衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)以其易部署、易安裝以及優(yōu)良的覆蓋能力得到廣泛的應(yīng)用。作為地面通信網(wǎng)絡(luò)的重要補(bǔ)充，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)必將越來越多地發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢。然而衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)易受環(huán)境因素的影響，在環(huán)境條件較為惡劣的情況下，鏈路會呈現(xiàn)出較高的誤碼率，重傳性能下降,為此如何在較高誤碼率環(huán)境下提高衛(wèi)星信道的效率，成為學(xué)者們近年來研究的熱點(diǎn)[1-4]。
　前向糾錯和反饋重傳以及二者的混合是數(shù)據(jù)鏈路層提供可靠傳輸?shù)闹匾夹g(shù)，其中反饋重傳中的SR ARQ(Selective-Repeat ARQ)技術(shù)以其具有高的可靠性和傳輸控制能力得到人們的青睞，特別是在無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中。
　盡管許多文獻(xiàn)對SR協(xié)議進(jìn)行了分析，但是分析不夠全面[1-5]不能反應(yīng)SR協(xié)議的運(yùn)行，比如模型中沒有考慮窗口大小、發(fā)送速率的影響。為此本文首先建立了衛(wèi)星鏈路上SR協(xié)議運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型，以此為基礎(chǔ)，分析了SR協(xié)議在衛(wèi)星鏈路上的性能。仿真結(jié)果表明，模型具有較好的特性。
1 SR協(xié)議運(yùn)行概述
　SR協(xié)議的運(yùn)行過程描述如下[6-7]：
　(1)發(fā)送者按照安排在窗口中的幀編號，以從小到大的順序連續(xù)地發(fā)送幀，每發(fā)送一幀就將其置入發(fā)送緩沖器隊列。每收到一個ACKi響應(yīng)，就從發(fā)送窗口中刪除該幀，同時使窗口向前移動，從而使窗口外等待發(fā)送的幀落入窗口中，繼續(xù)參與后續(xù)幀的發(fā)送，窗口的大小和發(fā)送緩沖器隊列的大小均為W/2。
　(2)接收者每收到一個幀，就與窗口中期待的幀編號進(jìn)行比較，如果一致就對其進(jìn)行檢驗，若無錯，則將該幀提交給上層處理，準(zhǔn)備后續(xù)幀的接收，并向發(fā)送方發(fā)送一個ACKi響應(yīng)；若有錯，則向發(fā)送方發(fā)送一個NAKi響應(yīng)，請求重傳出錯的幀。如果不一致則丟棄接收到的幀，并將后續(xù)接收到的幀存入接收緩沖區(qū)隊列。接收者的窗口大小和接收緩沖區(qū)隊列大小均為W/2。
　(3)如果發(fā)送者收到其窗口中某個幀的否定應(yīng)答信息，即NAKi響應(yīng)，無論當(dāng)前已發(fā)送到那個幀，都要重發(fā)該幀。
　(4)為了能夠使發(fā)送者對已發(fā)送幀做出及時處理，提高發(fā)送者資源的利用率，發(fā)送者給每一個已發(fā)送但還未收到應(yīng)答信息的幀設(shè)置了超時計時器，以防止應(yīng)答幀丟失，而致使發(fā)送者長期等待，造成資源的浪費(fèi)。當(dāng)某幀的超時計時器發(fā)生超時，則重發(fā)超時幀。
　(5)為防止發(fā)送者無限期重發(fā)出錯的幀，發(fā)送者還設(shè)置了重發(fā)計數(shù)器，其目的是防止接收者在宕機(jī)或其他不可避免的災(zāi)難時造成發(fā)送者資源的浪費(fèi)。
2 衛(wèi)星鏈路SR協(xié)議性能建模
　在沒有幀重傳的情況下，發(fā)送者每發(fā)送一幀，就能在其期望的下一時刻得到一個ACKi，從而使后續(xù)幀連續(xù)不斷地發(fā)送。但是，這種狀態(tài)在衛(wèi)星鏈路上幾乎是不可能的，為此設(shè)計了圖1所示的SR傳輸模型，并以此模型為基礎(chǔ)來分析衛(wèi)星鏈路的傳輸性能。
　圖1中，tp為傳播時延，tf為發(fā)送時延，Wtf是幀滿窗口時的發(fā)送時延，tpr為幀的處理時延。

　假設(shè)幀長為l，有效數(shù)據(jù)位長為n，H為幀頭長，幀發(fā)送速率為r，pe為誤比特率，pf為誤幀率，p為幀重傳的概率，tav為成功傳輸一個幀的平均傳輸時間，U為信道的利用率，D為平均傳播時延，N為退后幀的個數(shù)，則
幀發(fā)送時延tf為：

  
   
    從上述的數(shù)字結(jié)果來看，當(dāng)幀長增大時，信道的利用率增大，但隨之幀的平均傳播時延也同時增大。
3.2 仿真分析
　利用Matlab仿真工具來驗證模型的正確性。下面各仿真結(jié)果中，窗口的大小均為127，誤碼率為0.000 01。
　當(dāng)速率為9 600 b/s時，幀長與信道利用率的關(guān)系，如圖2所示。從圖2可以看出，信道的利用率隨著幀長的增大而增大。

    在位誤碼率不同的情況下，幀長與幀傳輸延時的關(guān)系如圖3所示。從圖3可以看出，位誤碼率越大，幀的傳輸延時越大，當(dāng)位誤碼率小于0.000 01或更小時，幀的傳輸延時幾乎接近衛(wèi)星鏈路的傳播延時。

    當(dāng)速率不同時，幀長與幀的傳播時延的關(guān)系如圖4所示。從圖4可以看出，不論信道的速率如何，幀的傳播時延都隨著幀長的增大而增大,但速率越大時延越小。

    SR協(xié)議在數(shù)據(jù)鏈路層占有重要的地位，由于其具有較高的傳輸能力和較高的錯誤控制能力而得到廣泛的應(yīng)用。本文以SR協(xié)議的運(yùn)行原理為基礎(chǔ)，建立了SR協(xié)議分析的數(shù)學(xué)模型，并通過仿真分析驗證了衛(wèi)星鏈路上模型的合理性。由于模型是在SR協(xié)議的運(yùn)行原理上建立的，對于陸地鏈路也是適合的，因此模型具有廣泛的應(yīng)用，同時會對協(xié)議的改進(jìn)和優(yōu)化起到積極的作用。
參考文獻(xiàn)
[1] KIM S R, UN C K. Throughput analysis for two ARQ schemes using combined transition matrix[J]. IEEE Trans. Commun., 1992,COM-40:1679-1683.
[2] SASTRY A R K: Improving Automatic-repeat-request(ARQ) performance on satellite channels under high error rate conditions[J]. IEEE Trans.Commun.,1975,COM-23:436-439.
[3] MILLER M J, LIN S. The analysis of some selectiverepeat ARQ schemes with finit receiver buffer[J]. IEEE Trans. Commun., 1981,Com-29:1307-1315.
[4] LIN S. Automatic-repeat-request error control schemes. IEEE Commun. Mag., 1984,22(12):5-17.
[5] 葉曉國,肖甫，孫力娟.衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸協(xié)議的性能分析[J].計算機(jī)應(yīng)用研究,2009,26(7):2680-2682.
[6] GLOVER L A,GRANT P M. Digital communications[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社，2010,9:712-730.
[7] 李成忠,靳桅，劉捷,等.計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社, 2010:86-88.
[8] 孫翔,陳松明.數(shù)據(jù)鏈路層停等ARQ協(xié)議的最佳幀長近似解[J].電子科技大學(xué)學(xué)報,2007,36(5):854-856.