Link16 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中消息可靠傳輸研究

引 言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，未來戰(zhàn)爭(zhēng)將以聯(lián)合作戰(zhàn)為中心，誰能以最快的方式獲得戰(zhàn)場(chǎng)中的各種信息資源，就能獲得戰(zhàn)爭(zhēng)的主導(dǎo)權(quán)。數(shù)據(jù)鏈將傳感器、指揮控制系統(tǒng)和各作戰(zhàn)平臺(tái)連接起來形成一個(gè)有機(jī)整體，以實(shí)現(xiàn)各作戰(zhàn)單元之間的信息無縫交換，為各層次的指揮員快速、準(zhǔn)確地決策提供信息保障。

戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境異常復(fù)雜，信號(hào)接收受反射、繞射、散射以及各種干擾和噪聲的影響，導(dǎo)致信道特性極為復(fù)雜。

自動(dòng)重傳技術(shù)在接收端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，若檢驗(yàn)有錯(cuò)， 則發(fā)送錯(cuò)誤信號(hào)至發(fā)送端請(qǐng)求對(duì)前一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行重發(fā)，直到達(dá)到最大重傳次數(shù) [3]。

前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)在發(fā)送端對(duì)信息進(jìn)行編碼，在發(fā)送內(nèi)容中增加冗余信息，如果在傳輸過程中發(fā)生錯(cuò)誤可以糾正，發(fā)送端無需重新發(fā)送數(shù)據(jù)，但糾錯(cuò)碼設(shè)計(jì)將降低傳輸效率 [4-5]。

在 Link16 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中， 前向糾錯(cuò)編碼采用 RS 碼（Reed-Solomon codes，RS）[6]， 將 RS 碼與自動(dòng)重傳技術(shù)相結(jié)合，提出了基于混合自動(dòng)重傳技術(shù)（Hybrid Automatic Repeat-request，HARQ）的可靠傳輸方案，在接收端將多次傳輸?shù)南⑦M(jìn)行合并，通過時(shí)間分集增益提高消息傳輸?shù)目煽啃浴?

1 Link16數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)消息可靠傳輸

1.1 可靠傳輸模型

無線通信中， 傳統(tǒng)的 ARQ（Automatic Repeat-request， ARQ）接收端接收到數(shù)據(jù)后， 若數(shù)據(jù)幀校驗(yàn)錯(cuò)誤， 則丟棄該數(shù)據(jù)包， 同時(shí)將 NACK（Negative Acknowledgement，NACK）信息反饋至發(fā)送端，發(fā)送端收到重選請(qǐng)求后重傳數(shù)據(jù)幀，實(shí)現(xiàn)雖簡(jiǎn)單，但傳輸時(shí)延大、傳輸效率較低。HARQ技術(shù)將前向糾錯(cuò)技術(shù)與 ARQ 技術(shù)相結(jié)合，接收端將上一次錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)幀和本次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀合并進(jìn)行譯碼，通過重傳帶來的合并增益提高了數(shù)據(jù)幀譯碼的正確率，從而提高了傳輸可靠性 [7-8]。

在 Link16 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中，可靠傳輸系統(tǒng)模型如圖 1 所示。發(fā)送端的數(shù)據(jù)幀經(jīng) RS 編碼后送入信道傳輸，同時(shí)該數(shù)據(jù)幀在發(fā)送端進(jìn)行緩存 ；接收端將接收到的數(shù)據(jù)幀送入 RS 譯碼，并在接收端緩存，若數(shù)據(jù)幀譯碼錯(cuò)誤，則將 NACK 指令反饋至發(fā)送端。發(fā)送端重發(fā)該數(shù)據(jù)幀，接收端將重發(fā)的數(shù)據(jù)與緩存的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)幀進(jìn)行合并處理，然后送至 RS 譯碼，直至達(dá)到最大重傳次數(shù)或數(shù)據(jù)幀譯碼正確。

對(duì)接收端來說，多個(gè)數(shù)據(jù)幀是不同時(shí)間經(jīng)過信道到達(dá)的，可認(rèn)為是相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)，可以通過合并多個(gè)數(shù)據(jù)幀獲得合并增益。

1.2 Chase 合并原理

在 Chase 合并方案中，發(fā)送端每次發(fā)送的數(shù)據(jù)幀相同，接收端按照每次接收數(shù)據(jù)幀的信噪比加權(quán)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，然后對(duì)合并后的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼 [9-10]。Chase 合并通過不同數(shù)據(jù)幀的時(shí)間分集，可獲得合并增益。最大傳輸次數(shù)為 N 的Chase 合并過程如圖 2 所示。

Chase 合并是將收到的多個(gè)碼率為 Rs 的數(shù)據(jù)幀合并，數(shù)據(jù)幀的碼率不變。若最大傳輸次數(shù)為 NMax，則接收端合并后的數(shù)據(jù) ：

式中：ri 為第 i 次收到的數(shù)據(jù)幀；αi 為合并的加權(quán)系數(shù)。數(shù)據(jù)幀的信噪比越高，RS 譯碼的正確概率就越大，當(dāng) αi 為歸一化信噪比時(shí)，該 Chase 進(jìn)行最大比合并，合并后的數(shù)據(jù)信噪比最大。但最大比合并需要計(jì)算信噪比，計(jì)算復(fù)雜度高，接收機(jī)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。在工程上，為了便于實(shí)現(xiàn)，采用等增益合并，接收端合并后的數(shù)據(jù)：

式中 N 為當(dāng)前傳輸次數(shù)。

1.3 可靠傳輸方案

基于以上分析，在 Link16 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中，本文提出了消息可靠傳輸方法，算法的實(shí)現(xiàn)流程如下。

（1）對(duì)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行 CRC 編碼，以便在接收端判斷數(shù)據(jù)譯碼校驗(yàn)是否正確。

（2）對(duì) CRC 編碼后的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行 RS 編碼形成數(shù)據(jù)幀，在緩存處理的同時(shí)發(fā)送至接收端。

（3）接收端對(duì)接收到的數(shù)據(jù)緩存處理后，先進(jìn)行 RS 譯碼和 CRC 校驗(yàn)，若 CRC 校驗(yàn)失敗，則進(jìn)入數(shù)據(jù)幀等增益合并過程。

（4）對(duì)合并后的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行 CRC 校驗(yàn)，若校驗(yàn)失敗，反饋 NACK 至發(fā)送端，發(fā)送端啟動(dòng)重傳機(jī)制。

（5）接收端對(duì)重傳的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行等增益合并后，進(jìn)行RS 譯碼和 CRC 校驗(yàn)，直至數(shù)據(jù)幀譯碼正確或達(dá)到最大重傳次數(shù)。

Link16 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)消息可靠傳輸流程如圖 3 所示。

2 性能分析

在傳統(tǒng) ARQ 系統(tǒng)中，設(shè)最大傳輸次數(shù)為 NMax，數(shù)據(jù)幀被正確譯碼的概率為 Pe，則第 i 次數(shù)據(jù)幀被正確譯碼的概率 ：

基于 HARQ 的消息可靠傳輸方案中，設(shè)最大傳輸次數(shù)為NMax，數(shù)據(jù)幀被正確譯碼的概率為 Pe，因 Chase 合并重傳數(shù)據(jù)幀一致，因此數(shù)據(jù)幀被正確譯碼的概率相同，均為 Pe。設(shè) 第 i 次合并后的數(shù)據(jù)幀被正確譯碼的概率為 Pci，則第 i 次數(shù)據(jù)幀被正確譯碼的概率 ：

3 仿 真

在無自動(dòng)重傳 ARQ、自動(dòng)重傳 ARQ、基于 Chase 合并的混合重傳 HARQ 三種模式中系統(tǒng)進(jìn)行仿真。仿真調(diào)制方式采用 BPSK，信道采用高斯信道，RS 編碼使用 RS（31，15），一幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為 155 bit，最大重傳次數(shù)設(shè)置為 3。仿真結(jié)果如圖 4 所示。

由圖可知，當(dāng)信噪比小于 7 dB 時(shí)，自動(dòng)重傳 ARQ、基 于 Chase 合并的混合重傳 HARQ 平均傳輸次數(shù)約等于 3，傳輸可靠性接近 ；當(dāng)信噪比在 7 ～ 12 dB 之間時(shí)，基于 Chase合并的混合重傳 HARQ 平均傳輸次數(shù)小于自動(dòng)重傳 ARQ， 在 HARQ 方案中，由于充分利用了時(shí)間分集增益，將每一幀數(shù)據(jù)中的冗余信息合并，因此提高了糾錯(cuò)性能 ；當(dāng)信噪比大于 12 dB 時(shí)，信道環(huán)境較好，自動(dòng)重傳 ARQ、基于 Chase 合并的混合重傳 HARQ 平均傳輸次數(shù)約等于 1，即發(fā)送端發(fā)送一次數(shù)據(jù)幀，接收端就可以正確接收。

基于 Chase 合并的混合重傳 HARQ 可以提高 Link16 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)消息傳輸可靠性，但同時(shí)會(huì)提高接收機(jī)的復(fù)雜度，在實(shí)際運(yùn)用過程中，需要權(quán)衡處理開銷和系統(tǒng)性能。

4 結(jié) 語

本文將 HARQ 技術(shù)引入 Link16 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，給出了基于 HARQ 技術(shù)的消息可靠傳輸方案。該方案在接收端對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行 Chase 合并，利用時(shí)間分集增益提高消息傳輸可靠性。仿真結(jié)果表明，該消息可靠傳輸方案降低了重傳次數(shù)，使得 Link16 系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確地傳輸指令報(bào)文，提升作戰(zhàn)性能。