（通信与信息系统专业论文）lte混合自动请求重传技术.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g t h e h y b r i d a r qt e c h n o l o g y i nl t e c a n d i d a t e ：z h a of e i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rh ez h o n g q i u a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s d a t eo fs u b m i s s i o n ：m a r c h ，2 010 d a t eo f o r a ie x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y ，矗 ， 佳 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：壤力珍 日期：。肜年另月岱日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文耐在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口解 密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。a 坎v 作者( 签字) ：鹤刁导师( 签字) ：蛔p 。 日期：a 咖年多月占日，、 ? 年勺月) 日 哈尔滨下程大学硕+ 学位论文 摘要 l t e 是3 g p p 近期主要的研发项目，作为3 g 的演进技术，它具有频谱 效率高、网络延时小和系统容量大等优点。混合自动请求重传技术作为一种 有效地差错控制技术，既可以保证高数据速率，又能够减小信道对数据的干 扰，提高数据传输正确率。论文主要对l t e 下行链路中混合自动请求重传的 相关技术进行了研究。 论文研究了l t e 中的两种差错控制技术，自动请求重传技术和前向纠错 编码技术。分析了自动请求重传技术的停等协议、回退n 协议、选择重传协 议和多通道停等协议。前向纠错编码技术中应用t u r b o 码，研究了t u r b o 码的 编码译码方法，以及内交织器的设计方案。 论文研究了在l t e 下行链路中混合自动请求重传技术的三种主要类型， 以及在接收端不同的码合并技术。其中通过循环冗余校验判断数据的j 下确性， 以决定是否需要重传。分析了高斯信道下，l t e 下行链路中不同调制方式对 混合自动请求重传技术的影响。研究了传统h a r q 、c h a s e 合并、部分增量 冗余以及全增量冗余技术之间的性能差异。 论文分析了1 6 q a m 调制中各个比特的可靠性。并且应用星座重排技术， 在每次重传中利用不同的星座映射规则，使多次传输后各比特可靠性相同， 提高译码正确性。研究了全增量冗余技术的改进方案，通过改变映射规则来 提高系统比特可靠性，并降低误块率。探讨了自适应调制编码方案。其根据 不同的信道条件，选择使吞吐量最大的调制编码方案，并且与混合自动请求 重传技术相结合，提高频谱效率。 关键词：l t e ；o f d m ；h a r q 一 一 ， r 已 哈尔滨下程大学硕十学能论文 a bs t r a c t a tp r e s e n t ，t h e3 g p pl t ei st h ep r i m er e s e a r c hp r o j e c t ，a st h ee v o l u t i o no f 3 gt e c h n o l o g y i t sa d v a n t a g e sa r eh i g hs p e c t r a le f f i c i e n c y , s m a l ln e t w o r kd e l a y a n dl a r g ec a p a c i t yo fs y s t e ma n ds oo n h y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ，t e c h n o l o g y i sa ne f f e c t i v ee r r o rc o n t r o lt e c h n o l o g y w h e nt h ed a t ar a t ei sh i g h ， h a r qr e d u c e se f f e c to fm u l t i p a t hi n t e r f e r e n c eo nt h es y s t e mp e r f o r m a n c e ，a n d e n h a n c e st h ea c c u r a c yo ft h et r a n s m i s s i o nd a t a i nt h i sp a p e r ，h a r qa n d r e l e v a n tt e c h n o l o g ya r es t u d i e di nl t ed o w n l i n kl i n k t h ep a p e rs t u d i e st w oe r r o rc o n t r o lt e c h n o l o g i e si nl t e ：a u t o m a t i cr e p e a t r e q u e s tt e c h n o l o g ya n df o r w a r de r r o rc o r r e c t i o nc o d i n gt e c h n o l o g y s t o pa n dw a i t p r o t o c o l ，g ob a c knp r o t o c o la n ds e l e c t i v er e t r a n s m i s s i o np r o t o c o la r ea n a l y z e d f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o nc o d i n gt e c h n o l o g ya p p l i e st u r b oc o d e t u r b oe n c o d i n g a n dd e c o d i n g t e c h n o l o g i e s a r e s t u d i e d q u a d r a t i cp e r m u t a t i o np o l y n o m i a l i n t e r l e a v e ri nm i sd i s c u s s e d t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h r e em a j o rt y p e so fh a r qt e c h n o l o g i e sa n dd i f f e r e n t c o d ec o m b i n a t i o nt e c h n o l o g i e sa tt h er e c e i v e r t h ed a t ac o r r e c t n e s si sj u d g e db y c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c ka n dd e c i d e sw h e t h e rr e t r a n s m i s s i o ni sn e e d e d u n d e rt h e g a u s sc h a n n e l ，t y p e so fh a r qt e c h n o l o g i e sw i t hd i f f e r e n tm o d u l a t i o ns c h e m e s a r ea n a l y z e d t h ep e r f o r m a n c ed i f f e r e n c e si nt h et r a d i t i o n a lh a r q ，c h a s e c o m b i n a t i o n , p a r t i a li n c r e m e n t a lr e d u n d a n c ya n df u l li n c r e m e n t a lr e d u n d a n c y t e c h n o l o g i e sa r er e s e a r c h e d t h i sp a p e ra n a l y z e st h er e l i a b i l i t yo fe a c hb i tw h e n16 q a mm o d u l a t i o ni s a p p l i e d w h e n c o n s t e l l a t i o nr e a r r a n g e m e n t t e c h n o l o g y i su s e d ，i ne v e r y r e t r a n s m i s s i o n ，d i f f e r e n tc o n s t e l l a t i o nm a p p i n gr u l e sa r ea p p l i e ds oa st oa v e r a g e b i tr e l i a b i l i t ya n de n h a n c ed e c o d i n ga c c u r a c y t h ei m p r o v e df u l li rs c h e m ei s s t u d i e db yc h a n g i n gt h em a p p i n gr u l e so fi n f o r m a t i o nb i t ss oa st oe n h a n c e 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 _ 暑簟_ 置_ 暑_ - 暑i i i i i _ 暑昌暑i i i i i 昌置墨i 宣暑i 皇i i 置宣i i 暑暑宣| 葺一i i - r e l i a b i l i t y o fi n f o r m a t i o nb i t sa n dr e d u c eb l o c ke r r o rr a t e t h ea d a p t i v e m o d u l a t i o nc o d i n gs c h e m e sa r ed i s c u s s e d a c c o r d i n gt od i f f e r e n tc h a n n e ls t a t e s ， c h o o s et h eo p t i m a lm o d u l a t i o na n dc o d i n gr a t ew h i c hm a x i m i z et h et h r o u g h p u t a n da m c 、i t hh a r qe n h a n c e ss p e c t r a le f f i c i e n c y k e yw o r d s ：l t e ；o f d m ；h a r q 哈尔滨j r 程大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1l t e 技术简介1 1 2 混合自动请求重传技术简介3 1 3 论文结构安排4 第2 章l t e 物理层技术6 2 1l t e 双工方式6 2 2 数据调制一7 2 3 循环冗余校验8 2 4o f d m 基本原理9 2 4 1o f d m 符号描述9 2 4 2o f d m 的i f f 狮f t 实现1 1 2 4 3 循环前缀1 2 2 5 下行多址技术1 3 2 6 帧结构15 2 7 本章小结1 6 第3 章l t e 差错控制技术18 3 1 自动请求重传技术18 3 1 1 停等协议18 3 1 2 回退n 协议1 9 3 1 3 选择重传协议2 0 3 1 4 多通道停等协议2 l 3 2 前向纠错编码技术2 1 3 2 1t u r b o 码编码技术2 1 3 2 2l t e 中t u r b o 码内交织器2 3 3 2 3t u r b o 码译码技术2 5 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 3 3 本章小结2 8 第4 章混合自动请求重传技术3 0 4 1t y p eih a r q 技术3 0 4 2t y p ei ih a r q 技术3l 4 3t y p ei i ih a r q 技术3 3 4 4h a r q 中码合并技术3 4 4 5h a r q 技术性能分析3 5 4 6 本章小结4 0 第5 章混合自动请求重传改进方案4 2 5 1 星座重排技术4 2 5 1 11 6 q a m 比特可靠性分析4 2 5 1 2 星座重排映射规则4 3 5 2 全增量冗余h a r q 改进方案4 8 5 3 联合自适应调制编码技术5 0 5 4 本章小结5 4 结论5 6 参考文献5 7 攻读硕士学位期间所发表的论文和取得的科研成果6 2 致谢6 3 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 第1 章绪论 现代移动通信技术最初的应用是从2 0 世纪2 0 年代正式开始，到目前为 止，移动通信技术已经进行了多代的的技术演进，同趋完善。第一代移动通 信系统，采用单工通信和人工接续方式，网络容量小。第二代移动通信系统 采用时分多址的多址接入技术，采用独立信道传送信令避免干扰，提高系统 容量提升性能。由于频谱资源日益枯竭以及用户数量的快速增长，第三代移 动通信系统也迅速建立。目前i t u 正式确定美国c d m a 2 0 0 0 ，欧洲w c d m a 以及中国t d s c d m a 作为全世界三大3 g 标准。目前l t e 已基本被各大运 营商及设备制造商确定为无线通信系统的发展方向，小规模试验正在进行， 大规模商用指日可待。混合自动请求重传技术作为实现高速数据可靠传输的 关键技术，广泛应用于各种通信系统中，增强了系统可靠传输的能力。 1 1m 技术简介 由于宽带无线移动通信业务爆发式的发展，对通信网络的性能要求更高， 因此3 g p p 开始了3 g 下一代技术的研究。移动通信发展阶段如图1 1 所示。 最初演进的三个方向为l t e 、u m b 以及w i m a x ，三者是以不同的3 g 技术 为起点的。然而随着研究的进一步展开，设备制造商以及运营商都基本确定 了l t e 技术的发展方向，u m b 技术已经基本退出了竞争舞台。目前一些国 家已经发放了l t e 牌照，l t e 演进技术的发展势在必行。但是l t e 的发展 还是处在初级阶段，技术的发展还不成熟，需要规模实验进行验证，如果要 达到商用必须还要经过一定时间的发展。由于3 g 技术从标准的制定知道大 规模商用经历七年的时间，根据这种发展速度，l t e 能够达到商用规模要到 2 0 1 5 年。 3 g p p 组织启动的l t e 技术是目前移动通信领域最主要的项目，其应用 o f d m 调制以及智能天线等技术，能够明显提高通信系统的性能。l t e 技术 目标是能够在2 0 m h z 的频谱带宽下，提供下行1 0 0m b i t s 、上行5 0m b i t s 哈尔滨t 程大学硕+ 学何论文 的峰值传输速率；使系统延迟减小，用户在单方向传输时延小于5 m s ；提高 小区边缘用户性能以及小区容量；小区覆盖半径达到1 0 0 k m ；对高速移动用 户可以提供超过1 0 0 k b i t s 传输速率；支持频分双工和时分双工两种方式，并 且可以分配从1 2 5m h z 到2 0 m h z 多种带宽3 1 。 1 0 k b s电0 0 k b sq k b s 一1 0 舭 1 0 0 m i ) s 6 0 0 ，因 此n 值选取为1 0 2 4 。则过采样率可表示为z = n 鲈= 1 5 3 6 m h z ，其中子载波 间隔为1 5 k h z 。 富 看!玉二二 一 并 并 r r 并 串 r ；r由 转 n n 转 点 由 并点口k - l 换换- i f f 转转 f 0 - f t - t ；不使j 换换 玉h l白1l -o- 2 4 3 循环前缀 图2 5 基于i f f t ，f f t 处理的o f d m 框图 o f d m 的一个主要的优点是将数据流通过串并转换降低数据传输速度， 增大数据周期，从而减小多径时延对数据的干扰。但是由于需要保证一定的 传输速率导致数据周期不能无限增大，因此提出了循环前缀的方法来增减 o f d m 对时延干扰的抵抗性。 循环前缀是通过将符号长度为丁的o f d m 符号尾部t 。长度的部分复制 之后添加到o f d m 符号开头来实现的。这样使得o f d m 符号的实际长度为 弭r 。这样可以保证在解调时，子载波拥有整数倍周期，从而避免符号间干 扰。在实现过程中，通常先经过i f f t 之后再插入循环前缀。若i f f t 的输出 数据长度为，可以将数据的后也个采样值复制然后连接到数据开始部分， 使得输出数据的总长度变为+ 屹。相对应的在接收端需要先去掉循环前缀 1 2 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 在应用f f t 运算。循环前缀在数据传输中的作用如下图所示。通常如果循环 前缀大于最大时延时间则可以避免多径时延对信号的干扰。但是在小区范围 较大时，小区边缘最大时延也会相应增加，而循环前缀的使用会消耗系统功 率，因此循环前缀不能随着时延的增加而无限制的增大，需要选择合适的循 环前缀长度。 一bi h 卜! 一 图2 6o f d m 符号中插入循环前缀 表2 1l t e 下行链路传输方案的参数 传输带宽1 0 m h z子帧周期0 5 m s 子载波间隔 1 5 k h z 采样频率 1 5 3 6 m h z f f t 点数 1 0 2 4 占用子载波数量 6 0 1 ( 4 6 9 7 2 ) 6 ， 短c p 长度( 邺)长c p 长度( 岭) ( 1 6 6 7 2 5 6 ) ( 5 2 1 8 0 ) 1 2 5 下行多址技术 l t e 下行链路应用o f d m a 作为多址接入技术，该技术是以o f d m 为基 础的。由于o f d m 是多载波系统，每个子载波之间都存在正交性互不干扰， 因此可以单独的对每个子载波所传输的数据大小或者调制方式等进行调整。 并且可以将同一个用户的数据分配到不同的子载波上进行传输，这就是 o f d m a 多址技术工作方式。 哈尔滨下程大学硕士学位论文 对同一用户的子信道分配可以有两种方式，即分布式与集中式。分布式 映射是将同一用户的信道中的子载波映射到不相邻的频带，这样可以减小频 率选择性衰落的影响，增加频率分集增益。但是其分配方式较复杂需要较多 的信令开销，实现复杂度较大。而集中式映射是将子载波映射到相邻的频带， 这样虽然抗频率选择性衰落的性能降低，但是调度所需信令简单，信道估计 更精确，可以通过选择最适合用户的信道获得多用户分集增益。由于实际应 用中，分布式映射的性能并不比集中式好很多，但是复杂度却要高出许多， 因此目前集中式映射方式被广泛应用口1 。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 2 6 帧结构 目前l t e 应用的帧结构主要有一型帧和二型帧两种。其中一型帧结构又 被称为通用帧结构，二型帧结构又被称为可选帧结构。 一型帧可以被应用在t d d 与f d d 两种双工方式下。每个无线帧由1 0 个 子帧组成，每个子帧又包含两个时隙。其中无线帧的长度为1 0 m s ，子帧长度 为l m s ，时隙长度为0 5 m s 。具体帧结构如图所示。其中每个子帧既可以用 于上行数据的传输也可以用于下行数据的传输，并且规定同步信息只能存在 与第一与第六个时隙中h 1 。 一个无线帧 一个子帧 图2 9 一型帧结构 l 无线帧1 0 m s l 半子帧5 m s 广卜1 1 + 一、 栅 目 * - 目 * z 目 * ， 目 柑 目 一s 目 牦 图2 1 0 二型帧结构 二型帧结构只可以应用t d d 双工方式，一个无线帧包含两个相同的半 子帧，每个半子帧有七个子帧构成。其中无线帧长度为1 0 m s ，半子帧长度 5 m s ，子帧长度为0 6 7 5 m s 。并且规定第一个子帧只能用于下行数据的传输， 第二个子帧只能用于上行数据的传输。在不同子帧之间设置保护间隔以保护 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 上下行切换带来的影响。 在下行链路中，每一个时隙所传输的数据都需要根据不同用户进行分配， 而可以分配的最小单位是物理资源块。在每个资源块中具有碟。o f d m 符 号以及皑个连续子载波，嗡和皑的取值如下表所示。 表2 2 下行链路资源块参数 噶 配置n 芸 一型帧结构二型帧结构 标准循环前缀 鹭= 1 5 k l - i z1 279 鹭= 1 5 k h z1 268 扩展循环前缀 鹭= 1 5 k h z2 434 每个资源块拥有碟。皑个基本资源项，每个资源块在时域对应一个 时隙，由于保护间隔鲈= 1 5 k h z ，在频域对应1 8 0 k h z ( 皑= 1 2 x1 5 = 1 8 0 ) 。 2 7 本章小结 图2 1 1 下行物理资源块 本章对l t e 下行链路中应用的技术进行了分析，其中包括双工方式，调 制技术以及多址接入技术等。采用两种不同的双工方式使得l t e 可以向下兼 容多种通信系统。高阶调制技术的应用满足了l t e 高数据传输率的要求，可 以通过调制技术的改变提高系统频谱效率。循环冗余校验用来检验收到数据 1 6 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 的正确性，并反馈相应信令通知发端是否需要重传。其具有三种生成多项式 可以提供不同位数的检错码，使得应用更加灵活。下行链路中的多址技术采 用o f d m a ，其以o f d m 技术为基础，用户在设定好的时间长度内被分配给 一定数目的子载波进行数据传输，传输速度快且抗干扰性能佳。 1 7 哈尔滨1 = 程大学硕+ 学位论文 第3 章l t e 差错控制技术 在无线移动通信系统中，由于信道环境较差，因此传输数据会出现错误。 通常采用差错控制技术确保物理链路中的服务质量，保证数据可靠传输。在 l t e 系统中，主要应用的差错控制技术有自动请求重传( a r q ) 和前向纠错编 码( f e c ) 两种，同时a r q 与f e c 也是组成混合自动请求重传的主要技术。本 章将研究这两方面内容。 3 1 自动请求重传技术 自动请求重传( a r q ) 技术的实现过程为，首先对需要发送的数据加入二 十四位循环冗余校验码，之后将数据存储在缓冲存储器之中并发送。同时在 接收端利用循环冗余校验码对接收到的数据进行检错。如果检测出错误，则 通过反馈信令通知发送端数据出错，重新传输同一数据。如果经检测传输数 据正确，则反馈信令继续下一数据的传输，并删除缓冲存储器中的数据。a r q 过程如