CN113595692A - 一种基于动态阈值门限优化设计的amc-harq方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态阈值门限优化设计的AMC‑HARQ方法，涉及卫星通信领域；包括：第1次传输数据时，根据最大重传次数设置各个重传次数对应的AMC阈值，通过实时误帧率的变化动态调整阈值门限，选择最优的编码调制方式传输数据；第2次以后传输数据时，对所述AMC阈值区间进行优化，从提升吞吐量出发，选择最优的编码调制方式传输数据，根据混合自动重传的增益，设定不同重传次数下的阈值门限。本发明根据误帧率对阈值门限进行优化，从而达到动态切换阈值门限的目的，提高数据传输的速率，减少传输出错的概率，最终提升通信系统的吞吐量。

Description

一种基于动态阈值门限优化设计的AMC-HARQ方法

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，具体涉及一种基于动态阈值门限优化设计的AMC-HARQ方法。

背景技术

随着空间技术的快速发展，人类对宇宙空间的探索也逐渐加深，为了对国际空间站数据的传输和体系进一步管理，国际空间数据咨询委员会提出了高级在轨系统的概念。现阶段AOS技术已经成为卫星通信系统中的重要技术，它能够支持多种数据业务，且传输的数据量大。由于空间通信系统的信道环境较为复杂，使得数据在传输时难以保证其有效性和可靠性。因此，需要在空间通信系统中进行资源优化方面的研究，以提高AOS通信系统的吞吐量。

目前，在提高系统吞吐量和频谱效率方面，相关人员对已有的自适应通信方案进行了很多研究。如自适应调制编码和自动重传请求进行联合优化的无差错传输方案，以提高链路的吞吐量；基于实时信道状态信息估计的混合自动重传请求速率自适应算法，以提升系统的吞吐率性能；基于HARQ的联合优化自适应传输方案，提出AMC固定阈值门限优化的方法，以提高系统的性能；多维阈值门限动态切换算法，根据重传次数来选择不同的阈值方案，以提高系统的吞吐量。上述研究大多都没有考虑系统的QoS要求，导致数据的传输效率不高。再者，采用的是固定阈值算法，导致系统过于依赖阈值划分的准确度，且阈值门限算法是在理想信道条件下计算的，不能适应实际的时变信道。

发明内容

考虑到AOS空间通信系统信道时变衰落，突发错误多的情况，本发明提出一种基于动态阈值门限优化设计的AMC(自适应调制编码)-HARQ(自动重传请求)方法，该方法设定不同重传次数下的AMC阈值，通过实时误帧率对阈值进行优化，选择最优的编码调制方式传输数据，最终达到提升系统吞吐量的目的。

为实现上述目的，本申请的技术方案为：一种基于动态阈值门限优化设计的AMC-HARQ方法，如图1所示，包括：

第1次传输数据时，根据最大重传次数设置各个重传次数对应的AMC阈值，通过实时误帧率的变化动态调整阈值门限，选择最优的编码调制方式传输数据；

第2次以后传输数据时，对所述AMC阈值区间进行优化，从提升吞吐量出发，选择最优的编码调制方式传输数据，根据混合自动重传的增益，设定不同重传次数下的阈值门限。

进一步的，根据最大重传次数设置各个重传次数对应的AMC阈值，通过实时误帧率的变化动态调整阈值门限，选择最优的编码调制方式传输数据，具体实现方式为：

发送端对信源数据进行编码和调制，然后在无线信道中传输，接收端对数据进行解调、译码和检错，采用HARQ-III型重传方式，当正确接收数据时，反馈ACK数据帧，同时更新误帧率，调整AMC阈值门限；当数据出错时，先进行纠错，如果纠错失败，缓存出错数据，反馈NACK请求重传，并根据当前重传次数选择对应的AMC阈值，同时更新实时误帧率，根据所述实时误帧率的变化动态调整阈值门限，选择最优的编码调制方式传输数据。

进一步的，对于重传数据，如果传输出错，则与缓存数据进行合并译码，直至正确接收数据或达到最大重传次数。为了结合HARQ-III型重传方式，假设在数据帧重传过程中帧长保持不变。

进一步的，假设无线信道在数据帧传输过程中保持恒定状态，信道状态不随着数据帧而变化；因此，采用信道模型来描述通信系统的信噪比，接收信噪比的概率密度函数表示为：

γ是瞬时信噪比，

表示平均接收信噪比，m为信道衰落参数，对应不同的衰落环境，m＝1信道则表示为瑞利信道；Γ(m)是伽玛函数，表示为：

式中t为自变量；

在数据链路层中使用HARQ时，所有传输模式下的误帧率都采用曲线拟合法近似的表示为：

n表示编码调制方式，i表示传输帧长，l表示重传次数，当l＝0时，表示初次传输该数据帧；a_n,i,l，g_n,i,l，γ_Pni,l表示曲线拟合相关的参数，具体参数值可以通过仿真估算得到。

进一步的，对所述AMC阈值区间进行优化，从提升吞吐量出发，选择最优的编码调制方式传输数据，根据混合自动重传的增益，设定不同重传次数下的阈值门限，具体实现方式为：

对自适应编码调制的阈值区间进行优化，设定通信系统的最大重传次数为N_r，数据在传输过程中所容许的误帧率为p_loss。从提升通信系统吞吐量出发，选择最佳的编码调制方式传输数据，根据混合自动重传的增益，设定不同重传次数下的阈值门限，并对阈值门限进行优化，提高数据传输的准确性，从而提升通信系统的吞吐量。

本发明中优化的阈值为自适应编码调制方式的阈值门限，不包括帧长。传统的自适应编码调制技术采用固定阈值选择算法，在与重传联合优化时，仅在数据帧第一次传输时满足设定的误帧率要求，即：

FER_n,0(γ)≤p_loss (4)

可以看出，该方法没有考虑在重传过程中HARQ技术的组合增益会使通信系统有更好的性能，使得系统容量没有得到充分利用。因此，对于通信系统的每一次重传，需要确定不同的阈值区间，即每一次重传对应一个唯一的阈值切换序列，其约束如下所示：

FER_n,l(γ)≤P_l，l＝0,···,N_r (5)

其中，P_l表示第l次重传时的误帧率约束条件，l＝0表示数据帧初次传输；根据式(3)中误帧率的近似表达式，在保证误帧率约束条件的同时，对其求反函数，得到各传输模式之间的信噪比切换门限，进而得到N_r+1组切换阈值，如下所示：

考虑到通信系统整体QoS要求，对

做如下约束:

由于上述优化是在理性情况下进行的，因此阈值切换门限还没有达到最优。还需要对设定的阈值区间进行优化，使用误帧率来衡量当前信噪比下的切换阈值与实际最优的切换阈值的关系。通过通信系统反馈的误帧率来调整当前的阈值切换区间，使切换阈值更加符合实际信道环境，从而使系统在传输数据时能够选择最优的传输方式。

此时接收端在接收到数据帧时，更新此时的误帧率并反馈给发送端，发送端根据当前的误帧率实时调整切换阈值；假设一次调整的步长为Δ，编码调制方式MCSn最优工作区间[S_n,S_n+1]阈值的具体调节方法如下：

表示调节后第n种和第n-1种编码调制方式(MCS)切换时的信噪比值，FER₀为通信系统期望的误帧率。

对于通信系统实时误帧率FER_n的获取，通过发送端接收的NACK和ACK的数据帧比值进行实时更新：

其中，S_NACK(n)表示第n种编码调制模式传输时反馈的传输出错数据帧的数量，S_ACK(n)表示第n种编码调制模式传输时传输正确数据帧的数量。传输的数据帧数量越多，上式对第n种编码调制模式误帧率的估值就越准确。

可以看到，当MCSn的通信系统实时误帧率FER_n等于期望误帧率FER₀时，表示阈值门限不发生变化，总的调整值为：

当FER_n＜FER₀时，说明当前的阈值偏高，上式Δ_Total＜0，需要降低MCSn的阈值；反之，当FER_n＞FER₀时，说明当前的阈值偏低，上式Δ_Total＞0，需要提高MCSn的阈值。

求得的新门限值可以更加精准的确定切换门限，信噪比估计器通过判断比较，得到下一个数据帧传输的MCS方式后，反馈给发送端，更新下一刻传输时采用的调制编码模式(MCS)，从而保证通信系统的最优吞吐量性能。

进一步的，根据式(1)中Nakagami-m信道的信噪比概率密度函数，数据帧在第l次重传时，每种编码调制模式MCSn被选择的概率为:

由于重传时假定传输帧长不变，因此传输的数据帧长为i的概率为：

数据帧在考虑帧长条件下，第l次重传时，编码调制模式MCSn被选择的概率为：

P_γ(n,i,l)＝P_γ(i)P_γ(n,l) (13)

则通信系统在传输帧长为i，第l次重传时MCSn的平均误帧率表示为：

在上式中，由于帧长i在重传过程中不变，认为是定值，因此积分区间不考虑帧长的阈值切换。第l次传输的通信系统平均误帧率定义为错误接收的数据帧平均数量与传输的数据帧总平均数量之比：

数据帧成功接收的概率为：

通信系统的吞吐量表示为：

其中，R_n＝R_clog₂M_n，表示传输模式n的信息比特量，R_c为每次传输时信道的编码码率，M_n为调制的级数。

本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：本发明根据信道状态信息选择最优的编码调制方式进行数据传输，利用HARQ的重传增益，设定不同重传次数时的通信系统误帧率条件，得到不同的阈值切换门限，再根据误帧率对阈值门限进行优化，从而达到动态切换阈值门限的目的，提高数据传输的速率，减少传输出错的概率，最终提升通信系统的吞吐量。

附图说明

图1为基于动态阈值门限优化设计的AMC-HARQ方法原理图；

图2为通信系统工作流程图；

图3为不同信噪比下MCS1和MCS3两种传输方式被选择的概率图；

图4为传统阈值方法和AMTDSA方法与AMC-HARQ方法的吞吐量仿真对比图；

图5为传统阈值方法和AMTDSA方法与AMC-HARQ方法三种阈值划分方案的平均误帧率对比图。

具体实施方式

本发明的实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施的，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

实施例1

如图2所示，将本发明的一种基于动态阈值门限优化设计的AMC-HARQ方法应用在通信系统中，其工作方法为：

①开始传输数据。

②设定不同重传次数下的阈值切换门限。

③根据重传次数选择相对应的阈值门限。

④更新系统的实时误帧率，动态调整阈值。

⑤选择当前的传输模式；

⑥判断是否正确接收数据，如果正确接收数据，则跳至步骤⑩；如果没有正确接收数据，则跳至步骤⑦。

⑦缓存数据帧，合并译码。

⑧判断是否正确译码，如果正确，跳至步骤⑩；如果错误，跳至步骤⑨。

⑨更新系统重传次数，反馈NACK到步骤④，反馈重传次数到步骤③。

⑩清除缓存，反馈ACK至步骤④，并输出数据。

通过MATLAB软件对提出的基于动态阈值门限优化设计的AMC-HARQ方法进行了仿真验证。仿真实验将传统阈值方法和AMTDSA方法与本文所提出的AMC-HARQ方法的吞吐量和误帧率进行仿真对比。

建立仿真环境，Nakagami-m信道衰落参数m＝1，信源为随机产生的比特数据流，设通信系统的最大重传次数N_r为2，所允许的误帧率p_loss设置为10^-2，设置五种编码调制方式如附表1所示。

表1

如图3所示，可以看出，在低信噪比时，相同信噪比情况下，AMC-HARQ方法选择MCS1的概率最大，所以提出的AMC-HARQ方法更有可能选择传输速率更高的传输方式。当信噪比较高时，图中显示传统方案和AMTDSA方法比提出的AMC-HARQ方法更有可能选择MCS3，这是因为AMC-HARQ方法有更高的概率选择MCS4，从而可以获得更高的传输速率。随着系统运行时间的增加，接收端接收数据帧数量的不断增多，AMC-HARQ方法对阈值步长的调整会逐渐变小，使得系统吞吐量逐渐接近多维优化方案。

如图4所示，可以看出，三种阈值划分方案在信噪比较低时的吞吐量相差不大，因为在低信噪比时，AMTDSA方法与AMC-HARQ方法倾向于选择传输速率更快的传输模式，但在信噪比较低时，选择更快的传输方式并不能够保证系统正确的传输数据帧。AMC-HARQ方法可以根据系统反馈的实时误帧率来动态调整阈值门限，所以当信噪比逐渐增大时，信道状况逐渐变好，误帧率变小，系统吞吐量就会升高，与AMTDSA方法相比，其吞吐量上升的速度更快。当信噪比较大时，三种方案的吞吐量逐渐趋于一致。

如图5所示，可以看出，由于AMTDSA方法没有对阈值区间进行动态调整，在低信噪比时倾向于选择较快的传输模式，导致其误帧率大于传统阈值方案。在信噪比逐渐增大时，信道条件越来越好，系统的平均误帧率逐渐趋于一致。AMC-HARQ方法可以动态的调整阈值区间，在低信噪比时，由于误帧率较高，会倾向于选择低阶的传输模式，其误帧率会逐渐下降。当系统实时误帧率与系统期望误帧率不一致时，会动态调整传输时的阈值切换门限，随着数据帧传输量的增加，最终逐渐趋于稳定。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (7)

1.一种基于动态阈值门限优化设计的AMC-HARQ方法，其特征在于，包括：

根据最大重传次数设置各个重传次数对应的AMC阈值，通过实时误帧率的变化动态调整阈值门限，选择最优的编码调制方式传输数据；

对所述AMC阈值区间进行优化，从提升吞吐量出发，选择最优的编码调制方式传输数据，根据混合自动重传的增益，设定不同重传次数下的阈值门限。

2.根据权利要求1所述一种基于动态阈值门限优化设计的AMC-HARQ方法，其特征在于，根据最大重传次数设置各个重传次数对应的AMC阈值，通过实时误帧率的变化动态调整阈值门限，选择最优的编码调制方式传输数据，具体实现方式为：

发送端对信源数据进行编码和调制，然后在无线信道中传输，接收端对数据进行解调、译码和检错，采用HARQ-III型重传方式，当正确接收数据时，反馈ACK数据帧，同时更新误帧率，调整AMC阈值门限；当数据出错时，先进行纠错，如果纠错失败，缓存出错数据，反馈NACK请求重传，并根据当前重传次数选择对应的AMC阈值，同时更新实时误帧率，根据所述实时误帧率的变化动态调整阈值门限，选择最优的编码调制方式传输数据。

3.根据权利要求2所述一种基于动态阈值门限优化设计的AMC-HARQ方法，其特征在于，对于重传数据，如果传输出错，则与缓存数据进行合并译码，直至正确接收数据或达到最大重传次数，为了结合HARQ-III型重传方式，假设在数据帧重传过程中帧长保持不变。

4.根据权利要求2所述一种基于动态阈值门限优化设计的AMC-HARQ方法，其特征在于，假设无线信道在数据帧传输过程中保持恒定状态，信道状态不随着数据帧而变化；采用信道模型来描述通信系统的信噪比，则接收信噪比的概率密度函数表示为：

γ是瞬时信噪比，

表示平均接收信噪比，m为信道衰落参数，对应不同的衰落环境，m＝1信道则表示为瑞利信道；Γ(m)是伽玛函数，表示为：

式中t为自变量；

所有传输模式下的误帧率都采用曲线拟合法近似的表示为：

n表示编码调制方式，i表示传输帧长，l表示重传次数，当l＝0时，表示初次传输该数据帧；a_n,i,l，g_n,i,l，γ_Pni,l表示曲线拟合相关的参数。

5.根据权利要求4所述一种基于动态阈值门限优化设计的AMC-HARQ方法，其特征在于，对所述AMC阈值区间进行优化，从提升吞吐量出发，选择最优的编码调制方式传输数据，根据混合自动重传的增益，设定不同重传次数下的阈值门限，具体实现方式为：

每一次重传，需要确定不同的阈值区间，即每一次重传对应一个唯一的阈值切换序列，其约束如下所示：

FER_n,l(γ)≤P_l，l＝0,···,N_r (5)

其中，P_l表示第l次重传时的误帧率约束条件，l＝0表示数据帧初次传输，N_r为通信系统设定的最大重传次数；根据式(3)中误帧率的近似表达式，在保证误帧率约束条件的同时，对其求反函数，得到各传输模式之间的信噪比切换门限，进而得到N_r+1组切换阈值，如下所示：

对

做如下约束:

p_loss为数据在传输过程中所容许的误帧率。

6.根据权利要求5所述一种基于动态阈值门限优化设计的AMC-HARQ方法，其特征在于，接收端在接收到数据帧时，更新此时的误帧率并反馈给发送端，发送端根据当前的误帧率实时调整切换阈值；假设一次调整的步长为Δ，编码调制方式MCSn最优工作区间[S_n,S_n+1]阈值的具体调节方法如下：

表示调节后第n种和第n-1种编码调制方式MCS切换时的信噪比值，FER₀为通信系统期望的误帧率；

对于通信系统实时误帧率FER_n的获取，通过发送端接收的NACK和ACK的数据帧比值进行实时更新：

其中，S_NACK(n)表示第n种编码调制模式传输时反馈的传输出错数据帧的数量，S_ACK(n)表示第n种编码调制模式传输时传输正确数据帧的数量；

当通信系统实时误帧率FER_n等于期望误帧率FER₀时，表示阈值门限不发生变化，总的调整值为：

当FER_n＜FER₀时，说明当前的阈值偏高，上式Δ_Total＜0，需要降低MCSn的阈值；反之，当FER_n＞FER₀时，说明当前的阈值偏低，上式Δ_Total＞0，需要提高MCSn的阈值；

信噪比估计器通过判断比较，得到下一个数据帧传输的调制编码模式MCS方式后，反馈给发送端，然后进行更新。

7.根据权利要求5所述一种基于动态阈值门限优化设计的AMC-HARQ方法，其特征在于，根据式(1)中信噪比概率密度函数，数据帧在第l次重传时，每种编码调制模式MCSn被选择的概率为:

由于重传时假定传输帧长不变，因此传输的数据帧长为i的概率为：

数据帧在考虑帧长条件下，第l次重传时，编码调制模式MCSn被选择的概率为：

P_γ(n,i,l)＝P_γ(i)P_γ(n,l) (13)

则通信系统在传输帧长为i，第l次重传时MCSn的平均误帧率表示为：

第l次传输的通信系统平均误帧率定义为错误接收的数据帧平均数量与传输的数据帧总平均数量之比：

数据帧成功接收的概率为：

通信系统的吞吐量表示为：

其中，R_n＝R_clog₂M_n，表示传输模式n的信息比特量，R_c为每次传输时信道的编码码率，M_n为调制的级数。

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