调制方式对AOS中基于码合并的混合重传方案性能的影响分析

付 垚，马常领，田 野

(沈阳理工大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159)

为了适应空间技术的发展，满足复杂航天器的数据处理要求，空间数据系统咨询委员会(Consultative Committee for Space Data System，CCSDS)于1989年开发了高级在轨系统AOS。AOS以标准化的方式进行数据处理与交换，能够在空间链路中双向传输音频、视频以及科学实验等多种不同类型的数据。目前，AOS在航空航天技术领域中的作用越来越突出［1］。

AOS空间通信具有数据传输量大、传输速率高、信道时延长、信道误码率高以及信道时变衰落等特点，而上述特点对常规的空间通信的传输效率和可靠性提出了新的要求。多进制调制作为链路自适应的重要组成部分，是提高系统传输速率的重要方案。文献［2］研究了Ka频段下卫星通信系统中的自适应调制编码方案的具体设计和性能分析，研究表明采用自适应调制编码可显著提高系统的吞吐量性能。混合请求重传协议通过对接收出错的数据帧进行重传，可以有效保证通信系统一定的可靠性，文献［3］分析了混合重传技术在卫星通信系统中的应用，研究了基于递增冗余的HARQ方案对系统误码率性能的改善和适用条件。链路自适应和混合请求重传都是提高AOS系统性能的重要技术，但近年来国内外的研究对这两种技术多数是进行相对独立的分析，而通信系统中两者是共同存在并发挥作用的，关于有效的联合运用链路自适应和混合请求重传技术的问题，目前尚无充分的研究成果。本文主要研究基于码合并的混合重传方案的具体实现以及系统性能，并分析不同调制方式对混合重传方案的系统性能的影响。

1 基于码合并的混合重传方案HARQ的实现原理

在基于码合并的HARQ方案中，发送端首先将信息比特进行前向纠错编码，然后按照一定的周期将编码后的校验比特进行打孔，系统对每次发送的数据帧采用互补删除方式，最后按照码率兼容原则将打孔后的信息比特按次序发送给接收端。基于码合并的混合重传方案的译码过程如下:接收端首先对接收的数据帧进行单独译码，若译码正确则提交;若译码错误，则对于译码错误的数据帧并不直接丢弃，而是将其与存放在缓存区的前几个译码错误的数据帧进行加权合并，然后对合并后的数据帧进行译码。

基于码合并的HARQ方案按照重传数据帧的冗余版本不同，可以分成两种［4］。一种是只具有一个冗余版本的混合重传方案HARQ，初传和多次重传数据帧的冗余版本相同，即重传分组的格式和内容与第一次传输的相同，这种方案称为基于 chase合并(Chase Combination，CC)的 HARQ方案。另一种是具有多个冗余版本的混合重传方案HARQ，初传数据帧和各次重传数据帧的冗余版本不同。编码后的数据帧按照删除冗余矩阵进行冗余比特的删除，由于删除方式是经过精心设计的，使得删除冗余后的码字互补等效，因此合并后的码字能够覆盖FEC编码中的比特位，使合并码字含有更全面的译码信息，更利于正确译码，这种方案称为冗余递增(Increase Redundancy，IR)的HARQ方案。

基于码合并的混合重传方案中，码合并算法直接影响方案的性能。目前比较常用的加权合并算法有两种，一种是增益合并(Equal Gain Combining，EGC)算法和最大比合并(Maximal Ratio combining，MRC)算法。EGC合并是将每个接收到的数据帧数据按照等比例合并。MRC合并首先根据每次重传数据帧的信噪比SNR或者噪声功率计算各数据帧的加权值，然后根据加权值合并数据帧。MRC合并需要估算噪声功率，复杂度较高，但可以得到最大输出信噪比，是最佳的分集合并方式。本文采用基于重传数据帧的噪声功率的MRC算法。基于噪声功率加权MRC合并的表达式为

式中:I为将重传数据帧进行加权叠加处理后的数据;Y(i)为第i次接收到的重传数据帧;wi为第i次接收到的重传数据帧的加权系数;pNoise(i)为第i次重传数据帧的噪声功率值;M为接收到的数据帧的分组个数。

2 不同调制方式对基于码合并的混合重传方案的性能影响分析

系统吞吐量定义为单位时间内地面节点成功接收的平均有效用户数据字节数［6］。影响链路层吞吐量的主要因素为链路速率 Rs、调制效率effmod、编码效率effcode、帧效率efff和数据帧正确接收的概率p等，计算公式为

式中:M进制QAM调制的调制效率为effmod=log2M(M为调制阶数);编码效率effcode等于数据帧的编码码率Rate;帧效率efff等于数据帧中有效数据长度(Lf－Cf)与数据帧长Lf的比值;Cf为帧开销;则式(2)又可表示为

在通信过程中，当信道条件达到理想状态，每个数据帧都可以被正确译码接收，p≈1，增大调制阶数，可以显著提高吞吐量性能。

由式(3)可知，若要求出系统吞吐量，需要求出数据帧正确接收的概率。设最大的重传次数为Nmax，由于重传过程中，数据帧在第i次传输的数据帧单独译码正确的概率为 pe(i)，i=1，2，3，…，Nmax+1。在第i次码合并的数据帧可以正确译码的概率为 pcomb(j)，(j=1，2，3，4，…，Nmax)。则一个数据帧在第i次传输中，被正确译码接收的概率P(i)为

则在基于IR递增冗余的HARQ方案中，数据帧被正确译码接收的概率p(IR)为

在基于chase合并的HARQ方案中，由于每次重传的数据帧的冗余位是相同的，所以在相同信道条件下，数据帧在第i次传输的数据帧单独译码正确的概率pe(i)相同，因此数据帧被正确译码接收的概率p(chase)为

由全概率公式得到基于码合并的HARQ方案的数据帧平均传输次数Nave(IR)、的计算公式如式(7)、(8)所示。

联合式(3)、(5)、(6)，可得基于IR递增冗余的HARQ方案和基于chase合并的HARQ方案中系统吞吐量的计算公式如式(9)、(10)所示。

3 实验仿真

3.1 仿真参数设置

在AOS低轨卫星通信中，由于多径衰落和多普勒频移以及天气等因素的影响，低轨卫星通信信道具有时变衰落的特性，莱斯衰落加高斯白噪声信道可以较好地模拟低轨卫星通信信道［7］，本文采用莱斯衰落加高斯白噪声信道作为实验仿真的环境，仿真使用Matlab软件，通过编程模拟仿真AOS下行链路数据帧的传输和反馈过程，并且对仿真结果进行统计和图形化表示。仿真中用到的具体参数设置如表1所示。

表1 仿真参数设置

3.2 仿真结果及分析

在不同调制方式下，两种基于码合并的混合重传方案的数据帧平均传输次数和系统吞吐量的仿真结果如图1、图2所示:

图1 数据帧平均传输次数

图2 系统吞吐量性能

对于同一种混合重传方案，由图1、图2可知，在相同的信道条件下，随着调制阶数的增大，虽然数据帧平均传输次数有所增加，但采用多进制调制，每个传输符号包括的信息比特数较大，因此系统吞吐量也随之增大。所以当采用高阶的调制方案时，虽然通信系统的抗干扰能力有所降低，数据帧出错的概率增大，数据帧的平均传输次数增大，但系统正确传输的有效信息数量有所增加，系统吞吐量增大。

对于两种基于码合并的混合重传方案，当采用相同的调制方式时，IR递增冗余的HARQ方案的吞吐量值高于chase合并的HARQ方案，数据帧平均传输次数也低于chase合并的HARQ方案。信噪比越低，IR递增冗余的HARQ方案的性能优势越明显。但是随着调制阶数的增大，IR递增冗余HARQ系统的吞吐量性能优势逐渐降低，当采用64进制调制编码时，IR递增冗余的HARQ方案的吞吐量略低于chase合并的HARQ方案。所以IR递增冗余的HARQ方案的系统性能优于chase合并的HARQ方案。

4 结论

研究了AOS中基于码合并的混合重传方案的实现原理和理论性能，并且对采用不同调制方式的混合重传方案进行了理论分析和实验仿真。当采用高阶的调制方案时，虽然通信系统的抗干扰能力有所降低，但系统吞吐量性能可以得到有效提高。在相同的调制方式下，基于IR递增冗余的HARQ的性能优于基于chase合并HARQ的性能，且信噪比越低，IR递增冗余的HARQ系统的吞吐量以及数据帧平均传输次数等性能优势越明显。本文的结论可以为基于码合并的混合重传方案和多进制调制方案在AOS中的实际应用提供一定的参考。

［1］范海礁.AOS空间站数据系统关键技术研究［D］.西安:西北工业大学，2006:7－11.

［2］王艳岭，达新宇.Ka频段卫星通信分集合自适应抗雨衰技术［J］.电讯技术，2010，9(50):125 －131.

［3］张忠超，吴久银，张强龙.卫星通信系统中应用HARQ 的性能分析［J］.无线通信技术，2010，19(4):25－30.

［4］韩智敏.基于CCSDS AOS系统的差错控制技术研究［D］.沈阳:沈阳理工大学，2010:5 －7.

［5］Garg D，Kimura R，Adachi F.RCPT hybrid ARQ with limited number of retransmissions in DS-CDMA［J］.IEEE Electronic Letters，2003，39(2):241 －242.

［6］李树峰.AOS协议系统吞吐量性能分析与OPNET建模仿真［D］.长沙:国防科学技术大学，2005:12－14.

［7］刘柏生.低轨卫星无线移动通信信道的概率模型的研究［D］.长春:长春理工大学，2007:5－9.