城际铁路通信系统跨层自适应传输方案研究

张 婷

铁路数字移动通信系统 （GSM－R）作为珠三角城际轨道交通工程的核心技术之一，在沿线提供无线网络覆盖；为调度命令传送、无线车次号校核提供无线数据传输通；提供无线语音和短消息服务。为保障列车的安全运行，GSM－R比公众移动通信系统要求具有更高的可靠性和QoS。

现有的GSM－R系统中，若不同等级的业务釆用相同的传输方案，则不能满足高等级业务的可靠性需求，反而还会造成低等级业务资源浪费，降低效率。而且城际铁路通信系统信道变化剧烈，信号深衰落，掉话率、阻塞率激增，频率干扰严重，以及负荷较大的地区资源不足导致的接入时延大等问题，严重影响铁路运输的可靠性、安全性和有效性，一旦系统出现错误，将直接影响列车控制和列车调度的正常进行，严重的将酿成重大的安全事故。因此，根据业务类型的不同需求，优化城际铁路通信系统传输方案是十分必要的。

1 跨层设计

跨层设计是无线通信系统的一项先进技术，通过整合协议栈，可有效利用和管理无线资源。也就是说，为了满足各业务类型的不同需求，通过传递各协议层的特定信息来调整各层之间的操作参数，以适应无线环境。跨层设计要求在各层之间进行信息共享，根据各层协议的不同要求和状态来调节相关协议层的参数，对系统的整体性能进行优化。跨层设计充分利用调制编码技术、传输功率控制、信道状态等资源，实现系统总传输功率的最小化、吞吐量最大化以及总误包率最小化。

按照消息传递方向，可将跨层设计分为2类。

1.由上层到下层机制。底层根据高层信息来调整其资源分配和传输策略，满足高层QoS需求。

2.由下层到上层机制。下层发送状态指示信息到上层，上层通过对下层提供的反馈信息，做出相应的决策，优化系统性能。

基于城际铁路承载的业务，跨层设计采用由下至上的机制，联合物理层的自适应调制编码（AMC）技术和链路层的自适应重传 （HARQ）技术对传输方案进行优化，并通过仿真分析这种优化方案的系统性能。

2 AMC－HARQ跨层自适应传输设计

城际铁路通信系统承载的主要业务，有电路域数据话音业务和分组域数据业务。具体如表1所示。

表1 珠三角城际GSM－R系统承载的铁路业务现状

电路域数据话音业务对实时性要求较高，又要十分准确地传递信息，具有最高或者较高的优先级；分组域数据业务对实时性要求较低 （与电路域业务相比），突发性强，有一定的数据量。本文将跨层设计应用于城际铁路无线通信系统中，根据业务类型的不同，在物理层和链路层进行AMCHARQ跨层优化设计。AMC－HARQ跨层自适应传输的系统模型如图1所示。

图1 AMC－HARQ跨层自适应传输的系统模型

物理层釆用自适应调制编码技术，根据业务类型分类，制定M种调制方式和编码方式。首先，接收端通过信道测量技术，估计出信道质量信息，并通过反馈信道，将信道质量信息反馈给发送端；然后，发送端根据接收到的信道质量，选择下次传输要使用的调制编码阶数。

MAC层采用同步并行停等协议即HARQ协议。首先对各数据帧分别进行CRC编码，级联构成数据帧进入物理层。物理层使用FEC编码对整个数据帧进行编码，然后存入缓存用以进行重传。接收端经过译码、CRC校验后，回送确认帧。确认帧包含了帧确认号和重传比特向量。帧确认号表示链路层上一个按序接收的帧的序号，重传比特向量比接收窗口长度 （W）小1的比特向量，即长度为 W－1。比特向量表示当前接收窗口的所有帧接收情况，如 “1”表示需要重传，“0”表示接收成功。由于重传比特向量是接收窗口的历史移位记录，即使当前的确认帧因信道变化而丢失，确认帧也不应重发，因为后续的确认帧包含历史的接收记录。确认帧格式如图2所示。

收发双方的链路层都缓存W个数据帧。发方维护发送缓存和重传列表，发送缓存中保存着当前发送窗口中未确认的帧，重传列表中保存了待重传的帧序号。收方的接收缓存保存当前接收窗口中乱序的数据帧，当接收到的帧有序后，链路层向上提交最近一段有序帧。

图2 确认帧

发端的等待定时器时延Tw计算：

Tw＝Tround＋Tf

Tround＝Tp＋2Trtt

其中，Tround是发端的处理时延 （Tp）加上2倍的链路往返时延 （Trtt）；Tf是每一帧的链路传输时延。

3 AMC－HARQ跨层自适应传输性能分析

本文使用Matlab仿真工具对基于AMCHARQ跨层自适应传输系统进行仿真分析，模拟信道使用瑞利衰落信道模型，每个数据包中含信息位500bit，通过1/3码率的卷积码，仿真包数目每次1000个，结果取6次平均值，同时假设CRC能正确校验。

在物理层，提供不调制、BPSK、QPSK、8PSK等4种传输模式，系统可以根据AMC中每种传输模式的瞬时误包率 （PER）和接收到的SNR在各种物理层传输模式之间的关系，自适应地选择合适的调制编码方式。

在链路层，要综合考虑时延、误包率和吞吐量，真正满足城际铁路不同业务的QoS要求。设置最大重传次数为N＝0、1、2，测试在不同干扰条件下，不同的业务类型的成功率，见图3，图4，图5。

可见，通过AMC－HARQ跨层自适应传输方案，当链路层重传1次，可以在5%干扰情况下实现95%的接收成功率；链路层重传2次，可以在5%干扰情况下实现99%的接收成功率，在10%干扰情况下实现94%以上的接收成功率。

综上所述，根据业务类型不同分类，对实时性要求较高且数据量小的电路域数据、话音业务，系统可采用不重传或重传1次模式；对实时性要求较低分组域数据业务，突发性强，且有一定的数据量，系统可采用重传2次模式保证接收成功率。

图3 未采用链路层重传报文成功率与MTU长度的关系

图4 采用1次链路层重传报文成功率与MTU长度的关系

图5 采用2次链路层重传报文成功率与MTU长度的关系

4 结束语

本文针对城际铁路专用业务对可靠性和安全性要求较高的特点，提出链路传输关联业务数据类型的跨层自适应传输方案，分析综合AMC和HARQ技术时的系统平均误包率和接收成功率等指标。仿真结果表明，改进的跨层设计方案可显著提高系统的可靠性和安全性，满足城际铁路通信系统的各种类型业务要求。

［1］ Stevens W R.TCP/IP详解［M］.北京：机械工业出版社，2000：209－250.

［2］ Padhye J，Firoiu V，Towsley D F，et al.Modeling TCP reno performance：a simple model and its empirical validation［J］.Networking，IEEE/ACM Transactions on，2000，8：133－145.

［3］ Mahdavi J，Floyd S.TCP－friendly unicast rate based flow control［EB/OL］.http：∥www.irtf.org/charters/end2end.html，1997.