Link16 数据链系统中消息可靠传输研究

引 言

随着信息技术的飞速发展，未来战争将以联合作战为中心，谁能以最快的方式获得战场中的各种信息资源，就能获得战争的主导权。数据链将传感器、指挥控制系统和各作战平台连接起来形成一个有机整体，以实现各作战单元之间的信息无缝交换，为各层次的指挥员快速、准确地决策提供信息保障。

战场电磁环境异常复杂，信号接收受反射、绕射、散射以及各种干扰和噪声的影响，导致信道特性极为复杂。

自动重传技术在接收端对数据进行校验，若检验有错， 则发送错误信号至发送端请求对前一帧数据进行重发，直到达到最大重传次数 [3]。

前向纠错编码技术在发送端对信息进行编码，在发送内容中增加冗余信息，如果在传输过程中发生错误可以纠正，发送端无需重新发送数据，但纠错码设计将降低传输效率 [4-5]。

在 Link16 数据链系统中， 前向纠错编码采用 RS 码（Reed-Solomon codes，RS）[6]， 将 RS 码与自动重传技术相结合，提出了基于混合自动重传技术（Hybrid Automatic Repeat-request，HARQ）的可靠传输方案，在接收端将多次传输的消息进行合并，通过时间分集增益提高消息传输的可靠性。

1 Link16数据链系统消息可靠传输

1.1 可靠传输模型

无线通信中， 传统的 ARQ（Automatic Repeat-request， ARQ）接收端接收到数据后， 若数据帧校验错误， 则丢弃该数据包， 同时将 NACK（Negative Acknowledgement，NACK）信息反馈至发送端，发送端收到重选请求后重传数据帧，实现虽简单，但传输时延大、传输效率较低。HARQ技术将前向纠错技术与 ARQ 技术相结合，接收端将上一次错误的数据帧和本次传输的数据帧合并进行译码，通过重传带来的合并增益提高了数据帧译码的正确率，从而提高了传输可靠性 [7-8]。

在 Link16 数据链系统中，可靠传输系统模型如图 1 所示。发送端的数据帧经 RS 编码后送入信道传输，同时该数据帧在发送端进行缓存 ；接收端将接收到的数据帧送入 RS 译码，并在接收端缓存，若数据帧译码错误，则将 NACK 指令反馈至发送端。发送端重发该数据帧，接收端将重发的数据与缓存的错误数据帧进行合并处理，然后送至 RS 译码，直至达到最大重传次数或数据帧译码正确。

对接收端来说，多个数据帧是不同时间经过信道到达的，可认为是相互独立的数据，可以通过合并多个数据帧获得合并增益。

1.2 Chase 合并原理

在 Chase 合并方案中，发送端每次发送的数据帧相同，接收端按照每次接收数据帧的信噪比加权对数据进行合并，然后对合并后的数据进行解码 [9-10]。Chase 合并通过不同数据帧的时间分集，可获得合并增益。最大传输次数为 N 的Chase 合并过程如图 2 所示。

Chase 合并是将收到的多个码率为 Rs 的数据帧合并，数据帧的码率不变。若最大传输次数为 NMax，则接收端合并后的数据 ：

式中：ri 为第 i 次收到的数据帧；αi 为合并的加权系数。数据帧的信噪比越高，RS 译码的正确概率就越大，当 αi 为归一化信噪比时，该 Chase 进行最大比合并，合并后的数据信噪比最大。但最大比合并需要计算信噪比，计算复杂度高，接收机设计较为复杂。在工程上，为了便于实现，采用等增益合并，接收端合并后的数据：

式中 N 为当前传输次数。

1.3 可靠传输方案

基于以上分析，在 Link16 数据链系统中，本文提出了消息可靠传输方法，算法的实现流程如下。

（1）对数据块进行 CRC 编码，以便在接收端判断数据译码校验是否正确。

（2）对 CRC 编码后的数据块进行 RS 编码形成数据帧，在缓存处理的同时发送至接收端。

（3）接收端对接收到的数据缓存处理后，先进行 RS 译码和 CRC 校验，若 CRC 校验失败，则进入数据帧等增益合并过程。

（4）对合并后的数据帧进行 CRC 校验，若校验失败，反馈 NACK 至发送端，发送端启动重传机制。

（5）接收端对重传的数据帧进行等增益合并后，进行RS 译码和 CRC 校验，直至数据帧译码正确或达到最大重传次数。

Link16 数据链系统消息可靠传输流程如图 3 所示。

2 性能分析

在传统 ARQ 系统中，设最大传输次数为 NMax，数据帧被正确译码的概率为 Pe，则第 i 次数据帧被正确译码的概率 ：

基于 HARQ 的消息可靠传输方案中，设最大传输次数为NMax，数据帧被正确译码的概率为 Pe，因 Chase 合并重传数据帧一致，因此数据帧被正确译码的概率相同，均为 Pe。设 第 i 次合并后的数据帧被正确译码的概率为 Pci，则第 i 次数据帧被正确译码的概率 ：

3 仿 真

在无自动重传 ARQ、自动重传 ARQ、基于 Chase 合并的混合重传 HARQ 三种模式中系统进行仿真。仿真调制方式采用 BPSK，信道采用高斯信道，RS 编码使用 RS（31，15），一帧数据长度为 155 bit，最大重传次数设置为 3。仿真结果如图 4 所示。

由图可知，当信噪比小于 7 dB 时，自动重传 ARQ、基 于 Chase 合并的混合重传 HARQ 平均传输次数约等于 3，传输可靠性接近 ；当信噪比在 7 ～ 12 dB 之间时，基于 Chase合并的混合重传 HARQ 平均传输次数小于自动重传 ARQ， 在 HARQ 方案中，由于充分利用了时间分集增益，将每一帧数据中的冗余信息合并，因此提高了纠错性能 ；当信噪比大于 12 dB 时，信道环境较好，自动重传 ARQ、基于 Chase 合并的混合重传 HARQ 平均传输次数约等于 1，即发送端发送一次数据帧，接收端就可以正确接收。

基于 Chase 合并的混合重传 HARQ 可以提高 Link16 数据链系统消息传输可靠性，但同时会提高接收机的复杂度，在实际运用过程中，需要权衡处理开销和系统性能。

4 结 语

本文将 HARQ 技术引入 Link16 数据链系统，给出了基于 HARQ 技术的消息可靠传输方案。该方案在接收端对多个数据帧进行 Chase 合并，利用时间分集增益提高消息传输可靠性。仿真结果表明，该消息可靠传输方案降低了重传次数，使得 Link16 系统可以快速、准确地传输指令报文，提升作战性能。