（通信与信息系统专业论文）evdo前向链路的吞吐量性能及物理层harq的优化.pdf

摘要 摘要 由于移动信道的时交和多径传输特性造成的恶劣通信环境，同时由于日益增长的数据业务对系 统要求的提高，传统的差错控制方案，如f e c 或a r q 机制，往往无法提供所希望的系统性能。因 此人们提出了采用a r q 与f e c 相结合的混合a r q ( h y b r i d a r q ) 。3 g p p 和3 g p p 2 已把它作为第三 代移动通信后期高速数据传输的关键技术之一本论文正是在此背景下，借助于c d m a 2 0 0 0i x e v - d o 平台对混合a r q 技术的理论和实际应用进行了深入细致的研究。 本文首先简单介绍了混合a r q 技术的研究现状和最新发展，以及c d m a 2 0 0 0i xe v - d o 的前 向链路的基本结构，并重点讨论了以e v - d o 为首的若干3 g 通信系统所采用的物理层h a r q 的 异同点，随后按照协议的要求搭建了e v - d o 前向链路的定点仿真平台，并在a w g n 和衰落信道条 件下对该平台的误包率和吞吐量性能进行了仿真，仿真结果达到了3 g p p 2 晟小性能标准的要求。 最后我们对e v - d o 的前向链路的若干h a r q 参数进行了修改，通过增加重传次数和重映射 调制图样的方式，进一步改善了系统的吞吐量性能。同时我们对由此产生的硬件复杂度也进行了分 析和评估。 【关键词】c d m a ，e v * d o ，混合自动重传控制h a r q ，吞吐量，星座图重映射 a b s t r a c t a b s t r a c t e i t h e raf o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ( f e c ) o ra u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ( a r q ) s c h e m es i n g l ym a yb e i n s u f f i c i e n tt oa c h i e v et h ed e s i r e dp e r f o r m a n c ed u et ot h et i m e v a r y m ga n d m u l t i - p a t hn a t u r eo ft h e c h a n n e la l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n gn e e do fd a t as e r v i c e s t h e r e f o r e ，h y b r i da r qe r r o rc o n t r o ls c h e m e , c o m b i n e dw i t ha r qa n df e cw a sp r o p o s e d 3 g p p 2a l s oc o n s i d e r si ta so n eo ft h em o s tp i v o t a l t e c h n i q u e sf o rt h eh i g hs p e e dp a c k e tt r a n s m i s s i o n ， i nt h i sp a p e r , c u r r e n tr e s e a r c hp r o g r e s sa n df u t u r eo u t l o o ko fh y b r i da r q ，t o g e t h e rw i t ht h eb a s i c s t r u c t u r eo fc d m a 2 0 0 0i xe v - d of o r w a r dl i n k ，a l ef i r s ti n t r o d u c e d t h es i m i l a r i t ya n dd i f f e r e n c e b e t w e e nt h ep h y s i c a lh a r qa p p l i c a t i o n si ns e v e r a l3 gt e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma l et h e nd i s c u s s e di n d e t a i l m o r e o v e r , af i x e d - p o i n ts i m u l a t i o np l a t f o r mb a s e do ne v - d os p e c i f i c a t i o n si sb u i l ta n ds e v e r a l s i m u l a t i o n sa b o u tp e ra n ds y s t e mt h r o u g h p u ta l ec a r d e do ni na w g no rf a d i n gc h a n n e l t h er e s u l t sa r e s a t i s f y i n ga c c o r d i n gt ot h em i n i m a lp e r f o r m a n c e f i n a l l y ，s o m em o d i f i c a t i o n sa b o u tp h y s i c a lh - a r qh a v eb e e na d d e dt oe v - d of o r w a r dl i n k t h r o u g h p u tp e r f o r m a n c ei sf u r t h e ri n c r e a s e db ya d d i n gr e t r a n s m i s s i o n so rc h a n g i n gm a p p i n gp a t t e r no f r e t r a n s m i s s i o np a c k e t s m e a n w h i l e ，h a r d w a r ef e a s i b i l i t ye v a l u a t i o na b o u tt h e s em o d i f i c a t i o n si sa l s o a n a l y z e d k e yw o r d s ：c d m a ，e v - d o ，p h y s i c a lh - a r q ，t h r o u g h p u t ，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 l l 东南大学硕士学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东 南大学研究生院办理。 一争翩躲趟一 第一章绪论 第一章绪论 移动通信是当今通信领域内最为活跃和发展晟为迅速的领域之一。从1 9 4 6 年出现了美国第一 个f m 移动电话系统开始，借助半导体和微处理器技术的发展，移动通信行业已经经历了近六十年 的飞跃发展，经历了从单基站大功率系统到多基站小功率系统，从单一覆盖模式到蜂窝和复蜂窝覆 盖模式，从模拟到数字，从多个不同的国家标准到区域性国际标准，从单一语音业务到可提供语音 和中低速数据业务等一系列的变化。这些变化使得移动通信系统在传输能力和传输质量方面获得了 极大的进步，成为人们在交流和获取信息中不可或缺的重要工具。 未来的个人移动通信系统不仅要求保证任何人在任何地点、任何时候、以任何方式与任何人进 行通信，而且还必须满足入们日益增长的对语音、数据、图像等多种业务并存的多媒体通信的需求， 第三代移动通信系统就是在这种背景下应运而生，它可以提供全球漫游服务、支持多媒体业务并有 足够大的系统容量。 本章将主要介绍当今移动通行系统的发展现状，并着重介绍c d m a 2 0 0 0i xe v - d o 标准和混合 自动重传h a r q 技术的基本概念。 1 1 论文背景 蜂窝移动通信的发展经历了第一代模拟系统和第二代数字移动系统，目前正在向第三代宽带数 字系统的方向发展。 第一代模拟移动通信系统以北美a m p s 、欧洲t a c s 、北欧n m t 、德国c 一4 5 0 以及日本n 订 等系统为代表。由于模拟系统的容量小，频谱利用率低，保密性能差以及不同系统不能兼容等不足， 促使人们研制出以欧洲的g s m 系统、美国l s 5 4 和t s - 9 5 、日本p d c 等系统为代表的第二代数字移 动通信系统。第二代数字移动通信系统能提供数字话音通信，以及电路交换的低速率或中速率的数 据通信，改善了第一代系统存在的不足。 由于第二代数字移动通信系统，比如g s m 和1 s 9 5 在很多方面仍然没有实现人们最初的目标， 比如统一的全球标准；同时也由于技术的发展和人们对于系统传输能力的要求越来越高，几千比特 每秒的数据传输能力已经不能满足某些用户对于高速率数据传输的需要。在此情况下，具有 9 - 1 5 0 k b p s 传输能力的通用分组无线电业务( g p r s ：g e n e r a lp a c k e t r a d i os e r v i c e s ) 系统和其它系统 开始出现，并成为向第三代移动通信系统过渡的中间技术。 随着社会的发展，技术的进步，国际间的交流合作日益频繁，人们希望移动通信系统能和固定 电话网一样提供将话音、图像、数据等综合在一起的交互式多媒体业务，这是目前正在营运的第二 代系统所不能满足的。因此，人们的目光开始向第三代移动通信系统转移。 国际电联l t u 从1 9 8 0 年起就致力于第三代移动通信系统的标准化工作。区别于现有的第一 代和第二代移动通信系统，第三代移动通信系统至少要实现下列的基本目标。其主要特点可概括为 东南大学硕士学位论文 【2 】 - 全球普及和全球无缝漫游的系统。第三代移动通信系统即便不能形成统一的全球标准，但也 要实现兼容的标准，从而实现全球漫游。 具有支持多媒体业务的能力。特别是支持i n t e m e t 业务的能力。现有的移动通信系统主要以 提供话音业务为主，一般仅能提供1 0 0 k b s 2 0 0 k b s 的数据业务；g s m 演进到最高阶段也仅能提供 3 8 4 k b s 的数据业务。i t u 规定的第三代移动通信无线传输技术则要求在快速移动环境，最高速率达 1 4 4 k b s ；室外到室内或步行环境，最高速率达3 8 4 k b s ；室内环境，最高速率达2 m b s 。 - 增加分组交换业务：第二代移动通信系统停留在传统的电路交换模式，在信道效率方面相对 较低。在第三代移动通信系统中，电路交换和分组交换将共同存在，提高传输的灵活性和信道效率。 增加非对称传输模式：由于新的数据业务，比如w w w 浏览等，具有固定的非对称特性，上 行传输往往只需要每秒钟几千比特，而下行传输可能要每秒钟数十万比特，甚至上兆比特才能满足 需要。而第二代移动通信系统只支持对称业务。 - 高频谱效率：提供软切换、快速功控、相干接收、r a k e 合并接收、智能天线系统等新技术的 应用，有效地提高新系统的频谱效率。 - 更好的传输质量：未来的移动通信系统使得传输质量达到或者接近有线系统的传输质量，可 以为车载用户提供1 4 4 k b p s ，为行人提供3 8 4 k b p s ，为室内用户提供高达2 m b p s 的传输速率。 - 其它还有诸如，低成本、高保密性、便于向4 g 或b e y o n d3 g 过渡演进等特点。 要实现上述目标，移动通信系统在技术上仍有许多问题需要研究解决，空中接口( a i r - i n t e r f a e e ) 技术是其中的核心问题之- - 3 。在提交给l n j 的关于第三代数字移动通信系统的各种方案中，欧洲 提出的基于g s m 的u m t s - w c d m a 、北美提出的基于1 s 一9 5 的c d m a 2 0 0 0 和中国提出的 t d s c d m a 将是主流技术，采用码分多址的空中接口标准已基本达成共识【4 1 。本文将从系统吞吐 量的角度着重研究c d m a 2 0 0 0 标准及其演化版本c d m a 2 0 0 0l xe v - d o 的性能，并研究混合自动 重传技术( h y b r i d - - a r q ) 在该协议中的应用。 1 2c d m a 2 0 0 0e v - d o 技术 随着c d m a 技术从l s 9 5 演迸到c d m a 2 0 0 0 ，3 g p p 2 从2 0 0 0 年开始在c d m a 2 0 0 01 x 基础上 制定i x 的增强技术即c d m a 2 0 0 0i xe v 的标准，用以满足3 g 对数据业务的需求。 目前c d m a 2 0 0 0i xe v 的演进分为两条路径：第一路径：c d m a 2 0 0 01 xe v - d o ( e v o l u t i o n d a t ao p t i m i z e d ) ，也称l s 8 5 ，6 采用与话音分离的信道传输数据，在之前公布的r e l e a s e0 中支持 平均速率为6 5 0 k b p s 峰值速率高达2 4 m b p s 的高速数据业务。第二路径：c d m a 2 0 0 01 xe v - d v ( e v o l u t i o nd a t aa n dv o i c e ) 也称i s 2 0 0 0 ，数据信道与话音信道合一，i xe v - d v 可提供s m b p s 甚至更高的吞吐量。具体演进路线可参考图1 11 5 】 2 第一章绪论 c d m a 2 0 0 01 技术发展历程 歹 亘二 j 三二 亘口- i - - - - i - - - - - - - - j 0 器；5 4 3 脚6 b p s 臻翟激 多载波 上行li 仃l # m b p s 基本语音业务 增强语音业务1 5 3 缸b p ”3 0 7 2 k h p s 蠹羹宣雾券勰 匕= = = 二= = = = = = 二= = = = = = = = = = = = = = = 号= 2 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 42 0 0 6 图i 1c d m a 2 0 0 0i x 技术发展历程 c d m a 2 0 0 0i xe v - d o 主要是基于高通、朗讯、爱立信公司提出的i - i d r ( h i g hd a t ar a t e ) 技 术构建的，该技术己被国际电信联盟批准为i m t - 2 0 0 0 标准规格。早在2 0 0 1 年初，l u c e n t 就与 q u a l e o r n m 成功进行了c d m a 2 0 0 0i xe v - d o 的实验，所支持的传输速率高达2 4 m b p s 。近期，随 着韩国的s k t 和k t f 相继开通了基于c d m a 2 0 0 0i xe v - d o 的服务，并涌现了各种成功的商业 运作实例，这一技术已经展现了其在商业化的道路上的广阔前景。中国联通也在成功建设 c d m a 2 0 0 01 x 网络和服务的基础上，正在向着c d m a 2 0 0 01 xe v - d o 或c d m a 2 0 0 0i xe v - d v 演 进，其目标是发展为一个能提供高质量话音和高速数据及多媒体业务的3 g 网络。终端方面，美国 q u a c o m m 公司现已推出支持c d m a 2 0 0 0i x e v - d o 的芯片，并已成功商业化；同时，国内的大批 高科技公司也已开始了对相关产品的研发，力图赶上世界先进水平，在未来的国际和国内竞争中， 争得席之地。 1 3 混合自动重传技术( h - - a r q ) 任何一个通信环境，无论是有线还是无线，无论移动通信还是光纤通信，都存在一个关键问题， 即如何抵抗信道噪声和干扰而造成的传输错误，使得用户能够准确无误地接收数据。通常，人们利 用各类差错控制技术来鳞决这一问题。 a r q 和f e c 是分别利用检错码和纠错码进行差错控制的技术。重传反馈方式( a r q ，a u t o m a t i c r e p e a tr e q u e s t ) 的原理是接收端通过反向信道反馈信息，使发送端重发那些检查出错误的数据包， 直到接收端认为已正确接收为止；前向纠错方式( f e c ，f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 是通过在发送端 东南大学硕士学位论文 发送可以被纠错的码，接收端自动纠正码字中的错误。卷积码和t h r b 0 码便是常用的纠错码。a r q 方式纠错能力强，但需要反向信道，且通信实时性差。相反，f e c 方式的实时性好，收发控制系统 简单，但是往往以最坏的信道条件设计纠错码，所以编码效率较低。 混合自动重传( h y b r i d - - a r q ) 系统综合了上述两种方法的优点，发送的码字不仅能检测出错 误，还具备定的纠错能力。接收端在超出纠错能力的情况下，才通知发送端重发。这在一定程度 上，避免了a r q 通信迟滞性和f e c 的译码复杂性的缺点。同时能达到较高的传信率。 目前受到广泛关注的第三代移动通信系统( 3 g ) 中普遍采用了h a r q 技术。它充分提高了 数据传输速率，并降低了传输延时。 1 4 论文内容及组织结构 本文的主要工作是研究h a r q 技术在e v - d o 系统中的应用，构造双向链路平台，以系统吞 吐量为主要指标对该平台的传输性能进行测量，并将其与3 g p p 2 所规定的最小性能标准【7 】( m i n i m a l p e r f o r m a n c e ) 进行比较；本文还将参照近来涌现的系列新方法，比如重传重映射方法，对e v - d o 协议中规定的h a r q 技术参数进行某些修改，对其性能进行仿真，并对硬件资源的消耗作出评估。 第一章对本文所涉及的基本概念做了简要的阐述，包括第三代移动通信系统，e v - d o 协议和h a r q 技术。 第二章介绍了h a r q 的内容和发展现状，阐述并比较了h a r q 在各个系统中的应用，尤 其介绍了其在第三代移动通信系统不同协议中的应用，并比较了它们的异同点。 第三章介绍了c d m a 2 0 0 0 i x e v - d o 协议物理层前向链路的结构。并详细说明了各码分信道和 时分信道的工作用途和工作方式。对前向链路的数据信道的各个组成部分，本文也做了详细的说明。 最后本文对e v - d o 物理层中的使用的快速h a r q 技术做了阐述。 第四章根据第三章介绍的3 g p p 2 的协议中规定的关于c d m a 2 0 0 0i xe v - d o 系统的物理层结 构，利用c 语言搭建了双向链路的定点仿真平台，介绍了用以实现信道估计和译码器等模块的具体 设计，最后在此平台上对e v - d o 的前向链路的1 2 种速率的误包率和吞吐量性能进行了仿真，并与 e v - d o 协议的最小性能标准进行了比较。仿真结果均达到或超过了最小性能标准的要求。 第五章在第四章e v - d o 系统的物理层吞吐量性能仿真的基础上，为了进一步提高系统的吞吐 量对该物理层的发送速率参数和调制图样进行了一些优化，对e v - d o 的物理层h a r o 若干参数 进行了修改，提出了一些改进的方案。本文对这些方案进行了仿真，并对仿真结果进行了分析。结 果证明本文提出的方案能有效地提升系统的吞吐量和误包率性能。同时，文章还对新方案设计中对 硬件资源的增加做了估计。 4 第二章h a r q 技术现状和发展 第二章h a r q 技术现状和发展 当今移动通信系统的主流业务正由传统的语音业务转向包括语音、数据和图像多种业务并存的 多媒体业务，这使得对移动终端对传输误包率( p e r ) 指标的要求越来越高：同时移动通信系统由 于受到阴影和深衰落等效应的影响，即使引入t u r b o 或卷积码等优良的信道编码，其单次传输的正 确率仍然不能达到要求。此时，需要引入以h a r q 技术为代表的各种差错控制技术，通过重传等 方式保证信息的正确接收。 第三代移动通信系统的各个协议都不约而同地应用了h a r o 技术，并且在各个协议的演进 过程中，不断对其进行优化和改善。h a r q 技术同时也成为移动通信领域内备受瞩目的研究热点。 本章介绍了h a r q 技术的内容和各种分类，并比较了其在各个实际系统中的应用，最后简 单展望了h - - a r q 技术将来的发展。 2 1t i - - a r q 技术简介 2 1 1a r q 的实现方式 自动请求重发系统即a r q 系统，其一般结构如图2 1 所示。在发送端，信源信息经信源编码 和信道编码存入缓存器中，并第一次发送给接收端；接收端收到通过信道传来的码元后，由解码器 根据该码的编码规则，判决收到的码组有无错误。若未检出错误，经反馈信道发出无需重发指令。 发送端收到该指令后，继续发送下一码组，发送端的缓存器也随之更新；若检出错误，则由解码器 控制产生一重发指令给发送端。这时，发送端重发控制器根据预先设定的规则选择缓存器中的适当 内容重发。此重发操作一直执行到信宿正确接收为止。 陵到； l 缓f ，嚣i 。 蔽。，c 。一 向 仨 卧 埴 图2 1 a r q 系统一般结构 下面介绍一下a r q 中的三种重传机制。 2 1 1 1 停止等待a r q ( s a w ，s t o p _ a n d - w a i t a r q ) 停止等待a r q ( 如图2 2 所示) 的基本原理是，接收端根据所接收的数据包正确与否向发送端 反馈a c k ( a c k n o w l e d g e ) 或n a c k ( 亦写作n a k ，n e g a t i v e a c k ) 信号，发送端由此决定是继续 发送新的数据包还是重传出错的数据包。发送端在等待接收端反馈信息时一直处于等待停发状态。 5 东南大学硕士学位论文 很明显，这种方法的信道利用率较低。 发送端 接收端 懿璇铺糙 图2 2 停止等待a r q 一种改进方式是采用n 一信道s a w - a r q ，即同时有n 个并行的停等协议的信道，在一个协议 的停等过程中，发送端发送其他信道的数据，n 取决于发端到收端的往返时间( 环路时延) 。此方 法在发送端需更多的存储空间，并且需要额外的信令支持，但提高了系统通过率。 2 1 1 2 退回n 步a r q ( g b n ，g o - b a c k - na r q ) 对于s a w - - a r q 的一种改进是，发送端在等待接收端反馈信息时，不再停止等待，而是继续 发送新的数据包。在一定延时后，收到接收端的反馈信号，设此时已发送了n 个新的数据包。如果 收到的是a c k 信号，则正常发送；一旦收到n a c k 信号，则发送端退回n 步，从出错的那个数据 包起重新按序发送数据包，n 同样取决于发端到收端环路时延。这便是退回n 步a r q ( 如图2 3 ) 。 发送端 接收罐 镪袋t ；l ：餐 图2 3 退回n 步a r q 这种方法确实较基本s a w - - a r q 提高了信道利用率，而且没有额外的资源需求，但是当n 取 值较大时，那些实际已接收正确，但仍需重发的数据包数量将大幅增加，导致系统的有效通过率下 降得很快。 2 1 1 3 选择重发a r q ( s r ，s e l e c t i v e - r e p e a ta r q ) 可见，影响g b n - - a r q 的主要因素是环路延时n ，下面提出的选择重发s r - - a r q 消除了n 对于系统通过率的影响。特别是当信道误码率较高时，对通过率的提高尤为明显。 s r - - a r q ( 如图2 4 ) 对每个数据包进行编号，接收端发现错误包后，不仅反馈n a c k ，还反 馈错误数据包的编号。这样发送端没有停等过程，且只重传那些出错的数据包。这样的机制较前两 种对系统性能有了很大提升。不过，为数据包编号也带来了额外的开销，而且发送和接收端都必须 6 第二章h a r o 技术现状和发展 配备缓存器为数据包重新排序，以便解码。这也增加了系统复杂度。 麓送j ；= 接收端 铺潢讲：x 图2 4 选择重传a r q 综上所述，这三种基本的a r q 机制中，s a w - a r q 晟简单，对用户端存储容量的要求也最小。 但由于不能及时得到确认信息，信道因此闲置而造成系统容量的浪费。为了利用此空闲的资源，可 以采取n 信道并行的s a w - a r q 。3 g 各协议中均普遍采用了该机制，在较小复杂度和存储量要求 的同时，充分利用有限的信道资源。g b n - a r q 和s r - a r q 的效率都优于s a w - a r q 。相比之下 s r - a r q 的发送效率更高些，但这是以s r - a r q 更为复杂的实现作为代价的。s r a r q 在等待响应 的时候，为了充分利用信道容量，发端要发送大量数据分组。接收端可能要组合那些分隔重传的信 息，为此必须要数据分组进行编号。编号号和数据分别编码。且编号应用更可靠的编码以克服相当 恶劣的环境，这样就增加了对有限带宽的占用。 h a r q 技术按其重传数据包所含内容的不同，可分为三类 8 】： 2 1 2 1 i 型( t y p e - - 1 ) h a r q 此类h a r q 技术是单纯地将a r q 与f e c 技术结合，对于收到的数据包进行解码纠错，若能 纠正其中的的错误，则接受此包，并向发送端发送a c k 信令指示已正确接收；否则，丢弃此包并 向发送端发送n a c k ，通知发端重发和先前一样的数据包。 此种方法无需保留错误包，所以发送和接收端占用的存储器都很少，同时信令结构也很简单， 实现起来相对比较容易。 但是，该方法可利用的环境并不多。由于纠错码具有门限效应，其纠错能力只在其有限的动态 范围内体现。所以，当信噪比过低时，即使添加纠错冗余也无法正确接收；而当信噪比很高时，几 乎不需要纠错，此时多余的纠错冗余便大量占据了信道容量，造成资源的浪费。 2 1 2 2 型( t y p e - - 1 1 ) h a r q 1 型h - - a r q 中，对于错误的数据包进行了简单的丢弃，而并没有充分利用其中有用的信息。 从信息论角度看，充分利用每次重传所携带的冗余信息量对同一个数据包进行解码，必然比只利用 一次重传信息而解码的正确率高。这一点便是1 1 型h - - a r q 相对于】型h - - a r q 最大的改进。 7 东南大学硕士学位论文 i i 型h - - a r q 中接收端保留错误的数据包与重发的包进行合并后解码，获得额外的编码增益。 重发的数据包可以与原数据包完全相同，那么收端把每个包中的对应符号一一相加，再送入译码器， 这种合并方式称为分集合并( d i v e r s i t yc o m b i n i n g ) ，也称c h a s ec o m b i n i n g ( d c h a s e 最早论述了 该技术，见文献【1 0 】) ；如果信道条件恶劣，简单的合并相同的数据包不能保证接收端的正确解码， 那么可以采用递增冗余技术( i r ，i n c r e m e n t a lr e d u n d a n c y ) 。 i r 主要是通过递增发送码字的冗余度，以增大正确译码的概率，从而增加数据吞吐量。其关键 之处就在于逐渐降低编码速率，即递增传送码字的冗余。例如：在初次传送时，以高码率编码，冗 余度较小，若未能正确解码，则降低编码速率，增大冗余度，再次发送，接收端将两次接收到的数 据帧合并解码，从而增大纠错能力。可见每次重发的数据包将采用包含更多纠错码的编码方式因而 含有更多的冗余信息蹙，甚至可以是内容全部为冗余比特的数据包( 对应于f u l l 取技术) 。此时在 接收端对每次发送的包进行编码合并( c o d ec o m b i n i n g ) 输出译码结果。 自适应递增冗余( a i r ，a d a p t i v ei n c r e m e n t a lr e d u n d a n c y ) 则是在递增冗余的基础上增加了自 适应( a d a p t i v e ) 的功能。因为移动通信是时变信道，比特错误情况随信嗓比等因素的变化而变化，所 以信道采用自适应编码速率以适配信道条件，从而获得较高的吞吐量。 玎型h a r q 技术实现起来更复杂，需要更多的存储空间及信令开销，译码时还需要合并，但 是它对于吞吐量的提高是显著的，足以弥补它在实现中的复杂度。 2 1 2 3 i i l 型( t y p e - - 1 1 1 ) h a r q 1 玎型( t y p e 1 1 1 ) h a r q 是i i 型中i r 技术的改进版本，对于每次发送的数据包，采用互 补删除方式( c o m p l e m e n t a r yp u n c t u r e dc o d e ) 。数据包可单独译码，也可合并成个具有更大冗余 的数据包进行合并译码。这是为了应对i r 中，当系统位信息比特所在的第一次发送遭受到深衰落 时，即使此后系统多次重传冗余位，由于其中不再包含系统位，因而便很难正确解码。编码的冗余 比特的删除方式是经过精心设计的，使得删除的码字是互补的、等效的，最后合并的码字完全覆盖 了码字中的每个比特位，译码信息变得更全面，更利于正确解码。常用的互补删除方式有码率匹配 打孔t u r b o 码( r c p t ，r a t i oc o m p a t i b l ep u n c t u r e dt u r b o ) 或码率匹配打孔卷积码( r c p c ，r a t i o c o m p a t i b l ep u n c t u r e dc o n v o l u t i o n ) 。 文献【8 】中一系列仿真表明，l l l 型h a r q 能有效地提升系统吞吐量，特别是在低信噪比和深 衰落情况下，这种优势更为明显。 2 2 传统h - - a r q 技术的实现 在以语音为主要传输对象的第一、二代移动通信系统中，由于语音业务的实时性，高时延的重 传信息不易被利用，同时考虑到语音信息的模糊性。通信中无须做到完全的无错传输，因此a r q 技术没有得到广泛的应用。通信中的差错控制主要依赖于f e c 方法，即使用纠错能力强的信道编码。 分组数据信息和语音不同，它不需要很好的实时性，但是对接收数据的正确性有着近乎苛刻的 要求。要在恶劣的无线信道中做到数据的无错传输。必须引入重传机制，重传出错的数据直到正确 8 第二章h a r q 技术现状和发展 接收为止。随着近些年移动通信与i n t e r a c t 的融合，分组数据业务获得飞速发展，各种加强分组数 据传输速率的标准应运而生，如g s m 系列的g p r s 与e d g e 、i s 9 5 b 以及i s 2 0 0 0r e l e a s e0 等。 这些标准都加强了a r q 的应用。它与f e c 相结合，便构成了h a r o 技术。 这些重传机制大都是在协议标准的l 2 ( l a y e r2 ) 中的某个子层( r l c ，r a d i ol i n kc o n t r o l 或 l a c ，l i n ka c c e s sc o n t r 0 1 ) 中实现的，它们属于选择重传的a r q 机制( s r - - a r q ) ，相关的协议 定义了一系列信令来保证重传机制的正确运作，比如接收端的反馈信息( a c k 或n a c k ) ，数据包 的编号与调度等。 这种基于上层的h - - a r q ，由于信令交互的频繁，使得多次传输间的相隔时问较大，导致时延 上升；但它具有很高的发送时间分集增益，能够保证实时性要求不高的数据业务的无错传输。 2 3 - - a r q 在3 g 中的应用 移动通信进入3 g 时代，各种新的数据业务层出不穷，比如移动游戏、视频流业务、v o m ( v o i c e o v e ri p ) 、多方可视会议等。这些业务都有着共同的特点，那就是需要很高的数据传输速率和较低 的传输延时。3 g 各标准中普遍采用的扩频c d m a 、高阶调制和纠错编码技术，保证了系统在恶劣 信道条件如高速移动环境下的基本数据传输能力或在步行及室内环境等较好的信道条件中的高速 数据传输能力。【2 2 】 但是对数据实时性要求的提高，使得具有较大重传闻隔的传统h a r q 技术无法应对。为了解 决这一问题，3 g ( 及其增强型) 中大都采用了物理层h a r q 技术( p a r q ，p h y s i c a l a r q ) ，也称 快速h a r q ( f a s th - - a r q ) 。 这种技术的原理是在物理层中增加重传机制，这样减少了重传时与上层的信令交换，从而降低 了延时。具体地说，快速h a r q 在物理层中添加了额外的发送和接收缓存以及反向反馈信道。接 收端对f e c 数据包进行纠错处理，然后判断纠错后的数据是否仍有错误，根据结果反馈a c k 或 n a c k 消息，同时将该数据包保存以来，以便与重传包联合解码。发送端如果收到a c k ，则继续 发送新的数据；假如收到n a c k 消息，则从发送缓存中提取原先的数据包进行新的编码调制处理后， 再次发送。物理层设有最大重发次数的限制，防止由于慢衰落条件下的信道长时问恶劣导致的某个 用户的数据包一味地重发而浪费信道资源。表2 1 比较了物理层重发和上层重发的若干不同： 9 东南大学硕士学位论文 物理层h a r ql 2 层h a r q 对于一定的误码率，工作点s n r通过重传达到无错传输 目的降低，以适应更恶劣的信道环 ( e r r o r - f r e ed e l i v e r y ) 境。 设立物理层快速反馈信道和额通过上层从反向数据信道反馈 途径外缓存，在物理层直接重传出错信令，经过相对长时间后重传。 数据，接收端进行合并。 自适应于信道质量，按需添 较长时间间隔的重传带来 加冗余； 的时间分集增益。 优点采用合并解码，每次传输均 能帮助最终译码的成功； 低时延的高速数据传输。 需要额外开销：存储空间、 重传延时大，不利于实时性 缺点 解码复杂度、重传调度等。要求高的业务。 结论两种h a r q 技术优缺点互补，应同时使用，缺一不可。 表2 1 物理层h - - a r q 与l 2 层h a r q 的比较 3 g 的各个协议标准为了解决高速数据的低时延传输，不约而同地引入了物理层h a r q 技术。 它在每个协议中的实现方式却不尽相同，下面一一做以简介。 2 & lw c d m a h s d p a ( h s u r a ) w c d m a r e l e a s e 9 9 中数据业务采用了简单的停止等待( s a w ) h a r q 技术，其中f e c 是在 物理层使用卷积码和t u r b o 码实现的，而a r q 重传协议是处在l 2 的r l c 子层上，基于r n c 与 li e 之间。r 9 9 所支持的最大数据速率为2 m b p s 。 随着w c d m a 协议的发展，陆续出现了r 4 、r 5 和r 6 标准。在r 5 中加入了熟知的h s d p a 标准，其 屉大下行数据速率高达1 0 s m b p s 。为了实现高速数据传输h s d p a 与r 9 9 相比引入了多条信道，它 们是h s - d s c h ( 高速下行共享信道) 以及相应的h s s c c h ( 高速下行共享控制信道) 和h s - d p c c h ( 高速上行专用物理控制信道) 。h s - d s c h 是高阶调制的时分多码道数据传输信道，负责高速数据传 输。h s s c c h 承载从n o d e - b 到u e 的控制信息，包括u e 身份标记、h a r q 相关参数以及h s - d s c h 使用的传输格式，这些信息每隔2m s 从n o d e - b 发向l i e 。h s - d p c c h 是上行信道，由u e 用来向n o d e - b 报告下行信道质量状况( c q l ，c h a n n e lq u a s i t yi n d i c a t o r ) 。并反龇c k n a c k 信号。 h s d p a 中引入前述的物理层h a r o 机制，在n o d e b 和l i e 之间加入了快速重传协议，它不需 要l u b 接口，因而减少了重传时延。具体的说，h s d p a 在新增的h s - d s c h 信道中采用n 信道并行s a w 型的h a r o 它克服了r 9 9 中的简单s a w 协议带来的停等过程中信道资源的闲置，通过n 个并行 的传输实体，在某个实体等待反馈时，传输其他实体的数据包。h s - d s c h 中使用1 5 个s f 为1 6 的扩 额码作为信道码，同时设定2 m s 的传输时间问隔( 1 1 1 ，t r a n s p o r t t i m e i n t e r v a l ) 。用户占用一个或多 1 0 第二章h a r o 技术现状和发展 个码道信道和传输时间，构成一个或多个并行的传输实体。对同一用户最大可有8 个并发的实体( 不 f l c j h s d p ap h a s e 略有不同) ，一般取4 6 。最大重发次数依据不同的发送速率而定。圈2 5 1 1 1 】是 h s d p a 中用户复用h s d s c h 信道的一个例子。 最大并发效 时目 匿豳用户1 q p 2 鬣圈用户3 图2 5h s d p a 中不同用户按邗码分复用h s d s c h 信道 h s d p a 中支持两种不同的重传包解码合并方案，分别对应i i 型h - - a r q 中的c h a s ec o m b i n i n g 和 i r 技术。l r 较c c 用更高的译码复杂度和存储要求换取性能的提升。文献【9 】中表明，低编码速率( o 5 ) 下，两者性能相近；而在高码率( o 5 ) 下，l r 的编码增益有1 3 d b 。 为了更好的支持可视电话，无线游戏等业务要求的上下链路对称的高速率传输，在最新的 w c d m a r e l e a s e 6 中，引入了高速上行数据传输技术( h s u p a ，h i g hs p e e du p l i n k p a c k e t a c c e s s ) 。 相对于h s d p a 提高下行数据速率，h s u p a 主要针对上行分组域的数据速率进行增强，上行速率可 达5 8 m b p s 。【1 4 】 在h s u p a 的上行链路中，除了在原有的在r n c 中实现了r l c 层重传外，协议还加入了类似 h s d p a 的快速物理层重传机制。与之前的协议相比，物理层重传以及包调度在n o d e - b 中实现，提 高了基站对终端的响应速度，对重传的请求反应更快。 h s u p a 重传机制采用n s a wh - - a r q 。n 取值与上行链路的1 1 1 有关。t 1 1 取2 m s 时，有n = 8 个 并行h a r q 实体；佣取1 0 m s 时，n 取4 。新增的2 m s 短帧是为了达到加速上下行重传调度的需要， 但这也造成了交织增益的下降。因此，2 m s 短帧多用于信道条件好的情况，而保留1 0 m s 帧也可以保 持与r 9 9 、r 5 等协议的兼容，并为处于小区边缘等信道较差的用户使用。 c d m a 2 0 0 0 包括硒个1 s 2 0 0 0 和i s 8 5 6 两个标准系列。i s - 2 0 0 0 在完全兼容1 s - 9 5 c 的基础上，全面 加强了对数据业务的支持，支持的最高传输速率p - - ：i , 盎3 0 7 2 k b p s 。其中采用的h - - a r q 技术是基于l 2 子层l a c 和r l p ( r a d i ol i n kp r o t o c 0 1 ) 上的选择重传协议( s rh a r q ) 。 真正达到3 g 标准中所要求的数据传输速率的是c d m a 2 0 0 0i x 的两个演进版本( e v ， e v o l u t i o n ) ，即l s 一8 5 6 ( e v - d o ) 标准和1 s - 2 0 0 0r e l e a s ec ( e v d v ) 。 东南大学硕士学位论文 2 3 2 1c d m a 2 0 0 0e v - d 0 i s 一8 5 6 也就是c d m a 2 0 0 01 xe v - d o ( d a t ao n l y )