關于低軌衛星通信網絡中HARQ技術的分析

李 想

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

衛星通信具有覆蓋面大、保密性強等優勢，自20世紀60年代開始得到廣泛應用。衛星通信在防災救災應急通信等方面發揮著重要的作用。衛星通信網絡是實現全球無縫漫游移動通信的重要基礎設施，在寬帶廣播等新興通信服務中起到了重要作用。傳統靜止衛星由于軌道高、時延大，難以滿足時效性要求高的通信應用需求。NGSO衛星星座具有時延小等優點，成為支持寬帶高效通信的有效途徑[1]。利用衛星移動通信網形成獨立的空間網絡已成為衛星通信發展的重要方向。隨著科技的發展，人們對衛星通信可靠性提出更高的要求。衛星通信所處環境存在大量衰落噪聲干擾，影響了衛星通信質量，通信距離遠，路徑損耗影響衛星通信質量，如何保證衛星通信傳輸質量是值得關注的問題。信道衰落等問題可通過HARQ技術解決，HARQ技術相比FEC技術可以保證更高的傳輸可靠性。傳統的HARQ技術在衛星環境存在一些問題，如信道時延大，使用傳統HARQ技術接收端不能及時接收ACK/NACK消息，必須考慮采用適合衛星網絡的HARQ技術保證業務傳輸質量。

1 HARQ技術研究

移動通信系統因受到各類隨機噪聲的影響而發生傳輸錯誤，無線通信系統通常引入差錯控制技術來降低系統傳輸誤碼率，保證不同業務數據傳輸質量。傳統差錯控制技術包括FEC與ARQ，ARQ按需重傳機制的原理是在信息碼元中加入少量監督碼元，當接收端檢測到信息碼元錯誤時會向發送端發送信號請求重新發送，直到接收端檢測無誤為止。ARQ技術差錯控制能力強，當信道質量變差時信息碼元出錯率增加會降低有效傳輸速率[2]。ARQ時延可變，使得通信實時性差，不適合提供實時服務。FEC前向糾錯技術的原理是，發送端發送信息數據與冗余糾錯碼，接收端使用譯碼器處理接收信號并根據冗余部分重構原始信息。FEC技術有恒定通過量，實時性好，但接收端譯碼錯誤導致傳輸可靠性差，糾錯碼冗余度大導致編碼效率低且譯碼電路復雜。

HARQ差錯控制技術結合了FEC和A RQ的優點，相比FEC技術，傳輸誤碼率低可靠性高；相比A RQ技術，在保證相同傳輸質量情況下傳輸效率更高[3]。ARQ是OSI模型中數據鏈路層錯誤糾正協議，常用的ARQ協議包括SW-ARQ、Go-back-N與SR-ARQ。HARQ可針對信道衰落提高系統傳輸可靠性，發送端數據經過調制編碼在發送緩存中備份；接收端將接收數據加入緩存，合并解碼后將結果通過反饋信道反饋至發送端。利用HARQ技術可將前幾次傳輸失敗的數據信息與重傳數據合并聯合解碼。HARQ技術的應用類型有I、II、III型。I型HARQ方式是FEC和ARQ的簡單組合，采用同時進行檢錯糾錯冗余碼方式[4]。接收端接收首次傳輸信息時采用與FEC技術相同方式糾錯，首次傳輸錯誤信息比特數較少時，通過碼字糾錯能力糾正錯誤信息比特；如首次傳輸信息比特數較多，超出碼字糾錯能力，部分錯誤信息碼糾正接收端要求發送端重傳。發送端重新傳信息，與首次傳輸相同[5]。I型HARQ方式不同于ARQ技術，將未正確解碼信息丟棄，下次僅用重傳信息檢錯糾錯，每次傳輸會受到隨機噪聲干擾，將多次傳輸信息合并以提升糾錯能力。

I型HARQ吞吐量在高信噪比信道中受到FEC編碼器速率的限制。II型HARQ系用遞增冗余的HARQ機制，在I型HARQ基礎上加入組合譯碼，首次傳輸時帶有較少冗余，如首次傳輸失敗，發送端開始重傳但接收錯誤數據不會丟棄，重傳數據在首次傳送數據塊基礎上增加冗余信息。接收端將收到數據塊合并解碼，如果二次重傳后無法糾錯再增加新的冗余重傳，直到將完成正確糾錯。II型HARQ增加冗余信息提高了系統編碼增益，首次傳輸編碼信息與重傳信息合并后新編碼含有冗余信息，糾錯能力強，提升了傳輸可靠性。其缺點是只有首次傳輸包含信息比特重發數據塊，只有冗余信息不具備獨立譯碼能力。如首次傳輸原始信息比特誤碼嚴重，多次重將傳難以糾錯。III型HARQ不同于II型HARQ，重傳數據塊中包含系統信息位重傳數據可以自解碼，可以先用新的重傳數據獨立解碼，重傳數據有誤碼，將之前收到數據合并提高糾錯能力。III型HARQ重傳數據庫可以恢復原始數據信息，在每次傳輸時僅需進行1次譯碼。III型HARQ接收端可能需要進行數據塊間的組合解碼。

2 基于LDPC的衛星通信網絡HARQ方案

低密度奇偶校驗碼LDPC是前向糾錯碼，其校驗矩陣為稀疏矩陣。準循環LDPC是LDPC中的重要類型。QC-LDPC特殊結構可以降低編碼的復雜度，具有優良性能，本文研究在衛星通信網絡的HARQ-LDPC方案中采用QC-LDPC[6]。衛星通信網絡中LDPC必須靈活支持不同碼率以滿足通信場景需求，LDCP必須支持IRHARQ以保證傳輸可靠性。LDPC采用Raptor-Like結構增加校驗比特，支持不同碼率，但QC-LDPC離散移位因子等支持的信息塊大小存在限制，可考慮在衛星通信網絡的HARQ-LDPC方案中通過循環緩存實現與速率匹配。將編碼比特存儲在循環緩沖區，每次重傳數據塊時為緩沖區讀取對應比特，讀取比特位置必須為移位因子Z的整數倍以實現速率匹配。各冗余版本分布不均勻，RV2靠近循環緩存末尾使得RVo和RV2可以獨立譯碼。圖1是衛星網絡中的HARQ-LDPC傳輸規則。

圖1 衛星網絡中的HARQ-LDPC傳輸規則

本文研究在衛星通信網絡框架中對比HARQ-CC、no HARQ系列仿真性能，衛星通信網絡特征是通信距離遠，接收端發送確認幀ACK時延大，頻繁收發ACK導致系統傳輸效率低[7]。衛星網絡中的HARQ-LDPC傳輸規則要求減小ACK次數，星地傳輸HARQ數據單位長于地面無線網絡，仿真考慮HARQ媒體協議數據單元。仿真條件為目標碼率1/2，采樣頻率為20 MHz，加性高斯白噪聲信道；數據單元長度10 000～5 000，最大重傳次數為20次；對數似然比信息合并。評價性能指標吞吐量計算方法為C=K/T=K×fs/S，T為傳輸成功所需總時間，S為傳輸成功時發送總符號數；K為MPDU的比特數，fs為采樣頻率，S=I×KR/M，R為編碼率，I為傳輸成功所需次數，M為調制階數。平均吞吐量CM=(P/P1)MPfs，PI為總MPDU數，P為傳輸MPDU數。誤比特率n=1-Kr/K，Kr為MPDU成功傳輸比特數。表2是MPDU長度為5 000時的編碼參數。

表1 MPDU長度為10 000 bit時的編碼參數

根據HARQ-CC吞吐量仿真結果可知，信噪比偏低時HARQ-CC使用低階制的吞吐量更高。信噪比決定了可以選擇最優的調制方式。圖2為衛星通信網絡LDPC信息處理流程，隨著重傳次數增加HARQ-CC誤比特率下降，對比正交相移鍵控仿真結果，HARQIR重傳后誤碼率低于10-6，信噪比低時HARQ-IR所需重傳次數小于HARQ-CC[8]。高階調制對信道要求過高，分析HARQ-IR在不同條件下誤碼率性能可知，隨著重傳次數增加HARQ-IR誤碼率減小，HARQ-IR誤比特率收斂速度更快。HARQ-IR吞吐量在信噪比為-10～0 dB范圍內高于HARQ-CC。根據HARQ-IR在不同調制方式傳輸次數下吞吐量仿真結果可以確定HARQ-IR合并最優調制方式，無HARQ機制在不同信噪比下最優調制方式與HARQ-CC最優調制方式相同。對于高階調制，目標次數對吞吐量無影響，由于高級調制誤碼率較高，隨著平均傳輸次數增加傳輸效率降低，目標傳輸次數對吞吐量無影響。

圖2 衛星通信網絡LDPC信息處理流程

3 基于BBC的衛星通信網絡HARQ方案

BCC異或校驗在縱向奇偶校驗中校驗位為8位數據，具體算法以字節為單位，對發送信息數據按順序進行異或，所得結果為異或校驗碼，數據比特經BCC編碼器編碼后信息比特與冗余比特無明顯區分。基于BCC的HARQ重傳考慮了基于比特級的合并方案，每次傳輸時接收端解調出傳輸比特LLR相加得到新的LLR值，比特級合并可用于HARQ-IR合并方案，由于CC或IR合并只需將每次重傳數據計算比特的LLR簡單相加。由于每次傳輸冗余信息不同，某次重傳無比特信息，將無比特信息對應LLR設為0即可。選擇對CC合并方式仿真，對比不同重傳合并方式的效果，相同調制方式下BCC-CC合并吞吐量低于BCC-IR。這表明重傳時補充打孔比特可有效幫助信息傳輸，現有通信系統中BCC編碼得到應用，但BBC的HARQ重傳機制未得到應用。

重傳單元是HARQ傳輸機制中的重要部分，研究分析傳輸單元中的PHY和MAC單元，物理層單元過程包括檢查HARQ單元是否在物理層內成功傳輸，檢查HARQ錯誤，定義新的HARQ反饋框架結構。物理層單元開銷問題包括信令與反饋開銷，物理層報頭上需要信令開銷，收發端間某些過程協商可以減少信令開銷，如新的數據不允許包含在重傳協議數據單元中，HARQ單元在跟隨PPDU時不能切換順序。反饋開銷需要定義新的HARQ反饋框架結構與指示需要重傳單元方法，在PPDU中有很多單元，HARQ反饋應包含很多信息，可以用多個碼字定義HARQ單元，減少反饋信息。MAC單元處理過程為根據MPDU中使用循環冗余校驗確定HARQ ACK/NACK。現有塊確認可以用作HARQ反饋，使用額外的AMC填充重傳過程簡單但造成額外開銷。無額外MAC填充MPDU和碼字間影射信息導致額外開銷。圖3是BCC-CC合并方式和BCC-IR合并方式吞吐量仿真結果。MAC層單元信令開銷問題是PHY頭需要包含MPDU與LDPC碼間的映射信息，有額外的MAC填充只需碼字字數信息將某個MPDU映射到碼字，無額外MAC填充則需額外的指示，由于1個碼字可以與多個MPDU相關。現有的Block ACK框架可利用作為HARQ反饋。

圖3 基于物理層的反饋方案

4 結束語

傳統地面網絡覆蓋范圍較小、難以滿足全球通信服務的需求。隨著航天技術的進步，使用低軌通信衛星系統可較好地解決這一問題，因此低軌衛星系統受到民眾關注程度日益增加。衛星通信實現地面終端間的通信，是地面通信的有效補充延伸，具有可全球覆蓋，空間容錯性好等優點。低軌衛星通信系統具有覆蓋范圍廣及抗毀性強等優點。將MEC技術融入低軌衛星網絡可以降低衛星服務響應時間。如何高效管理系統的通信資源是亟待解決的關鍵問題。低軌衛星中用戶被多個衛星覆蓋，用戶關聯衛星切換會影響系統的性能，系統中存在多個計算節點。衛星信道傳輸時延大，影響衛星通信傳輸指令。HARQ可以保證傳輸的可靠性更高，但HARQ技術在衛星環境中也存在一些問題，必須考慮采用適合衛星網絡的HARQ技術來保證業務傳輸質量。■