GEO卫星移动通信RLC层重传机制研究

王 洋，刘立祥

（1.中国科学院软件研究所 天基综合信息系统重点实验室，北京100190；2.中国科学院研究生院，北京100190）

0 引 言

为保证GEO卫星移动通信RLC层连接的可靠性和吞吐量，本文对于GEO卫星移动通信协议RLC层重传机制展开研究［1－3］。

重传机制的基本概念是通过接收端Rx发送的确认消息来通知发送端Tx发送的分组是否被正确接收（ACK）或者没有正确接收（NACK）。近年来研究较多的混合自动重传请求（HARQ）协议将ARQ重传机制与信道编码相结合，以使在多变的无线信道上提供可靠的传输成为可能。现在已经有很多基于确认消息在无错传输假设下的HARQ性 能分 析 研 究 ：比 如 针 对 MAC 层 的［4－5］，针 对 网 络 层［6－7］的，以及应用层级别的［8］。但是对于以大延迟、高误码为特点的GEO卫星移动通信信道上传输的确认消息，出现错误与超时的几率很大。目前只有少部分的文献研究了在非无错环境下传输确认消息（ACK／NACK）的情况。其中一些工作研究了在无限次重传下的HARQ I型混合重传协议的效率［9］；文献［10］则研究了对于HARQ I型在有限次重传的下性能问题。文献［11］研究了使用Chase合并的HARQ II型重传协议。所有上面提到的参考文献是基于等停协议（SW－ARQ）的重传机制。另外一些文献是基于Markov链使用选择性重传协议（SR－ARQ）［12－13］或基于后退N步协议（GBN－ARQ）［14］进行的研究。上述这些研究工作对现有的多种ARQ技术进行了较为全面的分析，但其是以地面移动通信网络或者有线网络为研究背景，没有考虑到GEO卫星移动通信信道上大延迟特点。因此本文提出一种适用于GEO卫星移动通信信道的HARQ重传机制（G－HARQ），此机制通过减少重传机制中控制消息的个数从而降低卫星链路上RLC层端到端的总延迟，提高RLC层吞吐量。

1 GEO卫星移动通信无线链路控制（RLC）层重传机制研究与设计

1.1 RLC层连接建立过程

在GMPRS中，无线链路控制层（RLC）同时出现在传输面和控制面。其主要负责为LLC层和MAC层提供接口，使得LLC－PDU可以在 MAC层和LLC层之间传递；提供将LLC－PDU分割成RLC数据包以及反方向上的重组过程；以及提供可靠连接，即当收到的RLC数据包有错误时，使用ARQ机制进行重传。下面分上／下行业务分别说明RLC层连接建立和重传的过程：

对于上行业务，MES在PRACH发送一个接入请求分组（packet channel request），然后网络端在PAGCH上回应一个分组资源分配方案（packet uplink assignment），其中包含分配给MES的无线资源的相关参数。在MES接收到这个分配方案后，MES发送一系列的数据包，网络端使用ACK／NACK周期性的发送确认消息。这些消息指出那些需要重传的错误数据包。最终，MES重传这些出现错误的数据包。直到网络端回复一个ACK消息表示成功接收到了最后一个数据包为止。

对于下行业务，当MES处于移动管理中的 “STANDBY”状态时，网络端负责移动管理的模块通过在PPCH信道上发送寻呼请求（packet paging request）发起群呼过程。MES则回应一个类型为 “寻呼回应”的接入请求，同时MES由 “STANDBY”状态进入 “READY”状态。当 MES进入 “READY”状态后，网络端就会在PAGCH上发送分组资源分配方案，来指导MES如何使用PDCH信道来传送数据。之后，网络端开始发送一系列数据包给MES，同时MES发送ACK／NACK来告知网络端是否有错误。当MES正确接收了所有数据包后，回复ACK以便终止连接。

1.2 基于SR－ARQ的GEO卫星移动通信协议RLC层选择重传机制

地面移动通信协议RLC层使用SR－ARQ作为重传机制，由于GMPRS标准没有规定使用何种重传机制，故将其根据GMPRS标准框架要求进行修改进行实验。但在2.2节的仿真结果中表明SR－ARQ重传机制产生的ACK／NACK消息将引入较大RLC层延迟，造成RLC层吞吐量的低下。尽管如此，SR－ARQ仍会作为G－HARQ在信道质量极恶劣情况下的一种工作方式。

每一个RLC发送实体，简称Tx，在窗口W的限制内发送数据包。RLC接收实体，简称Rx，周期性的回复ACK／NACK。参数V（S）和V（A）限定了Tx的发送窗口，V（S）是下一个要发送的数据包的BSN，V（A）是最早被确认发送成功了的数据包的BSN。当Tx检测窗口驻留条件满足：［V（S）＝V（A）＋W］%（2×W）时，通知Rx并重传最早没有被确认过的数据包，以此类推。参数V（R）和V（Q）限定了Rx的接收窗口，V（R）的值为下一个期待收到的数据包的BSN，V（Q）的值是最早收到的数据包的BSN。V（R）在收到新数据包时更新，而V（Q）在发送ACK／NACK时更新。如果Rx收到了一个处于接收窗口之外的数据包，即：［BSN＜V（R）－W］%（2×W）时，这个数据包就被视为无效的。

每一个ACK／NACK消息对应一个控制数据包，包含当时的V（R）和一个bitmap，bitmap用于标记最多前 W个收到的数据包的确认状态。当收到了ACK／NACK后，Tx重传出错的数据包并调整其发送窗口。图1展示了RLC层确认模式下SR－ARQ重传机制的过程，其中B表示当前需要传送的数据包个数，W为窗口大小，k为出错数据包个数。

图1 RLC层确认模式下SR－ARQ重传机制

1.3 适用于GEO卫星移动通信的G－HARQ重传机制

在基于SR－ARQ的重传机制中，当数据包发生错误需要重传时，平均每个TBF会有大量时间消耗在Tx与Rx之间传递的控制信息上。为了提高系统吞吐量并降低延迟，本文提出一种新的混合G－HARQ机制的重传机制可以尽可能的在GEO卫星链路上减少TBF中控制消息的个数。首先定义一下G－HARQ中使用的概念：

（1）G－HARQ中对RLC层发送的数据使用Reed－Solo－mon前向纠错编码（FEC），如果数据包错误可以通过FEC纠正就不用发送控制信息了。

（2）数据包分为信息数据包（I数据包）和冗余数据包（R数据包）。

（3）定义一组反馈消息（OK，NOK，SNACK）指出Rx端所收到的一组数据包的接收状态：

1）OK消息表示接收端Rx已经正确接收到了上一组的数据包；

2）NOK表示通过发送R数据包可以恢复的出错数据包，NOK消息可以指出请求所需要的R数据包个数；

3）SNACK消息表示出错的数据包不能够通过前向纠错过程恢复，需要使用ACK／NACK的重传过程。

G－HARQ机制具体描述如下：

（1）RLC发送实体Tx，发送K个（比如K＝16）I数据包。

（2）RLC接收端在每次检测到一组（K个）I数据包传输结束时都会发送反馈消息：

1）如果Tx收到OK消息，它将从其缓冲器中丢弃最近的一组I数据包，认为它们已经被正确接收了。

2）如果Tx收到了NOK消息，它将会最多发送L个R数据包。当Tx收到OK消息或者ACK／NACK消息时停止发送R数据包。

3）如果Tx收到了SNACK消息，它将保留缓冲器中的I数据包并切换到SR－ARQ机制。当Rx发送反馈消息（SNACK）后，它会立即再发送一个NACK给Tx，表示通过bitmap指出确切哪些I数据包出错。

（3）K和L的取值在开始时不是固定的，其值可以根据RLC连接状况进行调整。

图2展示了K＝16，L＝2时的传输情景。NOK消息有两个取值，NOK1表示Rx需要1个R数据包，NOK2表示Rx需要2个R数据包，R1、R2表示发送的第一个R数据包和第二个R数据包，具体过程如下：

第1组数据，BSN∈ ｛1，16｝被Rx正确接收，Tx收到了OK反馈消息。继续发送第2组数据；

第2组数据包中有一个发生了错误，所以Tx收到了NOK1并发送1个R数据包，以便恢复出错的数据包。继续发送第3组数据；

第3组有两个错误，因此Rx发送NOK2让Tx发送2个R数据包，以便恢复出错的数据包。继续发送第4组数据。

第4组的错误不能被2个R数据包恢复，所以此时会切换到SR－ARQ机制进行选择重传。在发送SNACK后，Rx继续发送NACK，其中包含的bitmap会指出发生错误的数据包编号。

上述的G－HARQ重传机制，通过限制控制消息（ACK／NACK）的个数，优化反馈资源并减小传输时延，优化了系统的吞吐量。

图2 G－HARQ重传机制

2 仿真实验与结果分析

2.1 仿真平台架构

基于QualNet的仿真平台由MES、GEO卫星、GSS这三类节点组成。MES端实现了SNDCP、LLC、SM、GMM、RLC、MAC层协议；GSS地面站主要实现了RLC／MAC协议，提供类似基站的作用；GEO卫星实现透明转发。MES通过卫星链路连接到GSS站点，RLC在GEO卫星链路上提供确认模式的TBF和重传功能。应用层可以根据需要加载不同种类业务负载模型。图3显示了仿真平台结构和协议栈架构。

仿真实验中在RLC上采用SR－ARQ和G－HARQ两种不同的重传机制，针对静态信道质量模型和Gilbert信道模型分别应用WWW业务负载进行实验。首先在相同的信道质量下，即TBF传输时的C／I为常数（静态信道质量模型），使用WWW业务作为负载，这是一个非实时分组业务。一个分组业务服务包含一个或者多个业务请求，一个业务请求对应下载一个WWW文档。在成功下载文档后，用户花费一定的时间阅读。完成每一个业务请求需要一系列的下行分组，一个业务所需要的下行分组个数符合几何分布。实验结果见2.2节。对于时变的信道质量模型—Gilbert信道模型使用一个两状态的Markov过程表示，见图4。一个状态表示信道质量 “好”（链路误码率低），另一个状态表示信道质量 “差”（信道误码率高）。P1是从 “差”状态转移到 “好”状态的转移概率，P2是从 “好”状态到“差”状态的转移概率。P1取值越大、P2取值越小，表示信道的整体状态越好。同样在此信道模型上应用WWW业务模型，实验结果同见2.2节。

图3 仿真平台结构和协议栈架构

图4 两个转移状态的传输信道模型

G－HARQ重传机制的主要目的是为了减少确认消息。因此性能仿真的主要参量为接收端在正确接收TBF所传送的数据包时发送的ACK／NACK数量和RLC层吞吐量。在G－HARQ机制仿真中使用的参数为 K＝16，L＝2，且NOK消息可以指出需要R数据包的个数。另外，定义一个数据包只要有1个bit发生了错误就会被认为是传输失败。

2.2 仿真结果及分析

这里给出一组仿真结果，并对其进行分析。图5绘制了在静态信道质量模型下，RLC接收端正确接收完整TBF后平均发送的ACK／NACK个数。通过仿真结果，我们看出平均ACK／NACK数量在G－HARQ机制下少于SR－ARQ重传机制，而且在当C／I下高于20时，G－HARQ机制下的ACK／NACK个数趋于常数。

图6绘制的是在Gilbert信道模型下使用WWW业务负载模型，当P1取0.1，0.5时，RLC层成功完成TBF传输所需要的ACK／NACK个数随1／P2的变化情况。从图中可以观察出在相同转换概率P1的情况下，G－HARQ中产生的ACK／NACK个数少于原有重传机制。而在不同转换概率下，G－HARQ的性能也更优。

图5 两种重传机制下的ACK／NACK个数与信道质量的关系

图6 P1＝0.1、0.5时，两种重传机制下的ACK／NACK个数与P2的关系

图7绘制了在Gilbert信道模型中应用WWW业务负载模型的情况下，两种重传机制在P1取0.1，0.5时的吞吐量。曲线显示G－HARQ吞吐量性能总是优于现有的SRARQ，原因是因为G－HARQ在地球同步轨道移动通信卫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，重传时产生的控制消息需要占用多个RTT时间，导致上层协议的数据包（LLC－PDU）计时器超时，缓存于接收队列寄存器中的正确接受的RLC数据包被丢弃，最终引起RLC层重传所有LLC－PDU分割的数据包。G－HARQ可以降低这种带宽上的浪费，因为在G－HARQ中绝大部分错误可以通过前向纠错使用的R数据包恢复。

上述实验表明混合G－HARQ重传机制可以提升GEO卫星移动通信RLC层吞吐量性能，说明G－HARQ机制给RLC层带来的性能优化足以抵消前向纠错引入的冗余数据包的花销。另外，尽管FEC需要终端实现额外的解码部分，在GEO卫星移动通信系统中，卫星只需要透明转发，现今的MES的处理能力足以实现这一功能［15］。

图7 P1＝0.1、0.5时，两种重传机制下的吞吐量与P2的关系

3 结束语

在GEO卫星移动通信系统背景下，为了克服卫星链路大延迟、高误码的链路特性，本文提出了一个针对GEO卫星移动通信信道上的HARQ重传机制（G－HARQ）。此重传机制有效的减少了在传输过程中需要控制消息数量。通过仿真，在静态信道质量模型和Gilbert信道模型中评估了现有选择重传机制和G－HARQ重传机制的性能，仿真结果表示G－HARQ有效的提高了吞吐量、减少了重传时需要的控制消息的数量。RLC层通过选择重传可以恢复传输中出错的数据包，而恢复意味着带来对上层TCP协议的延迟。后续的工作应集中在GEO卫星移动通信背景下，研究基于TCP应用的性能表现，进一步分析TCP与RLC层ARQ协议如何协作以便在GEO卫星移动背景下获得更好的表现。

［1］Wu Jianjun，Cheng Yuxin，Wang Kun，et al.A GEO satellite mobile telecommunications system architecture design based on UMTS／S－UMTS［C］／／Beijing：Wireless Communications ＆ Signal Processing，2009：1－5.

［2］Ravishankar C，Morris A，Barnett C，et al.Design and performance of a 3Gmobile satellite system［C］／／Baltimore MD：MILCOM，2011：1946－1951.

［3］ETSI TS 101 376－4－12V2.3.1，GMPRS（Release 2）；Part 4：Radio interface protocol specifications；Sub－part 12：MES－BSS interface；RLC／MAC protocol［S］.

［4］Lott C，Milenkovic O，Soljanin E.Hybrid ARQ：Theory，state of the art and future directions［C］／／Solstrand：IEEE Information Theory Workshop on Information Theory for Wireless Networks，2007：1－5.

［5］Chen Q，Fan P.Performance analysis of Hybrid ARQ with code combining over interleaved Rayleigh fading channel［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2005，54（3）：1207－1214.

［6］Le Duc A，Le Martret C J，Ciblat P.Delay and Jitter closedform expressions for cross－layer hybrid ARQ schemes［C］／／Anchorage AK：Vehicular Technology Conference Fall，2009：1－5.

［7］Le Duc A，Le Martret C J，Ciblat P.Efficiency closed－form expressions for any IR－HARQ scheme at the IP level［C］／／Marrakech：Signal Processing Advances in Wireless Communications，2010：1－5.

［8］Andriyanova I，Soljanin E.IR－HARQ schemes with finitelength punctured LDPC codes over the BEC［C］／／Taormina：Information Theory Workshop，IEEE，2009：125－129.

［9］Wu P，Jindal N.Coding versus ARQ in fading channels：How reliable should the PHY be？［C］／／Honolulu HI：Global Telecommunications Conference，2009：1－6.

［11］Ausavapattanakun K，Nosratinia A.Analysis of selective－repeat ARQ via matrix signal－flow graphs［J］.IEEE Transactions on Communications，2007，55（1）：198－204.

［12］Badia L.On the effect of feedback errors in Markov models for SR ARQ packet delays［C］／／Honolulu HI：Global Telecommunications Conference，2009：1－6.

［13］Ausavapattanakun K，Nosratinia A.Analysis of go－back－N ARQ in block fading channels［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2007，6（8）：2793－2797.

［14］Peter McGuiggan，GPRS in Practice：A companion to the specifications［M］.Wiley，2004.

［15］Wang Xiaoqiu，Konishi S，Kitahara T，et al，Experimental evaluation of adaptive SR－SW－ARQ／FEC scheme for ultra lowlatency mobile networks［C］／／Kowloon：Wireless Communications and Networking Conference，2007：378－383.