適用于衛星通信的虛擬ARQ機制

劉　剛，竇志斌，國曉博（中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊050081）

適用于衛星通信的虛擬ARQ機制

劉剛，竇志斌，國曉博
（中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊050081）

隨著載人航天技術的發展，越來越多的航天任務需要利用衛星通信進行信息傳輸。已有的研究成果大都采用了ARQ機制來降低衛星信道的數據丟失率。然而由于衛星信道還具有長時延的特點，因此ARQ所采用的反饋機制會大幅增加衛星信道的傳輸時延。為了克服衛星信道中反饋機制帶來的大時延問題，提出了一種虛擬ARQ（Virtual ARQ，VARQ）機制。在VARQ中，發送端并不依靠接收端的反饋信息來進行分組重發，而只根據當時估計的丟包概率來決定傳輸策略，從而可以大幅降低衛星信道的傳輸時延。隨后，還對VARQ所具有的一些時延性質進行了理論證明。仿真結果顯示，相對于選擇性重傳ARQ機制，VARQ機制能夠降低大約25.69%的時延。

衛星通信；長時延；ARQ；VARQ

1　引言

隨著衛星通信技術的高速發展，有越來越多的應用服務開始利用衛星網絡進行信息傳輸。尤其是在載人航天領域，有很多信息都經過中繼衛星實現地面端和航天器之間的交互。因此，衛星通信中的業務傳輸性能及服務質量成為近年國內外學者廣泛關注的問題。

衛星通信信道所處的環境非常復雜，其特性并不理想，是一種變參信道。接收端不僅會受到地理環境引起的衰落和陰影以及移動引起的多普勒頻移的影響，而且還會受到開放式信道結構帶來的各種干擾和噪聲的影響。這些衰落和干擾嚴重影響到衛星信道的通信質量，因此，為了降低衛星信道的數據丟失率，提高衛星信道的數據傳輸可靠性，可借鑒地面差錯控制技術，尤其是自動重傳請求（Automatic Repeat reQuest，ARQ）技術。

ARQ主要有停止等待、后退N步和選擇性重傳3種重傳方式。在停止等待式通信模式下，發送端每發送一個分組就停下來等待從接收端反饋的應答信號，若反饋否定應答信號NACK，就重發該分組；若反饋肯定應答信號ACK，就接著發送下一個分組。在后退N步式通信模式下，發送端連續發送分組，當接收端反饋一個分組的NACK后，接收端會重發該分組及該分組以后的所有分組。在選擇性重傳式通信模式下，接收端也會連續發送分組，但是只重發接收端反饋的NACK的分組。因此，可以明顯看出，在具有長時延特性的衛星信道環境下，選擇性重傳的發送效率明顯優于停止等待和后退N步模式［1］。

然而由于衛星信道具有傳播時延長、鏈路傳輸易出錯等不同于地面無線網絡的特點。而這些衛星信道獨有的特點致使很多在地面設計的協議用于衛星網絡時效率很低［2］。當前已有一些工作對于空間信道［3］環境和深空環境［4］使用各種模式的ARQ時的鏈路性能進行了深入分析。此外，也有研究［1，5］在借鑒地面ARQ傳輸機制的思想上，針對衛星環境對ARQ機制進行了適應性改進。但是，這些工作都利用了ARQ的反饋機制，而在長時延的衛星信道環境下，這些反饋信息會大幅度增大信息的傳輸時延。有很多應用對時延敏感，尤其是在經過衛星中繼的航天器操作指令等數據量較少、較緊急的信息傳輸上，因此，需設計有效的傳輸機制來盡量減少衛星信道的時延。

為了克服衛星信道中反饋機制帶來的大時延問題，本文提出了一種虛擬ARQ（Virtual ARQ，VARQ）技術。在VARQ中，發送端只根據當前時刻估計的丟包概率來決定傳輸策略，并不依靠接收端的反饋信息來進行分組重發，因此可以大幅降低衛星信道的傳輸時延。

本文先對N通道停止等待式ARQ重傳機制進行了介紹；然后給出了系統模型，并在借鑒N通道停止等待式ARQ機制的思想上，提出了適用于衛星通信的VARQ機制，VARQ不需要接收端的反饋信息，而是根據發送端估計的分組單次傳輸丟失概率來決定傳輸策略；隨后，在理論上分析了VARQ具有的一些性質，并對VARQ進行了仿真實驗驗證。

2　 N通道停止等待式ARQ機制

在停止等待式ARQ模式下，當折返時間RTT遠大于發送一個數據包所需時間的時候，就會使信道處于閑置狀態的時間遠大于處于工作狀態的時間，從而導致信道的傳輸效率非常低下。為了解決這個問題，地面3GPP LTE系統［6］［7］采用了N個通道并行的、各自運行一套停止等待式ARQ協議共用一個物理信道的方式，稱為N通道停止等待式ARQ，從而當一個ARQ通道在等待反饋信息時，會有另一個ARQ通道在共有物理信道上發送數據，于是就能夠使信道一直保持工作狀態，因此最終能夠很好地克服停止等待式ARQ機制效率低下的問題。N通道停止等待式ARQ工作機制如圖1所示：

圖1　 N通道停止等待式ARQ機制Fig.1 N processes stop and wait ARQ mechanism

對于N通道停止等待式ARQ機制，當通道0停下來等待確認信息期間，通道1、通道2、通道3……會不斷地向信道上發送分組數據包，直到通道0收到確認信息之后，通道0就可以接著發送后面的分組數據包。N通道停止等待式ARQ機制就將以這種方式周而復始的運行下去，各個通道之間沒有任何共享的信息，互不干擾，但共享物理信道卻一直保持功能狀態，于是很好地克服了停止等待式ARQ機制傳輸效率低的問題，最終能夠達到接近選擇性重傳ARQ機制的性能。

對于N通道停止等待式ARQ機制，一個ARQ通道在傳輸一個分組后，需等待RTT的時間才能進行下一次傳輸。在這段時間內，需要發起其他的并行ARQ通道來傳輸分組，以充分利用資源。ARQ的通道數量N的大小與傳輸時延和設備的處理時延直接相關。RTT越大，需要并行的ARQ通道越多。

3　虛擬ARQ重傳機制

在衛星信通信環境中，由于兩個終端之間物理距離較遠，無論是使用何種ARQ機制（停止等待、回退N、選擇性重傳、N通道停止等待），都需要等待接收端的反饋信息，從而導致了信息的過大傳輸時延。為了降低傳輸時延，本文提出接收端在不依據反饋信息的情況下，而只根據當時估計的鏈路丟包率信息，來決定分組數據的傳輸策略，從而可以極大地降低衛星信道的傳輸時延。

3.1系統模型

本文考慮的網絡模型如圖2所示。發送端通過透明轉發的中繼衛星將信息傳輸給接收端。其中發送端可以是地面衛星終端、地面移動終端，接收端可以是地面衛星終端、地面移動終端、航天設備。稱由發送端發送分組信息到接收端方向的鏈路為前向鏈路，由接收端發送分組信息到發送方的鏈路為反向鏈路。本文只考慮前向鏈路的情況，但由于反向鏈路在傳輸方式上和前向鏈路完全一致，因此本文的研究成果同樣適用于反向鏈路。

圖2　網絡模型Fig.2 Network model

為了簡化系統處理，可以調整分組數據包長度大小，以達到每1 ms發送一個分組數據包。假設有NG個分組數據包需要發送，可以用符號gi表示第i個分組數據包，其中1≤i≤NG。同時假設衛星信道是一個慢衰落信道，因此對于每一個分組數據包，可以假設根據歷史分組數據包信息估計的單次發送丟包率即為當前數據分組數據包單次發送丟失的概率；該單次發送丟包率會每隔一段時間進行更新。已有很多工作［8］［9］對實時丟包率信息進行了估計，但本文只集中于根據丟包率信息來決定傳輸策略，而對實時丟包率的估計內容則超出了本文的研究界限。假設分組gi發送的次數為Mi，可以用符號pi，j表示分組gi在第j次發送時的單次發送丟失率，其中1≤j≤Mi。

VARQ機制是一種根據N停止等待式ARQ機制改進的適用于衛星通信等長時延環境下的差錯控制機制，它并不利用反饋信息，而只是根據歷史估計的丟包率信息來預測當前分組的發送失敗概率，并決定是重傳上一個分組還是接著傳輸下一個分組。假設VARQ共有N個通道，則每個通道在發送完一個分組數據后，至少在N ms之后才會發送下一個數據或者重傳上一次發送的分組，如圖3所示。因此本論文的目標就是確定每一個通道在被調度發送數據包時，是傳輸下一個分組數據還是重傳上一次發送的分組。

圖3　 VARQ機制圖示Fig.3 Diagram of VARQ mechanism

3.2 VARQ詳述

為了適應衛星信道的長時延特性，采用N通道停止等待式ARQ機制。同時，考慮到協議實現復雜度，N的數值不宜過大。為了減少衛星信道的傳輸時延，VARQ取消了反饋確認機制，而是根據歷史的丟包概率來決定每個分組數據包的發送方式。

VARQ依次輪詢調度每個通道進行數據包傳輸。每個通道起始都依次傳輸最先未被傳輸的數據包。

假設應用業務需求（可容忍）的最大丟包率為Pmax，則某個通道在被調度傳輸分組數據包時，首先要確定是重傳上一個分組數據包，還是傳輸下一個分組數據包。假設上一個分組數據包為gi，且gi已被發送過mi次，則該分組數據包未被成功接收到的概率如式（1）：

若當前分組數據包的丟失概率Pi，mi大于可容忍的最大丟包率Pmax，并且已傳輸次數還未達到最大傳輸次數，則需要重發分組gi，并更新相關信息；否則表明該數據包的丟失概率已滿足需求或者達到了最大傳輸次數，此時就要標記該分組為已傳輸完畢，并在隨后發送下一個未被傳輸的分組。即式（2）：

其中M為每個數據包的最大傳輸次數。

若所有分組都已傳輸完畢，則傳輸過程結束。

ARQ機制詳述如圖4所示。其中T表示所有數據包的最多發送時間。

圖4　 VARQ機制Fig.4 VARQ mechanism

4　 VARQ性能分析

本節對VARQ機制具有的一些優良性質（定理1和定理2）進行了介紹，證明如下：

定理1：對于一個分組，VARQ機制或者滿足應用業務的丟包率需求，或者達到最大傳輸次數。

證明：假設存在一個分組數據包gi，其傳輸次數Mi＜M且其丟失概率Pi，Mi＞Pmax。那么當傳輸gi的通道在傳輸完畢gi時的下一次被調度傳輸分組數據包時，會判斷是重傳分組數據包gi還是傳輸下一個分組數據包，由于此時有Pi，Mi＞Pmax且Mi＜M，根據VARQ機制描述和公式（2）可知，該通道會重傳分組gi，矛盾。故本定理成立。證畢。

定理2：VARQ的傳輸時延不會大于ARQ的傳輸時延。

證明：假設每個分組數據包gi的最大傳輸次數為M，即最大重傳次數為M-1；用符號si表示衛星信道傳輸分組gi成功所需次數。則一個分組數據包在第k次傳輸成功的概率如式（3）：

而達到最大傳輸次數M的概率如式（4）：

假設從發送端到接收端的單向時延為d，從接收端到發送端的單向反饋信息傳輸時延也為d，則選擇性重傳ARQ（SRARQ）的期望時延如式（5）：

很容易看出當N≤d時，VARQ的時延不大于選擇性重傳ARQ。而由三種標準ARQ的特性可知，選擇性ARQ的時延也不大于回退N步ARQ和停等式ARQ（包含N停止等待ARQ）。因此VARQ的傳輸時延不會大于ARQ的傳輸時延。證畢。

VARQ相對于其他ARQ而言，由于其不需要反饋信息，因此當發送完一個分組后，就可以清除該分組，而其他ARQ需要等待確認信息才能刪除分組信息；此外VARQ的時延也不小于ARQ的時延，從而VARQ需要的緩沖區更小，因此可以節省緩沖區容量。同時VARQ也不需要占用反向鏈路發送確認信息，從而能夠節省反向鏈路的帶寬。但是VARQ的缺點是在正向鏈路上會減少系統的吞吐量。

5　仿真分析

為驗證本文提出的VARQ機制的性能，對衛星鏈路進行了仿真設計。仿真場景為一個發送端連續發送一百萬個數據包給一個接收端。假設每個時刻的單次發送丟包率在［0.1，0.2］內的隨機數。同時借鑒地面ARQ技術，設置每個包的最大傳輸次數為4次，即最大重傳次數為3次。由于地面3GPP LTE中，FDD模式下的MAC層中的HARQ通道數為8，因此本仿真同樣設置VARQ的通道數量為8。在C++仿真環境下對該仿真場景進行了仿真，并在仿真中將VARQ與SRARQ的性能進行了比較。

首先考慮1，000，000個包的平均延遲隨RTT的變化情況，其中RTT從140 ms變化到990 ms（仿真結果如圖4所示）。從圖5可以看出，不論是VARQ還是SRARQ機制，其平均時延都隨RTT的增大而增大，同時還可以看出VARQ相對于SRARQ可以降低約25.69%的時延。

圖5　平均時延隨RTT變化關系Fig.5 Average delay vs.RTT

其次考慮不同正確接收分組數據包的次數對時延的影響。表1給出了單向時延設置為270 ms，即RTT為540 ms時在不同傳輸次數正確接收到分組數據包的情況。從表2可以看出，隨著正確接收到數據包的傳輸次數的增加，SRARQ相對于ARQ會極具地增大時延。當在第4次才成功接收到數據包時（或者達到最大傳輸次數），VARQ相對于SRARQ能降低約84.44%的時延。

表1　 RTT為540m s時的VARQ機制性能情況Table 1 VARQ mechanism performance when RTT is540ms

6　結論

1）提出了VARQ機制來克服衛星信道中反饋機制帶來的大時延問題；

2）對于一個分組，VARQ機制或者滿足應用業務的丟包率需求，或者達到最大傳輸次數；并且VARQ的傳輸時延不會大于ARQ的傳輸時延；

3）仿真結果顯示VARQ相對于SRARQ可以降低約25.69%的時延。

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The Virtual ARQ M echanism for Satellite Communications

LIU Gang，DOU Zhibin，GUO Xiaobo
（The54thResearch Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shijiazhuang 050081，China）

With the development ofmanned space technology，more and more space flightmissions require information transmission via satellite communication.The existing research resultsmainly use ARQmechanism to decrease the data loss probability of satellite channel.However，the acknowledgmentmechanism of ARQ will highly increase the transmission delay of satellite channel.Therefore，a Virtual ARQ（VARQ）mechanism was proposed in this paper to decrease the transmission delay of satellite channel due to acknowledgmentmechanism.In VARQ，the sender does not use the acknowledgmentmessages，and only use the estimated packet loss probability to decide the transmission policy.VARQ can highly decrease the transmission delay of satellite channel.In additon，the theoretical analysis of VARQ was also given.The simulation results showed that the VARQmechanism could decrease the transmission delay by about25.69%as compared with the selective repeat ARQ.

satellite communication；long delay；ARQ；VARQ

V423.4+5；TN927

A

1674-5825（2015）02-0130-05

2014-07-28；

2015-02-04

國家863計劃（2012AA01A505）

劉剛（1986-），男，博士，工程師，研究方向為衛星通信。E-mail：369056695@qq.com