【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 觀察的系統(tǒng)，實(shí)際上是探測(cè)門限 1A 的函數(shù)。將 （ ）代入（ ）中，則 ? ?/T a N?? 。占空因數(shù) P 與 T 成比例，所以： ? ?11aP A A A??? （ ） 過密度余跡的出現(xiàn)增加了觀察到的 a 值，通常 a 的取值范圍在 — 之間。 流星突發(fā)通信的基本原理 要實(shí)現(xiàn) 流星突發(fā)通信 ，在通信系統(tǒng)中除了收發(fā)信機(jī)和天線外，還必須有 一套靈敏高效的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、控制設(shè)備和信息存儲(chǔ)裝置。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的流星余跡示意圖如圖 所示。 整個(gè)通信系統(tǒng)可以雙工工作，也可以半雙工工作，半雙工工作時(shí)可預(yù)先約定站點(diǎn)的主從關(guān)系， 確定主動(dòng)探測(cè)方和先發(fā)送數(shù)據(jù)方。 流星突發(fā)通信 系統(tǒng)中的設(shè)備有兩種工作狀態(tài)，一種是空閑待發(fā)狀態(tài)，另一種是信息突發(fā)狀態(tài)。 如圖 所示，當(dāng)收發(fā)天線波束相交的區(qū)域內(nèi)沒有出現(xiàn)合適的可供利用的流星余跡的時(shí)候，為了探測(cè)和捕獲流星余跡，主站點(diǎn) A 在不斷地向從站點(diǎn) B 發(fā)送探測(cè) (信標(biāo) )信號(hào)，從站點(diǎn) B 始終處于空閑待發(fā)接收狀態(tài)。數(shù)據(jù)源來的數(shù)據(jù)經(jīng)壓縮、打包處理后，暫 存在發(fā)信機(jī)的存儲(chǔ)器里。 圖 流星突發(fā)通信 示意圖 11 當(dāng)收發(fā)天線波束相交的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)流星余跡時(shí)，主站點(diǎn) A 和從站點(diǎn) B 之間的信息和數(shù)據(jù)的交換過程如圖 所示。 T流 星 余 跡主 站 A 發(fā)從 站 B 收從 站 B 發(fā)主 站 A 收S SD1— DmSD1— DmR Rd 1 — d nR Rd 1 — d oS S T ：流星余跡存在時(shí)間 S ：主站發(fā)的探測(cè)信號(hào) R ：主站和從站間的應(yīng)答信號(hào) D1 一 Dm ： 主站 A 發(fā)的、 從站 B 收到的數(shù)據(jù)信息 d1 — dn ： 從站 B 發(fā)的數(shù)據(jù)信息 d1 — do ： 主站 A 收到的數(shù)據(jù)信息 圖 流星余跡點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信信息和數(shù)據(jù)交換過程 如圖 所示，從站點(diǎn) B 收到主 站點(diǎn) A 發(fā)出的探測(cè)信號(hào) S，經(jīng)過識(shí)別處理后，如果確認(rèn)是自己通信對(duì)象主站點(diǎn) A 發(fā)的，就迅速切換到突發(fā)狀態(tài)，發(fā)出一個(gè)回答信號(hào) R，又迅速切換到待發(fā)接收狀態(tài)，主站點(diǎn) A 收到應(yīng)答信號(hào) R，經(jīng)過識(shí)別以后，如果確認(rèn)是自己通信對(duì)象從站點(diǎn) B 發(fā)的，整個(gè)通信系統(tǒng)立即由待發(fā)狀態(tài)迅速切換到突發(fā)狀態(tài)，自動(dòng)控制裝置以極快的速度打開發(fā)信機(jī)，此時(shí)發(fā)信機(jī)將事先存儲(chǔ)好的信息 D，一股腦兒地通過流星余跡發(fā)射12 出去。與此同時(shí)，從站點(diǎn) B 的接收機(jī)自動(dòng)接收來自發(fā)端的信息 D。主站點(diǎn) A 發(fā)完一定長(zhǎng)度的信息 D1— Dm 后，切換到接收狀態(tài)，準(zhǔn)備接收從站點(diǎn) B 的信號(hào)，從站點(diǎn) B 收完一定 長(zhǎng)度的信息 D1— Dm 后，切換到發(fā)送狀態(tài)，發(fā)送回應(yīng)，回應(yīng)信號(hào)里包含發(fā)給主站點(diǎn) A 的應(yīng)答信號(hào) R 和數(shù)據(jù)信號(hào) d1— dn。到一定時(shí)間后，主站點(diǎn) A 又開始發(fā)送探測(cè)信號(hào) S，如主站點(diǎn) A 能收到從站點(diǎn) B 發(fā)的應(yīng)答信號(hào) R，則重復(fù)以上信息、數(shù)據(jù)的交互傳輸過程。一旦流星余跡消失，主站點(diǎn) A 收不到應(yīng)答信號(hào) R，從站點(diǎn) B 收不到探測(cè)信號(hào) A ，則通信系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)到等待狀態(tài)，準(zhǔn)備下次出現(xiàn)流星余跡時(shí)再通信。 如圖 中所示，由于流星余跡出現(xiàn)的隨機(jī)性、突發(fā)性、間斷性，主站點(diǎn) A 和從站點(diǎn)B 之間的信息交換有多種情況出現(xiàn)： 主站 A 發(fā)出數(shù)據(jù)信息 D1— Dm，在發(fā)送 的過程中，流星余跡已經(jīng)消失，從站 B 有可能沒有收到或收不全。主站 A 也收不到從站 B 發(fā)出的應(yīng)答信號(hào) R；從站 B 在回應(yīng)信號(hào)里發(fā)出的數(shù)據(jù)信息 d1— dn，在發(fā)送的過程中，流星余跡已經(jīng)消失，主站 A 有可能沒有收到或收不全；流星余跡時(shí)間較長(zhǎng)，主站 A 和從站 B 之間的一次信息交換過程能夠完成；不管以上過程有否完成，主站 A 到一定時(shí)間又開始發(fā)送探測(cè)信號(hào) S ，重新開始新的通信過程。 以上所有過程均嚴(yán)格按照相關(guān)的通信協(xié)議在進(jìn)行，雙方在傳輸信息時(shí)中還要有糾錯(cuò)、重傳等 控制信號(hào)，這樣才能知道什么時(shí)候信道終止、信息交互到了 哪一包。 一份信息量比較大 的數(shù)據(jù)報(bào)文，往往需要經(jīng)過幾次傳送才能完成，收方收到的信息中，一般包含發(fā)站地址信息、收站地址信息、有用數(shù)據(jù)、信息包號(hào)等內(nèi)容，收方處理后提取有用數(shù)據(jù)。收方將陸續(xù)收到的信息先存儲(chǔ)起來。然后集零為整打印出一份完整的報(bào)文。因此，流星突發(fā)通信 實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸效率相對(duì)較低。 流星突發(fā)通信的信道 根據(jù)天問觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，每天有大約一噸的流星（包括宇宙塵埃） 進(jìn)入地球大氣層。它們流下了一條細(xì)長(zhǎng)的高電離 密度的 電離 氣體柱。通常按流星余跡電子線密度 q（余跡單位長(zhǎng)度的電子數(shù)）的大小將流星通信信道分為欠密度和過密度 兩種 。 一般以 14 110m? 為界，低于此值的為欠密度。 雖然欠 密度類呈指數(shù)衰減，且持續(xù)時(shí)間更短，但由于 其出現(xiàn)頻率遠(yuǎn)大于過密度類，因此我們主要以欠密度類為對(duì)象建立流星突發(fā)通信信道模型，如圖 。 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 圖 欠密度余跡 0/bEN的指數(shù)衰減 經(jīng)過欠密度 余跡反射所接受到信號(hào)的功率可表示為： ? ? ? ? 2/0 LtTRRP t P e?? （ ） 其中， ??0RP 為初始接受功率， LT 為流星平均持續(xù)時(shí)間。假設(shè)在接收端噪聲功率譜密度為一 常數(shù)，則接收符號(hào) 0/sEN為： ? ? ? ? ? ? ? ?2/ 2/00 000 0// L LtTRR tTssP t P eE N E N eR N R N ? ?? ? ? （ ） 如果噪聲和信號(hào)帶寬相等，則在信號(hào)帶寬上結(jié)合搜到的噪聲功率可表示為： ? ? ? ?2 eN t kR t T? （ ） 其中 ??Rt為數(shù)據(jù)傳輸速率， k 為波茲曼常數(shù)， eT 為噪聲溫度。則信噪比 SNR 可以表示成數(shù)據(jù)傳輸速率 ??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 從公式可知，接收 信噪比 SNR 與數(shù)據(jù)傳輸率 ??Rt有密切關(guān)系，這將為提高通信系統(tǒng)性能帶來重要幫助。 流星突發(fā)通信協(xié)議 發(fā)射機(jī)和 接收 機(jī)在進(jìn)行通信之前必須確定通信信道可利用性，使發(fā)射機(jī)和接收機(jī)能達(dá)到同步工作。所有的系統(tǒng)完全達(dá)到同步之后才可以進(jìn)行信息傳輸。而且系統(tǒng)還必須能夠判斷信道的消失，停止信息傳輸。如果必要，需要開始新的同步過程，然后重復(fù)上述過程。管理 著 這一過程任務(wù)的程序就是通信協(xié)議。主要的有兩種類型的 MB 協(xié)議：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式和廣播型模式。 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的模式又可以分為三種子模式：第一種協(xié)議、第二種協(xié)議和自動(dòng) 請(qǐng)求重傳 （ ARQ）協(xié)議。在用廣播協(xié)議的系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)不判斷余跡的出現(xiàn)就連續(xù)不斷的發(fā)射足夠長(zhǎng)時(shí)間的信息，在確保允許的概率情況下，所有的接受者都能收到信息或數(shù)據(jù)。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議的系統(tǒng)是較為普遍應(yīng)用的。此類協(xié)議工作原理如下 ： 1） 第一種協(xié)議：接收機(jī)連續(xù)發(fā)射探測(cè)信號(hào)，當(dāng)發(fā)射機(jī)接受到探測(cè)信號(hào)時(shí)，它就開始連續(xù)不斷的傳輸相同的信息包，一直到完成信息的接受概率下來為止。傳輸在余跡開始 之后近似 t 秒 才開始。這相當(dāng)于在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間傳輸一路信息的延遲。 2） 第二種協(xié)議：發(fā)射機(jī)探測(cè)余跡的出現(xiàn)，當(dāng)接收機(jī)收到探測(cè)信號(hào)時(shí)，它就發(fā)送一個(gè)確認(rèn)。發(fā)射機(jī) 收到確認(rèn)后，它就傳輸一包信息，且每次僅傳輸一包，然后開始新的同步工作。信息的傳輸在余跡出現(xiàn)之后 2t 秒 才開始，這相當(dāng)于發(fā)射機(jī)和 接收 機(jī)之間傳輸兩路信息的延遲。如果探測(cè)發(fā)射和 接收 用不同的頻率，這種協(xié)議就是全雙工的。若發(fā)射和接 收用相同的頻率，就是單工或半雙工。用全雙工的工作 方式 ，探測(cè)傳播和應(yīng)答是同時(shí)的，減少了握手的信頭時(shí)間。用單工的工作方式增加了信頭的傳播時(shí)間。 3） 自動(dòng) 請(qǐng)求 重傳 協(xié)議（ ARQ）：發(fā)射機(jī)發(fā)送一包到接收機(jī)，然后等待結(jié)合搜集的確認(rèn)，接收機(jī)的肯定確認(rèn)（ ACK），表明發(fā)射包已經(jīng)成功接收，發(fā)射機(jī)就發(fā)送下一包。否 定確認(rèn)（ NAK），表明發(fā)射包接收失敗，發(fā)射機(jī)要重新發(fā)射相同的包，一直到正確接收為止。 流星突發(fā)通信系統(tǒng)的性能通常用每次突發(fā)系統(tǒng)的 吞吐量 、在某一時(shí)間段內(nèi)成功發(fā)送信息的概率或可用流星余跡出現(xiàn)之前的等待時(shí)間等來衡量。近年來許多研究者提出了很多通信協(xié)議，并且也修改了幾個(gè)已知的通信協(xié)議，使通信系統(tǒng)的性能得到了很大的改進(jìn)。下表列出了幾種不同的通信協(xié)議對(duì)系統(tǒng) 吞吐量 的改進(jìn)情況。 15 方法 編碼 自適應(yīng)編碼 ARQ 混合ARQ（ HARQ） 自適應(yīng) ARQ 可變數(shù)據(jù)率 吞吐量 的改善 25% 75% 30% 50% 90% 300% 上表所總結(jié)的技術(shù)可以用現(xiàn)有的信號(hào)處理設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。不同的方法中其復(fù)雜性變化不大。 16 第 3 章 HARQ 的概述 由于無線信道受大氣環(huán)境、地形、移動(dòng)等因素的影響，常處于不穩(wěn)定狀態(tài)，給數(shù)據(jù)傳輸特別是告訴傳輸帶來了很大挑戰(zhàn)。前向糾錯(cuò)（ FEC）和自動(dòng)請(qǐng)求重傳（ ARQ）是無線通信系統(tǒng)常用的兩種差錯(cuò)控制技術(shù)。 FEC 不需反饋信道而且時(shí)延小，但在傳輸條件不穩(wěn)定的無線信道中，效率較低，并且不能保證信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。與 FEC 相比， ARQ 可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕枰答佇诺?，而且重傳增大了系統(tǒng)傳輸時(shí)延。為提高數(shù)據(jù)傳輸效率，保證傳輸可靠性，將 FEC 和 ARQ 相結(jié)合，這就是混合 ARQ（ HARQ）。其基本思想是用FEC 來糾正傳輸中的多數(shù)錯(cuò)誤，少數(shù)不可糾的錯(cuò)誤通過重傳來糾正，這樣既保證了信息的可靠性又能兼顧有效性。 為適應(yīng)無線傳播條件， HARQ 系統(tǒng)一般都會(huì)應(yīng)用糾錯(cuò)能力較強(qiáng)的編碼，其系統(tǒng)性能在很大程度上由糾錯(cuò)編碼的性能 決定 ，同時(shí) ARQ 協(xié)議也是圍繞著糾錯(cuò)編碼進(jìn)行設(shè)計(jì)的，因此糾錯(cuò)編碼在 HARQ 系統(tǒng)中占有重要地位。 Turbo 碼等香農(nóng)極限編碼的出現(xiàn)，是編碼 技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要突破，它們的性能大大優(yōu)于以前的糾錯(cuò)編碼，非常適合于無線數(shù)據(jù)傳輸。香農(nóng)極限編碼技術(shù)的發(fā)展以及在 HARQ 中的應(yīng)用，進(jìn)一步促進(jìn)了 HARQ 技術(shù)的發(fā)展并且提高了 HARQ的性能。 HARQ 系統(tǒng)的原理 在 HARQ 系統(tǒng)中，是否將重傳前后的兩個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)包的信息進(jìn)行合并解碼以及采取什么方式合并，是系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問題，不同的合并方式往往是區(qū)別系統(tǒng)類別的主要依據(jù)。 圖 所示的是 HARQ 系統(tǒng)，它主要由信道編碼、 收發(fā) 緩沖區(qū)和發(fā)送應(yīng)答控制組成。發(fā)端先對(duì)信源信息進(jìn)行檢錯(cuò)和糾錯(cuò)編碼，存入發(fā)送緩沖區(qū)， 通過信道將全部或部分緩沖的信息以數(shù)據(jù)包形式發(fā)送。收端接到數(shù)據(jù)包后，先緩存，再進(jìn)行信道譯碼、檢錯(cuò)。若正確，向發(fā)端發(fā)送 ACK 應(yīng)答，表明發(fā)送成功，開始新的數(shù)據(jù)包的發(fā)送；反之發(fā)送 NAK 應(yīng)答，請(qǐng)求重發(fā)，發(fā)端收到重發(fā)請(qǐng)求后，根據(jù)一定策略來重發(fā)有關(guān)信息，如此往復(fù) 直到 解碼成功或達(dá)到預(yù)先設(shè)定的最大重傳次數(shù)。通常 HARQ 系統(tǒng)傳輸?shù)男畔?包括系統(tǒng)信息（信源原始信息）、糾錯(cuò)信息和校驗(yàn)信息。 17 發(fā) 送 控 制 反 饋 信 道反 向 應(yīng) 答 控制信源信 道編 碼發(fā) 送 緩 沖調(diào)制前 向信 道解調(diào)信 道 譯碼 ， 檢 錯(cuò)輸 出接 受 緩 沖 圖 HARQ 系統(tǒng) HARQ 系統(tǒng)的性能指標(biāo) 衡量 HARQ 系統(tǒng)性能指標(biāo) 很多，其中最主要的就是平均通過率。平均通過率指單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)成功接收的比特?cái)?shù)與系統(tǒng)可發(fā)送比特?cái)?shù)的比值。平均通過率用來衡量系統(tǒng)的有效性，很多文獻(xiàn)也同時(shí)使用誤碼率或誤包率來衡量系統(tǒng)的有效性。另外，平均時(shí)延也是一個(gè)常用的性能指標(biāo)。 HARQ 的實(shí)質(zhì)就是用系統(tǒng) 的復(fù)雜度和時(shí)延換取系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃裕岣呦到y(tǒng)的傳輸效率。 分析 HARQ 系統(tǒng) 性能 通常包括兩個(gè)方面的工作，一個(gè)是協(xié)議層次上的分析，另一個(gè)是糾錯(cuò)編碼性能的分析。協(xié)議層分析就是根據(jù) HARQ 的重傳方式、合并方式、緩沖區(qū)處理等協(xié)議進(jìn)行分析。編碼性能分析通常是根據(jù)碼字的重量分布 ，計(jì)算在最大似然譯碼時(shí)，它的誤碼率或誤包率性能界，傳統(tǒng)的聯(lián)合界不能很好的逼近編碼的實(shí)際性能，近期出現(xiàn)的一些緊致界對(duì)編碼性能的分析要大大優(yōu)于聯(lián)合界，適合于 HARQ 的性能分析。 HARQ 系統(tǒng)的重傳方式 HARQ 系統(tǒng)有三種基本的重傳范式：等停式、返回 N 式和選擇重傳。它們的工作原理如下： 1） 等停式（ SW）：發(fā)端發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)包后，在收到 ACK 或 NAK 應(yīng)答后再發(fā)送新的數(shù)據(jù)包或重發(fā)數(shù)據(jù)包，期間信道處于空閑狀態(tài) 。對(duì)于環(huán)回時(shí)間比較大或數(shù)據(jù)速率交大的場(chǎng)合，SW 方式效率很低。 2） 返回 N 式（ GBN）： 發(fā)端 發(fā)送數(shù)據(jù)包后，將繼續(xù)發(fā) 送后續(xù)數(shù)據(jù)包，設(shè)在環(huán)回時(shí)間內(nèi) 可 發(fā)送 N 個(gè)數(shù)據(jù)包，收端根據(jù)檢錯(cuò)的結(jié)果對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)包依次發(fā)出 ACK 或 NAK 的應(yīng)答，當(dāng)發(fā)18 端收到某個(gè)數(shù)據(jù)包的 NAK 用到后，將重發(fā)本數(shù)據(jù)包和在環(huán)回時(shí)間內(nèi)發(fā)出的 N 個(gè)數(shù)據(jù)包。GBN 方式在環(huán)回時(shí)間較小或信道 錯(cuò)誤 概率較小時(shí)，可以得