層ARQ協議如何協作以便在GEO衛星移動背景下獲得更好的表現。

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