CN107317611B - Ltp-harq协议设计与传输方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种LTP‑HARQ协议设计与传输方法及系统，将HARQ机制引入至LTP协议中，建立关于ARQ与HARQ传输机制的传输次数期望、吞吐量，以及能量消耗的数学模型，给出OSTBC‑MIMO系统莱斯衰落下的LTP协议时延性能公式，最后讨论LTP协议的性能影响因素，以及能量消耗关于信噪比和信息传输速率的最值问题，为实现空间信息网络链路的高吞吐量、低时延、低能耗提供参考，提高传输性能。该方案基于OSTBC‑MIMO系统，结合HARQ技术的重传机制，能更有效的保护MIMO信道条件恶化情况下的数据传输，以提高LTP协议传输效率。

Description

LTP-HARQ协议设计与传输方法及系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种空间信息网络下分布式MIMO 卫星的LTP-HARQ协议设计与传输方法及系统。
背景技术
空间信息网络(spatial information networks，SIN)是由分布在不同高度的卫星、升空平台等空间节点，及地面终端，通过动态建链组网，实时获取、传输和处理海量数据，实现空、天、地一体化的综合通信网络。SIN能为远洋航行、应急救援、导航定位、航空运输、航天测控等重大应用提供服务，不但向下可支持对地观测的高动态、宽带实时传输，也可向上支持深空探测的超远程、大时延可靠传输。
随着高通量卫星技术的发展，通过分布式MIMO高通量卫星的高效组网协作，是实现SIN与地面移动网络和光纤固网系统互连互通、最终建成覆盖全球的天地一体化信息网络的关键。因此，在综合考虑空间通信环境特点和难点的基础上，设计高效的传输协议体制，实现面向业务驱动的大容量数据广域服务，成为目前亟需解决的难题。
目前，世界各航天组织成立的“空间互联策略组”(SISG)，已明确了基于容迟/容断网络(Delay/Disruption Tolerant Networks，DTN)协议体系，围绕空间数据咨询委员会(CCSDS)的相关标准和建议，整合各级测控资源，建立SIN空间信息网络。
针对空天环境链路时延大，中断频繁的特点，容迟网工作组 (Delay/DisruptionTolerant Network Working Group,DTNWG)提出了LTP协议 (Licklider TransmissionProtocol，LTP)。LTP协议中对数据重传的处理机制采用的是否定反馈型(NegativeAcknowledgement,NACK)的自动重传请求 (Automatic Repeat Request，ARQ)。为了进一步提高传输效率，可以结合前向编码(Forward Error Correction，FEC)设计LTP的混合自动重传请求(Hybrid Automatic Repeat request，HARQ)机制。
此外，从4G以来，多输入多输出(Multiple-input Multiple-output,MIMO) 天线技术已经成为移动通信系统的关键部分。利用卫星的单天线不同方向极化或未来配置毫米波天线阵的高通量卫星，可与地面终端实现MIMO通信。而在MIMO系统中，构造空时分组编码(Space-Time Block Coding,STBC)可以使得译码复杂度、系统吞吐量、信息速率这三个指标之间得到平衡，进一步的，正交空时分组编码(Orthogonal Space-time Block Coding,OSTBC)技术在发射端CSI未知的情况下，能有效利用时间和空间构造码字，抵抗衰落，提高传输成功效率，消除干扰，实现数据的并行传输。
随着LTP协议规范发布，其无需握手、延迟确认重传的特点，能较好的适应空间信息网络通信距离远、中断概率高的星地/星间链路。对于LTP协议下性能分析模型及新场景的应用等研究，都在不断进展。例如，利用LTP协议建立地月通信模型，并对LTP和TCP的时延吞吐量性能做了数值仿真与分析；建立基于Bundle的空间信息网络传输时延估计模型；给出LTP协议计算重传次数的方法，并对时延进行仿真与分析；又如，建立两跳LTP协议的存储转发的动态缓存模型；对LTP协议传输机制的时延与缓存以及吞吐量的相互关系，进行建模分析与仿真验证；将LTP协议应用于高铁通信中，并研究中断概率及路由策略的相关问题。但以上均没有改变LTP协议本身的 ARQ反馈重传机制，更多的是分析LTP协议的相关性能，由于LTP协议的 ARQ机制在信道条件较差时，需要多次重传才能保证可靠传输，导致链路利用率急剧恶化且造成能量浪费，限制了LTP协议传输的有效性。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种可以实现空间信息网络链路的高吞吐量、低时延、低能耗，提高传输性能的空间信息网络下分布式MIMO卫星的 LTP-HARQ协议设计与传输方法及系统。
为了达到上述目的，本发明提出一种LTP-HARQ协议设计与传输方法，包括以下步骤：
构建空间信息网络分布式MIMO卫星通信场景下OSTBC-MIMO系统的系统模型；
基于所述OSTBC-MIMO系统的系统模型，将HARQ机制引入至LTP协议中，设计结合OSTBC-MIMO系统的LTP-HARQ协议传输机制。
优选地，所述LTP-HARQ协议设计与传输方法还包括：
基于所述LTP-HARQ协议传输机制，推导LTP-HARQ协议在空间信息网络的OSTBC-MIMO系统中的传输次数期望、吞吐量，以及能量消耗的数学模型，得到OSTBC-MIMO系统莱斯衰落下的LTP-HARQ协议传输时延的理论公式解。
优选地，所述LTP-HARQ协议设计与传输方法还包括：
在空间信息网络的分布式MIMO高通量卫星通信场景下，利用拉普拉斯变换的方法，对信道参数进行处理，推导星间、星地直视链路莱斯衰落信道下，不同传输机制的性能指标理论公式解。
优选地，所述LTP-HARQ协议设计与传输方法还包括：
以发射端的单位信息能量指标为切入点，对LTP协议关于时延，及吞吐量和能耗进行仿真验证，分析影响LTP HARQ协议性能的因素。
优选地，所述LTP-HARQ协议设计与传输方法还包括：
分析并推导吞吐量与能耗关于信噪比和信息传输速率的最值。
优选地，所述不同传输机制的性能指标理论公式解包括ARQ、截断 HARQ-RR，以及无损HARQ-RR关于传输次数、吞吐量的形式解。
本发明还提出一种LTP-HARQ协议设计与传输系统，包括：LTP-HARQ 协议设计与传输程序，所述LTP-HARQ协议设计与传输程序配置为由处理器调用时，执行如权利要求1-6中任一项所述的方法的步骤。
本发明设计了一种空间信息网络下分布式MIMO卫星的LTP-HARQ协议设计与传输方法及系统，将HARQ机制引入至LTP协议中，建立关于ARQ 与HARQ传输机制的传输次数期望、吞吐量，以及能量消耗的数学模型，给出OSTBC-MIMO系统莱斯衰落下的LTP协议时延性能公式，最后讨论LTP 协议的性能影响因素，以及能量消耗关于信噪比和信息传输速率的最值问题，为实现空间信息网络链路的高吞吐量、低时延、低能耗提供参考，提高传输性能。该方案基于OSTBC-MIMO系统，结合HARQ技术的重传机制，能更有效的保护MIMO信道条件恶化情况下的数据传输，以提高LTP协议传输效率。
附图说明
图1是本发明LTP-HARQ协议设计与传输方法实施例流程示意图；
图2a是分布式MIMO卫星通信框图；
图2b是基于LTP协议的HARQ-RR传输机制；
图3是传输次数性能示意图；
图4a是吞吐量性能曲线示意图；
图4b是单位信息能量随信噪比变化曲线示意图；
图5是LTP协议ARQ与HARQ性能比较示意图；
图6是信息传输速率对吞吐量影响示意图；
图7是信息传输速率对单位信息能量影响示意图。
为了使本发明的技术方案更加清楚、明了，下面将结合附图作进一步详述。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明考虑到：基于OSTBC-MIMO系统，结合HARQ技术的重传机制，能更有效的保护MIMO信道条件恶化情况下的数据传输，以提高LTP协议传输效率。所以，本发明以OSTBC-MIMO系统为基础，结合空天信息网络中星地链路或星间链路的单跳场景，建立LTP协议ARQ与HARQ机制的时延分析模型，给出二者在莱斯、瑞利，两种不同衰落下的传输次数，吞吐量，及单位信息能量等指标的闭合解，为实现空间信息网络链路低时延，高速率，低能耗提供参考。
本发明引入HARQ传输机制，以提高LTP协议在空间链路的传输效率和时延性能。
在LTP协议引入HARQ之前，首先需要考虑的是如何寻找合适的指标，来评价ARQ与HARQ机制二者在空间信息网络链路下的性能。基于现有的研究技术，本发明主要研究用于星地、星间直视链路的LTP协议传输性能，推导在莱斯衰落下HARQ与ARQ机制的相关性能指标的表达式。
另外，在空间信息网络中，其能耗情况对于LTP协议能否引入HARQ 亦是至关重要的。现有文献中，已经建立了HARQ能量消耗的模型，讨论了能量效率和频谱效率的优化问题，但都没有考虑HARQ机制在链路中关于信噪比或信息传输速率的能量优化问题。
综上，本发明将HARQ机制引入至LTP协议中，建立关于ARQ与HARQ 传输机制的传输次数期望，吞吐量，以及能量消耗的数学模型，给出 OSTBC-MIMO系统莱斯衰落下的LTP协议时延性能公式，最后讨论LTP协议的性能影响因素，以及能量消耗关于信噪比和信息传输速率的最值问题。
具体地，参照图1，图1是本发明LTP-HARQ协议设计与传输方法流程示意图。
如图1所示，本发明较佳实施例提出一种LTP-HARQ协议设计与传输方法，包括以下步骤：
步骤S1，构建空间信息网络分布式MIMO卫星通信场景下OSTBC-MIMO 系统的系统模型；
步骤S2，基于所述OSTBC-MIMO系统的系统模型，将HARQ机制引入至 LTP协议中，设计结合OSTBC-MIMO系统的LTP-HARQ协议传输机制。
进一步地，所述LTP-HARQ协议设计与传输方法还包括：
步骤S3，基于所述LTP-HARQ协议传输机制，推导LTP-HARQ协议在空间信息网络的OSTBC-MIMO系统中的传输次数期望、吞吐量，以及能量消耗的数学模型，得到OSTBC-MIMO系统莱斯衰落下的LTP-HARQ协议传输时延的理论公式解。
进一步地，所述LTP-HARQ协议设计与传输方法还包括：
步骤S4，在空间信息网络的分布式MIMO高通量卫星通信场景下，利用拉普拉斯变换的方法，对信道参数进行处理，推导星间、星地直视链路莱斯衰落信道下，不同传输机制的性能指标理论公式解。
其中，所述不同传输机制的性能指标理论公式解包括ARQ、截断HARQ-RR，以及无损HARQ-RR关于传输次数、吞吐量的形式解。
进一步地，所述LTP-HARQ协议设计与传输方法还包括：
步骤S5，以发射端的单位信息能量指标为切入点，对LTP协议关于时延，及吞吐量和能耗进行仿真验证，分析影响LTP HARQ协议性能的因素。
进一步地，所述LTP-HARQ协议设计与传输方法还包括：
步骤S6，分析并推导吞吐量与能耗关于信噪比和信息传输速率的最值。
具体地，本发明面向未来空间信息网络的分布式MIMO卫星通信场景，基于适合空间通信环境的长时延、高误码率、链路频繁中断等难点的Licklider transmissionprotocol(LTP)协议，提出了一种提高传输性能的LTP协议HARQ 传输方法。结合OSTBC-MIMO系统，在采用拉氏变换对信道参数进行处理后，得到了莱斯衰落下LTP协议传输次数、吞吐量、单位信息能量、传输时延等性能指标在ARQ与HARQ两种传输机制下的理论公式闭式解；然后给出了莱斯衰落下单跳场景下的性能分析模型，探究了吞吐量与能耗关于信息传输速率与信噪比的最值问题。为实现空间信息网络链路的高吞吐量，低时延，低能耗提供了参考。
本发明考虑到：未来空间信息网络下，将采用分布式MIMO卫星通信，以提高传输效率；LTP协议能够满足空间信息网络的DTN网络特性，因此用于传输协议；但是LTP的ARQ协议性能有限，需要结合编码，设计HARQ协议，进一步提升性能；分布式MIMO卫星采用LTP协议设计的HARQ，能获得较好的传输特性，本发明给出了性能分析，包括：时延、能量开销，并与现有协议体系的ARQ协议进行比较，证明了HARQ协议更加高效。
本发明方案主要体现以下三部分：
首先，在空间信息网络的分布式MIMO高通量卫星通信场景下，提出了一种结合OSTBC-MIMO系统的LTP-HARQ协议，并推导了所提出的 LTP-HARQ协议在空间信息网络的OSTBC-MIMO系统中的传输次数期望(式 (17))，由此可得传输时延的理论公式解。
其次，在空间信息网络的分布式MIMO高通量卫星通信场景下，利用拉普拉斯变换的方法，推导了星间、星地直视链路莱斯衰落信道下，不同传输机制的性能指标理论公式解，包括ARQ(式(27)，式(28))，截断HARQ-RR (式(22)，式(23))，以及无损HARQ-RR(式(13)，式(14))关于传输次数、吞吐量的形式解。
最后，以发射端的单位信息能量(式(10))指标为切入点，分析了影响 LTP HARQ协议性能的因素，基于瑞利衰落下的OSTBC-MIMO系统，证明了
Figure BDA0001328124960000071
使得传输成功单位信息的总能量最低(定理1，定理2)，还证明了
Figure BDA0001328124960000072
使得吞吐量最大，单位信息能量最低(定理2，定理4)。
主要内容包括：
(1)给出了空间信息网络分布式MIMO卫星通信场景下OSTBC-MIMO 系统的系统模型。
(2)设计LTP协议的传输机制，并对ARQ与HARQ两种机制的性能指标，传输次数，吞吐量，单位信息能量在不同衰落下进行了推导和分析。
(3)给出LTP协议关于时延，及吞吐量和能耗的仿真验证，并分析HARQ 的性能影响因素，及吞吐量与能耗的最值问题。
(1)系统模型(System model)
空间信息网络的拓扑结构复杂，节点稀疏分布、拓扑高动态，可控可测性差，造成信号传播时延大且动态变化、路径随机中断和网络被分割。在采用适应于空间环境的LTP协议条件下，利用分布式MIMO高通量卫星与空间信息网络节点或地面移动网络的高效协作，以提高空间信息网络链路的有效性和可靠性，其两点间传输通信模型如图2a所示，图2a是分布式MIMO卫星通信框图
在图2a中，利用OSTBC编码能有效配合MIMO系统，提高分集增益对抗信道衰落。但在数据传输时，传统确认重传的ARQ机制效率较低，因此在LTP 协议中引入HARQ机制能有效改善传输效率，其传输流程如图2b所示，图2b 是基于LTP协议的HARQ-RR传输机制。
在此种LTP-HARQ协议下，发射端持续发送Block数据分组。当发送端收到前序已发送的Block1数据分组的重传请求时，会在当前传输的Block的一次发送结束后，马上开始重传请求的Block丢包分组。每个Block由红数据与绿数据组成，其传输基本单位均为Segment。Segment共有五种类型，RS(Report Segment)，RA(Report-acknowledgeSegment)，CS(Cancel Segment)和CAS (Cancel-acknowledge Segment)。由于绿数据无需重传，所以仅给出红数据传输的详细流程，结合图2b，描述如下：
上层协议发出数据请求，LTP传输服务开始。当链路状况表面链路连通，则数据开始发送，CP计时器开启。图中5个segment开始传输。接收端接收数据。当接收端检测到除EORP之外有其他红色部分数据丢失，则开启重传服务，开启RS计时器。将丢失的segment在RS中标记，反馈至发送端，图中红色部分数据有三个segment未正确解码，暂将其储存。发送端接收到RS后，关闭CP计时器，生成RA数据。如果RS表明所有数据正确接收，则发送RA，若有数据未被正确接收，则标记最后一个segment为CP，将剩余数据进行重传，启动CP计时器。若接收端收到RA，则关闭RS定时器，形成接收报告，表明所有数据接收完毕。若接收端收到到返回的剩余红色部分数据，则联合前面存储的错误数据进行联合解码，然后继续反馈RS。若在RS反馈过程中，发送端没有接收到RS(接收端一定时长后没有收到发送端数据)，RS计时器溢出，RS重传，直到接收为止。同理，在发送过程中，若CP丢失，则CP计时器溢出，没有收到RS反馈，则认为接收端没有收到CP，再进行CP重传。在Block1第一次发送完毕后，Block2，Block3顺序传输，当发送端接收前面发送的RS反馈信息，则待当前Block发送完成后，根据RS的反馈信息进行 Segment重传，之后则继续发送Block或者处理其他RS反馈请求。
将每个Segment看成是OSTBC-MIMO系统在经过信道编码后需要传输的原始数据，在经过码率为r的OSTBC编码后，通过MIMO系统的Nt个发射天线发送，Nr个接收天线接收。接收端采用最大比合并时(maximum ratio combining,MRC)，其总的分集阶数可写为N＝Nt×Nr，OSTBC传输码块的低通信号模型可表示为：
Figure BDA0001328124960000081
在此，考虑一个在AWGN信道下通过多天线的OSTBC-MIMO块衰落 (block fading)HARQ通信系统。Y,H,X,W是复数域矩阵，维度分别为
Figure BDA0001328124960000082
Hij表示从第i个发射天线到第j个接收天线的信道增益，假设每个Hij服从复高斯分布，Hij～CN(0，1)，加性高斯白噪声服从复高斯分布W～CN(0，1)。S是SISO单个信道的平均信噪比，噪声平均功率为1。在块衰落信道下，假设信道传输特性在固定个字符周期上保持不变，但保持时间比总发送时间要小得多，其Hij是准静止状态，其值在时隙内恒定，对于不同的发射天线i与接收天线j，Hij取值服从复高斯分布。由于发射接收分集，多个复高斯信号叠加，在接收端信道增益模值服从自由度为2N的χ2分布。
现代编码技术如turbo码和LDPC码，其性能已经非常接近香农限。假设数据包在传输时近似达到高斯加性白噪声下的香农极限。在Segment传输时，主要考虑如下三种重传机制：
(1)ARQ，若接收端解码失败，则对上一组传输数据丢弃后，重传相同的数据，直到实现解码成功。
(2)无损HARQ，无损HARQ以信息速率R对数据进行连续重传，并存储重传数据直到实现无差错解码。
(3)截断HARQ，截断HARQ存储重传数据并进行联合解码，设有传输次数上限C。若在C次传输后没有收到ACK反馈，则丢弃该数据包，开始下个数据包传输。
本发明主要考虑的是ARQ、无损HARQ-RR、及截断HARQ-RR在LTP协议中的相关性能。
为方便推导，定义相关数学函数及符号如下：单边拉普拉斯变换
Figure BDA0001328124960000091
其逆变换
Figure BDA0001328124960000092
有归一化上不完全Gamma函数为
Figure BDA0001328124960000093
归一化下不完全 Gamma函数为
Figure BDA0001328124960000094
且有γr(α，x)＝1-Γr(α，x),当α为整数，Γ(α)＝(α-1)！。
(2)性能分析(Performance analysis)
A、性能指标
本发明主要对LTP-HARQ协议的时延，传输次数，吞吐量，以及能量消耗等性能指标进行考察。以单个block为传输文件，LTP协议在单跳场景下时延由如下公式给出：
Figure BDA0001328124960000101
其表示传输单个Block总时延Dblock，主要包括数据传输时间Dtrans，数据往返传播时间Dprop_total，CP重传时间DCP_total，RS重传时间DRS_total。Mseg是表示单个segment传输次数期望，单个segment传输时间Dseg＝Lseg/Rs，Rs为带宽为B下的信息传输速率，其与单位带宽信息速率关系为Rs＝RB，在带宽B下，时隙D内传输数据包L nats(1nat＝1.44bit)，标准化信息传输速率可定义为 R＝L/BD,单位为nats/Hz/s。单个block中有segment数量Num＝Lblock/Lseg，Lblock是传输block大小，Lseg是segment大小。数据往返传播时间Dprop_total是长链路环境下的主要时延，设定传输block的segment最大传输次数为MLTP，CP计时器溢出的时间DCP_timer为传播时延和RS数据传输时间之和，即 DCP_timer＝2Dprop+DRS，RS计时器溢出的时间为DRS_timer为传播时延和CP数据传输时间之和DRS_timer＝2Dprop+DCP，当CP,RS与数据Segment大小一致时，其数据传输时间DCP＝DRS＝Dseg。
LTP协议影响时延的主要因素为传输次数Mseg与MLTP，以往在LTP的ARQ 机制下Mseg＝1/(1-Q)，Q为Segment解码失败概率，其由误比特率求得。而MLTP由下式给出：
Figure BDA0001328124960000102
在不同衰落和不同的传输机制下，Q表达形式不同。因此，若R是发送端单位带宽下信息传输速率，M是发送单个数据包的传输次数期望，不考虑传播路程对吞吐量的影响，可以定义吞吐量T为：
Figure BDA0001328124960000103
而描述发送单个数据包直到接收成功的传输次数(数据传输次数包括第一次传输和重传次数)期望表征为：
Figure BDA0001328124960000104
Pk表示第k次传输解码成功概率，Qk表示第k次传输解码失败概率，其中Q0＝1，表示传输0次的接收端译码失败概率是1。在HARQ中，在第k次传输时，在接收端会利用前k-1次及第k次所传输的数据进行联合解码。若第 k-1次传输后联合解码的失败概率为Qk-1，第k次解码成功概率Pk，失败概率 Qk，满足Qk-1＝Pk+Qk，表示第k次传输的数据解码失败的概率与第k次解码成功概率之和为上一次解码失败概率Qk-1。
从信息论的角度，当信息量少于R时解码失败，其第k次解码失败概率
Qk＝P(ik≤R) (6)
ik即为HARQ系统前k次传输的累计互信息量。而在ARQ中，当数据解码失败，则会将传输的错误数据丢弃，所以当前第k次传输数据的成功与否与前k-1次传输的数据无关，使得互信息量无累计，即ik＝ik-1。HARQ-RR系统通过将每次重传数据信噪比进行累加得到互信息增益，其累计信息量
Figure BDA0001328124960000111
S是SISO信道下的平均信噪比，zk表示第k次传输时信道功率增益，是为随机变量，不同衰落信道服从不同分布,概率密度函数表示为 fZ(z)。所以可以将(6)进一步写为：
Figure BDA0001328124960000112
ΘRR＝(eR-1)/S表示解码门限。
Figure BDA0001328124960000113
表示k阶pdffZ(z)的卷积,zu均独立同分布，z～fZ(z)，在不同的衰落信道下，根据特定的fZ(z)概率分布，便可以得到特定信道下HARQ系统第k次传输失败概率Qk。
从能量的角度考察LTP协议下传输机制，定义单位信息能量为
Figure BDA0001328124960000114
Nb表示需要传输的Segment信息量大小，单位为比特bit或奈特nat，E表示成功传输一个Segment所消耗的总能量，单位为J，其能量消耗主要来源于发射端和接收端两部分。进而写为：
Figure BDA0001328124960000115
Es表示发射端发射传输所需的单位信息能量，Ed表示接收端解码所需的单位信息能量，在时间Dseg内发射功率为Ps，共传输M次传输成功，而接收端每次解码所需能量Edec和解码电路单元有关，Lseg即所为需传输的数据信息量大小Nb，单位信息能量可写为：
Figure BDA0001328124960000116
ARQ，无损HARQ-RR，截断HARQ-RR方式接收端每次解码所需能量各有不同，分别表示为
Figure BDA0001328124960000117
于上，给出了在空间信息网络背景下LTP协议主要性能指标，传输时延，传输次数期望，吞吐量，以及单位信息能量。由于空间信息网络链路主要是星间或星地直视链路，OSTBC-MIMO 系统衰落方式主要为莱斯衰落，当链路受到降雨或其他障碍物影响时，莱斯衰落信道会退化为瑞利信道。所以接下来，在给出ARQ,无损HARQ-RR，和截断HARQ-RR在莱斯衰落下的相关性能推导时，也会给出瑞利衰落情况下的性能。
B、无损HARQ性能
考虑采用OSTBC编码的N阶MRC分集接收无损HARQ-RR系统。在采用OSTBC编码传输的情况下，不同天线发射的信号不相关，对于给定的信道功率增益和单位带宽，可以将MIMO信道认为是有效的SISO信道， Segment解码失败概率可写为：
Figure BDA0001328124960000121
Figure BDA0001328124960000122
表示解码门限，
Figure BDA0001328124960000123
表示有效SNR，r为码率，Nt表示发射天线个数，zu为信道功率增益。莱斯衰落下信道功率增益zu的概率密度函数为：
Figure BDA0001328124960000124
推导过程见附录A，莱斯衰落下传输次数期望：
Figure BDA0001328124960000125
莱斯衰落下，HARQ-RR的系统吞吐量有：
Figure BDA0001328124960000126
其中，K是莱斯因子，有K＝D2/2σ2＝D2为信号直射功率与散射功率之比。
高通量卫星的毫米波链路，在特殊天气情况下，可能由莱斯信道退化为瑞利信道。同样给出瑞利信道下的传输次数与吞吐量计算式，有
Figure BDA0001328124960000127
Figure BDA0001328124960000128
其中，*表示复数域的共轭转置，an＝ei2πn/N，bn＝1-an。由此，我们得到了 LTP协议中OSTBC-MIMO系统下无损HARQ-RR方式在瑞利和莱斯衰落下的传输次数期望，以及吞吐量闭合形式。结合式(3)，可得到LTP-HARQ协议在莱斯衰落下的传输次数期望为：
Figure BDA0001328124960000129
其中，
Figure BDA00013281249600001210
由前文的式(13)可得，
Figure BDA00013281249600001211
而瑞利衰落下LTP协议传输次数期望为：
Figure BDA0001328124960000131
将上式(13)(17)和(15)(18)代入到式(2)中，便可得到LTP协议在莱斯、瑞利衰落下的文件传输时延计算式。
根据式(14)(16)(10)，便可得到两种衰落下，OSTBC-MIMO系统在LTP 协议中的单位信息能量为：
Figure BDA0001328124960000132
考虑瑞利衰落下无损HARQ方式，根据式(16)(19)对信噪比在趋于0和正无穷两个状态取得极限值。
Figure BDA0001328124960000133
Figure BDA0001328124960000134
基于(20)与(21)可以有如下定理：
定理1：在采用无损HARQ传输机制的瑞利衰落下的OSTBC-MIMO系统中，存在合适的信噪比值，使得传输成功单位信息的总能量最低。而且，仅对发射端来说，不考虑接收端解码能耗，无论信噪比多低，总能通过重传次数增益实现成功解码。
证明见附录B.1。
由此，得到了无损HARQ机制在LTP协议中关于传输次数吞吐量，单位信息能量以及传输时延性能，类似的，在下一节推导截断HARQ，ARQ机制的如上性能指标。
C、截断HARQ-RR与ARQ性能
与无损HARQ不同的是，截断HARQ的传输次数有设有上限C次。当次数据包达到传输次数上限仍未被成功解码，则丢弃数据包开始下一个数据包的传输。因此截断HARQ不能完全保证数据的正确接收，但同时也避免了多次重传造成的能量浪费。根据定义式(5)以及式(12)得到了莱斯衰落下截断 HARQ传输次数为：
Figure BDA0001328124960000135
所以截断HARQ的吞吐量的表达式为：
Figure BDA0001328124960000136
类似的，可以得到瑞利衰落下截断HARQ的传输次数期望与吞吐量的数学表达式。
Figure BDA0001328124960000141
Figure BDA0001328124960000142
因为截断HARQ机制无法满足LTP协议对于红数据传输的可靠性要求，所以仅给出其传输次数，吞吐量，以及能耗的相关情况。其单位信息能量根据式(10)可得到：
Figure BDA0001328124960000143
而对于ARQ而言，接收端每次都将无法译码的数据分组(Segment)丢弃，导致对于特定数据分组来说，解码失败概率与传输次数无关，因此，其传输次数期望为MARQ＝1/(1-Q1)，吞吐量为
Figure BDA0001328124960000144
将莱斯信道和瑞利信道特性代入，得到ARQ机制的传输次数与吞吐量表达式：
Figure BDA0001328124960000145
Figure BDA0001328124960000146
Figure BDA0001328124960000147
Figure BDA0001328124960000148
其中，式(27)(28)是莱斯衰落下传输次数期望与吞吐量性能，(29)(30)是瑞利衰落下传输次数期望与吞吐量性能。值得注意的是，当截断HARQ设置传输次数上限K＝1时，其吞吐量的形式与ARQ是一致的，但二者所经历的过程不同。ARQ单位信息能量可表示为：
Figure BDA0001328124960000149
根据截断HARQ与ARQ的能耗情况，可得到如下定理2。
定理2：在采用截断HARQ或ARQ机制的瑞利衰落下的OSTBC-MIMO 系统中，存在合适的信噪比值使得传输成功单位信息的总能量最低。但是，对于发射端来说，不考虑接收端解码能耗，截断HARQ机制与ARQ机制都不能通过重传机制保证信息的成功解码。
证明见附录B.2。
由此得到了LTP协议中OSTBC编码的N阶MRC分集接收MIMO系统关于无损HARQ-RR，截断HARQ-RR，ARQ三种传输机制在瑞利衰落和莱斯衰落下吞吐量，单位信息能量，传输时延的表达式。其仿真结果在第(3) 部分中进行了展示。
(3)仿真结果展示(Simulation Results and Discussion)
A、性能仿真
此部分主要对理论推导进行仿真与分析，给出OSTBC-MIMO系统中 LTP协议ARQ，无损HARQ-RR，截断HARQ-RR三种机制在不同衰落方式下的性能。
首先考察ARQ,无损HARQ，截断HARQ在瑞利衰落和莱斯衰落下的传输次数期望，为方便讨论，设定OSTBC-MIMO的分集阶数为1，即N＝1，此时信道退化为SISO信道。让截断HARQ的传输次数上限C＝2，取莱斯因子K＝0.1,信息传输速率R＝2nat/Hz/s，根据公式(24)(22)(29)(27)(15)(13)分别得到ARQ在瑞利衰落下的传输次数期望，ARQ在莱斯衰落下的传输次数期望，截断HARQ在瑞利衰落下的传输次数期望，截断HARQ在莱斯衰落下的传输次数期望，无损HARQ在瑞利衰落和莱斯衰落下的传输次数期望的仿真如图3所示，图3为传输次数性能示意图。
由图3可知，在相同信噪比下截断HARQ传输次数期望最小，ARQ传输次数期望最大，且莱斯衰落下其传输次数性能相较于瑞利衰落要好.。
同理根据式(25)(23)(30)(28)(16)(14)得到吞吐量性能曲线如图4a所示。
同样，给出Segment在OSTBC-MIMO系统中的能耗情况，设置参数系统带宽为31.1MHz，仿真如图4b所示，图4b是单位信息能量随信噪比变化曲线示意图。
由图4b可知，截断HARQ与ARQ在保证传输成功的同时，存在合适的信噪比值使得能耗最低。在较高信噪比时，传输次数趋于1，发射端能耗相近，所以若解码端HARQ能耗高则选择ARQ机制更节省能量。
最后考察LTP-HARQ协议的时延性能，参数设置如下，segment大小为 1400byte，block大小为244000byte，单程传播时延设置为1.2s。其在 OSTBC-MIMO系统下时延性能如图5所示，图5LTP协议ARQ与HARQ 性能比较示意图。
在图5中可以看到无损HARQ的传输时延期望相比于原来LTP协议中的ARQ机制更少，性能更好。
B、性能影响因素分析
显然除了传输机制及衰落方式区别会对系统性能造成影响外，其内部因素如OSTBC-MIMO系统的天线个数，以及信息传输速率R，码率，莱斯因子K等都会对性能产生影响，在此主要分析信息传输速率对系统性能的影响，以及分析ARQ与HARQ在保证传输成功时的能量消耗。
根据式(14)和(16)两种衰落条件下信息传输速率对吞吐量影响仿真如图 6所示，图6是信息传输速率对吞吐量影响示意图。
从图6中可以得到如下两点结论，一，分集阶数的增大能提高吞吐量性能。二，当信噪比不变，分集阶数不变OSTBC-MIMO系统存在特定R值使得吞吐量最大。
所以可得到定理3：
定理3：在瑞利衰落的OSTBC-MIMO系统中，存在单位带宽下信息传输速率R值，使得系统吞吐量最大，即
Figure BDA0001328124960000161
使得系统吞吐量T＝TMAX。
证明见附录B.3。
考察信息传输速率对发射端单位信息能量的影响，仿真图如图7所示，图7是信息传输速率对单位信息能量影响示意图。
由图7可知，单位信息能量关于信息传输速率曲线呈现凹函数趋势，其存在合适的R值使得单位信息能量值最低。同时注意到，在较低R值时，几种不同衰落和分集的HARQ机制的单位信息能量近乎一致，这是因为在此R 值下，所需要传输的信息量较少，发射端信噪比足以使得传输次数期望趋于 1，分集方式和衰落方式对传输数据影响较弱，所以他们趋于一致。
根据如上仿真与结论，同样，我们有定理4：
定理4：
在瑞利的OSTBC-MIMO系统中，存在单位带宽下信息传输速率R值，使得系统发射端传输成功单位信息所需的能量最小，即
Figure BDA0001328124960000162
使得发射端单位信息能量Eb＝Eb_MIN。
证明见附录B.3。
尽管仅给出瑞利衰落下定理1,2,3,4的理论证明，根据仿真可看出莱斯衰落也符合这四条定理。
由上述分析可知，在本发明中，为引入HARQ机制提高LTP协议性能，本发明从传输次数，吞吐量，发射端单位信息能量比较了原有ARQ机制与 HARQ机制在OSTBC-MIMO系统中的性能，建立了LTP-HARQ协议在不同衰落下的单跳性能分析模型，最后讨论了信息传输速率关于吞吐量和单位信息能量的最值问题。在此过程中，得到了如下结论：
一、ARQ相较于HARQ，在OSTBC-MIMO系统下其传输次数和吞吐量性能都较差，当信噪比较低时，HARQ性能要远好于ARQ。
二、当信噪比越大，吞吐量越接近信息传输速率。吞吐量随信噪比变化表现为增函数，而单位信息能量在ARQ与截断HARQ机制下随信噪比变化表现为为凹函数，存在信噪比的某个值使得在保证传输成功的同时，所消耗的能量最少。另外吞吐量与单位信息能量关于信息传输速率均表现为凹函数。
三、将多天线系统与HARQ机制引入LTP协议能大大降低传输时延，减少能量消耗，提高链路性能。
基于如上工作，本发明对定理1,2,3,4在瑞利衰落下分别作了推导，也给出了莱斯情况下的仿真。
附录A
Derivation of(12)
信号幅度为Rician分布，服从自由度为2N的非中心卡方分布，其形式写为：
Figure BDA0001328124960000171
β为非中心参数，
Figure BDA0001328124960000172
莱斯因子K＝D2/2σ2＝D2为信号直射功率与散射功率之比，IN-1为N-1阶第一类修正的贝塞尔函数。瞬时功率增益z＝r2，由此可得到功率增益系数的概率密度分布为：
Figure BDA0001328124960000173
此处用到第一类修正的贝塞尔函数级数展开：
Figure BDA0001328124960000174
进一步的我们可以将(45)式进行拉氏变换：
Figure BDA0001328124960000175
注意到
Figure BDA0001328124960000176
幂级数展开为：
Figure BDA0001328124960000177
所以有：
Figure BDA0001328124960000181
APPENDIX B
B.1定理1证明：
Figure BDA0001328124960000182
令Θ＝h/S，有h＝rNt(eR/r-1)，对单位信息能量取极限有：
Figure BDA0001328124960000183
Figure BDA0001328124960000184
根据开区间内连续函数的最值判定定理，必然在信噪比取(0,∞)区间内存在最小值。且由式(38)可知，当信噪比S→0时，发射端能量趋近于常数
Figure BDA0001328124960000185
所以仅从发射端发送单位信息所需能量考虑，尽管信噪比降低，但重传次数增益仍能保证数据的成功传输。定理1得证。
B.2定理2证明：
考虑ARQ机制下的单位信息能量,当信噪比S→0时：
Figure BDA0001328124960000191
其中
Figure BDA0001328124960000192
所以
Figure BDA0001328124960000193
仅就发射端单位信息能量而言，求解的关键在于下式的极限值。
Figure BDA0001328124960000194
式(41)中，使用了洛必达法则进行极限求解。进而可得式(40)
Figure BDA0001328124960000195
当信噪比S→∞时
Figure BDA0001328124960000196
可见当S→0，Eb→∞，且S→∞，Eb→∞，根据开区间最值判定定理，
Figure BDA0001328124960000197
使得Eb最小。
同样，考虑截断HARQ情况，当S→0时：
Figure BDA0001328124960000201
根据式(41)同理可得：
Figure BDA0001328124960000202
当S→∞时，截断HARQ单位信息能量取极限，有：
Figure BDA0001328124960000203
以上，已经证明截断HARQ与ARQ机制在瑞丽衰落下的OSTBC-MIMO 系统中，
Figure BDA0001328124960000204
使得Eb最小，且这两种重传机制都不能保证信息的成功解码。定理2证毕
B.3定理3与定理4证明：
rNt(eR/r-1)＝Θ*S，有
Figure BDA0001328124960000205
当R→0时，Θ→0。取极限有：
Figure BDA0001328124960000206
当R→∞时，Θ→∞，有：
Figure BDA0001328124960000211
根据函数开区间最值判定定理，可知
Figure BDA0001328124960000212
使得系统吞吐量最大。根据单位信息能量表达式(10)与吞吐量式(4)，可知当随着R的变化，吞吐量有最大值时，则单位信息能量存在最小值。故定理3与定理4得证。
此外，本发明还提出一种LTP-HARQ协议设计与传输系统，包括： LTP-HARQ协议设计与传输程序，所述LTP-HARQ协议设计与传输程序配置为由处理器调用时，执行如上所述的方法的步骤，在此不再赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种LTP-HARQ协议设计与传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建空间信息网络分布式MIMO卫星通信场景下OSTBC-MIMO系统的系统模型；
基于所述OSTBC-MIMO系统的系统模型，将HARQ机制引入至LTP协议中，设计结合OSTBC-MIMO系统的LTP-HARQ协议传输机制；
所述LTP-HARQ协议设计与传输方法还包括：
基于所述LTP-HARQ协议传输机制，推导LTP-HARQ协议在空间信息网络的OSTBC-MIMO系统中的传输次数期望、吞吐量，以及能量消耗的数学模型，得到OSTBC-MIMO系统莱斯衰落下的LTP-HARQ协议传输时延的理论公式解；
所述LTP-HARQ协议设计与传输方法还包括：
在空间信息网络的分布式MIMO高通量卫星通信场景下，利用拉普拉斯变换的方法，对信道参数进行处理，推导星间、星地直视链路莱斯衰落信道下，不同传输机制的性能指标理论公式解。
2.根据权利要求1所述的LTP-HARQ协议设计与传输方法，其特征在于，所述LTP-HARQ协议设计与传输方法还包括：
以发射端的单位信息能量指标为切入点，对LTP协议关于时延，及吞吐量和能耗进行仿真验证，分析影响LTP HARQ协议性能的因素。
3.根据权利要求1所述的LTP-HARQ协议设计与传输方法，其特征在于，所述LTP-HARQ协议设计与传输方法还包括：
分析并推导吞吐量与能耗关于信噪比和信息传输速率的最值。
4.根据权利要求1所述的LTP-HARQ协议设计与传输方法，其特征在于，所述不同传输机制的性能指标理论公式解包括ARQ、截断HARQ-RR，以及无损HARQ-RR关于传输次数、吞吐量的形式解。
5.一种LTP-HARQ协议设计与传输系统，其特征在于，包括：LTP-HARQ协议设计与传输程序，所述LTP-HARQ协议设计与传输程序配置为由处理器调用时，执行如权利要求1-4中任一项所述的方法的步骤。
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