[通信工程电子信息工程信息工程论文]流星突发通信中的harq技术研究

[通信工程电子信息工程信息工程论文]流星突发通信中的harq技术研究内容摘要：

观察的系统，实际上是探测门限 1A 的函数。 将 （ ）代入（ ）中，则  /T a N。 占空因数 P 与 T 成比例，所以：  11aP A A A （ ） 过密度余迹的出现增加了观察到的 a 值，通常 a 的取值范围在 — 之间。 流星突发通信的基本原理 要实现 流星突发通信 ，在通信系统中除了收发信机和天线外，还必须有 一套灵敏高效的自动监测、控制设备和信息存储装置。 点对点的流星余迹示意图如图 所示。 整个通信系统可以双工工作，也可以半双工工作，半双工工作时可预先约定站点的主从关系， 确定主动探测方和先发送数据方。 流星突发通信 系统中的设备有两种工作状态，一种是空闲待发状态，另一种是信息突发状态。 如图 所示，当收发天线波束相交的区域内没有出现合适的可供利用的流星余迹的时候，为了探测和捕获流星余迹，主站点 A 在不断地向从站点 B 发送探测 (信标 )信号，从站点 B 始终处于空闲待发接收状态。 数据源来的数据经压缩、打包处理后，暂 存在发信机的存储器里。 图 流星突发通信 示意图 11 当收发天线波束相交的区域内出现流星余迹时，主站点 A 和从站点 B 之间的信息和数据的交换过程如图 所示。 T流 星 余 迹主 站 A 发从 站 B 收从 站 B 发主 站 A 收S SD1— DmSD1— DmR Rd 1 — d nR Rd 1 — d oS S T ：流星余迹存在时间 S ：主站发的探测信号 R ：主站和从站间的应答信号 D1 一 Dm ： 主站 A 发的、 从站 B 收到的数据信息 d1 — dn ： 从站 B 发的数据信息 d1 — do ： 主站 A 收到的数据信息 图 流星余迹点对点通信信息和数据交换过程 如图 所示，从站点 B 收到主 站点 A 发出的探测信号 S，经过识别处理后，如果确认是自己通信对象主站点 A 发的，就迅速切换到突发状态，发出一个回答信号 R，又迅速切换到待发接收状态，主站点 A 收到应答信号 R，经过识别以后，如果确认是自己通信对象从站点 B 发的，整个通信系统立即由待发状态迅速切换到突发状态，自动控制装置以极快的速度打开发信机，此时发信机将事先存储好的信息 D，一股脑儿地通过流星余迹发射12 出去。 与此同时，从站点 B 的接收机自动接收来自发端的信息 D。 主站点 A 发完一定长度的信息 D1— Dm 后，切换到接收状态，准备接收从站点 B 的信号，从站点 B 收完一定 长度的信息 D1— Dm 后，切换到发送状态，发送回应，回应信号里包含发给主站点 A 的应答信号 R 和数据信号 d1— dn。 到一定时间后，主站点 A 又开始发送探测信号 S，如主站点 A 能收到从站点 B 发的应答信号 R，则重复以上信息、数据的交互传输过程。 一旦流星余迹消失，主站点 A 收不到应答信号 R，从站点 B 收不到探测信号 A ，则通信系统自动恢复到等待状态，准备下次出现流星余迹时再通信。 如图 中所示，由于流星余迹出现的随机性、突发性、间断性，主站点 A 和从站点B 之间的信息交换有多种情况出现： 主站 A 发出数据信息 D1— Dm，在发送 的过程中，流星余迹已经消失，从站 B 有可能没有收到或收不全。 主站 A 也收不到从站 B 发出的应答信号 R；从站 B 在回应信号里发出的数据信息 d1— dn，在发送的过程中，流星余迹已经消失，主站 A 有可能没有收到或收不全；流星余迹时间较长，主站 A 和从站 B 之间的一次信息交换过程能够完成；不管以上过程有否完成，主站 A 到一定时间又开始发送探测信号 S ，重新开始新的通信过程。 以上所有过程均严格按照相关的通信协议在进行，双方在传输信息时中还要有纠错、重传等 控制信号，这样才能知道什么时候信道终止、信息交互到了 哪一包。 一份信息量比较大 的数据报文，往往需要经过几次传送才能完成，收方收到的信息中，一般包含发站地址信息、收站地址信息、有用数据、信息包号等内容，收方处理后提取有用数据。 收方将陆续收到的信息先存储起来。 然后集零为整打印出一份完整的报文。 因此，流星突发通信 实际的数据传输效率相对较低。 流星突发通信的信道 根据天问观测统计，每天有大约一吨的流星（包括宇宙尘埃） 进入地球大气层。 它们流下了一条细长的高电离 密度的 电离 气体柱。 通常按流星余迹电子线密度 q（余迹单位长度的电子数）的大小将流星通信信道分为欠密度和过密度 两种。 一般以 14 110m 为界，低于此值的为欠密度。 虽然欠 密度类呈指数衰减，且持续时间更短，但由于 其出现频率远大于过密度类，因此我们主要以欠密度类为对象建立流星突发通信信道模型，如图。 13 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1100 . 0 20 . 0 40 . 0 60 . 0 80 . 10 . 1 2T i m e ( s )(E0/N0)/(E0/N0)0 图 欠密度余迹 0/bEN的指数衰减 经过欠密度 余迹反射所接受到信号的功率可表示为：     2/0 LtTRRP t P e （ ） 其中， 0RP 为初始接受功率， LT 为流星平均持续时间。 假设在接收端噪声功率谱密度为一 常数，则接收符号 0/sEN为：        2/ 2/00 000 0// L LtTRR tTssP t P eE N E N eR N R N     （ ） 如果噪声和信号带宽相等，则在信号带宽上结合搜到的噪声功率可表示为：    2 eN t kR t T （ ） 其中 Rt为数据传输速率， k 为波兹曼常数， eT 为噪声温度。 则信噪比 SNR 可以表示成数据传输速率 Rt的形式：          2/ 2/320 L LtT tTRR TP t P e A P q eS N R t N t N t R t    （ ） 14 从公式可知，接收 信噪比 SNR 与数据传输率 Rt有密切关系，这将为提高通信系统性能带来重要帮助。 流星突发通信协议 发射机和 接收 机在进行通信之前必须确定通信信道可利用性，使发射机和接收机能达到同步工作。 所有的系统完全达到同步之后才可以进行信息传输。 而且系统还必须能够判断信道的消失，停止信息传输。 如果必要，需要开始新的同步过程，然后重复上述过程。 管理 着 这一过程任务的程序就是通信协议。 主要的有两种类型的 MB 协议：点对点模式和广播型模式。 点对点的模式又可以分为三种子模式：第一种协议、第二种协议和自动 请求重传 （ ARQ）协议。 在用广播协议的系统中，发射机不判断余迹的出现就连续不断的发射足够长时间的信息，在确保允许的概率情况下，所有的接受者都能收到信息或数据。 点对点协议的系统是较为普遍应用的。 此类协议工作原理如下 ： 1） 第一种协议：接收机连续发射探测信号，当发射机接受到探测信号时，它就开始连续不断的传输相同的信息包，一直到完成信息的接受概率下来为止。 传输在余迹开始 之后近似 t 秒 才开始。 这相当于在发射机和接收机之间传输一路信息的延迟。 2） 第二种协议：发射机探测余迹的出现，当接收机收到探测信号时，它就发送一个确认。 发射机 收到确认后，它就传输一包信息，且每次仅传输一包，然后开始新的同步工作。 信息的传输在余迹出现之后 2t 秒 才开始，这相当于发射机和 接收 机之间传输两路信息的延迟。 如果探测发射和 接收 用不同的频率，这种协议就是全双工的。 若发射和接 收用相同的频率，就是单工或半双工。 用全双工的工作 方式 ，探测传播和应答是同时的，减少了握手的信头时间。 用单工的工作方式增加了信头的传播时间。 3） 自动 请求 重传 协议（ ARQ）：发射机发送一包到接收机，然后等待结合搜集的确认，接收机的肯定确认（ ACK），表明发射包已经成功接收，发射机就发送下一包。 否 定确认（ NAK），表明发射包接收失败，发射机要重新发射相同的包，一直到正确接收为止。 流星突发通信系统的性能通常用每次突发系统的 吞吐量 、在某一时间段内成功发送信息的概率或可用流星余迹出现之前的等待时间等来衡量。 近年来许多研究者提出了很多通信协议，并且也修改了几个已知的通信协议，使通信系统的性能得到了很大的改进。 下表列出了几种不同的通信协议对系统 吞吐量 的改进情况。 15 方法 编码 自适应编码 ARQ 混合ARQ（ HARQ） 自适应 ARQ 可变数据率 吞吐量 的改善 25% 75% 30% 50% 90% 300% 上表所总结的技术可以用现有的信号处理设备来实现。 不同的方法中其复杂性变化不大。 16 第 3 章 HARQ 的概述 由于无线信道受大气环境、地形、移动等因素的影响，常处于不稳定状态，给数据传输特别是告诉传输带来了很大挑战。 前向纠错（ FEC）和自动请求重传（ ARQ）是无线通信系统常用的两种差错控制技术。 FEC 不需反馈信道而且时延小，但在传输条件不稳定的无线信道中，效率较低，并且不能保证信息数据传输的可靠性。 与 FEC 相比， ARQ 可以保证数据传输的可靠性，但需要反馈信道，而且重传增大了系统传输时延。 为提高数据传输效率，保证传输可靠性，将 FEC 和 ARQ 相结合，这就是混合 ARQ（ HARQ）。 其基本思想是用FEC 来纠正传输中的多数错误，少数不可纠的错误通过重传来纠正，这样既保证了信息的可靠性又能兼顾有效性。 为适应无线传播条件， HARQ 系统一般都会应用纠错能力较强的编码，其系统性能在很大程度上由纠错编码的性能 决定 ，同时 ARQ 协议也是围绕着纠错编码进行设计的，因此纠错编码在 HARQ 系统中占有重要地位。 Turbo 码等香农极限编码的出现，是编码 技术发展的一个重要突破，它们的性能大大优于以前的纠错编码，非常适合于无线数据传输。 香农极限编码技术的发展以及在 HARQ 中的应用，进一步促进了 HARQ 技术的发展并且提高了 HARQ的性能。 HARQ 系统的原理 在 HARQ 系统中，是否将重传前后的两个或多个数据包的信息进行合并解码以及采取什么方式合并，是系统分析和设计的一个关键问题，不同的合并方式往往是区别系统类别的主要依据。 图 所示的是 HARQ 系统，它主要由信道编码、 收发 缓冲区和发送应答控制组成。 发端先对信源信息进行检错和纠错编码，存入发送缓冲区， 通过信道将全部或部分缓冲的信息以数据包形式发送。 收端接到数据包后，先缓存，再进行信道译码、检错。 若正确，向发端发送 ACK 应答，表明发送成功，开始新的数据包的发送；反之发送 NAK 应答，请求重发，发端收到重发请求后，根据一定策略来重发有关信息，如此往复 直到 解码成功或达到预先设定的最大重传次数。 通常 HARQ 系统传输的信息 包括系统信息（信源原始信息）、纠错信息和校验信息。 17 发 送 控 制 反 馈 信 道反 向 应 答 控制信源信 道编 码发 送 缓 冲调制前 向信 道解调信 道 译码 ， 检 错输 出接 受 缓 冲 图 HARQ 系统 HARQ 系统的性能指标 衡量 HARQ 系统性能指标 很多，其中最主要的就是平均通过率。 平均通过率指单位时间内系统成功接收的比特数与系统可发送比特数的比值。 平均通过率用来衡量系统的有效性，很多文献也同时使用误码率或误包率来衡量系统的有效性。 另外，平均时延也是一个常用的性能指标。 HARQ 的实质就是用系统 的复杂度和时延换取系统传输的可靠性，提高系统的传输效率。 分析 HARQ 系统 性能 通常包括两个方面的工作，一个是协议层次上的分析，另一个是纠错编码性能的分析。 协议层分析就是根据 HARQ 的重传方式、合并方式、缓冲区处理等协议进行分析。 编码性能分析通常是根据码字的重量分布 ，计算在最大似然译码时，它的误码率或误包率性能界，传统的联合界不能很好的逼近编码的实际性能，近期出现的一些紧致界对编码性能的分析要大大优于联合界，适合于 HARQ 的性能分析。 HARQ 系统的重传方式 HARQ 系统有三种基本的重传范式：等停式、返回 N 式和选择重传。 它们的工作原理如下： 1） 等停式（ SW）：发端发出一个数据包后，在收到 ACK 或 NAK 应答后再发送新的数据包或重发数据包，期间信道处于空闲状态。 对于环回时间比较大或数据速率交大的场合，SW 方式效率很低。 2） 返回 N 式（ GBN）： 发端 发送数据包后，将继续发 送后续数据包，设在环回时间内 可 发送 N 个数据包，收端根据检错的结果对每个数据包依次发出 ACK 或 NAK 的应答，当发18 端收到某个数据包的 NAK 用到后，将重发本数据包和在环回时间内发出的 N 个数据包。 GBN 方式在环回时间较小或信道 错误 概率较小时，可以得。