衛(wèi)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(xiàn)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(wèi)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(yè)務需要。為滿足衛(wèi)星高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅疚幕谛l(wèi)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(shù)據(jù)傳輸技術如自適應調制編碼(AMC)、混合自動請求重傳(HARQ)在衛(wèi)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(wèi)星信道與地面信道一樣隨時間變化，易受環(huán)境影響，加之衛(wèi)星通信延時長、時延帶寬積高的特點，最終使衛(wèi)星網(wǎng)絡不同協(xié)議層之間的性能相互影響。因此，衛(wèi)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(fā)，對衛(wèi)星移動通信特點和跨層設計作了簡要介紹，建立典型衛(wèi)星移動通信信道模型，提出一種適用于衛(wèi)星移動通信的HARQ聯(lián)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(tǒng)的平均頻譜利用率。
1 衛(wèi)星移動通信特點及跨層設計
　衛(wèi)星移動通信的一系列突出優(yōu)點[4]使得它非常迅速地成為通信領域中發(fā)展研究方向和現(xiàn)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(tǒng)業(yè)務質量和數(shù)據(jù)的有效傳輸將受到直接影響，最終影響業(yè)務推廣。實際中采用自動請求重傳ARQ(Automatic Repeat reQuest)解決數(shù)據(jù)丟失問題，但傳統(tǒng)ARQ僅將出錯數(shù)據(jù)丟棄而未充分利用，無形中浪費了系統(tǒng)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(fā)揮AMC技術的優(yōu)勢。針對這兩個問題，考慮在衛(wèi)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(tǒng)資源為原則，旨在大幅度提高通信系統(tǒng)各項性能，滿足用戶對不同業(yè)務的QoS需求。它打破網(wǎng)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(xié)議最優(yōu)化，而后者強調在不同層之間傳輸參數(shù)實現(xiàn)動態(tài)適應。結合衛(wèi)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(lián)合考慮。
2 L/P跨層設計方法
2.1 系統(tǒng)模型
    本文基于衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，考慮地面關口站經(jīng)衛(wèi)星中繼且與地面移動終端之間單發(fā)單收的通信情況，簡化系統(tǒng)如圖1所示。其工作原理為：根據(jù)鏈路層所容忍的最大延時，選擇最大的傳輸次數(shù)；根據(jù)誤包率要求確定物理層模式選擇切換的臨界點；用循環(huán)冗余校驗(CRC)來檢驗信息數(shù)據(jù)包是否正確譯碼，確定重傳的必要性；根據(jù)信道估計值，選擇最優(yōu)的調制編碼方式，實現(xiàn)傳送數(shù)據(jù)速率最大化。

    在實際應用中，根據(jù)移動終端所處物理環(huán)境的不同,衛(wèi)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(shù))信道模型描述衛(wèi)星移動信道質量參數(shù)。Nakagami-m分布可以通過控制參數(shù)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(shù)，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(xiàn)最優(yōu)傳輸。

2.2 HARQ聯(lián)合AMC的L/P跨層設計
　    在實際的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，一方面，系統(tǒng)能夠容許的延時是有限的，因此每個數(shù)據(jù)包的傳輸次數(shù)將受到限制，系統(tǒng)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(shù)部分就是系統(tǒng)能夠容許的最大傳輸次數(shù)Nmax，如果在傳輸次數(shù)Nmax之內，接收端仍然不能正確解碼，將丟棄這包數(shù)據(jù)，進行下一包數(shù)據(jù)的傳輸。另一方面，不同業(yè)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(lián)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(wěn)定性、可靠性好，有較高的頻譜利用率。考慮衛(wèi)星移動信道的實際情況和仿真復雜度，設定最大重傳次數(shù)Nmax≤3。AMC技術根據(jù)信道質量反饋，動態(tài)選擇匹配當前信道狀況的最佳調制編碼方式，以實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率和可靠通信。在編碼方式上，在衛(wèi)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)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(wèi)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(tǒng)開銷，故而在此只選用6種方案。系統(tǒng)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(wèi)星信道功率受限的情況。通過設置各級MCS切換門限，根據(jù)系統(tǒng)的SNR值區(qū)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(xiàn)對碼率的調整。

    不同Nmax下AMC切換調制方式的數(shù)值點如表3所示。

    按照上面的跨層設計方法，整個系統(tǒng)的運行流程為：每個數(shù)據(jù)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(shù)為Nmax時的重傳規(guī)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(shù)信息。下面分別給出不同Nmax時的HARQ聯(lián)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(xiàn)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(yè)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(tǒng)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(lián)合AMC的L/P跨層設計的系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)傳輸速率明顯提高，系統(tǒng)較為穩(wěn)定。同時還可以看出，隨著最大重傳次數(shù)的增大，系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)僅需要較小的緩沖區(qū)和時延既可以實現(xiàn)較高的頻譜利用率。

    跨層設計對提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能有良好的前景，國際衛(wèi)星及空間通信專題研討會IWSSC2005曾對衛(wèi)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(tǒng)平均頻譜利用率的L/P跨層設計方法，基于實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅鶕?jù)典型的衛(wèi)星移動通信信道情況，通過HARQ技術聯(lián)合AMC技術，使得系統(tǒng)平均頻譜利用率得到了有效提高，為將來設計衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸提供一定的理論支撐。未來衛(wèi)星通信中跨層設計研究方向是協(xié)調設計整個系統(tǒng)，各層之間相互都有接口，綜合考慮系統(tǒng)各層參數(shù)，如物理層誤比特率、網(wǎng)絡層時延或路由效率等，以充分利用資源、優(yōu)化系統(tǒng)整體性能。
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