（信号与信息处理专业论文）基于harq的mimoofdm系统的传输技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 下一代移动通信系统需要提供更高的数据传输速率，更可靠的性能。然而， 由于无线通信环境频谱资源有限和无线信道衰落特性，常导致系统的频谱利用率 低，误码率高。因此，提供更高的数据速率并保证其可靠性传输成为下一代移动 通信系统发展的主要挑战。 多输入多输出( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ，m i m o ) 技术具有较高的频谱利用 率，能有效增加系统容量并且改善无线链路的质量。混合自动重传请求( h y b r i d a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) 技术结合了自动重传请求( a r q ) 技术和前向纠错 ( f e c ) 技术，能够有效地保证数据的可靠性传输。m i m o 和h a r q 技术的有 效结合可以实现通信系统的有效性和可靠性的折中。本文正是基于这个原则提出 了h a r q 在m i m o 系统中的应用。 本文完成的主要工作和创新如下： 1 、通过m a t l a b 2 0 1 0 仿真分析了m i m o 系统下单输入单输出、传输分集和 空间复用的性能。研究h a r q 的技术原理，通过误块率和吞吐量性能指标验证 了h a r q 的添加对m i m o 系统整体性能有所提高。 2 、设计了一种基于h a r q 的m i m o o f d m 系统的子信道数据流置换方案， 该方案通过利用各子信道数据流多次重传所经历的等效信噪比和当前信道状态 信息，对子信道数据进行天线和子载波的空频域二维置换，从而提高译码可靠性， 改善系统性能。 3 、在上述方案的基础上，通过考虑当前信道状态信息，设计了一个自适应 传输方案。该方案确定了当前信道信息的固定值，如果当前信道信息的最大值小 于了这个固定值，之前的子信道数据流置换方案是无意义的，这时就采用天线置 换方案。 关键词：混合自动请求重传、多输入多输出、信道状态信息、正交频分复用 重庆邮电大学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h e r en e e d st ob ep r o v i d e dh i g h e rd a t at r a n s m i s s i o nr a t ea n dm o r er e l i a b l e p e r f o r m a n c ei nn e x tg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m h o w e v e r , d u et ot h e l i m i t e dw i r e l e s ss p e c t r u mr e s o u r c e s ，a n dt h ed e c l i n eo fw i r e l e s sc h a n n e l ，w h i c ho f t e n l e a d st ot h el o wu t i l i z a t i o nr a t eo fs y s t e ms p e c t r u ma n dt h eh i g hb l o c ke r r o rr a t e ( b e r ) t h e r e f o r e ，t h em a i nc h a l l e n g ei sp r o v i d i n gh i g h e rt r a n s m i s s i o nd a t ar a t ea n de n s u r i n gi t s r e l i a b i l i t yi nt h ed e v e l o p m e n to f t h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m m u l t i - i n p u tm u l t i o u t p u t , ( m i m o ) c a l lp r o v i d et h eg r e a ts p e c t r u me f f i c i e n c y , i n c r e a s es y s t e mc a p a c i t ya n di m p r o v et h eq u a l i t yo fw i r e l e s sl i n k h y b r i da u t o m a t i c r e p e a tr e q u e s t ( h a r q ) c o m b i n e sa u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s ta r q w i n lf o r w a r de r r o r c o r r e c t i o n ( f e c ) ，c a ne f f e c t i v e l y e n s u r et h e r e l i a b i l i t y o ft r a n s m i s s i o nd a t a m i m o h a r qs y s t e m s ，w h i c hc o m b i n et h em i m ot e c h n o l o g y 谢mh a r qp r o t o c o l ， c a l lt r a d e o f fv a l i d i t ya n dr e l i a b i l i t y s ot h i st h e s i sp u t sf o r w a r dt h ea p p l i c a t i o no fh a r q i nm i m o s y s t e m 1 1 1 em a i nw o r k i n ga n di n n o v a t i o n si nt h i st h e s i sc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h i st h e s i sa n a l y s e st h ep e r f o r m a n c eo ft h es i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ( s i s o ) ， t r a n s m i s s i o nd i v e r s i t y ( s m ) a n ds p a t i a l m u l t i p l e x i n gi nm i m os y s t e mt h r o u g h m a t l a b 2 010 t h e n , r e s e a r c ht h ep r i n c i p l eo fh a r qa n dv e r i f yt h a tt h eu s eo fh a r q c a ni m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c eb yb e ra n dt h r o u g h p u t s e c o n d l y , as u b - c h a n n e ld a t af l o wr e p l a c e m e n ts c h e m eb a s e do nh a r qi sd e s i g n e d i nm i m o - o f d ms y s t e m ，w h i c h i m p r o v e s t h ed e c o d i n g r e l i a b i l i t ya n ds y s t e m p e r f o r m a n c et h r o u g ha n t e n n aa n ds u b c a r d e rs p a t i a l f r e q u e n c yd o m a i nr e p l a c e m e n tb y u t i l i z i n gt h ee q u i v a l e n ts n ro f v a r i o u ss u b - c h a n n e ld a t af l o wa n dt h ec u r r e n tc h a n n e l s t a t ei n f o r m a t i o n t h i r d l y , o nt h eb a s i so ft h es c h e m e ，a l la d a p t i v et r a n s m i s s i o ns c h e m ei sd e s i g n e d b yc o n s i d e r i n gt h ec u r r e n tc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n af i x e dv a l u eo ft h ec u r r e n t c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o ni sc a l c u l a t e di nt h i ss c h e m e i ft h em a x i m u mo fc u r r e n t c h a n n e li n f o r m a t i o ni sl e s st h a nt h ef i x e dv a l u e ，u s et h ea n t e n n ar e p l a c e m e n ts c h e m e b e c a u s eo ft h es u b c h a n n e ld a t af l o wr e p l a c e m e n ts c h e m ei sp o i n t l e s s k e yw o r d s ：r a r q ，m i m o ，c s i ，o f d m 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 无线移动通信系统的发展经历了提供模拟语音服务的第一代( 1 g ) 模拟系 统；数据传输速率只有9 6 k b p s 的第二代( 2 g ) 数字移动通信系统；目前过渡的 2 5 g 产品通信速率可达到2 4 4 k b p s ；基于码分多址( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ， c d m a ) 技术的第三代( 3 g ) 移动通信系统已经在全球得到大规模商用，数据 传输速率期望可以达到2 m b p s ，即使在高速移动环境中，也可以实现1 4 4 k b p s 的 数据传输速率，但是它也存在明显的缺点：频谱利用率不够高，不能实现无缝覆 盖，难以保证不同用户对于不同服务质量的要求，不能灵活的支持多速率业务。 因此，为了满足高速率、大容量、多业务、自适应、标准兼容等要求，b 3 g 或 称4 g 的移动通信系统的研发工作已经在世界范围内如火如荼地展开。4 g 移动 通信系统具有高频谱利用率、高数据传输速率( 1 0 0 m b p s 1 g b p s ) 、能保障多用 户服务质量、多种无线接入技术，低比特成本和支持高速多媒体业务等技术特点 0 - 4 o 为了能够实现高速率高可靠性的通信业务，我们要解决发射功率受限、频带 受限以及无线信道的衰落特性等问题【5 】。m i m o 技术是新一代无线通信系统中的 重要的物理层技术，可以分为空时复用技术和空时编码技术，分别提供复用增益 和分集增益。m i m o 技术的核心思想是：在通信链路的收、发两端分别配备多 根天线，发射机将多路子数据流映射到不同的发射天线并同频、同时发送；接收 机利用多径信道的空间不相关特性从混合信号中分离出原始子数据流。m i m o 技术实现了频谱资源的重复利用，在不增加发射功率和传输带宽的前提下成倍地 提高系统容量和频谱利用率 6 - s 。 混合自动重传请求( h y b r i da r q ) 作为一项差错控制中的关键技术，得到 了越来越多的关注【9 】。h a r q 主要有两部分组成，即前向纠错编码( f e c ) 和自 动重传请求( a r q ) 。由于兼具前向纠错( f e c ) 和后向重传( a r q ) 的优点， 在对传输速率要求越来越高的现代移动通信系统里也起着越来越重要的作用( 如 h s d p a 、l t e 、w i m a x ) 9 - 1 2 】。事实上，h a r q 对于提高衰落信道下系统的纠 错性能以及吞吐率都有着非常好的表现。 h a r q 与m i m o 相互结合，可以充分利用二者的优点，实现空间和时间上 两维的分集效果。如果考虑到m i m o 系统中应用的o f d m 关键技术，还可以获 得更大的系统增益。因此研究h a r q 与m i m o 结合的关键技术和实现方案，对 于提高无线通信系统的性能是非常有意义的。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 2m i m o 关键技术及研究现状 a t & t b e l l 实验室对m i m o 在无线通信中的应用产生巨大的推动作用。1 9 9 5 年t e l a t a r 推导出了m i m o 高斯信道容量1 1 3 1 。1 9 9 6 年f o s c h i n i 提出了在多天线系 统中采用分层空时编码【1 4 】。1 9 9 8 年f o s c h i n i 进一步提出d - - b l a s t 算法【1 5 】， t a r o k h 等提出空时编码【l 引，m i m o 技术越来越被人们关注。目前，它已成为 无线移动通信领域内最“炙手可热”的技术之一。 m i m o 无线通信技术源于天线分集技术与智能天线技术，具有多入单出与单 入多出技术两者结合的特征。m i m o 技术利用了无线信道多径传播的固有特性： 如果在发送端与接收端都采用多天线系统，只要各天线单元间距足够大，无线信 道散射传播的多径分量足够丰富，各对发收天线单元间的多径衰落就趋于独立， 即各对等效的发收天线间的无线传输信道趋于独立，即这些同频率、同时间、同 信道特征码的子信道趋于相互正交。 m m o 技术按照应用划分为两类，其一，利用收发两端多天线配置实现空分 复用，从而提高系统容量。此时，m i m o 信道被分解为一系列子信道，通过每 个子载波信道上独立的数据发射，大大提高了系统数据传输速率。t e l a t a r 研究表 明，在发射端总功率保持不变的前提下，系统的容量随收发天线数中的较小者线 性增长【1 3 1 。相应的传输策略有b l a s t 系统【1 8 1 和基于奇异值分解( s v d ) 【1 9 】的并行 传输方式等。其二，利用收发两端的多天线配置来对抗信道衰落，提高接收端解 码后符号的信噪比，从而增强数据传输的可靠性，改善系统性能。相应的传输策 略包括波束成型、空时格形码、空时分组编码等【l 8 】。 由于m i m o 系统本身的自由度在给定天线配置下是有限的，纯粹的传输分 集与纯粹的空间复用方案并非最优方案，它们只能解决了问题的一个方面，即获 取更高的分集增益是以牺牲复用增益为代价的，反之亦然。因此，在m i m o 算 法开发中如何对二者进行折衷以同时获得分集增益与复用增益达到最佳的系统 性能，成为人们追求的目标。有文献提出m i m o 系统中的h a r q 两种合并方案 以及基于跳变的传输方案【2 0 】。有文献提出一种结合s t b c 和t u r b o 码的混合自动 请求重传的传输方案，将s t b c 和t u r b o 级联，通过对信息比特和校验比特的不 同组合，得到一组空时编码矩阵，每次选择一种进行重传，接收端先进行空时编 码的解码，再通过t u r b o 码解码1 2 。有文献设计结合b l a s t 与s t b c 算法的 h a g q 模型，基于不同的空时编码发射矩阵获得分集增益和复用增益i 翻。有文 献推导出适合于m i m o 平坦衰落信道的连续的最优线性k a r q 预编码矩阵序列 团】。有文献通过星座图重排来构造不同映射关系的星座图，每次重传选用不同 的星座图映射或者进行相应的比特序列重排，以此来平衡各比特间的可靠性差 异，降低出错率，从而可以有效的减少重传次数，降低延迟，提高系统吞吐量【2 4 】。 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 3 差错控制方式 移动环境下的信道具有衰落、时变、噪声干扰等特性，信号在通过时会受到 各种形式的干扰，产生畸变，导致信号失真，从而产生大量的传输错误。所以， 未来移动通信系统为了提供高数据速率和高度可靠的通信质量，就必须采用有效 的差错控制机制，来控制由于噪声和干扰产生的传输错误，从而提高系统的数据 通过率和链路的可靠性。目前，基本的差错控制方式有：前向纠错( f e c ) 、自 动重传请求( a r q ) 和混合自动重传请求( h a r q ) 。 前向纠错系统中，发送端经信道编码后可以发出具有纠错能力的码字；接收 端译码后不仅可以发现错误码，而且可以判断错误码的位置并予以自动纠正。然 而，前向纠错编码需要附加较多的冗余码元，影响数据传输效率，其编译码设备 也比较复杂。但是由于不需要反馈信道，实时性较好。 自动重发请求方式中，发送端经信道编码后可以发出能够检测出错误能力的 码字；接收端通过检测如果发现传输中有错误，则通过反馈信道把判断结果反馈 给发送端。然后，发送端把前面发出的信息重新发送一次，直到接收端能够正确 译码为止。常用的检错重发系统有三种：即停止等待重发、返回重发和选择重发。 f e c 技术和a r q 技术有各自的优缺点。在信道条件比较好，信号传输错误 概率较小的情况下，a r q 可以获得很高的效率，此时如果采用中低码率的f e c ， 由于引入大量不必要的冗余，造成系统资源的浪费；但当信道条件变差时，a r q 的性能急剧下降，而中低码率的f e c 往往能获得较好的性能。为了充分利用这 两类方法的优点，同时避开它们的缺点，人们把f e c 和a r q 有机地结合，形成 了混合a r q ( h y b r i da r q ，h a r q ) 技术。f e c 子系统用来纠正经常出现的传 输错误，以减少重传次数，即在纠错能力范围内自动纠正错误，超出纠错范围则 要求重发。这是一种折中方案，既增加了系统的可靠性，叉提高了系统的传输效 率。实际上，a r q 不局限于和纠错编码结合，还可以和物理层其它技术进行有 效地结合。 目前，人们已经提出了各种不同的h a r q 技术：基于纠错编码的h a r q 技 术，基于星座图重排的h a r q 技术，基于自适应调制与编码( a m c ) 的h a r q 技术等等。其中大量低复杂度、高效率的h a r q 技术已经广泛应用于实际的通 信系统，获得了良好的性能增益。 1 4 论文的主要工作 本文主要研究m i m o 系统下的h a r q 技术，对m i m o o f d m 系统中的自 适应传输方案进行了结合h a r q 的改进工作。其主要内容安排如下： 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章为绪论，主要介绍了研究背景与意义，简单介绍了m i m o 关键技术 和研究现状以及h a r q 技术背景。 第二章阐述了h a r q 技术的基本原理，主要包括传统a r q 技术的分类和 h a r q 技术的具体分类与特征。 第三章介绍了m i m o 信道模型。通过仿真对比分析不同m i m o 信道模型下， h a r q 的性能和特性。 第四章在应用o f d m 技术的m i m o 系统中，设计了一种结合h a r q 的自适 应置换方案，充分利用重传信息和信道信息，通过对空域天线粗调和频域子载波 的微调对子信道进行置换。通过吞吐量、误码率和误块率，重传次数等性能指标 来验证此方案可以提高系统性能。 第五章根据第四章提出的方案，通过考虑当前信道状态信息，设计了一个自 适应传输方案。该方案确定了当前信道信息的固定值，如果当前信道信息的最大 值小于了这个固定值，之前的子信道数据流置换方案是无意义的，这时就采用天 线置换方案。 第六章总结本文的工作，并对进一步的工作和研究方向提出了展望。 4 重庆邮电大学硕士论文第二章混合自动重传请求技术 第二章混合自动重传请求技术 近年来，人们对于差错重传控制技术，尤其是对于混合a r q 技术的研究， 取得了不少喜人的成果，这一方面的研究也正成为颇受瞩目的热点。3 g p p 的无 线接入工作组对混合a r q 方法进行大量的性能分析和机制讨论，形成多份技术 报告( t r ) 和技术规范( t s ) 咿。引。 h a r q 是f e c 和a r q 相结合的一种纠错方法，它是一种差错控制技术， 目的在于提高信号的传输质量，保证信息可靠性。在h a r q 中，发送端发送具 有一定纠错能力的数据，接收端先进行解码，如果不能正确解码则要求发端重新 发送数据。因此，h a r q 避免了完全采用编码时需要复杂的译码设备和a r q 方 式信息连贯性差的缺点，并能使整个系统误码率很低。 本章简单介绍了前向纠错编码，详细介绍了传统a r q 技术，以及前向纠错 编码( f e c ) 与a r q 相结合的几种h a r q 方案。 h a r q 主要有两部分组成，即前向纠错编码( f e c ) 和自动重传请求( a r q ) 。 f e c 通过冗余比特的传输，可以提供检错和纠错的能力。如果发送的码字在纠错 范围之内，就可以通过冗余信息纠错；如果超过纠错范围，将检测出错误，并通 过反馈信道通知发送端进行重传。这时a r q 机制会对接收到的反馈进行处理， 按照不同的策略进行重传控制。f e c 可以基本保证吞吐量和时延的恒定，但冗余 信息会导致码率的降低，且信道较差时冗余比特可能无法纠正错误；而a r q 的 时延会随着信道质量发生改变，不适合实时业务。将两者结合，能够利用它们的 优势互补，改善系统性能。一方面，f e c 能够尽可能纠正错误，减少a r q 的堆 积；另一方面，a r q 可以对f e c 不能纠错的码字进行重传，使部分错误码字能 够正确译码，a r q 还可以利用重传删除冗余改变码率，提高码率。 h a r q 主要分为以下三种：t y p e ih a r q ，t y p e - i ih a r q 和t y p e 一 h a r q 1 2 】。当前3 g p p 规范中所采用的a r q 方案即为t y p e ih a r q ，在接收端 的错误数据将被丢弃，故每次重传被正确解码的概率相同且比较低。t y p e i i h a r q 属于增量冗余a r q 方案。每次重传的数据块不是首次所传数据的复制， 而是增加的冗余信息，在接收端进行数据合并因此编码速率降低从而提高编码增 益。t y p e i i i h a r q 也属于增量冗余方案，但与t y p e i i h a r q 不同的是重传码 字具有自解码能力。这类h a r q 又可进一步分为c h a s e 合并h a r q 和具有多个 冗余版本的t y p e m h a r q 。c h a s e 合并中每次重传数据块与首次所传数据相同， 本文所进行的研究是基于c h a s e 合并的t y p e m h a r q 。该方案所需的接收端缓 存较小，信令相对简单，是一种复杂度较低的码合并方式。 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章混合自动重传请求技术 2 1 前向纠错编码( f o r w a r de r r o rc o d e ) 在f e c 系统中采用纠错编码来抑制传输差错，在发送端对信源送出的数据 块上附加足够的冗余信息，在接收端对这些受噪声干扰的码组进行错误检测并试 图纠正。如果不能纠正，那么接收的码组将被错误地译码，并将错误码组传给用 户。 f e c 通信系统的优点是不需要反馈信道就能进行一个用户对多个用户的同 时通信( 广播) ，特别适合于移动通信，而且系统的传输效率高，等于码速率( 与信 道的差错率无关) 。译码实时性好，控制电路也比较简单。然而f e c 也有一些缺 点，例如，错误译码时，错误的信息也送给用户，所以其可靠性差。为了获得高 的可靠性，设计中必须使用长码组和选用纠错能力强的码组，这会使译码电路复 杂化，提高造价。同时，所选用的纠错码还必须与信道干扰情况相匹配，因而对 信道变化的适应性较差。为了获得比较低的误码率，往往必须以最坏的信道条件 来设计纠错码，故所用纠错码的冗余度较大，这就降低了编码效率。 由于f e c 没有反馈信息，所以协议具有良好的可扩展性。f e c 采用的是一 种“事先避免 的策略，事后即使仍有丢包，也不再重传。所以，纯粹的f e c 技术不能保证完全正确的发送。此外，f e c 还有以下缺陷：编码解码增加了计算 的开销和复杂性，在丢包率很高的情况下，性能明显下降；只适合一次发送一个 数据块的应用；整体性能仍受制于丢包最严重的接收者等。 2 2 传统a r q 技术 自动重传请求系统，即a r q 系统，由图2 1 所示的结构组成【2 5 1 。 。i 编码器与l。 i 解码器卜l 熟卜7 l 缓存器 i 7 双 l 信 信 下 向 上 。 宿源信 道 重传控制校验器 图2 1 自动重传请求基本组成框图 其主要特点是重传控制模块所起到的作用。发送数据从信源发出，经过编码 器进行信道编码，然后将编码后的数据存入缓存器，并发送到信道上。接收端在 接收信号后，进行译码，然后判决收到的信号是否正确。如果判决为正确，通过 反馈信道返回确认信令( a c k n o w l e d g e ，a c k ) ，当发送端收到a c k 后，继续发 送下一组数据，同时更新发送端缓存器；如果判决为错误，则通过反馈信道给发 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章混合自动重传请求技术 送端返回否定确认信号( n e g a t i v ea c k n o w l e d g e ，n a c k ) ，当发送端收到n a c k 后，控制缓存器对上次缓存的数据进行重发。 这就是传统的h g q 技术，它采用了最简单的差错控制思想，只利用接收端 对接收到的数据帧进行正确校验来控制是否进行重传。在重传校验结果为错误 时，如果重传次数没有超过设定的最大次数，则继续进行重传，否则就放弃该数 据帧，进行下一帧的传输。 传统的h r q 机制可以分为以下三种类型1 2 副： 停止等待式h r q ( s t o pa n dw a i ta r q ，s w - a r q ) 发送端 接收端 00 i|00 心：憾懋瓞热热可 00l088 图2 2 停止等待式自动重传示意图 图2 2 说明了停止等待式h g q 的原理。在这种方式下，发送端发送一帧数 据以后，将等待接收端正确接收的确认a c k 反馈，这期间不发送新的数据，如 果收到n a c k 则进行重发，发送后仍然要进行等待。 停止等待式h r q 的原理简单易于实现，但是等待时间造成了信道的利用率 很低。另外，停止等待式h r q 还存在丢帧和重复帧的问题。丢帧即反馈无法到 达发送端而使得发送端一直等待的现象，可以采用设置最大等待时间的办法来解 决。另外，重复帧是指反馈信号没有到达发送端，导致正确接收判决的信号再次 重传的现象。这种问题可以通过给数据帧编号来解决。 退回n 步h r q ( g o b a c k - na r q ，g b n - a r q ) 发送端 接收端 1234 5 634 56789 67 8 91 0 沁h | | 7 h 、褊n 褊kn 锪k 、蜗n 褊kn 铋kh 吞。 12 345 63456 789 6 7 图2 3 退回n 步自动重传请求示意图 由于停止等待式a r q 存在信道利用率低，人们提出了退回n 步a r q ( g b n a r q ) ，这种a r q 方式的原理如图2 3 所示。n 作为一个延时周期指示，发送 端按照顺序连续向接收端发送数据帧，并将n 个帧存储起来以备重传。当接收 端判决出错时，返回n a c k ，则发送端要将当前出错帧以及前面n 1 帧全部进 7 重庆邮电大学硕士论文第二章混合自动重传请求技术 行重传。这时，不管前面接收的n 1 帧是否正确都丢弃掉。 由于采用按顺序连续发送，提高了效率。但是，接收端判决出错就丢弃前面 n 1 帧的做法，导致系统的吞吐量受到影响，周期越大其影响越严重。因此，在 速率比较高和延时周期较大的系统，g b n a r q 并不适用。 选择重传a r q ( s r a a r o ) 重发重发 燃端裂刿拶秽渺渺嬲 接收端 心7 嬲鬣耀 123 45 67 38 91 1 0 i71 11 1 1 2 1 1 3 图2 4 选择性自动重传请求不慈图 选择重传a 9 0 使用了比g b n a r q 更加精确的重传控制。在接收端判决一 帧出错时，反馈n a c k ，但同时并不丢弃此帧前面的n 1 帧。而发送端在收到 n a c k 后，只将该n a c k 对应的帧重传，而不是将n 帧重传。 这样，系统的吞吐量得到了有效保证，延时周期不会对系统产生严重影响。 但是，这种方式实现起来复杂度较高。接收端存储器必须足够大，且可以接收非 顺序数据帧，并重新排序。 以上，介绍了三种传统a r q 方式。其中，停等a r q 最易于实现，但等待 时间会造成信道利用率低，系统容量被浪费。回退n 步a r q 和选择重传a r q 相比停等a r q 效率都要更高，而选择重传a 9 0 是效率最高的方式，但是实现 起来也最为复杂。序号的存储和编码都需要更多的开销。 目前，h s d p a 以及l t e 系统都采用了一种n 信道停等协议，这种机制同时 并行进行n 个停止等待a r q ，可以结合停等a r q 易于实现和选择重传a r q 信 道利用率高的特点。 2 3 混合a r q ( h a r q ) 技术 i - b 状o 由前向纠错编码( f e c ) 和自动重传请求( a r q ) 共同组成【2 5 1 ，f e c 进行信道编码，并尽可能地纠正出现的错误，如果错误无法被纠正，a r q 系统 会通知发送端进行重传。这种方式，可以在保证系统可靠性的同时，在一定程度 上提高传输速率。 在这种方式下，发送端发送的码不仅能够被检测出错误，而且还具有一定纠 错能力。接收端收到码序列以后，首先检验错误情况，如果在纠错码的纠错能力 8 重庆邮电大学硕士论文第二章混合自动重传请求技术 以内，就自动进行纠错。如果错误很多，超过了码的纠错能力，还是能检测出来， 接收端会通过反馈信道，要求发端重新传送有错的那部分信息。由此可见，采用 a r q 之前，可以通过f e c 改善差错率以达到减少重传次数的目的。因此，一方 面f e c 能提供最大可能错误纠正，以避免a r q 的堆栈，另一方面a r q 可以弥 补f e c 不能纠正的错误从而达到较低的误码率。 基于不同的检错和纠错编码技术，3 g p p 将h a r q 分为三类：混合i 型a r q ( h a r q i ) 、混合i i 型a r q ( h a r q i i ) 和混合i i i 型a r q ( h a r q i i i ) 2 6 - 2 8 1 。 2 3 1h a r q 1 h a r q i 是简单地将f e c 和a r q 直接结合的方式。当接收端发现收到的数 据帧检验有错时，f e c 利用增加的冗余比特进行纠错。如果错误量在纠错范围之 内，从而正确译码，并将解码信息直接传送给用户或将其保存在缓存器中等待用 户需要；如果f e c 不能正确纠错，接收端将反馈n a c k ，要求发送端重发相同 的数据帧，在重传的过程中，f e c 仍然在试图纠错，如果仍然不能正确纠错，将 丢弃该帧，继续重发相同的数据帧，直到发送码组被接收端成功接收。 h a r q i 可以与不同的编码方式相结合使用，例如：分组码、卷积码、t u r b o 码和级联码。在信道质量较差的情况下，h a r q i 与传统a r q 相比，具有较好 的性能，因为f e c 能够大大降低重发次数，从而提高系统的性能。但在信道质 量较好的情况下，由于h a r q i 加入了更多的校验比特以使码组同时具有检错与 纠错能力，增加了传输的冗余度，其性能与传统a r q 相比，没有优势。 2 3 2h a r q 为了克服h a r q i 的缺点，h a r q i i 根据当前的信道质量来自适应地调整码 速率，从而，在信道质量高的情况下，多传送信息。相反，在信道质量低的情况 下，少传信息。在检测出错误时，h a r q i i 错误的数据帧不被丢弃而是在接收端 保存下来，与重发的冗余信息合并起来进行译码。重传的数据通常与第一次传输 的数据不同，它携带新的冗余信息来帮助解码。混合型a r q 从设计思路出发 也可分为下面几种： 1 ) 纠错位重传 最初的h a r q i i 都采用了纠错位重传的设计方法。第一次传输时，码字只 包含检错位，如果信道质量比较好，传输基本不会发生错误，这就是传统的a r q ； 如果信道质量变得比较差，第一次传输不成功，再把剩下的纠错位发过去，这就 变成了h a r q i i 。可见，这种方式可以看成是传统a r q 与h a r q i 的结合，可 以更好地适应信道的情况，提高传输效率。但是第一次与第二次传输的码字组合 9 重庆邮电大学硕士论文第二章混合自动重传请求技术 后比较长，可以用级联吗来降低译码的复杂度。 2 ) 合并( c o m b i n i n g ) 合并技术是指接收端在接收判决为错误的情况，并不丢弃错误数据，而是保 存起来与下次传输的数据合并起来，进行译码。这样可以提高译码的可靠性，降 低重发的概率，改善系统性能。 3 ) 递增冗余( i r , i n c r e m e n t a lr e d u n d a n c y ) 递增冗余主要是通过降低编码速率，从而在重传时提高码字的冗余度来增大 正确译码的概率，提高译码的可靠性。随着重传次数的增加，码率逐渐降低，冗 余量逐渐增加。第一次传输时，码率较高，冗余较少。如果判决错误，则降低码 率，增加冗余，进行重传，接收端进行合并译码。这种方式的好处是如果信道质 量比较好，可以采用比较高的编码速率进行传输，提高了吞吐量；而如果信道质 量比较差，重传的编码速率降低，译码成功率提高，减少了重传次数。 2 3 3h a r q - i i i h a r q i i 中的递增冗余h a r q 存在一个主要缺点，即重传的递增冗余码字 不能自解码，必须和以前传输的码字合并译码才有可能正确译码。因此，如果第 一次传输的码字丢失或被严重破坏，则重传的冗余码字即使正确也不能正确译 码。为了克服这个缺点，人们提出了可以自解码的h a r q i i i 。 h a r q i i i 采用c p c 码( 互补地打孔卷积码) ，通过不同的删余方式，得到 不同的传输次数对应的码字。这些码字具有相同的码率，通过删余矩阵p i 对信 道编码后的码字进行删余处理。删余矩阵中元素为1 的比特要打掉，元素为o 的比特保留，从而形成不同传输码字的版本。这些码字可以进行自解码，错误的 码字仍然在接收端存储起来，以进行合并译码。h a r q i i i 适合于深衰落的信道。 2 4 本章小节 本章首先介绍了传统a r q 技术和三种常用的a r q 协议；停止等待协议， 退回n 步a r q 协议和选择性重传协议。然后，介绍了h a r q 技术的基本原理 和h a r q 技术的具体分类与特征。 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第三章m i m o 系统的基本理论和h a r q 的性能仿真分析 第三章m i m o 系统的基本理论和h a r q 的性能仿真分析 在移动通信系统中，各种性能很大程度上受限于信道的特性，信道的特性对 于系统性能具有非常重要的影响作用。只有对m i m o 信道充分认识和理解，才 能设计出符合传输原理的方案。所以，本章首先介绍了无线信道的特性，进一步 介绍了常见的m i m o 信道模型、m i m o 系统的信道容量和不同发射传输方案的 仿真对比，以及使用h a r q 之后，整体性能的改善情况。 3 1 无线信道的衰落特性 移动通信的接收信号，是发射信号通过无线信道，经历了直射、反射、散射 和衍射等传播方式的合成信号。无线信道对信号传输的影响主要包括大尺度衰落 和小尺度衰落两类【2 9 1 。路径损耗和阴影衰落称为大尺度衰落，因为当接收机移 动的距离比较大时，他们起主导作用。大尺度衰落在小区覆盖，容量和切换等方 面起到重要作用。另一方面，小尺度衰落由于多径衰落造成。由于不同路径的信 号有不同的传播时延，因此信号的相位也就不同，所以，叠加之后的接收信号幅 度有时因同相叠加而增强，有时因反相叠加而减弱。这使得接收信号的幅度出现 急剧变化，这就是所谓的多径衰落。它的影响在决定链路级性能方面非常重要， 如比特错误率、平均衰落区间等等。图3 1 给出了无线信道衰落的分类，本节将 对这些衰落进行具体分析。 无线信道衰落分类 大尺度衰落 小尺度衰落多径衰落 路径损耗li 阴影损耗li 多普勒扩展i 时延扩展 li 角度扩展 快衰落ll 慢衰落 图3 1 无线信道衰落的分类 网匦 i 性衰i l 落 重庆邮电大学硕士论文第三章m i m o 系统的基本理论和h a r q 的性能仿真分析 3 1 1 大尺度衰落 大尺度模型主要用来描述发射机与接收机之间距离较大的情况下信号强度 发生的变化，这个距离一般为几百米到几千米。大尺度衰落即表征在一定时间内 接收信号的均值随着传播距离和环境的变化所产生的缓慢变化。路径损耗与阴影 衰落是大尺度衰落的两类，它们共同反映了信道在大尺度上对所传输信号所产生 的影响。 路径损耗 电磁波在空间传播时所产生的能量损耗，反映了在宏观大范围空间距离传播 的无线电波在接收端接收信号电平平均值的变化趋势。基于理论和测试的传播模 型指出，当发射机( t x ) 接收机( r x ) 距离在较大尺度上( 数百米或数千米) 变化时，无论室内或室外信道，接收信号的平均功率值与信号传播距离d 的n 次方成反比。对于任意收发距离，大尺度路径损耗表示为【3 0 】 一 p l ( d ) a b 】- p z ( d o ) + 1 0 n l o g ( ) 式( 3 1 1 ) “0 其中，1 1 称为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长地速率，n 值的大小 由具体的传输环境决定。对于自由空间的电波传播，指数1 1 一般取2 。以d o 为近 地参考距离，d 为收发距离。式中的上划线表示给定d 值的所有可能的路径损耗 的综合平均。 无线通信系统中传输信号并非经历自由空间传播，因此学者们提出了许多模 型，如o k u m u r a - h a t a ，l e e ，w a l f i s h i k e g a m i 等，来建模不同传播环境下的路径 损耗，如城市、农村和室内区域【3 。 阴影衰落 电磁波在空间传播时受到地形起伏、建筑物的阻挡，在这些障碍物后面会产 生电磁场的阴影，造成场强中值的变化，从而引起信号衰减，称作阴影衰落【3 0 1 。 阴影衰落是以较大空间尺度来衡量的，其统计特性通常符合对数正态分布。路径 损耗计算没有考虑在相同收发距离情况下，不同位置的周围环境差异。测试表明， 对任意d 值，特定位置的路径损耗又服从随机正态分布。即 一 j p z ( d ) d b 】= e z ( a o ) + l o , , l o g ) + 以p ) 式( 3 1 2 ) “o 以为零均值的高斯分布随机变量，单位为d b ；o 为标准差，单位也是d b 。 对数正态分布描述了在传播路径上，具有相同的收发距离时不同的随机阴影效 应。 1 2 重庆邮电大学硕士论文第三章m i m o 系统的基本理论和h a r q 的性能仿真分析 3 1 2 小尺度衰落 多径传播是指发射信号通过2 条或更多路径到达接收天线的传播机制。本地 散射物的出现常常阻挡了t x 和r x 之间的直射波路径。那么，一个非直达径 ( n l o s ) 传播路径将存在于t x 与r x 之间。因此，电磁波必须要通过反射、折 射和衍射来传播。多个波要在接收天线进行矢量合并来产生合成接收信号，这种 现象即多径传播。 在非直达径( n l o s ) 传播时，电磁波分量的扩散是由传播环境中散射体的 存在。在这些扩散分量存在时，常常用瑞利分布来描述衰落。但是，当一个如直 达径或者强反射路径的镜面反射分量到达接收机时，常常用莱斯分布描述衰落。 这时，信道可以用一个具有复低通脉冲响应的线性时变滤波器来建模【3 0 】 三 厅( r ，f ) = g l ( t ) 6 ( v 一叩) 式( 3 1 3 ) i z l 这里，l 是可分解的多径分量总数，蜀是第1 次可分解的多径分量具有的 时变复衰落包络，多径分量的平均时延为叩。每个时变复衰落包络岛都是瑞利 衰落或者莱斯衰落。 时间选择性衰落 信道的时间选择性衰落是指散射体的运动，发射机或接收机的运动，或者均 存在的运动所造成的多普勒扩展，它导致了发射信号频谱的展宽。这种影响也称 为频率色散。以信道脉冲响应相对信号发射速率的改变为基础，信道可以分为快 衰落和慢衰落。快衰落是指在发射符号的间隔内信道发生改变，而慢衰落是指在 一个符号持续时间内信道近似不变。信道时间选择性的一个较好的测量方法是基 于信道的相关时间，或者等价于多普勒扩展【3 2 j 。 移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，所导致的附加频移称为 多普勒频移，表示为： 厶= c o s ( 日) l 式( 3 i 4 ) 其中v 是移动台或反射物体的运动速度，九是载波波长，0 是入射电波与移 动台运动方向的夹角。厶一- v i a 是以的最大值，称为最大多普勒频移。 在任意时刻，移动台接收到的信