城際鐵路通信系統(tǒng)跨層自適應(yīng)傳輸方案研究

張 婷

鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng) （GSM－R）作為珠三角城際軌道交通工程的核心技術(shù)之一，在沿線提供無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋；為調(diào)度命令傳送、無線車次號校核提供無線數(shù)據(jù)傳輸通；提供無線語音和短消息服務(wù)。為保障列車的安全運(yùn)行，GSM－R比公眾移動通信系統(tǒng)要求具有更高的可靠性和QoS。

現(xiàn)有的GSM－R系統(tǒng)中，若不同等級的業(yè)務(wù)釆用相同的傳輸方案，則不能滿足高等級業(yè)務(wù)的可靠性需求，反而還會造成低等級業(yè)務(wù)資源浪費，降低效率。而且城際鐵路通信系統(tǒng)信道變化劇烈，信號深衰落，掉話率、阻塞率激增，頻率干擾嚴(yán)重，以及負(fù)荷較大的地區(qū)資源不足導(dǎo)致的接入時延大等問題，嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)輸?shù)目煽啃?、安全性和有效性，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤，將直接影響列車控制和列車調(diào)度的正常進(jìn)行，嚴(yán)重的將釀成重大的安全事故。因此，根據(jù)業(yè)務(wù)類型的不同需求，優(yōu)化城際鐵路通信系統(tǒng)傳輸方案是十分必要的。

1 跨層設(shè)計

跨層設(shè)計是無線通信系統(tǒng)的一項先進(jìn)技術(shù)，通過整合協(xié)議棧，可有效利用和管理無線資源。也就是說，為了滿足各業(yè)務(wù)類型的不同需求，通過傳遞各協(xié)議層的特定信息來調(diào)整各層之間的操作參數(shù)，以適應(yīng)無線環(huán)境。跨層設(shè)計要求在各層之間進(jìn)行信息共享，根據(jù)各層協(xié)議的不同要求和狀態(tài)來調(diào)節(jié)相關(guān)協(xié)議層的參數(shù)，對系統(tǒng)的整體性能進(jìn)行優(yōu)化?？鐚釉O(shè)計充分利用調(diào)制編碼技術(shù)、傳輸功率控制、信道狀態(tài)等資源，實現(xiàn)系統(tǒng)總傳輸功率的最小化、吞吐量最大化以及總誤包率最小化。

按照消息傳遞方向，可將跨層設(shè)計分為2類。

1.由上層到下層機(jī)制。底層根據(jù)高層信息來調(diào)整其資源分配和傳輸策略，滿足高層QoS需求。

2.由下層到上層機(jī)制。下層發(fā)送狀態(tài)指示信息到上層，上層通過對下層提供的反饋信息，做出相應(yīng)的決策，優(yōu)化系統(tǒng)性能。

基于城際鐵路承載的業(yè)務(wù)，跨層設(shè)計采用由下至上的機(jī)制，聯(lián)合物理層的自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC）技術(shù)和鏈路層的自適應(yīng)重傳 （HARQ）技術(shù)對傳輸方案進(jìn)行優(yōu)化，并通過仿真分析這種優(yōu)化方案的系統(tǒng)性能。

2 AMC－HARQ跨層自適應(yīng)傳輸設(shè)計

城際鐵路通信系統(tǒng)承載的主要業(yè)務(wù)，有電路域數(shù)據(jù)話音業(yè)務(wù)和分組域數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。具體如表1所示。

表1 珠三角城際GSM－R系統(tǒng)承載的鐵路業(yè)務(wù)現(xiàn)狀

電路域數(shù)據(jù)話音業(yè)務(wù)對實時性要求較高，又要十分準(zhǔn)確地傳遞信息，具有最高或者較高的優(yōu)先級；分組域數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對實時性要求較低 （與電路域業(yè)務(wù)相比），突發(fā)性強(qiáng)，有一定的數(shù)據(jù)量。本文將跨層設(shè)計應(yīng)用于城際鐵路無線通信系統(tǒng)中，根據(jù)業(yè)務(wù)類型的不同，在物理層和鏈路層進(jìn)行AMCHARQ跨層優(yōu)化設(shè)計。AMC－HARQ跨層自適應(yīng)傳輸?shù)南到y(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 AMC－HARQ跨層自適應(yīng)傳輸?shù)南到y(tǒng)模型

物理層釆用自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)，根據(jù)業(yè)務(wù)類型分類，制定M種調(diào)制方式和編碼方式。首先，接收端通過信道測量技術(shù)，估計出信道質(zhì)量信息，并通過反饋信道，將信道質(zhì)量信息反饋給發(fā)送端；然后，發(fā)送端根據(jù)接收到的信道質(zhì)量，選擇下次傳輸要使用的調(diào)制編碼階數(shù)。

MAC層采用同步并行停等協(xié)議即HARQ協(xié)議。首先對各數(shù)據(jù)幀分別進(jìn)行CRC編碼，級聯(lián)構(gòu)成數(shù)據(jù)幀進(jìn)入物理層。物理層使用FEC編碼對整個數(shù)據(jù)幀進(jìn)行編碼，然后存入緩存用以進(jìn)行重傳。接收端經(jīng)過譯碼、CRC校驗后，回送確認(rèn)幀。確認(rèn)幀包含了幀確認(rèn)號和重傳比特向量。幀確認(rèn)號表示鏈路層上一個按序接收的幀的序號，重傳比特向量比接收窗口長度 （W）小1的比特向量，即長度為 W－1。比特向量表示當(dāng)前接收窗口的所有幀接收情況，如 “1”表示需要重傳，“0”表示接收成功。由于重傳比特向量是接收窗口的歷史移位記錄，即使當(dāng)前的確認(rèn)幀因信道變化而丟失，確認(rèn)幀也不應(yīng)重發(fā)，因為后續(xù)的確認(rèn)幀包含歷史的接收記錄。確認(rèn)幀格式如圖2所示。

收發(fā)雙方的鏈路層都緩存W個數(shù)據(jù)幀。發(fā)方維護(hù)發(fā)送緩存和重傳列表，發(fā)送緩存中保存著當(dāng)前發(fā)送窗口中未確認(rèn)的幀，重傳列表中保存了待重傳的幀序號。收方的接收緩存保存當(dāng)前接收窗口中亂序的數(shù)據(jù)幀，當(dāng)接收到的幀有序后，鏈路層向上提交最近一段有序幀。

圖2 確認(rèn)幀

發(fā)端的等待定時器時延Tw計算：

Tw＝Tround＋Tf

Tround＝Tp＋2Trtt

其中，Tround是發(fā)端的處理時延 （Tp）加上2倍的鏈路往返時延 （Trtt）；Tf是每一幀的鏈路傳輸時延。

3 AMC－HARQ跨層自適應(yīng)傳輸性能分析

本文使用Matlab仿真工具對基于AMCHARQ跨層自適應(yīng)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，模擬信道使用瑞利衰落信道模型，每個數(shù)據(jù)包中含信息位500bit，通過1/3碼率的卷積碼，仿真包數(shù)目每次1000個，結(jié)果取6次平均值，同時假設(shè)CRC能正確校驗。

在物理層，提供不調(diào)制、BPSK、QPSK、8PSK等4種傳輸模式，系統(tǒng)可以根據(jù)AMC中每種傳輸模式的瞬時誤包率 （PER）和接收到的SNR在各種物理層傳輸模式之間的關(guān)系，自適應(yīng)地選擇合適的調(diào)制編碼方式。

在鏈路層，要綜合考慮時延、誤包率和吞吐量，真正滿足城際鐵路不同業(yè)務(wù)的QoS要求。設(shè)置最大重傳次數(shù)為N＝0、1、2，測試在不同干擾條件下，不同的業(yè)務(wù)類型的成功率，見圖3，圖4，圖5。

可見，通過AMC－HARQ跨層自適應(yīng)傳輸方案，當(dāng)鏈路層重傳1次，可以在5%干擾情況下實現(xiàn)95%的接收成功率；鏈路層重傳2次，可以在5%干擾情況下實現(xiàn)99%的接收成功率，在10%干擾情況下實現(xiàn)94%以上的接收成功率。

綜上所述，根據(jù)業(yè)務(wù)類型不同分類，對實時性要求較高且數(shù)據(jù)量小的電路域數(shù)據(jù)、話音業(yè)務(wù)，系統(tǒng)可采用不重傳或重傳1次模式；對實時性要求較低分組域數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，突發(fā)性強(qiáng)，且有一定的數(shù)據(jù)量，系統(tǒng)可采用重傳2次模式保證接收成功率。

圖3 未采用鏈路層重傳報文成功率與MTU長度的關(guān)系

圖4 采用1次鏈路層重傳報文成功率與MTU長度的關(guān)系

圖5 采用2次鏈路層重傳報文成功率與MTU長度的關(guān)系

4 結(jié)束語

本文針對城際鐵路專用業(yè)務(wù)對可靠性和安全性要求較高的特點，提出鏈路傳輸關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)類型的跨層自適應(yīng)傳輸方案，分析綜合AMC和HARQ技術(shù)時的系統(tǒng)平均誤包率和接收成功率等指標(biāo)。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)的跨層設(shè)計方案可顯著提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，滿足城際鐵路通信系統(tǒng)的各種類型業(yè)務(wù)要求。

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