（通信与信息系统专业论文）3g中的harq原理与组合译码算法研究.pdf

窀予科接大学硕士学位论文 摘要 秀了摇毫繁三栈穆动逶僚中鼗攥帮圈豫静穆辕可靠槛，常采用 a r q 和f e c 相结合的h a r q 信道编码技术。该擞术属于链路邋应技 术，它是实现3 g p p 建议的快速数据分组接入( 鄯h s d p a ) 的核心技 术。 本文针对h s d p a 的目稀，围绕h a r q 技术进行研究，给出了 h a r q 的绽码方寨以及有限次瓣分组垂传掺议，并对其中鲍n 僖遵停 等协议s a w 作了详细的性能分析及擞作原理说明。结论怒，s a wa r q 操终瓿毒l 楚单，信令开镫少。嚣且透过增麓著行搽搀豹子信道数，可 以做到提高吞吐攫，减少传输时延的作用，同时迸能降低接收端对缓 律容量的要求。 文中疆点讨论重传分组的组合译码算法，提出了一种改进的新组 合译码算法，并阐瞬了新算法优子传统的c h a s e 译码算法。通过计算 机模拟仿真，结果表明采用了新算法的h a r q 在改善系统吞吐量和有 效减少重传次数方面鞠驻优于采用无组合译码算法的h a r q ，而且也 略饯于采用转统c h a s e 译码算法的h a r q 。如在意凝噪声坯境下，信 噪比为1 d b 时减少超过5 0 ；在瑞利噪声环境下，信噪比为9 d b 时也 减少了5 e 。 【关键嗣】缝合译码算法；瀵食型鸯磁重抟潺求；蒋等耄簧辏浚；吞 吐爨；第三代移动通信伙伴项圈 屯子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt o i m p r o v et h et r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t yo fd a t aa n di m a g e i n3g ，t h ec h a n n e lc o d i n gt e c h n o l o g y - h a r qc o m b i n e db ya r qa n df e c i so f t e na d a p t e dw i d e l y h a r qb e l o n g st ot h el i n ka d a p t i v et e c h n o l o g y ， w h i c hi st h ec o r et or e a l i z et h eh s d p a p r o p o s e db y3 g p p t h i sp a p e rp r o v i d e st h ec o d i n gs c h e m e so fh a r q a n dt h ep r o t o c o l s o fl i m i t e dt i m e s p a c k e tr e t r a n s m i s s i o n e s p e c i a l l y ，t h ea n a l y s i s o f p e r f o r m a n c e a n dt h em e c h a n i s mo f o p e r a t i o n o ft h e n c h a n n e l s t o p a n d - w a i tp r o t o c o la r eg i v e ni nd e t a i l 。i nt h er e s u l t ，t h em e c h a n i s m o fo p e r a t i o no ft h en - - c h a n n e l s t o p - a n d - w a i tp r o t o c o li ss i m p l ea n dt h e p a y o f fo fs i g n a l i n g i ss m a l l w i t ht h e i n c r e a s i n g o ft h en u m b e ro f p a r a l l e l c h a n n e l s ，t h et h r o u g h p u to fs y s t e mc a nb ei m p r o v e da n dt h e t r a n s m i s s i o nd e l a yc a nb ed e c r e a s e d a tt h es a m et i m e ，t h eb u f f e ro ft h e r e c e i v e rc a nb ea l s or e d u c e d t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ed i s c u s s i o no ft h e c o m b i n i n gd e c o d i n g a l g o r i t h m o nr e t r a n s m i s s i o n p a c k e t s a n e w c o m b i n i n gd e c o d i n g a l g o r i t h m is p r o p o s e d a n dt h e a d v a n t a g e s o v e rt h ec h a s ec o m b i n i n g a l g o r i t h m i sd e m o n s t r a t e d t h e c o m p u t e r s i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h e h a r q w i t ht h en e w c o m b i n i n gd e c o d i n ga l g o r i t h m i s o b v i o u s l y s u p e r i o rt ot h eh a r q w i t h o u tt h ec o m b i n i n ga l g o r i t h ma n da ls oar a t h e r a d v a n t a g eo v e rt h eh a r qw i t h t r a d i t i o n a lc h a s ec o m b i n i n gd e c o d i n g a l g o r i t h mi nt e r m so ft h en u m b e ro fr e t r a n s m i s s i o n sa n dt h et h r o u g h p u t o fs ys t e m ，f o re x a m p l e ，t h ea v e r a g en u m b e ro fr e t r a n s m i s s i o n sc a nb e d e c r e a s e d5 0 a t1d bs n ri nt h eg a u s s i a nc h a n n e la n d9d bs n ri n t h er a y l e i g hc h a n n e l k e yw o r d s ：c o m b i n i n gd e c o d i n ga l g o r i t h m ；h a r q ；s a w ；t h r o u g h p u t 3 g p p 】i 独创憾声明 本人声明所呈交的学位论文赵本人在导师指导下进行的研究工作 及取褥鸯勺研究成果。据我所翔，除了文孛特别龆敬标注帮致谢的遗方 辨，论文中不包含箕谊人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含热 获得电子科技大学或其它教肖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 说疆并表示谢意。 按名： 组盐 日期：泐岁年月段日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保豳并向国家有关部门戚机构送交论文的复印件和磁盘， 兔许论文被查阅和借阕。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部竣帮分内容编入有关数据摩送行梭索，胃戳采鬻影印、缩瞬藏羟接 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盛燃 等簿签名： 日期：御弓年占月按日 屯子科技大学硕士学位论文 1 1 技术背景与动态 第一章引言 移动遴信经历了第一我穰掺援拳帮第二代数字技术的发袋，已经被广大溪费者 所接受。第一、二代蜂窝移幼通信系统主要针对的是传统语音和低速率数据业务。 但楚杰寒采瓣“售爨害会”中，蚕稼、话毒、数据樱络合戆多媒镩数务葶羹寒逮搴数 据业务将越过传统的话音业务。因此现在的蜂窝移动通信系统不仅远近不能满足未 来耀户的业务需求，露且睫藩用户数量的猛壤，系绞寨量也烬远远不潢是遐户数 的发展需要。另外，随着“信息高遮公路”的建成，公共陆地网传输的许多业务也 将与移动通信系统接口。所以新代勰移动遁信系统即3 g ( 第三代移动通信系统 的研究和发展成为嘏信领域的一个新热点。鞭据玎u 的要求，目前世界上各大电信 公司联盟均已提出了自己的筛三代移动通信祭统方案。其中，w - c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d - - s c d m a 三瓣3 g 方案已经戏为主流标准 1 1 。 目前移动业务的话音传输因为要求实时性而没有采用a r q ，但在3 g 应用中， 终支持话耆、墨像黧数据等驻务。其中，话裔、图豫蠢严格鹣辩延瓣麓，僵数据到 要求很低的分组错误率和不严格的时延限制，因此可以进行有效的a r q 差错掇制， 隧键满足不强l 基务豢量( q o s ) 趣要浆。 数据通信最初发展于有线网络，它通常需要占用带宽而鼠耍求高质量的传输。 有线链路申，可靠性壶重砖撂以嫖诞。也就是在先嚣分组出镄戆馕况下菱耨健羧该 分组，即有自动重传请求a r q 机制。但是如果在无线传输中出现这种情况，由于 恶劣的信j 罄条 牛，数据分组就要加以探护，以对抗信道噪声霸其他用户产生的予拢， 魄瑟移动性带来豹裘减。这种保护通常是采用前向差错编码f e c 技术，即在分组中 插入附加传输比特。然而，想要提供与有线系统相同的质量，f e c 的帧头开销将严 重刚氐传输肖效往。所以，掇出了结合f e c 和a r q 豹混合方案鄞h a r q 2 。与诧 同时，f e c 的新阶段，t u r b o 码出现了。这种码提供了非常好的纠锚能力，而且 复杂度可繇绥受，它豹洼g 熬过所套传统编瑙方案。瓣焉，虽然t u r b o 璃是近来 才出现的，怛它已经被u m t s 采纳，尤其是在研究h a r q 性能的时候 3 】。但h a r q 技术毒在传耱霹延豹潺题，必绥基定壤丈龛毒冬豹重蹙次数。般，采蠲一次重蕊来 保i 正无线话街通信的q o s ，而用n 次蘑传来满足图像、数据对时延和分组错误率的 要求 4 3 。 目前3 g 的现行标准中最大速率为2 m b p s ，但事安上这个速率还不能满足今后 快速接入因特网的煮求，于是出现了蕊速数攘分组援入( h s d p a ) 技术 5 3 1 6 。它 主要应用于下行信道的高速数据分组接入，其主要目标是 l 、显著提高下行分组数据的峰傻传输速率； 2 、显著提高下行分组鼗据传输的总体吞吐量； 电子科技大学硕士学位论文 3 、同时减少分组数据的传输延迟。 它的进一步发展有望解决空中接口的全口化问题，即利用口数据包在空中接 口传输语音、图像等实时| 生很强的业务。因此，包括爱立信，摩托罗拉，诺基亚， 朗讯等通信产品制造商，都在研究3 0 中h s d p a 采用的h a r q 、a m c 、f c s 、m i m o 等技术的建议网。在这几项技术中，h a r q 是核心，因为分组数据业务要求无错传 输。同时h a r q 与a m c 是协同工作的，如果说a m c 是链路适应技术的“粗调”， h a r q 则起到“精调”的作用。因为a m c 根据信道条件选择的调制编码方案由于 受时延等因素的影响是不精确的，也不实时，这就要通过h a r q 来补充和缓解 7 。 1 2 论文的研究任务、结构安排及主要成果 本课题的主要研究任务如下 l 、3 g p p h a r q 的编码方案； 2 、h s d p a 采用的s a w 停等重传协议； 3 、对重传分组的传统译码算法进行仿真； 4 、改进传统译码算法，使译码性能更优。 为完成以上任务，本文从以下两个方面进行 1 、对相关技术进行分析和综述比较，包括3 g p p 建议的三种基本h a r q 机制 以及两种应用方式，3 g 在实现h s d 队技术时采用的s a w - a r q 操作机制和原理以 及实现s a w - a r q 的物理支持( 即物理层的信道帧格式和设备框图) 三部分。 2 、对采用 a r q 技术产生的重传数据的处理( 即如何译码的问题) ，包括介绍 并用m a t l a b 仿真重传数据分组的基于c h a s e 算法的h a r q 组合译码算法以及介绍 并用m a t l a b 仿真了种改进的组合译码算法，并对新旧算法做了性能( 系统吞吐量) 比较。 本文参阅了大量英文文献以及3 g p ph a r q 的有关协议，并对它们作了理论分 析和模拟仿真。论文的重点是第二方面工作任务，希望找到一种新的译码算法以便 在误码率较高的情况下作到降低重传次数，以便提高吞吐量和减少传输时延，从而 实现h s d p a 的目标。 本文在以下几方面做了相应的工作并获得相应的成果 l 、综述3 g p p 关于纠错编码的仂设标准，为h s d p a 选用n 信道停等重传协议 ( n s a w a r q ) 作好分析基础，并为计算机仿真提供相应的模拟环境。 2 、深入分析了s a w - a r q 的操作原理和相关参数，包括系统吞吐量、传输时 延、存储量的需求、接收端处理时间等，详细说明了h s d p a 选用n ，s a w - a r q 的 原因。 3 、在分析了n s a w - a r q 特性的基础上，给出了相应的物理设备实现框图和 物理信道帧格式。 4 、在对重传数据分组的处理方面，提出了改进的组合译码算法，并对不同译码 算法进行计算机仿真。通过仿真结果的比较，验证了改进算法的优越性。 电子科技大学硕士学位论文 第二章3 g p p h a r q 简述 本章介绍了链路层用于差错控制的常用技术前向纠错编码( f e c ) 和自动 重传请求( a r q ) 相结合的技术，即混台a r q ( h y b r i d a r q ，简称h a r q ) 。文中 主要介绍3 g 建议的三种基本h a r q 编码方案，包括它们的特点和性能比较，以及 它们在3 g 中的两种应用方式。 2 1 什么是r l a r q 无线移动信道具有时变和多径导致的衰落特点，常有较高的误码率。一般地， 采用前向纠错( f e c ) 和自动重传请求( a r q ) 两种基本的差错控制方法以确保服 务质量( q o s ) 。不过，虽然f e c 方案有恒定的吞耻量和时延，但它不必要的开销 却减少了吞吐量。同时，a r q 在误码率不是很高的时候可以得到理想的吞吐量，但 它要产生可变时延，不宜于提供实时服务。为了克服两者的缺点，将这两种方法结 合起来就产生了混合a r q 方案( 即h a r q ) 。 在这种方式下，发送端发送的码不仅自 够被检测出错误，而且还具有一定的纠 错能力。接收端收到码序列咀后，首先检验错误情况，如果在纠错码的纠错能力以 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，不 过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。 2 2 3 g p p 建议的三种基本h a r q 方案及两种应用方式【8 】 2 2 1 三种基本h a r q 方案 l 、i 型混合a r q ( h a r q 1 1 h a r q i 的主要内容是 ( 1 1 】h a r q - i 中增加了c r c ，并且数据经f e c 编码； ( 1 2 1 接收端进行f e c 译码，然后进行c r c 校验； ( 1 _ 3 ) 如果分组有错则请求重传，并放弃错误分组； ( 1 4 ) 重传分组与已传分组相同，没有组合译码。 h a r q i 系统的性能主要依赖f e c 的纠错能力，而f e c 又必须与信道误码率相 匹配。但随着承载业务的变化，呼叫中的纠错需要很长的处理时间，因此h a r q i 方案 不被看好。 2 、型馄合a r q ( h a r q d ) h a r q 一1 1 的主要内容是 电子科技大学硕士学位论文 ( 2 1 ) h a r q - i i 又称增加冗余a r q ，重传请求与h a r q - i 相同； ( 2 2 ) 错误分组不被丢弃，而与重传分组组合进行译码； ( 2 3 ) 重传分组和已传分组的格式和内容可以不相同； ( 2 4 ) 多次重传需有时序标号，时序标号要求比数据有更高的差错保护能力。 在h a r q i i 系统中，不成功的分组被存储在接收梳通过f e c 机制与重传分组结 合。这样既可提高译码正确率，又能得到高吞吐量和低时延。目前 l 气r o i i 方案多 采用r c p c r c p t c ( 速率兼容打孔卷积码mm b o 码) 。 3 、型混合a r q ( h a r q 一n h a r q 1 的主要内容是 ( 3 1 ) 重传请求与h a r q 1 i 相同； ( 3 2 ) 如果采用c p c ( 互补打孔卷积码) ，每个已传分组与重传分组都能独立进 行自解码： ( 3 3 ) 每次重传可有不同的冗余产生( 不同的比特打孔) ，也可有相同的冗余产 生( 相同的f e c ) ，此时与h a r q i 的操作类似，但错误分组要被存储在收端，以便 与重传分组结合。 虽然经过分析比较，找们可虬得出h a r q - f f - i i i 型比h a r q i 型有更好的智能 性，而且有更高的吞吐量，但它们也比h a r q - i 型有更大的信令帧头，实现起来又 很复杂。因此，三种基本方案有其各自的特点，它们都有各自的应用环境。目前， 3 g p p 讨论最多的是h a r q i v - m 型的性能。 另外，这三种基本h a r q 编码方案在收端译码前的组合方式有两种。一种是传 统的c c ，即c h a s e 组合译码，它的特点是每个重传分组都一样，而且在译码前， 需要将经过信噪比s n r 加权的多个接收分组进行组台。因此，它又叫带有一个冗余 版本的h a r q - m ，这种方法能带来分集增益，而且也很容易实现。另种是取， 即增加冗余组合译码，它的特点是重传分组不是整个码块的简单重复，而是需要增 加一些附加信息。m 承q 、i i 和带有多个冗余版本的h a r q i 都属于这类组合译码 方式，这点详见第四、五章的重传数据处理。 2 2 2 r t n r q 的两种应用方式 3 g p p 建议了h a r q 的两种应用方式，是让重传协议在第二层实现即l 2 a r q ( r e l e a s e 9 9 ) ，另一个是在物理层实现即p a r q ( r e l e a s e 0 0 ) 。两种应用方式可以 同时存在，视不同附隋况采用不同的方式。其中，p - a r q 采用短码块即时重传，并 尽可能提供无错传送( 设定最大重传次数) ，适用于低信噪比下的高斯信道，现被 h s d p a 采用；而l 2 - a r q 采用较长的m a c p d u s ( m a c 层的协议数据单元) 延时 重传，并提供无错传送，适用于突发性错误信道【9 。 1 、r l c 层上重传 r l c 上重传方式是以重传协议作为现有r l c 传输协议的补充，它涉及l 2 层和 电子科技大学硕士学位论文 ”层的操作。r l c 层上重传在u l ( 上行) 方向和d l ( 下行) 方向连接时涉及到 如下五种可能的基本操作： ( 1 1 ) t x 缓冲：发送端缓冲数据以备重传； ( 1 2 ) 冗余参数设置：选择特定重传时p d u 应具有的冗余版本； ( 1 _ 3 ) r x 软判缓冲以便组合：收端缓冲接收到的首次数据和重传数据，以便组合 译码； ( 1 4 ) p x 对r l c s d u ( r l c 层的服务数据单元) 的重构缓冲：缓冲r l c p d u 以重构r l c - s d u ； ( 1 5 ) 重传组台：首传与重传数据的组合以便进行差错纠正。 完成这五种基本操作的功能位置如表2 1 。 表2 - 1r l c 层上重传的五种基本操作在u l 和d l 方向上的功能划分 n u en o d e bc r n c 厄) r n c洲c t x 缓冲 r l c r l c 冗余参数设置 r l c r l c r x 软判缓冲以 便组合 r x 对r l c - s d u p c 的重构缓冲p , l c 重传组合 八 2 、l 1 层上重传 l l 层上重传又称快速混合a r q ( 即f h a r q ) ，它通过在节点b ( n o d eb ) 上增设 快速混合a r q 功能来实现。f h a r q 采用n 信道s a w 协议( 一般，取n = 2 ，即双 信道停等协议) 。它的特点是：一个连续的传输流在时间上分为两个子信道，而两个 子信道分别独立地执行停等重传协议。只要确认信息的往返时延足够短，以便响应 有效，这种双信道结构就可以确保连续传输，这一点在第三章中有具体阐述。 l 1 层上重传所要完成的操作类似l 2 层的重传，如表2 2 所示。图2 1 中虚线 显示了在r l c 层和l 1 层之间h a r q - n - m 操作所需的附加信息，实线则显示了用 户数据的传输。 这两种应用方式涉及到无线网络各层的具体操作，其中有对u e ( u s e r e q u i p m e n t ) 端存储容量的考虑，还有对时延和处理时间的严格限制等内容，这些问 题将在第三章中做出阐释。 电子科技大学硕士学位论文 用户级 表2 - 2l i 层上重传的基本操作在d l 方向上的功能划分 u en o d e b( 翼n c r n cs r n c t x 的r i a z - p d u r l c 缓冲 用于f - h a r q 的 l 】 i x 缓冲 冗余选择和参数 l 1 设置 以便组合的r x lj 软判缓冲 r xr l c s d u 重构缓冲 r l c 重传组台 l 1 l r r r n 承载数据和h a r q i i 型附加信息的物理信道 图2 - ih a r q - r i l l 型的协议栈 6 用户级 黼黑要 害垄一 至 电子辩技大学硕士学位论文 第三章3 g p p 在t l s d p a 技术中采用的h a r q 协议 本章耋点分祈f h a r q ( s a w a r q ) 的操作机靠和性能参数。结果表吼该协 议信头开销小，操作机制简单，实现容易。而且，因为帧长斑，可以商效减少传输 对延。3 g p p r e l 0 0 建谖将a r q 豹撩豢i 级飙r n c 移到n o d eb ，也藏爨为了去掉i u b ( r n c 与节点b 的接口) 时延从而缩短总传输时阃。另外，结果还寝明，程对存 德容量懿要求上，f h a r q 院r l c a r q 吴育龌显撬势，瑟量冀最六缓洚羹缦鸯器量 算( 与b 髓r 无关，即不依赖信道条件) 。 针对s a wa r q 数上述特点，3 g p pr e l 0 0 建浚糍h s d p a 中透麓基于n o d eb 的f h a r q 方案( 双信道停等协议即n = 2 的s a w a r q ) ，而不采用r l c a r q 方案。 3 。l 三种基本霆婕协议 3 1 1 三种基本重传协议的分类1 1 0 l h a r q 的可行瞧部分受限于发端和收端对分组静缓冲能力。在发端，重健缓冲 器用于存储可能需爨重传的分组；在收端，缓冲器用于存储已经成功译码但i 五没能 按t | 擎输鑫酌分组。 三个标撒a r q 协议，即s a w 停棹协议，g b n 回退n 协议和s r 选择性重传协 议，就是技发蠛蟊睃矮豹可擐存蠡善窆阉努类豹。魏暴我翻矮b l 秘b 2 分裂表示霪揍 次数和缓冲器大小( 以分组数衡量) ，那么 l 、当b i = b 2 = 1 孵，雯4 为s a w 髂等戡更。该协议麴基零搽俸是发溃发出个分 组爝等待收端的a c k 或n a c k 信息，以确定重发分组或新发分组，豳此，发端在 任何时刻都不s 2 有多于一个的出错分组。 2 、当b i = n ，b 2 = 0 时，则为g b n 回退n 协议。该协议躺特点是一旦第一个分 组出错，按下来的n - 1 个分组因为没有空间稃储( 因为b 2 = 0 ) 而被豢弃，所以如 粱第一令努组出错，就必须麓传n 个分组。 3 、当b l = n ，b 2 0 时，则为s r 选择性擞传协议。它的特点是因为收端有存储 空阉，哥蕊枣结辖谶分组之嚣静辑霄歪确分缓，因焉霪传靖其器重簧错误分缀褥不 是所有的后续分组。 3 。1 。2 箨等( s 瞄，臻渡懿特焘 三种a r q 基本机制中，s a w 停镰协议是晟简单，也是对债头要求最少的协议。 它的特点楚爱端一纛对萋兹数据分缳避嚣楚溪毫至它被残功接收，激蠡每i t 礁髓由 一t e 特( 用宋表示当前和下一个数据分组) 情息就可以表述。所以，它的控制头很 小，磺诀头也攫小( 因戈无论是a c k 或n a c k 都双震一 e 黪数据) 。嚣虽，强为 一次只能传送一个数据分组，所以对用户端存储容量的要求就很小。当然，这也影 响了它的吞姨量，馊其明显低于s r a r q 。 s r 选榉性重传协议相比之下要求存储容艇很大。它的特点是只传邋错误数据分 7 电子科技大学硕士学位论文 组，所以要求用序列号识别数据分组。而且，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。另外，收端在组合那些分隔重传的信息前必须 知道序列号。因此，序列号要和数据分别编码，而且序列号需要更可靠的编码以防 止可能出现在数据中的错误，这样就增加了对信令要求的带宽。 3 1 3n 信道停等协议的产生 由以上分析比较可见，h s d p a 采用s a w 停等协议可以在减小信令总带宽和用 户存储容量方面得到明显的改观。但是，s a w 有个很大的缺点，即不能及时得到 确认信息，发端必须在发送下一个数据分组前等待上一个数据分组的确认信息。在 等待期间，信道i 习置而且浪费系统容量。这样就希望能结合s a w 最小复杂度和s r 有效吞吐量的特点，于是有了n 信道停等协议，即通过设置并行停等协议的信道数 n 来提高吞吐量。 3 2 i t s d p a 中n 信道停等协议的工作原理 3 2 1 物理层上f h a r q 操作机制 l 、操作机制描述 3 g p p 建议f h a r q 采用双信道s a wa r q ，即在一个连续的传输流时间上将 信道分为两个子信道，两个信道独立地执行停等重传协议。采用双信道可以减少接 收端的缓冲要求和重传组合的错误率，其特点是 ( 1 1 ) 只有两个1 v i h 传输时间间隔) 的数据量需要缓存，每个信道对应一个t 1 1 。 如果传输失败，就会在各个子信道的下一个n 1 产生重传。 ( 1 2 ) 对于接收到的数据有两种情况，要么是新传的数据，要么是先前已传数据 的重传。因此，能可靠地进行数据的软判组合。 另外，在l l 层上实现f - h a r q 操作也需要附加信息，如f - h a r q 序列号和冗 余版本，这些参数的选择是在m a c 层的控制下由l 】层产生实际的参数值。物理层 能对数据和附加信息分别编码，并将它们映射到一个或几个不同的物理信道，而在 收端同样要完成数据的缓存和重组。重传基本操作和协议结构见表2 - 2 ，图2 一l 。 由于f - h a r q 采用双信道模式，附加信息就必须快速得到，因为重传间隔只有 一帧。收端在分组译码后读取序列号和冗余版本，检测分组的完整性并在当前的上 行帧中传送确认信息a c k 或者n a c k 。所以，f - h a r q 反馈信息每隔t n 传输一 次，此信息可以插入上行d p c c h ( 专用物理控制信道) 帧格式中事先预留的时隙。 这一点将在3 4 小节的d p c c h 帧格式中给出。 2 、物理层的功能 物理层的主要功能见3 g t s 2 5 1 2 3 中的描述，要完成f - h a r q 操作所需的附加 功能有 ( 2 1 ) 冗余选择，t x 缓冲，重传控制，r x 软判缓冲和数据的组合； 电子科技大学硕士学位论文 ( 2 2 ) 编码，译码，f - h a r q 附加信息的传输和差错检测 ( 2 - 3 ) 确认p d u 和附加信息的产生。 3 、物理层的接口 按照功能划分，f - h a r q 的主要功能是在物理层完成的，一些f - h a r q 参数在 高层间的传送需要做些更改，需进一步研究。另外，与f - h a r q 操作相关的m a c 层协议希望不要变动，而与物理层接口相关的变动仍需进一步研究。 3 2 2 n 信道s a w a r q 的工作原理 取信道s a w 协议采用并行停等协议的方案，也就是在第一个信道闲置时运行 另一个独立的h a r q ，这样在前向信道传送数据的同时反向信道就可以传送确认信 息，便不会造成系统容量的浪费。 这星需要说明的是，双信道s a w 协议似乎有点象s r 协议在窗户数为2 的情形， 事实上它们并不相同。因为在s r 中，如果要让传输窗口向前移动，要求窗口中的 所有分组都得成功传输。旦序列中前面分组出错，就会e j k d ：窗口向前滑动，并影 响信道通信。但是，在双信道s a w 中，如果分组出错，它只会影响个信道中的 通信，而另一个信道依然可以进行分组传输。这样，s r 系统就必须增加窗口数以达 到和双信道相同的性能，但是这又增加了s r 系统对用户端的存储要求。因此，这 也成为我们选用s a w 协议的一个原因。图3 1 和图3 2 是双信道和四信道停等协议 的时序图。 图3 - 1n = 2 时的时序图 由图3 1 中可见，上行信道的确认信息没有占满整个时隙。事实上，我们可以 通过增加信道数n 来加长接收分组的处理时间，如图3 2 。 u p l i n ka c k n o w e d g e i s t l 2 n d l 3 r d l 4 t h i i s t2 n d o o o ，o o ，o ， p ，l s tj 2 n d- f 3 r d4 t h ，l s tj 2 ， o = = x l3 r d iil4 t h l ll l s t lil2 n d iil3 r d i 4 t h 图3 - 2n = 4 时的时序图 在图3 - 2 中，我们取n 为4 ，就可以留有3 个h s d p a 时间间隔( t 1 7 ) 对接受 信息进行处理。由此可见，对于固定长度的时间间隔( t t i ) ，如果增加并行h a r q 电子科技大学硕士学位论文 的信道数目n ，就会相应地增长处理时间，这对接收端的译码虽然是有利的，但同时 也会增大对缓冲容量的要求，而且加大上行连路的信令负荷。所以，在决定n 值时， 一定要综合考虑这些因素。另外，为了提高系统性能，对h s d p a 的研究还提出了 其它技术，a m c ( 自适应编码调制) ，f c s ( 快速蜂窝选择) 和m i m o ( 天线多入 多出) ，而且涉及到节点b 的相应配置问题。这几种技术的结合应用，还有一些地 方是需要综合考虑的【6 】闭。 另外，图3 一l 和图3 - 2 只是表示了每个分组都能正确接收到a c k 信息时的时序 图。图3 3 说明了如果传送过程中出错，反馈信息是n a c k 时的时序关系。 n o d eb i h s p d s c i 图3 - 3 有n a c k 信息时的时序图 在图3 3 中有7 个分组发送给u e l ，1 个分组发给u e 2 。其中u e l 采用n = 4 的s a w a r q 协议，u e 2 则用n = 1 个s a w a r q 操作。对u e l ，4 个信道并行发送 4 个分组，其中有两个分组( 分组2 和分组4 ) 的反馈信息是n a c k ，所以其重传 分组将在下一次并行发送时与待发分组5 和分组6 重新组合构成4 个信道并行发送 信息。但因为其间有一个分组发给l r e 2 ，所以第二次4 信道的并行发送被u e 2 间隔 了一个1 。又因为第二次并发的4 个分组都得到的是a c k 信息，故在第三次并发 时本应发送u e l 的分组7 、8 、9 和1 0 ，但是因为u e 2 的分组1 得到的是a c k 信 息，它将在下一次发送分组2 。所以，这个u e 2 的待发分组2 就插入到了u e l 的第 三次并发信道中。 由此可见，n 信道s a w a g q 支持异步传输。所谓异步传输，是指只要收端能 识别分组，不同用户不用等待待传分组的成功传输，可必自由的安排，而且当信道 被再次分配时，待传用户的传输认为是连续的。这可以通过在h s d p a 的控制信道 中用符号标明来得以实现，这里提供a 、b 两个方案【1 1 1 、方案a ，明确标示出子信道序号； 2 、方案b ，将子信道序号编入帧时序中： 方案a 中，4 个分组传给u e l ，1 个分组传给u e 2 ，于是对l i e l 的传输就被延 迟了一个t 1 1 ，同时在u e 2 的传输间就有5 个分组。换言之，对u e l 和u e 2 的n 信道a r q 操作是相互独立的。但是这需要满足一个条件，即在资源重分配时， h s d p a 信道可以连续( 不间断) 使用。对u e l 的传输，子信道m 不需要正好在每 n 个h s d p a 丁h 时重复，这种灵活性可由ir e 的指示器和为每个r n 所标示的子信 电子科技大学硕士学位论文 道序号来完成。 方案b 中，将严格限制重传位置，以便重传只发生在m + k * n 的位置。这里m 表示待传分组的第一次传输时的位置( t t i ) ，而k = i ，2 ，如果信道在期间被其 他用户占用，重传仍可以相应地延迟。 3 2 3 h s d p a 中8 a r q 的信令与接收机制1 1 2 1 因为允许h a r q 操作的信令信道不使用h a r q ，所以相比数据业务和承载业 务，信令部分更需要高可靠胜，而高可靠眭就意味着有更大的帧头开销。所必，希 望限制h a r q 信令信道的信令开销。h a r q 操作所需的控制域如表3 - 1 表3 1 h a r q 控制域 控制域位数 h a r q n - c h 识别器l o g 2 ( n ) 传输块大小l o g 2 ( s ) 新艨标识 l 很明显n 信道h a r q 操作需要l o g 2 ( n ) 位比特以识别传输所需的停等信道。 而h a r q 信令信道中的l o g 2 ( s ) 位比特则用于通知收端传输块的大小，并允许 各种不同大小的传输块在h s - d s c h ( 快速下行共享信道) 给定速率下传输( s 就是传 输块数) 。 新续标识则用于表示传输子块是新块的开始还是先前子块的继续( 如重传或冗 余信息) ，这可帮助收端在万一a c k n a c k 误译时识别码块的分界她还可以让收 端在新，续标志出错时与发端保持同步。在出错情况下，收端可能丢失传输块或错误 检测新续标志。这两种情况的任何一种发生了，收端就会组合出错子块进行译码， 这样就会使跤复正确码块变得相当困难，甚至不可能恢复。如果恢复时接收到一个 新码块，收端将放弃任何先前的存储码块，并将开始为新子块译码。 收端的操作是，当收端等待时接收到新的子块，就会进行译码，如果译码成功 就发送a c k ，并等待下一个新子块；如果译码失败，就发送n a c k ，并存储收到 的子块以各组合接着发来的冗余信息，而且要等待接收这些“续”子块。如果收端 在等待时收到“续”块，就会组合已存信息进行译码。如果译码成功，就发a c k 并等待下一个新的子块；如果译码失败，就发n a c k 并等待下一个续块。 有一种情况，在收端等待续块却收到新块时，收端将放弃先前码块的恢复，转 而对接收到的新码块进行译码。另一种情况是，在等待新块却收到续块，此时收端 会丢弃接收到的码块而继续等待新码块。 3 3 h s d p a 中停等( 幽l w ) 协议的性能参数 3 3 1 吞吐量 对于a r q 差错控制系统，吞吐量r i 是指发送的单位比特中，能被接收端成功 电子科技大学硕士学位论文 接收的信息比特数。可见在f e c 系统中，n 就是编码速率r = k n ，而在有重传请求 的系统中，q 是成功接收k 比特信息所需发送的平均分组数n r 的函数，用公式表示 为【1 3 】 q 2 n 2 n 一+ f ) ( 3 - i ) 其中，1 1 是停等协议操作中空闲时间里可以传送的比特数。如果用x 表示分组 的前向传送时间，九。表示确认信息的反向传送时间，6 则是接收端对分组的处理时 间，再假设d 为信息传送速率，那么有 f = d ( ，+ 6 + 。) ( 3 2 ) 但事实上，当采用n 信道停等协议时，空闲时间就不存在了。因为发送端在等 待确认信息的同时，另一信道的停等协议也在进行中，即可以认为f = o 。所以编码 速率r 实际上并没有减小，于是n 。只取决于n 。 需要说明的是，在第四、第五章的计算机仿真中，n ，就是同一分组要被成功译 码所需的分组重传次数。 另外，前面的分析中，没有考虑前向信道和反向信道的出错率对吞吐量可能造 成的影响。下面分析一下s a w a r q 一种具体的极限情况，让发端重复地发送分组 的复本，直到分组被成功接收 1 4 】。 如果我们用b ，耳，分别代表前向和反向信道的出错率，仍然用l 表示成功 传送一个数据分组所需的平均分组数。另外，当分组在传送或接收时出错( 出错率 为b ，) ，就需要额外的分组发送直到被成功接收，而且，当反馈信息出错时( 出错 率为斥，) 又需要额外分组来重传冗余。因此如果用x 表示传送一个分组所需基本 分组n 卟n 加的额外分组数，用y 表示反馈出错要求重传冗余所需的额外分组数。 那么，可以得到y 的期望值 e i 】q = 片，：( 1 + 斥，2 ( 1 + 耳，2 ( 1 + ) ) ) = 昂2 十牟2 + 牟，：+ = 彳二 0 - 3 ) 一f ， 而x 的期望值可以用以下递推公式 e x 】= b 】( 1 + e x j ) + ( 1 一b t ) e 【y ( 3 q 得到 五 x j 2 羔埘p ( 3 - 5 ) 最后，仍用n 表示吞吐量，有 r l = p , n ( 3 6 ) 其中n 是每个完成分组的平均分组数 电子科技大学硕士学位论文 娜冈2 附惫+ 惫 ) pp 所谓完成分组，就是指发端发送一个分组，得到a c k 信息或经过重传后得到 a c k 信息，最后能够由收端输出给上层的分组。 为了说明问题，我们可以假设n r 分别为2 和4 ，r 为假定的某个值，并且片川 耳2 取不同数值，那么由上面公式可以计算出s a wa r q 的吞吐量，如表3 - 2 和表 3 3 。 表3 - 2s a w a r q 的吞吐量( n 舟) 品。2 砟t n o o0 0 10 0 2o ，0 5 0 1 00 2 0 0 0 00 5 0 0 0 r0 a 9 7 5 r0 4 9 4 9 r0 4 8 7 2 r 0 4 7 3 7 r0 4 4 4 4 r 0 0 lo 4 9 5 0 r0 4 9 2 讯0 4 8 档r0 4 7 1 4 r0 4 4 2 5 r 0 0 20 4 9 0 0 r0 4 8 2 4 r0 a 6 9 1 r0 4 4 0 4 r o 0 5o a 7 5 0 r0 4 6 2 2 ro _ 4 3 4 3 r 0 1 00 4 5 0 0 r0 4 2 3 5 r 0 2 00 4 0 0 0 喂 表3 - 3s a w a r q 的吞吐量( n r = - 4 ) 耳2 耳， o 0 00 0 lo 0 20 0 5o 1 0o 加 0 0 0o 2 5 0 0 r0 2 4 9 4 ro 2 4 8 7 r0 2 4 6 b ro 二m 3 2 r0 2 3 5 3 r o o 】0 2 4 8 7 ro - 2 4 8 1 r0 2 4 6 1 r0 2 4 2 6 r0 - 2 3 4 7 r 0 mo t 2 4 7 5 ro ：2 4 5 5 r0 2 4 2 0 r0 2 3 4 2 r 0 0 5o t 2 4 3 6 r0 - 2 4 0 2 r0 2 3 2 4 r 0 1 0o 2 3 6 8 ro 翰r o 2 00 2 2 2 2 r 由表3 2 和表3 - 3 可见，s a wa r q 的吞吐量主要是由平均分组数n ，来决定， 在n 信道停等协议的机制下操作，吞吐量不会超过r n i - ，即前向信道和反向信道的 错误率对n 的影响, 1 e 4 , 。 3 3 2 时延 前面已经提到有两种h a r o 应用方式是与r e l 9 9 结构一致的基于r n c 的h a r q ，另一种就是r e