竇志斌

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

地面移動通信已經(jīng)步入了4G LTE時代。LTE采用更加先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(扁平化、全I(xiàn)P承載)和物理層技術(shù)(下行 OFDMA、上行 SC-FDMA、MIMO多天線和干擾協(xié)調(diào)機(jī)制等)，因此LTE相對于WCDMA等3G技術(shù)，在典型環(huán)境下其上、下行峰值速率分別達(dá)到50 Mbps和100 Mbps(峰值速率取決于MIMO配置、帶寬和調(diào)制方式等參數(shù))。然而，衛(wèi)星移動通信的發(fā)展相對緩慢，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會公布的GEO衛(wèi)星移動通信標(biāo)準(zhǔn)還停留在3G階段(GMR－1 3G)?，F(xiàn)有的LTE協(xié)議在衛(wèi)星通信中的適應(yīng)性研究多集中在物理層［1－4］(如 TTI間交織、OFDM同步接收和 PAPR降低等)、資源管理策略［5，6］以及 MAC 層的 HARQ 機(jī)制［7］，尚缺乏對 LTE MAC和RLC等協(xié)議子層的適應(yīng)性研究。

1 衛(wèi)星移動通信特點(diǎn)

衛(wèi)星移動通信4G化不能照搬地面LTE標(biāo)準(zhǔn)，這是由于衛(wèi)星通信環(huán)境與地面相比有以下顯著區(qū)別:

①衛(wèi)星鏈路時延大

在地面移動通信系統(tǒng)中，基站與終端的距離通常為幾十km(如GSM小區(qū)的最大理論半徑為35 km)，因此地面鏈路時延＜1 ms，而GEO衛(wèi)星鏈路從終端到衛(wèi)星，再從衛(wèi)星到地面信關(guān)站的單向時延約為270 ms(135 ms×2)＞＞1 ms。衛(wèi)星鏈路的大時延特性影響LTE協(xié)議各層的定時器取值、MAC子層的HARQ機(jī)制和RLC UM/AM模式協(xié)議參數(shù)等。

②衛(wèi)星信道衰落較平坦

在地面移動通信系統(tǒng)中，終端與基站之間的無線信道由于受地形地貌影響，往往是多徑衰落、路徑損耗和陰影衰落三者并存，且隨著終端的移動還會出現(xiàn)快衰落(達(dá)數(shù)十dB)。然而衛(wèi)星系統(tǒng)的星地鏈路幾乎不存在遮擋和地形地貌影響，信道往往僅存在自由空間的傳播損耗和大氣環(huán)境引起的雨衰等。衛(wèi)星信道的衰落特性對LTE的功率調(diào)整機(jī)制和MCS調(diào)制編碼機(jī)制有直接影響。

2 LTE RLC UM模式

RLC層在 LTE協(xié)議棧中位于 MAC層之上、PDCP層之下，對上層PDCP SDU提供分段、重組和重傳功能［8］。RLC有3種模式:透明模式(TM)、非確認(rèn)模式(UM)和確認(rèn)模式(AM)。

RLC UM模式主要為專有業(yè)務(wù)信道DTCH提供無重傳(ARQ)功能的數(shù)據(jù)傳輸。由于LTE基于全I(xiàn)P架構(gòu)而無電路域模式，因此所有允許少量丟包但對時延和抖動敏感的業(yè)務(wù)，如VoIP等，都通?；赗LC UM模式。

在RLC UM模式中，參數(shù) VT(US)、VR(UR)、VR(UX)和 VR(UH)的值域為［0，2sn-FieldLength－1］(即值對 2sn-FieldLength求余)。sn-FieldLength是 UMD PDU的序列號位長，取值為5或10 bit。與sn-Field-Length相關(guān)的是UM_Window_Size常量，該常量表示接收端RLC UM實體的接收窗口大小。3GPP RLC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定接收窗口UM_Window_Size為序列號長度的一半(即若sn-FieldLength=10則序列號SN范圍為［0，1 023］，UM_Window_Size取值為 512)。重排序定時器t-Reordering用于檢測是否在MAC層發(fā)生了UMD PDU的丟失，當(dāng)t-Reordering處于停止?fàn)顟B(tài)時，表示RLC層沒有發(fā)生亂序接收;當(dāng)t-Reordering運(yùn)行時，表示在RLC層某些UMD PDU沒有按序收到，接收端的RLC UM實體要因此等待MAC層的重傳結(jié)果。

3 LTE RLC UM適應(yīng)性分析和改進(jìn)

LTE采用了RLC+MAC的2層重傳設(shè)計，為了降低重傳時延和開銷，MAC層使用基于多進(jìn)程的HARQ 停等 (Stop-and-Wait)重傳 協(xié) 議［9］，但 是HARQ機(jī)制不適用于大時延的衛(wèi)星鏈路。雖然如此，HARQ機(jī)制由于具有降低重傳時延的優(yōu)點(diǎn)，不能取消而需要重新設(shè)計。HARQ采用停等協(xié)議，因此UMD PDU的丟失會引起接收亂序，從而觸發(fā)MAC層重傳。鑒于以上分析，需要針對衛(wèi)星鏈路的大時延特性考慮RLC UM模式參數(shù)sn-FieldLength和t-Reordering的取值。

3．1 適應(yīng)性分析

3．1．1 sn-FieldLength 參數(shù)

sn-FieldLength在地面LTE標(biāo)準(zhǔn)中取值為5或10 bit，這是假定傳輸時延＜1 ms的情況。衛(wèi)星鏈路的大時延特性要求sn-FieldLength的長度要能夠滿足在帶寬時延積Bandwidth Delay Product(BDP)條件下，接收窗口內(nèi)相同SN序列號對應(yīng)的UMD PDU是相同的，否則接收端無法根據(jù)SN區(qū)分不同的UMD PDU，從而會造成當(dāng)SN序列號溢出時，不同UMD PDU的SN序列號相同，最終導(dǎo)致RLC UM實體丟棄第2次收到的SN相同的UMD PDU，造成協(xié)議出錯。

帶寬時延積表示為 BDP = Blink×De2e，其中Blink為去掉PHY層和MAC層開銷后的鏈路帶寬(單位:bps);De2e為鏈路端到端時延(單位:s);BDP直觀解釋為在任意時刻，鏈路所能承載的最大數(shù)據(jù)量。令L表示RLC UMD PDU長度(單位:bit)，則sn-FieldLength應(yīng)滿足:

式(1)保證在任意時刻鏈路中正在傳送的不同UMD PDU的序列號SN不同。若取L=100 Byte，Blink=100 Mbps，De2e=270 ms，則對應(yīng)的 sn-FieldLength 應(yīng)不少于16 bit。

實際上，sn-FieldLength的取值還需要考慮MAC層HARQ機(jī)制所帶來的額外重傳時延。HARQ采用了多進(jìn)程的停等協(xié)議，每個HARQ進(jìn)程負(fù)責(zé)一個傳輸塊TB的傳輸。若HARQ的重傳次數(shù)為4，則式(1)的De2e應(yīng)為1×RTT+4×RTT，對于GEO衛(wèi)星鏈路，RTT約為540 ms。實際上，對于大時延的衛(wèi)星鏈路，MAC層的HARQ機(jī)制并不適合，需要重新設(shè)計。

3．1．2 t-Reordering 參數(shù)

重排序定時器t-Reordering用于等待MAC層的HARQ機(jī)制對丟失的UMD PDU的重傳結(jié)果。當(dāng)RLC層檢測到收到的UMD PDU發(fā)生亂序時，RLC UM實體啟動t-Reordering。當(dāng)t-Reordering超時，接收端會對序列號SN處于重排序窗口［VR(UR)，VR(UX)］之間的所有UMD PDU從RLC接收緩存中移除并交由上層PDCP協(xié)議。接收端通過MAC層的HARQ Ack/Nack消息向發(fā)送端反饋UMD PDU的接收結(jié)果。若未正確接收，則發(fā)送端HARQ進(jìn)程對該UMD PDU進(jìn)行重傳，因此單次重傳時間為鏈路RTT。

由以上分析可知，t-Reordering的取值必須要大于鏈路的RTT，并與HARQ機(jī)制的重傳次數(shù)相關(guān)，否則t-Reordering總是會在收到重傳UMD PDU之前超時，而超時后收到的重傳UMD PDU會被丟棄。如HARQ重傳次數(shù)為4次，則t-Reordering的值應(yīng)大于4×RTT。

對于大時延的衛(wèi)星鏈路，MAC層的HARQ機(jī)制并不適合RLC UM模式的數(shù)據(jù)傳輸，原因如下:

①HARQ采用停等重傳協(xié)議，而衛(wèi)星鏈路的RTT值很大，因此為了提高停等協(xié)議的效率，需要增加HARQ進(jìn)程的個數(shù)。地面移動通信標(biāo)準(zhǔn)中，F(xiàn)DDLTE上下行各采用8個 HARQ進(jìn)程［10］，而 GEO衛(wèi)星鏈路RTT約為540 ms，因此上下行需要各采用540個HARQ進(jìn)程才能保證對鏈路的充分利用，這將大大增加eNodeB和終端的設(shè)計復(fù)雜度和資源占用度。

②基于RLC UM模式的上層業(yè)務(wù)(如VoIP)，都是對時延、抖動敏感而對少量丟包不敏感的業(yè)務(wù)。若采用HARQ機(jī)制，假設(shè)HARQ的重傳次數(shù)為1，則t-Reordering的值要大于鏈路RTT(540 ms)。當(dāng)發(fā)生接收亂序時，極端情況下重排序窗口要等待540 ms后(即t-Reordering超時)才會將處于重排序窗口內(nèi)的所有 UMD PDU按照 SN升序，投遞到PDCP層。這會導(dǎo)致PDCP層收到的分組存在很大的不確定性時延和抖動。

3．2 駐留時間T建模

實際上，RLC UM模式對業(yè)務(wù)分組的時延和抖動的影響是受到RLC UM多個參數(shù)、業(yè)務(wù)速率等多方面因素影響的。定義UMD PDU在RLC層接收緩沖區(qū)的駐留時間為T(單位:s)，定義業(yè)務(wù)速率為B(單位:bps)，UMD PDU包長為L(單位:bit)，則SN序列號的增長速度為B/L s。當(dāng)沒有發(fā)生接收亂序時，收到的UDM PDU在剝離RLC包頭后，會立即投遞到PDCP層，忽略處理時延后可認(rèn)為T≈0 s。當(dāng)發(fā)生亂序時，序列號為SN的UMD PDU的駐留時間T近似為:式中，Twait為該UMD PDU在接收緩沖區(qū)中等待包含該SN的重排序窗口對應(yīng)的t-Reordering啟動的耗時，

式中，VR(UX)pre為上一次t-Reordering運(yùn)行時對應(yīng)的VR(UX)值。

為了驗證RLC UM參數(shù)對駐留時間T的影響，采用C語言實現(xiàn)了RLC UM模式，協(xié)議仿真中的各參數(shù)如表1所示，其中 UW_Size為UW_Window_Size的簡寫形式。

表1 仿真參數(shù)

當(dāng) UM_Window_Size=215、t-Reordering=540 ms時的駐留時間T如圖1所示。圖中所示的每段斜線的含義為隨著SN的遞增，對應(yīng)的UMD PDU的駐留時間T遞減，這主要是由于每個UMD PDU是等間隔到達(dá)接收緩沖區(qū)(即Twait等間隔遞減)，而每段曲線的最高點(diǎn)對應(yīng)的UMD PDU的駐留時間T1最長，對此根據(jù)式(2)和式(3)有:Twait=min{540－0，UM_Window_Size/(B/L)}=min{540，1 310}，從而 T1=540+min{540，1 310}=1 080 ms。而對于每段曲線最低點(diǎn)的 UMD PDU，有 Twait=min{540－540，1 310}=0 ms，因此有 T2=0+min{540，1 310}=540 ms。以上T1、T2的值與圖1中的值相符。

圖1 UW_Size=215，t-Reordering=540 ms時的駐留時間T

對于圖2，由于 UM_Window_Size=210，因此填滿該接收窗口的時間為UM_Window_Size/(B/L)=1 024/25≈41 ms＜＜540 ms，因此 T值近似為一條直線，同樣，對于 T1，有 Twait=min{540－0，1 024/25}=min{540，41}=41 ms，因此有 T1=41+min{540，0}=41 ms，同理可得 T2=0+min{540，41}=41 ms，與圖2中的值相符。

圖2 UW_Size=210，t-Reordering=540 ms時的駐留時間T

4 結(jié)束語

針對衛(wèi)星鏈路的大時延特性，對RLC UM模式進(jìn)行了適應(yīng)性分析。提出①要根據(jù)帶寬時延積設(shè)定SN序列號的取值范圍;② t-Reordering和業(yè)務(wù)速率等因素會影響業(yè)務(wù)的端到端時延和抖動。采用仿真驗證了分析的正確性，并建議對MAC層的HARQ機(jī)制進(jìn)行重新設(shè)計，盡量避免MAC層重傳。

［1］ 欒西，徐曉燕．LTE空中接口在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的適應(yīng)性技術(shù)研究［C］∥第六屆衛(wèi)星通信新業(yè)務(wù)新技術(shù)學(xué)術(shù)年會論文集，2010:77－91．

［2］ 周坡．基于OFDM的GEO衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］．北京:清華大學(xué)，2011:25－101．

［3］ 李俊，陳力，王彬，等．LTE Advanced異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)控制信道干擾協(xié)調(diào)技術(shù)［J］．無線電通信技術(shù)，2011，37(5):15－18．

［4］ 陳亮，梁曉雯．LTE系統(tǒng)中一種聯(lián)合移動速度估計算法［J］．無線電工程，2011，41(9):1 －3，14．

［5］ 王廣德，常永宇，蔣文婷，等．LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下的高效資源分配算法［J］．無線電通信技術(shù)，2013，39(1):13－15，42．

［6］ 張浩，師彥靜，蔣毅．TD-LTE中MBSFN動態(tài)區(qū)域配置研究［J］．無線電通信技術(shù)，2013，39(5):6 －10．

［7］ 楊桂芹，胡瀅，趙春和．3GPP LTE中基于HARQ技術(shù)的吞吐量性能研究［J］．無線電工程，2013，43(4):48－50．

［8］ 3GPP TS 36．322．Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Radio Link Control(RLC)Protocol Specification［S］，2012．

［9］ 3GPP TS 36．321．Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Medium Access Control(MAC)Protocol Specification［S］，2012．

［10］ 3GPP TS 36．213．Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Layer Procedures［S］，2012．