（通信与信息系统专业论文）lteadvancde系统中harq技术及其性能研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 为了使l t e 系统能够向4 g 平滑演进，3 g p p 组织在2 0 0 8 年6 月发布了 l t e a d v a n c e d 系统的技术需求报告，明确了l t e a d v a n c e d 系统的最低需求： 下行峰值速率为1 g b p s ，上行峰值速率为5 0 0 m b p s ，而上下行的峰值频谱利用 率分别达到了1 5m b p s h z 和3 0m b p s h z 。而要想在如此高的数据速率下实现 数据的可靠传输，引入有效的差错控制技术将具有越来越重要的意义和价值。 混合自动重传请求( h a r q ) 技术能够很好地弥补无线信道时变和多径衰落对 信号传输造成的影响，已在b 3 g 系统( 如l t e ) 中得到了广泛的应用。h a r q 技术将自动重传请求( a r q ) 与前向纠错( f e c ) 有机的结合，在充分发挥这 两种技术优点的同时又弥补了各自的不足，从而实现了比f e c 技术更高的可靠 性以及比a r q 技术更高的传输效率。 本文基于3 g p p 制定的l t e a d v a n c e d 协议，考虑了载波聚合技术的特点， 它可以将连续或不连续的几个小频带整合为一个较大的频段，从而提供更大的 系统带宽和更高的峰值数据速率，可以有效地解决系统对频带资源的需求；同 时，中继技术通过引入中继节点，能够有效地满足l t e a d v a n c e d 系统对小区 边缘用户数据速率和小区平均吞吐量的高要求。并在此基础上，对这两种技术 下的h a r q 进行了研究，通过m a t l a b 平台对其性能进行仿真，本文完成的 主要工作及创新点为： ( 1 ) 深入研究了三种不同类型的h a r q 机制：i 型h a r q 、i i 型h a r q 和i i i 型h a r q ，并对其优劣进行了综合的评价： ( 2 ) 研究了载波聚合下的两种基本h a r q 进程映射机制：固定h a r q 进 程映射和可变h a r q 进程映射。并提出了两种改进的映射方案，通过仿真论证 了改进方案的可行性与优越性。 ( 3 ) 研究了两种传统的中继系统里的h a r q 策略：d f h a r q 与 s t b c i - t a r 0 ，并提出一种新的中继h a r q 方案，通过仿真证明了改进方案能 够提高系统的吞吐量以及中继重传效率。 关键词：l t e a d v a n c e d ，混合自动重传请求，载波聚合，中继 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt om a k et h el t e s y s t e mc a l le v o l u t i o nt o4 gs m o o t h l y , 3 g p pf i n i s h e d t h er e p o r to ft e c h n o l o g yr e q u i r e df o rl t e - a d v a n c e di n2 0 0 8j u n e ，w h i c hp u t f o r w a r dt h em i n i m u mr e q u i r e m e n tf o rl 1 卫一a d v a n c e d ：d o w n l i n kp e a i 【r a t ei s 1g b p s a n du p l i n kp e a l 【r a t ei s5 0 0m b p s ，u p l i n ka n dd o w n l i n kp e a l 【s p e c t r u mu t i l i z a t i o n r a t er e a c h e d15m b p s h za n d 3 0m b p s h z i fw ew a n ta c h i e v er e l i a b l ed a t a t r a n s m i s s i o ni ns u c hah i g l ld a t ar a t e ，t h ei n t r o d u c t i o no fe f f e c t i v ee r r o rc o n t r o l t e c h n o l o g yw i l lb em o r ea n dm o r ei m p o r t a n tm e a n i n ga n dv a l u e 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 ) t e c h n o l o g yi sa b l et oc o m p e n s a t et h ei n f l u e n c eo ns i g n a l t r a n s m i s s i o nc a u s e db yt i m ev a r y i n go ft h ew i r e l e s sc h a n n e la n dm u l t i p a t hf a d i n g ， h a sb e e nw i d e l yu s e di nt h eb 3 gs y s t e m ( s u c ha sl t e ) h a r qm a k ea u t o m a t i c r e t r a n s m i s s i o nr e q u e s t ( a r q ) a n df o r w a r de r r o r c o r r e c t i o n ( f e c ) o r g a n i c c o m b i n a t i o n ，a n dg i v ef u l lp l a yt ot h et w ot e c h n i c a la d v a n t a g e sa n dm a k eu pt h e i r d e f e c t s ，t h e r e b ya c h i e v i n gah i g h e rr e l i a b i l i t yt h a nf e ca n dh i g h e rt r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c yt h a na r q t 1 1 i s p a p e r b a s e do nt h el t e - a d v a n c e d s p e c i f i c a t i o n , c o n s i d e r e d t h e c h a r a c t e r i s t i c so fc a r r i e r a g g r e g a t i o n , i tc a na g g r e g a t es e v e r a l c o n t i n u o u so r d i s c o n t i n u o u ss m a l lb a n d si n t oal a r g e rb a n d ，i no r d e rt og e tw i d e rb a n d w i d t ha n d b e t t e rp e a l ( d a t ar a t e ，w h i c hm e e tt h ed e m a n df o rf r e q u e n c yr e s o u r c eo fs y s t e m a t t h es a m et i m e ，r e l a yi si n t r o d u c e dt h r o u g ht h er e l a yn o d e ，c a nm e e tt h eh i g h r e q u i r e m e n t sf o r t h ec e l le d g eu s e rd a t ar a t ea n dc e l l a v e r a g et h r o u g h p u to f l t e - a d v a n c e d a n do nt h i sb a s i s ，s t u d i e dt h eh a r qu n d e rt h i st w ot e c h n o l o g y , a n d i t sp e r f o r m a n c ew a ss i m u l a t e db ym a t l a b t h em a i nw o r ka n di n n o v a t i o na r ea s f o l l o w ： ( 1 ) i n d e p t hs t u d yo ft h r e ed i f f e r e n tt y p e so fh a r q ：t y p eih a r q ，t y p ei i h a r qa n dt y p ei i ir a r q ，d i s c u s s e dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ( 2 ) r e s e a r c ht h et w ob a s i ch a r qp r o c e s sm a p p i n gm e c h a n i s m su n d e rt h e c a r r i e r a g g r e g a t i o n ：f i x e dh a r qa n dv a r i a b l eh a r q a n dp u tf o r w a r dt w o 武汉理工大学硕士学位论文 i m p r o v e ds c h e m e ，a n dp r o v e st h ef e a s i b i l i t ya n da d v a n t a g eo ft h ei m p r o v e ds c h e m e b yt h es i m u l a t i o n ( 3 ) r e s e a r c ht w ok i n d so fh a r qi nt r a d i t i o n a lr e l a ys y s t e m ：d f - h a r qa n d s t b c - h a r q p u tf o r w a r dan e wn a a qs c h e m ei nr e l a y , a n dt h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v es c h e m ec a l li m p r o v et h es y s t e mt h r o u g h p u ta n dt h e r e t r a n s m i s s i o ne f t i c i e n c yo f r e l a y k e y w o r d s ：l t e - a d v a n c e d ，h a r q ，c a r d e ra g g r e g a t i o n ，r e l a y 1 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 3 g 4 g 3 g p p a c k a f 心 a r q k 妯g 械 b 3 g b l e r c c c o m p c q i c r c d f d f - h a r q d f r e e s m e n o d e b f d d f e c g b n - a r q h a r q i d i m l - a d v a n c e d i t u i t u r l d p c 缩略语 3 l | dg e n e r a t i o n 4 血g e n e r a t i o n 3 坩g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t a c k n o w l e d g e m e n t a m p l i f yf o r w a r d a c c e s sp o i n t a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t a d d i t i v e 、枷i t eg a 吣s i a nn o i s e b e y o n d3 一g e n e r a t i o n b l o c ke r r o rr a t i o c o m p o n e mc a r r i e r c o o r d i n a t e dm u l t i p l ep o i n t c h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t o r c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k d e c o d ef o r w a r d d e c o d ef o r w a r d - h a r q d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m e x p o n e n t i a le f f e c t i v es n rm a p p i n g e v o l v e dn o d e b f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x f o r w a r de r r o rc o n t r o l g ob a c kn - h a r q 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 i d e n t i f i e r i n t e m a t i o n a im o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n s a d v a n c e d i n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n i t u r a d i o l o wd e n s i t yp a d t yc h e c kc o d e 第三代移动通信 第四代移动通信 第三代合作伙伴 肯定应答 放大转发 接入点 自动重传请求 加性高斯白噪声 超三代移动通信 误块率 成员载波 协同多点传输技术 信道质量指示 循环冗余校验 译码转发 译码转发h a r q 离散傅立叶变换 有效指数s i n r 映射 演进型基站 频分双工 前向纠错 退回n 步a r q 混合自动请求重传 标识符 先进的国际移动通信 国际电信联盟 国际电联无线电通信组 低密度奇偶校验码 武汉理工大学硕士学位论文 l s m m - a d v a n c e d m a c m c s m i m o n i m s e n a c k o 阳m p d c c h p d s c h p h i c h p u c c h p i u s c h q o s r c p c r e l8 r 9 9 r n i 洲 r s s a w - a r q s 胍 s r s r a r q s t b c s t b c - h a r q s u m l m o t d m u e l e a s ts q u a r e l o n gt e r me v o l u t i o n l 0 n gt e r me v o l u t i o na d v a n c e d m e d i aa o c e s sc o n t r o l m o d u l a t i o na n dc o d i n gs e t m u l t ii n p u tm u l t io u t m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r n e g a t i v ea c k n o w l e d g e m e n t o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x p h y s i c a ld o w n l i n kc o n t r o lc h a n n e l p h y s i c a ld o w n l i n ks h a r e dc h a n n e l p h y s i c a lh y b r i d - a r qi n d i c a t o rc h a n n e l p h y s i c a lu p l i n kc o n t r o lc h a n n e l p h y s i c a lu p l i n ks h a r e dc h a n n e l q u a l i t yo fs e r v i c e r a t ec 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 a l r e l e a s e8 r e l e a s e9 9 r e l a yn o d e r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t r e l a ys t a t i o n s t o pa n dw a i t - a r q s i g n a li n t e r f e r e n c en o i s er a t i o s c h e d u l i n gr e q u e s t s e l e c t i v er e p e a t - a r q s p a c et i m eb l o c kc o d i n g s p a c et i m eb l o c kc o d i n g - h a r q s i n g l eu s e r o m i m o t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g u s e re q u i p m e n t 最小二乘法 长期演进 长期演进增强 媒体接入控制 调制编码组合 多输入多输出 最小均方误差 否定应答 正交频分复用 物理下行控制信道 物理下行共享信道 物理h a r q 指示信道 物理上行控制信道 物理上行共享信道 服务质量 速率兼容的删除卷积码 第8 版本 1 9 9 9 年版本 中继节点 无线资源管理 中继站 停止等待a r q 信干噪比 调度请求 选择重传a r q 空时块编码 空时块编码h a r q 单用户m i m o 时分复用 用户装置 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 随着移动通信技术的发展，3 g ( 第三代移动通信) 已经逐渐走入人们的生 活，用户越来越习惯能够随时随地的享用宽带接入服务，而移动宽带技术将成 为首选途径。根据i t u ( 国际电信联盟) 发布的统计报告，截至2 0 11 年底，全 球移动宽带用户接近1 2 亿，在过去四年每年增长4 5 ，已经达到固定宽带用户 数的两倍。这也给移动通信网络提出了更加苛刻的要求：更高的系统容量，更 高的频谱利用率和灵活性，更高的峰值速率以及更低的时延。 而i t u 也早己预见了人们对移动网络的这种需求，于2 0 0 8 年3 月在全球 范围内发出了征集i m t - a d v a n c e d 技术的通函，这预示着i m t a d v a n c e d 标准化 工作的正式启动。在2 0 0 8 年7 月初结束的i t u r ( 国际电信联盟无线通信部门) w p 5 d ( 第5 研究组国际移动通信工作组) 的迪拜会议上，i t u 明确了 i m t a d v a n c e d 系统的最小需求，包括峰值频谱效率、小区频谱效率和频谱带宽 等8 个技术指标，这些技术指标将成为衡量一个候选技术能否成为 i m t - a d v a n c e d 技术的关键指标。 l t e - a d v a n c e d 是3 g p p 组织为满足i m t a d v a n c e d 需求而提出的，从已具 有明显4 g 技术特征的l t e 技术上平滑演进过来。为了提供更高的数据速率， 支持更多的用户业务和新的服务，l t e a d v a n c e d 在频点、带宽、峰值速率及兼 容性等方面都有新的需求。3 g p p 组织在2 0 0 8 年6 月发布了l t e a d v a n c e d 系 统的技术需求报告，确定了l t e a d v a n c e d 系统的最低需求：下行峰值速率为 1 g b p s ，上行峰值速率为5 0 0 m b p s ，而上下行的峰值频谱利用率分别达到了1 5 m b p s h z 和3 0m b p s h z 。这些参数要比i t u 的最小技术需求指标高很多，优势 非常明显。 2 0 1 0 年1 0 月2 0 日， i t u rw p 5 d 第9 次会议在中国重庆落幕，会议最 终将4 g 的6 个备选方案融合成2 个候选技术方案l t e - a d v a n c e d 和 w i r e l e s s m a n a d v a n c e d ( 8 0 2 16 m ) 。 2 0 1 2 年1 月1 8 日，i t u 在2 0 1 2 年无线电通信全会全体会议上，正式审议 武汉理工大学硕士学位论文 通过将l t e a d v a n c e d 和w i r e l e s s m a n - a d v a n c e d ( 8 0 2 1 6 m ) 技术规范确立为 i m t a d v a n c e d ( 即4 g ) 国际标准。 l t e a d v a n c e d 作为l t e 的演进版本，在对l t e 技术保持兼容的同时还应 该要有所增强，3 g p p 对l t e a d v a n c e d 的主要演进目标规定如下【1 】： ( 1 ) l t e a d v a n c e d 是基于l t e 平滑演进的，其网络应当能够支持l t e 制式的终端；反之，l t e a d v a n c e d 制式终端的基本功能也应当能够在l t e 网 络中正常使用。 ( 2 ) l t e a d v a n c e d 系统应该能够支持从宏蜂窝到室内环境( 如家庭网络) 的覆盖。 ( 3 ) 低速移动的用户将被优先考虑。 ( 4 ) 进一步加强网络自适应及自优化功能。 ( 5 ) 3 g p p 之前发布的各个版本当中所支持的功能( 如与其他类型接入网 的切换、网络共享等) 都应当在l t e - a d v a n c e d 系统中有所体现。 ( 6 ) 终端、网络建设、功率使用效率以及骨干网的支撑等方面的成本都应 有所降低。 ( 7 ) 终端复杂度有所降低。 ( 8 ) 频谱方面，能够支持最大1 0 0 m h z 的带宽，且同时支持连续的和不连 续的频谱；支持i t u 所分配的无线频段，并且能够与l t e 系统共享相同的频段。 ( 9 ) 系统性能方面，在规定时间内满足达到i m t a d v a n c e d 系统的最低需 求：即下行峰值速率1 g b p s ，上行峰值速率5 0 0 m b p s ，天线配置的最低要求为 下行2 2 、上行l 2 ，其他性能均不低于l t e 的标准【2 1 。 从以上主要演进目标可以看出，l t e a d v a n c e d 的性能相对于l t e 来说得 到了大大的提升，完全能够满足i t u 所提出的需求。从技术需求中可以看出， l t e a d v a n c e d 系统的上下行峰值速率分别为l t e 的6 6 倍和3 3 倍，而上下行 频谱效率分别为l t e 的4 倍和2 倍，l t e 的性能被大大地增强，彻底完成了 3 9 g 到4 g 的转变。为了实现这些指标，l t e a d v a n c e d 系统引入了以下关键技 术【3 】【4 】： ( 1 ) 载波聚合( c a r r i e ra g g r e g a t i o n ) 技术，为了满足峰值速率的要求， l t e - a d v a n c e d 当前最大可支持1 0 0 m 带宽，但由于频谱资源是非常有限的，而 对于分散在多个频段上的频谱资源，现在亟需一种技术把它们充分利用起来。 基于上述考虑，l t e a d v a n c e d 引入了载波聚合技术，对频段上连续的多个载波 2 武汉理工大学硕士学位论文 进行聚合，可以在各个载波上对l t e 保持后向兼容的同时，实现了 l t e a d v a n c e d 全系统带宽的扩展。载波聚合主要包括两种基本形式：连续的载 波聚合与离散的载波聚合。 ( 2 ) 中继( r e l a y ) 技术，是指基站不将信号直接发送给终端，而是先发 给一个中继站( r s ，r e l a ys t a t i o n ) ，无线信号被中继站转发一次或多次后到 达终端，从而完成基站与终端之间的通信。对于高频段传输，r e l a y 技术可以有 效的填补覆盖不足造成的覆盖空洞和阴影死角。 ( 3 ) 协同多点( c o m p ，c o o r d i n a t i v em u l t i p l ep o i n t ) 传输技术，利用多个 小区间的协作传输，有效解决小区边缘干扰问题，从而提高小区边缘用户的系 统吞吐量，扩大高速传输覆盖范围。当终端位于小区边缘区域时，协同技术可 以使终端接收到来自多个小区的信号，同时终端自身的传输也能同时被多个小 区接收。 ( 4 ) 多天线增强( e n h a n c e dm i m o ) 技术，l t e a d v a n c e d 在l t e 基础上 引入上行s u m i m o ，最多支持4 根发射天线；在下行则将l t e 中规定的4 天 线扩展到8 天线，进一步提高了下行的系统吞吐量。 总之，作为未来移动通信的主流，l t e a d v a n c e d 标准是3 g p p 在4 g 时代 相对其他无线通信标准保持竞争优势的关键，必定会设定很高的技术指标。但 考虑到l t e 产业化对标准稳定性的要求，l t e a d v a n c e d 应该在l t e 核心技术 的基础上尽可能平滑演进。由于在l t e 技术中已经大量采用了诸如o f d m 、 m i m o 及自适应技术等近年来所积累的先进信号处理技术，所以在 l t e a d v a n c e d 系统中，技术的发展将更多集中在无线资源管理( i u 蝴，r a d i o r e s o u r c em a n a g e m e n t ) 技术和网络层的优化方面【3 1 。 l t e a d v a n c e d 系统的目标之一是为用户提供更高的数据速率，这就对移动 通信的可靠性提出了更高的要求，因此引入必要的差错控制技术就显得很有必 要，目前主要的差错控制技术基本上可以分为两类：前向纠错技术( f e c ， f o r w a r de r r o rc o n t r 0 1 ) 和自动重传请求( a r q ，a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) ， 这些差错控制技术能够有效降低系统的误码率，提高服务质量。但这两种技术 又都有各自的不足：虽然f e c 方案的时延较小，但存在的编码冗余却会降低系 统的吞吐量；a r q 方案虽然在误码率较低时得到的系统吞吐量比较理想，但同 时也会产生较大的时延，故不宜用于提供实时服务。为了克服这两种方案的缺 点，将它们相结合产生一种新的方案混合自动重传请求( h a r q ，h y b r i d 武汉理工大学硕士学位论文 a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) ，即在一个a r q 系统中包含一个f e e 子系统，如果 仅凭f e c 的纠错能力就可以完全纠错，则不使用a r q ；而当f e c 不能正常纠 错时，则通过a r q 的反馈信息请求发射端重新发送错误的码组。基于以上考虑， 本文对l t e a d v a n c e d 系统中的h a r q 技术及其性能进行了研究，重点研究了 载波聚合以及中继技术下的h a r q ，在分析传统方案的同时提出了改进方案， 并通过仿真验证改进方案的性能。 1 2 国内外研究现状 h a r q 技术在广义上来说是一种链路自适应技术，它通过使数据传输与信 道状况相适应来提高数据的传输效率，目前已广泛应用在第三代无线通信系统 中。与第二代移动通信系统不同，第三代系统中要求支持话音、数据和图像等 多种业务，尤其是高速分组数据业务和多媒体业务。为了实现数据的高速传输， 就要采用高效、可靠的通信机制，这样就会对系统的可靠性带来了严重的挑战。 在无线移动信道上，多径、阴影效应和多普勒频移等都会对系统性能造成恶劣 的影响，引入随机错误和突发错误，如不能采取有效的措施来应对，就不能保 证数据传输的可靠性要求，也不能满足服务质量的要求，因此有效的差错控制 技术便成为未来通信领域中需要重点研究的课题。 把一个f e c 子系统包含在一个a r q 系统中，就构成了一个h a r q 通信系 统。f e c 部分可以纠正信道中经常出现的错误，通过减少重传次数来提高系统 吞吐量；a r q 部分被用来纠正那些不常出现的、不能被f e c 纠正的错误，以 达到提高系统可靠性的目的。这样，h a r q 方案就可以得到比f e c 更高的可靠 性及比a r q 更高的传输效率，因而越来越广泛的在实际中应用：无论是现行的 g s m 、c d m a 以及3 g 系统，还是处于研发的b 3 g 4 g 系统，都使用h a r q 机 制保证数据传输的可靠性。 2 0 世纪7 0 年代开始，就已经有一批研究人员对h a r q 进行了前期的研究。 m j m i l l e r 对选择重传请求技术在接收端有限寄存器下的性能进行了研究【习； d a n i e lj c o s t e l l o j r 对比研究了三种类型h a r q 技术应用卷积编码方案在动态信 道中的性能和a r q 技术在无线移动信道中的数据传输性能【6 】；e j w e l d o n 详细 研究了选择重传a r q 方案的性能1 7 j ；a r k s a s t r y 和p s y u 研究了h a r q 在 卫星信道中的纠错控制1 8 儿州；y m w a n g 深入研究了i 型h a r q 的系统性能和卷 积码及其维特比译码在重传系统中的应用【l 。s h ul i n 、d a n i e lj c o s t e l o j r 以及 4 武汉理工大学硕士学位论文 m i c h a e l j m i l l e r 合作研究，对t t a r q 的前期研究做出总结，并未日后对h a r q 进行深入研究打下了基础j 。 2 0 世纪9 0 年底和2 1 世纪初，r a r q 的研究主要以s a n d r k a l l e l 为代表， 他重点研究了i i 型h a r q 的码和并译码方法1 1 2 】，并由此引发了人们对速率兼容 的删除卷积码的研究热情，在互补删除卷积码的基础上重新定义了i i 型t t a r q 并对其性能进行研究。之后p a lf r e n g e r 和p a lo f t e n 等人针对卷积码作出了多码 率卷积码的研究，在长达3 8 7 页的文献中给出了母码的码率分别为1 2 ，1 3 和 1 4 的卷积码，约束长度为从3 到1 5 的速率兼容的删除卷积码( r c p c ，r a t e 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 a l ) 的码型，以及删除周期为2 到8 的卷积码 的有最优距离谱的删除矩阵【l 孔。这为h a r q 在日后通信领域的研究提供了坚实 便利的基础。在此时期，在不同环境下将各种技术与h a r q 相结合的技术性能 研究也不断深入：k r i s h n a r na r a y a n a n 研究了将t u r b o 码应用到h a r q 中的方 法；d o u g l 觞n r o w i t c h 研究了白适应码率的删除t u r b o 码在h a r q 系统中的应 用 1 4 1 ；a b d e l g h a n ia d a r a i s e h 研究了在突发错误信道中的h a r q 包合并技术 副；h a n s j i i r g e nz e p e m i e k 研究了突发错误信道中a _ r q 的可靠性和吞吐量；p a l f r e n g e r 和s t e f a np a r k v a l l 研究了h a r q 在h s d p a 系统中应用的性能【1 6 】。随后， h a r q 在空时编码和m i m o 信道中的性能研究【1 7 l ，h a r q 在r a y l e i g h 信道中 的性能研究相继出现。现在，h a r q 已作为b 3 g 的一项关键技术被爱立信、华 为、诺基亚西门子等在内的一批通信产品制造商所采用。h a r q 会给我们带来 更高的服务质量保证以及更广泛的移动通信业务种类，在今后的移动通信系统 中将会被广泛采用。 1 3 论文的主要工作和章节安排 本课题对h a r q 技术进行了深入的研究，并基于3 g p p 组织提供的有关 l t e - a d v a n c e d 系统的技术规范，研究并设计实现了载波聚合技术下的h a r q 与中继技术下的h a r q ，并对其进行了性能仿真，仿真环境基于w i n d o w s 系统， 采用m a t l a b 作为实现的语言平台。 论文的详细组织结构如下： 第一章介绍l t e a d v a n c e d 的研究背景、演进目标及关键技术；并简要描 述了h a r q 技术，论述了它的影响以及目前的应用状况；最后简单介绍了本文 的主要工作和结构安排。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章介绍了移动通信系统中常用的纠错技术，深入研究了三种不同类型 的h a r q 机制：i 型h a r q 、i i 型h a r q 和i i i 型h a r q ，并对其优劣进行了 综合的评价： 第三章对载波聚合技术进行简介，详细分析了载波聚合下的两种基本 h a r q 进程映射机制，并在此基础上提出了两种改进的映射方案，通过仿真论 证了改进方案的可行性与优越性。 第四章介绍了中继技术，描述了两种传统的中继系统里的h a r q 策略： d f - h a r q 与s t b c h a r q ，并提出一种新的中继h a r q 方案，通过仿真证明 了改进方案能够提高系统的吞吐量以及中继重传效率。 第五章对全文所做工作进行总结，提出本课题的不足以及有仍需进一步深 入研究的问题，并对该领域的研究发展趋势进行了展望。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章移动通信系统中的差错控制技术 移动通信系统中的差错控制技术基本上可以分为两类：自动重传请求 ( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ，a r q ) 技术和前向纠错( f o r w a r de r r o rc o n t r o l ， f e c ) 技术【墙】。a r q 方案可以有效的保证系统传输的可靠性，而且在低s i n r 时获得的系统吞吐量较高，但当信道条件非常恶劣时，由于重传次数会大大增 加，系统吞吐量将会迅速降低，同时时延也会迅速增大1 1 9 1 。f e c 方案在对数据 加以保护的同时可以抵抗信道中的干扰和噪声影响，从而减小差错率，而且f e c 方案还可以获得恒定的时延，但由于前向纠错码引入了冗余比特，会导致成本 的增加及吞吐量的降低1 2 0 j 。因此在今后的研究中，a r q 技术的主要研究方向将 集中在尽可能减小多次重传对系统性能的影响；而f e c 技术研究的热点将集中 在如何构造纠错能力更强、效率更高的前向纠错码。 虽然f e c 方案的时延较小，但存在的编码冗余却会降低系统的吞吐量； a r q 方案虽然在误码率较低时得到的系统吞吐量比较理想，但同时也会产生较 大的时延，故不宜用于提供实时服务。为了克服这两种方案的缺点，将它们相 结合产生一种新的方案混合自动重传请求( h a r q ) 方案【2 l 】，即将一个f e c 子系统放入一个a r q 系统中，当仅凭f e c 的纠错能力就可以完全纠错时，则 不使用a r q ；而当f e c 不能正常纠错时，则通过a r q 的反馈信息请求发射端 重新发送错误的码组。 2 1 传统a r q 技术 在传统的通信系统中，发射端和接收端之间由一条单向数据链路连接，这 样，就算接收端不能正确接收数据，也只能选择将错误信息丢弃或上报，因而 不能保证通信的可靠性。而a r q 技术是一种双向通信方式，它通过在发射端和 接收端之间引入一条反向链路，向发射端传输反馈信息，发射端再根据这些反 馈信息，来决定是发送新数据还是执行重传任务【1 9 】【2 2 】。 图2 1 所示的通信系统框图就是采用a r q 技术来实现差错控制的【2 3 1 ，在发 射端首先对信息码元进行检错编码。接收端收到通过信道传来的码元后，由译 码器根据该码的编码规则，判断收到的码元序列是否正确。若未检出错误，则 7 武汉理工大学硕士学位论文 经反馈信道向发射端发出不需重发的指令。收到该指令后，发射端将会继续发 送下一码组。若检出错误，则由译码器控制产生一个重发指令反馈给发射端。 图2 1a r q 通信系统框图 由于a r q 方案采用了重传机制，这就要求发射端和接收端都要能对数据进 行缓存，已经发送但未被确认的数据将被存储在发射端的重传缓存器中，而在 接收端，缓存器将用来存储那些已被成功接收但仍等待按序输出的数据。根据 反馈以及重传策略的不同，a r q 主要有三种实现机制阱】【2 5 】：停止等待a r q 、 退回n 步a r q 和选择重传a r q 。 ( 1 ) 停止等待a r q 停止等待( s t o pa n dw a i t ，s a w ) a r q 是一种最简单的h a r q 形式，所 需的系统开销非常小，其基本工作原理如下【2 6 卜【2 8 】： 发射墙 传i i 过程 接收翊 + 等待状态+ l 2234 n 瓞怂：怂 l 22 3 图2 - 2 停止等待a r q 工作过程 发射端给接收端发送数据包，然后等待接收端回复a c k ( a c k n o w l e d g e m e n t ) 或n a c k ( n e g a t i v ea c k n o w l e d g e m e n t ) 符号，在等待过 程中，发射端停止发送新的数据包。当数据包没有成功被接收端接收时，接收 端发送n a c k ，同时将接收到的错误数据包丢弃；当数据包成功被接收端接收 8 武汉理工大学硕士学位论文 时，接收端发送a c k 。发射端根据接收到的反馈信息做相应处理：收到n a c k 时，发射端将重新发送数据包；收到a c k 时，发射端将发送下一个数据包。图 2 - 2 描述了停止等待a r q 的工作过程，从图中可以看出，s a w - a r q 结构简单， 但由于要等待反馈信号，存在一段空闲时间，在这段时间发射端处于等待状态， 所以这种间歇的传输方式造成s a w a r q 的效率较低。 ( 2 ) 退回n 步a r q 退回n 步( g ob a c kn ，g b n ) a r q 克服了s a w a r q 长时间等待的缺点， 它会连续发送一组数据包，然后再等待这些数据包的a c k n a c k 。其工作原理 为：发射端送出一个数据包后不等待接收端的反馈，而是马上发送下一个数据 包。经过一个往返时延后，第一个数据包的反馈信息才到达发射端。在该往返 时延内，另外n 1 个数据包都相继被发送。当发射端收到n a c k 时，将会退回 到n a c k 所对应的数据包，此数据包及其后面的n 1 个已经发送过的数据包都 将被重新发送。当然，发射端需要一个重传缓存器来存放这些数据包。在接收 端，被错误接收的数据包之后的n 1 个数据包不管是否正确都将被丢弃。 发财 传过程 接收 图2 3 退回n 步a r q 工作过程 g b n a r q 是在全双工信道中使用的，图2 3 描述了它的工作过程，其中 n = 6 。 1 ) 发射端连续发送数据包，并将数据包存储在重传缓存器中。 2 ) 接收端收到的前3 个数据包是正确的，接收端反馈相应的a c k ；到数 据包4 时产生错误，接收端反馈回n a c k ，同时数据包4 和其后面n 1 个数据 包( 即5 到9 ) 不管正确与否全部丢弃，直到下一次接收到数据包4 。 3 ) 发射端收到前3 个数据包的a c k 后，将它们在重传缓存器中删除。当 收到第4 个数据包反馈回的n a c k 后，便从重传缓存器中提取数据包4 到9 ， 9 武汉理工大学硕士学位论文 按顺序重传。 虽然g b n a r q 有效的利用了空闲时间，实现了数据包的连续传输，但由 于每次重传的n 个数据包中，有的可能已经传输成功了，对这些数据包的重传 显然降低了传输效率，降低了系统的吞吐量。当系统的错误率很高且时延很大 时，其效率会变得非常低。同时由于有每次都要重传n 个数据包，所以发射端 需要一个容量大小为n 的重传缓存器；而在接收端，由于错误接收数据包之后 的n 1 个数据包不需要存储，赦其缓存器容量为l 即可。 ( 3 ) 选择重传a r q 选择重传( s e l e c t i v er e p e a