卫星互联网的高时效双跳纠删传输协议研究

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卫星互联网作为地面互联网的补充和延伸,可以有效的克服基站覆盖面积受限,偏远环境地面网络构建成本高,以及易受自然灾害摧毁等因素,实现全方位全地域覆盖和全天时全天候工作。卫星互联网已经成为了下一代移动通信最重要的研究方向之一。但是,卫星互联网数百公里以上的超远距离星地链路会导致较大的传播延迟和高误码率。现有的混合自动重复请求(Hybrid Automatic Repeat Request,HARQ)协议中,需要频繁的反馈重传以恢复丢失的数据包来保证文件可靠传输,会导致较大的端到端时延,使得卫星互联网难以通过HARQ满足时延敏感型文件业务的可靠传输。基于此,本文提出了一种卫星互联网的高时效双跳纠删传输协议,发端和中继卫星利用网络编码(Network Coding,NC)对原始数据包进行长纠删码(Long Erasure Code,LEC)编码。中继卫星和收端可以通过NC冗余纠删包恢复丢失的原始数据包以避免丢包重传,从而实现一种优化平均信息年龄(Age of Information,Ao I)的NC-HARQ纠删传输协议。其中,第一跳的编码上限为固定值,第二跳的编码上限为动态值,从而提高吞吐量并保证可靠传输。首先,推导出了阴影莱斯衰落(Shadowed-Rician,SR)信道的误比特率(Bit Error Rate,BER),以此为依据进一步推导出卫星互联网双跳传输系统中的文件出错概率(File Error Rate,FER),为估计NC数据包的数量以保证较低的Ao I和端到端延迟提供了理论基础。然后,在NC-HARQ传输协议中进一步提出了两种传输模式,分别为无重传的NC-HARQ(NCnr-HARQ)模式和一次重传的NC-HARQ(NCor-HARQ)模式。在NCnr-HARQ模式下,卫星未能成功解码的文件将被直接丢弃;而在NCor-HARQ模式下,如果卫星解码失败,则反馈即时信道状态信息(Channel State Information,CSI),地面发送端可以根据反馈的CSI进行一次重传。通过在第一跳传输中使用离散的二状态马尔可夫链,和在第二跳传输中使用离散的四状态马尔可夫链,推导出了理想情况和一般情况下的平均Ao I和峰值Ao I(Peak Ao I,PAo I)理论闭式。此外,还推导出了平均端到端延迟和吞吐量的闭合表达式。通过蒙特卡罗仿真验证了理论分析的准确性,并进一步仿真了平均/峰值Ao I、平均端到端时延和吞吐量,并与相关的传输协议进行对比。仿真结果表明,设计的高时效NC-HARQ协议具有更好的性能。其中,NCnr-HARQ模式可以降低平均端到端传输时延并提高吞吐量。NCor-HARQ模式可以降低FER并实现最低的平均/峰值Ao I。此外,NCor-HARQ模式可以利用一次性重传来保证可靠传输,其中误码率可以接近于零,这也说明了设计的高时效NC-HARQ纠删传输协议可以将重传限制在一轮内。
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