衛星移動通信作為全球移動通信的重要組成部分，其目的是實現通信終端手持化和個人通信全球化[1]。相比地面3G、4G移動通信，衛星信道的長延時、高誤碼和非對稱信道使得其通信質量遠不能滿足業務需要。為滿足衛星高速數據傳輸的要求，本文基于衛星移動通信信道特性，考慮移植或借鑒地面3G中成熟高效的高速數據傳輸技術如自適應調制編碼(AMC)、混合自動請求重傳(HARQ)在衛星移動通信中的應用。

    跨層設計(Cross-layer Design)作為下一代移動通信關鍵技術，目前在眾多領域得到了研究和應用[2-3]。衛星信道與地面信道一樣隨時間變化，易受環境影響，加之衛星通信延時長、時延帶寬積高的特點，最終使衛星網絡不同協議層之間的性能相互影響。因此，衛星移動通信同樣可以考慮采用跨層設計方法。
    本文從跨層設計角度出發，對衛星移動通信特點和跨層設計作了簡要介紹，建立典型衛星移動通信信道模型，提出一種適用于衛星移動通信的HARQ聯合AMC的L/P跨層設計，并使用Matlab工具進行仿真并作對比分析。結果表明，該設計明顯提高了系統的平均頻譜利用率。
1 衛星移動通信特點及跨層設計
　衛星移動通信的一系列突出優點[4]使得它非常迅速地成為通信領域中發展研究方向和現代通信強有力的手段之一。但相比地面移動通信，其誤碼率較高，若不能采取有效的差錯控制機制，系統業務質量和數據的有效傳輸將受到直接影響，最終影響業務推廣。實際中采用自動請求重傳ARQ(Automatic Repeat reQuest)解決數據丟失問題，但傳統ARQ僅將出錯數據丟棄而未充分利用，無形中浪費了系統資源。DVB-S標準中采用的AMC技術只通過反饋信道來選擇編碼調制方式，碼率和調制方式有限,在多信道選擇MCS(Multiple Channel Select)的兩個端點處不能充分發揮AMC技術的優勢。針對這兩個問題，考慮在衛星移動通信中同時引入HARQ和AMC技術。
　    跨層設計以充分利用系統資源為原則，旨在大幅度提高通信系統各項性能，滿足用戶對不同業務的QoS需求。它打破網絡各層獨立性，充分利用不同層間的相互作用進行交互式跨層設計[5]。跨層設計通常分內在型和外在型兩種[6]，前者考慮整體協議最優化，而后者強調在不同層之間傳輸參數實現動態適應。結合衛星移動通信信道特點，基于外在跨層設計的思想，本文將鏈路層HARQ技術與物理層AMC技術聯合考慮。
2 L/P跨層設計方法
2.1 系統模型
    本文基于衛星移動通信系統，考慮地面關口站經衛星中繼且與地面移動終端之間單發單收的通信情況，簡化系統如圖1所示。其工作原理為：根據鏈路層所容忍的最大延時，選擇最大的傳輸次數；根據誤包率要求確定物理層模式選擇切換的臨界點；用循環冗余校驗(CRC)來檢驗信息數據包是否正確譯碼，確定重傳的必要性；根據信道估計值，選擇最優的調制編碼方式，實現傳送數據速率最大化。

    在實際應用中，根據移動終端所處物理環境的不同,衛星移動信道可分為Rayleigh信道、Rice信道、Rician/Lognormal信道[7]。本文使用Nakagami-m[8](m為信道衰落參數)信道模型描述衛星移動信道質量參數。Nakagami-m分布可以通過控制參數m模擬多種不同的分布：當m=1時，相當于Rayleigh分布；當m=1/2時，等同于單邊高斯分布；當m=0時，則表示無衰落分布；當m→∞時，為高斯分布。
    如圖 2所示，本文跨層設計存在于物理層與鏈路層之間，通過鏈路層向物理層傳遞必要參數，以指導物理層選擇合理的HARQ方式以及調制編碼方式，在滿足鏈路層性能的同時，能夠使物理層的性能得到改善，實現最優傳輸。

2.2 HARQ聯合AMC的L/P跨層設計
　    在實際的衛星通信系統中，一方面，系統能夠容許的延時是有限的，因此每個數據包的傳輸次數將受到限制，系統能夠容許的最大延時除以一次往返所需的時間(不同軌道高度的往返時間有差別)取整數部分就是系統能夠容許的最大傳輸次數Nmax，如果在傳輸次數Nmax之內，接收端仍然不能正確解碼，將丟棄這包數據，進行下一包數據的傳輸。另一方面，不同業務對誤包率的要求也有所不同。HARQ是將前向糾錯(FEC)和自動請求重傳技術(ARQ)聯合使用的鏈路可靠性保障技術，它能夠有效降低誤碼率，減小時延。通常HARQ可按照參考文獻[9]的方法劃分為Type-I、II、III型,仿真實驗證明Type-III型HARQ穩定性、可靠性好，有較高的頻譜利用率?？紤]衛星移動信道的實際情況和仿真復雜度，設定最大重傳次數Nmax≤3。AMC技術根據信道質量反饋，動態選擇匹配當前信道狀況的最佳調制編碼方式，以實現高數據速率和可靠通信。在編碼方式上，在衛星通信常用編碼中，Turbo碼以及最近幾年興起的LDPC碼等都是常用的糾錯編碼方式[10]。從方便對數據進行碼率調整和Turbo碼的成熟應用方面考慮,本文選擇Turbo碼作為信道編碼方式[11]。
    Type-III型 HARQ的數據初始處理過程為：將1184信息比特加上16 bit的CRC校驗碼采用1/3碼率的Turbo碼進行信道編碼，生成總比特數為3 600 bit的信道編碼信息，接下來，不同類型的HARQ機制選擇不同的刪余矩陣處理。表 1給出了衛星通信常用的BPSK、QPSK、16QAM調制方式和Turbo編碼6種調制編碼組合，考慮到AMC頻繁的切換會增加系統開銷，故而在此只選用6種方案。系統選擇調制編碼方式通常會考慮功率效率和頻譜效率的折衷，本文考慮衛星信道功率受限的情況。通過設置各級MCS切換門限，根據系統的SNR值區間，選用不同類型的MCS。表2中的P0、P1、P2、P3分別是各次傳輸中所用的刪余矩陣,其中P0代表首次傳輸時的刪余矩陣，矩陣內部元素0表示此位置被刪除，1表示被保留，刪截僅針對校驗比特，其目的是使用重傳機制實現對碼率的調整。

    不同Nmax下AMC切換調制方式的數值點如表3所示。

    按照上面的跨層設計方法，整個系統的運行流程為：每個數據包的傳輸過程中，通過反饋回的信道估計的情況，按照表1進行MCS進行更新。若首次傳輸出錯，則按照表2重傳方式，選擇最大傳輸次數為Nmax時的重傳規則進行重傳。
3 仿真及結果分析
    為了驗證本文中跨層設計的性能，假設信道頻域平坦、單幀不變、逐幀可變，AMC隨之調整，使用Matlab搭建了上述信道模型的仿真平臺，模擬傳輸參數信息。下面分別給出不同Nmax時的HARQ聯合AMC的L/P跨層設計的平均頻譜利用率的性能曲線，同時給出無跨層設計情況的性能曲線與之作比較。在本文的研究中，使用Nakagami-m信道，m=1，假定在Nmax次傳輸之內，HARQ在物理層的誤包率PER≤0.01,最終實現的目標就是選擇合理的HARQ與AMC組合,來滿足物理層的誤包率和業務的延時要求。仿真設定信噪比為符號功率與噪聲功率的比值Es/N0，結果如圖3~圖5所示。

    圖3~圖5分別為無跨層設計僅在鏈路層采用Type-III型HARQ技術的系統平均頻譜利用率性能分析結果。
　 圖6為以Nmax=2時，不同調制方式在無跨層設計中的平均誤包率，粗黑色線標識給出了L/P跨層設計中不同調制方式在設定誤包率為Ptarget=0.01條件下的切換點。
    圖7給出了不同Nmax下HARQ聯合AMC的L/P跨層設計的系統平均頻譜利用率性能分析結果。從圖中的比較可以看出，在相同信噪比條件下，后者的系統平均頻譜利用率相比前者要高，且變化曲線較為平緩，即意味著系統傳輸速率明顯提高，系統較為穩定。同時還可以看出，隨著最大重傳次數的增大，系統平均頻譜利用率也相應提高(Nmax增大，HARQ糾檢錯能力增強，也就減輕了對物理層糾檢錯能力的要求，即對物理層的性能要求降低了，傳輸速率則可以相應地增加，使得系統頻譜利用率提高），但增長的速度卻有所減小，也就是說，Nmax是有上限的。實際中推薦使用Nmax=2，小的重傳次數僅需要較小的緩沖區和時延既可以實現較高的頻譜利用率。

    跨層設計對提高衛星通信系統的性能有良好的前景，國際衛星及空間通信專題研討會IWSSC2005曾對衛星通信中的跨層設計作了專題的征文與討論。本文提出了一種提高系統平均頻譜利用率的L/P跨層設計方法，基于實現高速數據傳輸的需求，根據典型的衛星移動通信信道情況，通過HARQ技術聯合AMC技術，使得系統平均頻譜利用率得到了有效提高，為將來設計衛星移動通信系統實現數據的高速傳輸提供一定的理論支撐。未來衛星通信中跨層設計研究方向是協調設計整個系統，各層之間相互都有接口，綜合考慮系統各層參數，如物理層誤比特率、網絡層時延或路由效率等，以充分利用資源、優化系統整體性能。
參考文獻
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