（通信与信息系统专业论文）ofdm系统中的混合arq技术研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 o f d m ( 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 i n g ，正交频分复用技术) 以其支持高速 数据传输、频谱利用率高和抗多径信道干扰等优点，成为了下一代移动通信系统的一种关键 技术。近年来发展迅速，该技术已经在超3 g ( b e y o n d3 g ) 、l t e ( l o n gt e r me v o l m i o n ，3 g p p 长期演进) 和w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，全球微波接入互操作性) 等技术标准与提案中得到应用。 混合自动重传请求( 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 ，h a r q ) 技术是保障数据可靠传输最 有效的差错控制技术，对于高数据速率、高服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 和高可靠性 为特色的移动宽带系统至关重要，是o f d m 系统的关键技术之一。本文基于o f d m 系统， 以h a r q 技术为中心，沿着由基础性研究到创新性探索的思路。首先简要介绍了o f d m 技 术和h a r q 的研究现状。接着介绍了o f d m 系统的基本结构、t u r b o 码的编译码技术、和三 种h a r q 机制的基本原理。并围绕简单、c h a s e 合并和递增冗余( i n c r e m e n t a lr e d u n d a n c y ， i r ) 三种h a r q 机制进行了深入的研究、性能仿真和对比分析。初步研究表明m 机制更能适 应信道变化，通过冗余合并的方式降低误包率、提高吞吐量和减小传输时延。 接着本文讨论了r c p t ( r a t ec o m p a t i b l ep u n c t u r e dt u r b o ) 码，研究a w g n ( a d d i t i v ew h i t e g a u s s i a nn o i s e ) 信道下不同码率的r c p t 码的误比率( b e r ，b i te r r o rr a t i o ) 性能，在此基础上 研究了一种根据信道优劣自适应调整初始发送码率的改进r c p t - h a r q 自适应传输机制。研 究结果表明改进的r c p t - h a r q 自适应传输机制在保证吞吐量与传统的r c p t - h a r q 传输机 制基本相同的基础上，减少了传输时延。 最后本文将r c p t - h a r q 自适应传输机制与o f d m 系统中的自适应子载波分配 ( d y n a m i cs u b c a r r i e ra l l o c a t i o n ，d s a ) 相结合，研究了h a r q d s a 联合控制策略。该策略将 用户数据区分为重传分组和新分组，子载波分配时优先考虑重传分组，并且初始发送数据速 率根据信道的优劣自适应地调整。通过与传统的h a r q d s a 独立控制策略对比，发现在低信 噪比区域，h a r q d s a 联合控制策略虽然降低了系统丢包率，但系统吞吐量相比h a r q d s a 独立控制策略有较大的损失。随着信噪比增大，h a r q d s a 的系统丢包率大大小于 h a r q d s a 且系统吞吐量损失逐渐减小。这一研究结果表明在高信噪比区域，乩恹q d s a 联合控制比较有优势。 关键词：混合自动请求重发正交频分复用r c p t 码自适应子载波分 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c r a b s t i 谴c 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 i n g ( o f d m ) i st h ek e yt e c h n o l o g y o ft h e n e x t g 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 sf o ri t sv i r t u eo fh i g h - s p e e dd a t ar a t e ，h i g hs p e c t r u m e f f i c i e n c ya n di t sv i r t u eo fo v e r c o m i n gt h ei n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s i ) r e c e n t l yt h er a p i d l y d e v e l o p i n go f d mh a v e b e e na p p l i e di n t h ep r o p o s e db e y o n d3 g , l o n gt e r me v o l u t i o n ， w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s r 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 sn o w t h em o s te 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 i ng u a r a n t e e i n gr e l i a b l et r a n s m i s s i o n , a n di se s s e n t i a lt ot h eh i g h s p e e dd a t ar a t e ，h i 曲q o s ( q u a l i t y o fs e r v i c e ) a n dh i g hr e l i a b i l i t ym o b i l eb r o a d b a n ds y s t e m s i ti so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h e o f d ms y s t e m t h e r e f o r e ，a i m i n gt h ed e s i g no fh a r qi no f d mt r a n s m i s s i o n , w ef i r s ti n t r o d u c e t h eo f d ma n dh a r q t e c h n o l o g i e sb r i e f l y t h e nw ed i s c u s st h eb a s i cs t r u c t u r eo fo f d ms y s t e m s ， t h ee n c o d i n ga n dd e c o d i n gt e c h n o l o g i e so ft u r b oc o d ea n dt h es t r u c t u r e so fh a r qt e c h n o l o g y w e h a v ef o c u so nt h ep e r f o r m a n c es i m u l a t i o na n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i so nc o m m o n , c h a s gm e r g e ra n d i n c r e m e n t a lr e d u n d a n c yh a r qm e c h a n i s m o u rs t u d yr e s u l t ss h o wt h a tt h ei rm e c h a n i s mc a n a d a p t t ot h ec h a n n e lc h a n g e ，r e d u c ep a c k e te r r o rr a t ea n dt r a n s m i s s i o nd e l a y , i m p r o v et h r o u g h p u t n e x tw ed i s c u s st h er c p tc o d ea n ds t u d yt h eb i te r r o rr a t e ( b e r ) p e r f o r m a n c eo ft h ed i f f e r e n t r a t eo fr c p tc o d eu n d e ra w g nc h a n n e l b a s eo nt h e s e ，w es t u d ya ni m p r o v e m e n tr c p t - h a r q t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m , w h i c hc a na d j u s tt h ei n i t i a ls e n d i n gr a t ea c c o r d i n gt oc h a n n e lc o n d i t i o n c o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lm e c h a n i s m , t h en e w t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mg u a r a n t e e st h et h r o u g h p u t u n c h a n g e da n dr e d u c e st h et r a n s m i s s i o nd e l a y f i n a l l y ，w ec o m b i n et h ea d a p t i v et r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mo fr c p t - h a r q a n dt h ed y n a m i c s u b c a r r i e ra l l o c a t i o no fo f d ms y s t e ma n ds t u d yau n i t e dc o n t r o lh a r q d s a t i l i ss t r a t e g yw i l l d i v i d et h eu s e rd a t aa sn e wp a c k e t sa n dr e t r a n s m i s s i o np a c k e t s t h eu n i t e ds t r a t e g yp r i o r i t yt h e r e t r a n s m i s s i o np a c k e t sw h e ns u b c a r r i e r sa r ea l l o c a t e d a n dt h ei n i t i a ld a t ar a t ei sa d j u s t e da c c o r d i n g c h a n n e lc o n d i t i o n c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a li n d e p e n d e n tc o n t r o lh a r q d s as t r a t e g y ，t h e n e wh a r q d s as t r a t e g yh a sl o w e rs y s t e mp a c k e te r r o rr a t ea n dl a r g e rs y s t e mt h r o u g h p u tl o s si n l o ws n rr e g i o n a st h es n ri n c r e a s i n g ，t h ep a c k e te r r o rr a t eo ft h eh a r q - d s ai sl e s s e rt h a n h a r q d s a ，a n dt h et h r o u g h p u tl o s sb e c o m e sl o w e ra n dl o w e r t h es t u d ys h o w st h ep e r f o r m a n c e o fh a r q d s ai se x c e l l e n c ei nt h eh i i g hs n rr e g i o n k e y w o r d s ：h a g qo f d mr c p td s a i i 南京邮电大学学位论文原创性声明 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，也不包含为获得南京邮电大学或其它 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。 研究生签名：二畔日期：三弘 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、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、缩印或其它复制手段保存论 文。本文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) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生躲避聊躲幽畿：) 至珥心 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 移动通信的发展史 第一章绪论 过去的几十年，是世界电信业发生翻天覆地变化的几十年。移动通信特别是蜂窝小区的 迅速发展，使用户彻底摆脱了终端设备的束缚。进入2 1 世纪以来，移动通信逐渐演变成社会 发展和进步的必不可少的工具。下面将简单介绍一下移动通信的发展史。 第一代( 1 g ) 以模拟式蜂窝网为主要特征。1 9 7 8 年底，美国贝尔实验室成功研制了先进移 动电话系统( a m e s ，a d v a n c e dm o b i l e p h o n es y s t e m ) ，建成了蜂窝状模拟移动通信网，大大提 高了系统容量。与此同时，其他发达国家也相继开发出蜂窝式公共移动通信网。这一阶段的 特点是蜂窝移动通信网成为实用系统，并且在世界各地迅速发展。移动通信得到迅猛发展的 原因，除了用户需求迅速增加这一主要推动力之外，还有几方面技术发展所提供的条件。首 先，微电子技术在这一时期得到迅猛发展，使得通信设备可以实现小型化、微型化。其次， 贝尔实验室在2 0 世纪7 0 年代提出的蜂窝网的概念形成了移动通信新体制。蜂窝网，即所谓 的小区制，由于实现了频率复用，大大提高了系统容量。第三方面进展是随着大规模集成电 路的发展而出现的微处理器技术日趋成熟以及计算机技术的迅猛发展，为大型通信网的管理 与控制提供了技术手段。这一阶段所诞生的移动通信系统一般被称为是第一代移动通信系统。 第一代( 1 g ) 从技术特色上看，它以解决两个动态性中最基本的用户这一重动态性为核心 并适当考虑到第二重信道动态性。主要实现措施是采用频分多址f d m a 方式实现对用户的动 态寻址功能，并以蜂窝式网络结构和频率规划实现载频再用方式，达到扩大覆盖服务范围和 满足用户数量增长的需求。在信道动态特性匹配上，适当采用了性能优良的模拟调频方式， 并利用基站二重空间分集方式抵抗空间选择性衰落。 第二代( 2 g ) 以数字化为主要特征，构成数字式蜂窝移动通信系统。从2 0 世纪8 0 年代中 期开始，数字移动通信系统进入发展和成熟时期，模拟蜂窝网的容量已经不能满足日益增长 的移动用户的需求。2 0 世纪8 0 年代中期，欧洲首先推出了全球移动通信系统( g s m ，g l o b a l s y s t e mf o rm o b i l e ) 随后美国和日本也相继指定了各自的数字移动通信体制。2 0 世纪9 0 年代 初，美国高通公司推出了窄带码分多址( c d m a ，c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 蜂窝移动通信 系统，这是移动通信系统发展中的里程碑。从此，码分多址这种新的无线接入技术在移动通 信领域占据了越来越重要的地位。这些目前正在广泛使用的数字移动通信系统就是第二代移 动通信系统。 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第二代( 2 g ) 从技术特色上看，是以数字化为基础，全面考虑信道与用户的二重动态特性 及相应的匹配措施。主要实现措施有：采用t d m a ( g s m ) 、c d m a ( i s 9 5 ) 方式实现对用户的 动态寻址功能，并以数字式蜂窝网络结构和频率( 相位) 规划实现载频( 相位) 再用方式，从而扩 大覆盖服务范围和满足用户数量增长的需求。目前世界范围内g s m 系统应用非常广泛，约 占据全球移动通信市场份额的5 8 ，可以提供2 4 k b i t s 9 6 k b i t s 以及1 4 4 k b i t s 的电路交换语 音业务，还可以通过通用无线分组业务( g p r s ，g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 和增强型数据速 率o s m 演进技术( e d g e ，e n h a n c e dd a t ar a t ef o rg s me v o l u t i o n ) 分别提供1 4 4 k b i t s 和 3 8 4 k b i t s 的分组交换数据业务。 第二代移动通信系统主要是为支持话音和低速率的数据业务而设计的。但随着人们对通 信业务范围和业务速率要求的不断提高，已有的第二代移动通信系统已经很难满足新的业务 需求。为了适应新的市场需求，人们正在发展第三代移动通信系统。国际电信联盟( i n j ) 在2 0 0 0 年5 月确定w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 三大主流无线接口标准。 第三代( 3 g ) 从技术上看，是在2 g 系统适配信道与用户二重动态特性的基础上又引入了业务 的动态性，即在3 g 系统中，用户业务既可以是单一的语音、数据、图像，也可以是多媒体业 务，且用户选择业务是随机的，这个第三重动态性的引入使系统大大复杂化。所以第三代是 在二代数字化基础上的，以业务多媒体为主要目标，全面考虑并完善对信道、用户二重动态特 性匹配特性，并适当考虑到业务的动态性能，尽力采用相应措施予以实现的技术。 但是由于3 g 系统的核心网还没有完全脱离第二代移动通信系统的核心网结构，所以普 遍认为3 g 系统仅仅是一个从窄带向未来移动通信系统过渡的阶段。目前，人们已经把目光 越来越多的投向超3 g ( b e y o n d 3 g ) 的移动通信系统，该系统可以容纳庞大的用户数、改善现有 通信质量，达到高速数据传输的要求。从技术层面来看，3 g 系统主要是以c d m a 为核心技 术，而在3 g 以后的移动通信系统中o f d m 技术最受瞩目。在确保数据的可靠传输方面任然 采用在3 g 中已经得到广泛应用的h a g q 机制。因此地蛆q 将是本文讨论的重点。 1 20 f d h 技术研究现状 o f d m 1 3 ( 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 i n g ，正交频分复用) 的提出已有近4 0 年 的历史，第一个实际应用是军用的无线高频通信链路，但这种多载波传输技术在双向无线数 据通信方面的应用却是近1 0 年来的新趋势。经过多年的发展，该技术在广播方式下的音频和 视频领域已经得到广泛的应用。近年来，由于数字信号处理( d s p , d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 技术的飞速发展，o f d m 作为一种可以有效对抗i s i ( i n t e r - s y m b o li n t e 疵r e n c e ) 的高速传输技 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 术，引起了广泛关注。o f d m 技术己经成功地应用于非对称数字用户环路( a d s l ，a s y m m e t r i c d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 、无线本地环路( w l l ，w i r e l e s sl o c a ll o o p ) 、数字音频广播( d a b ， d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ) 、高清晰度电视( h d t v , h i g h d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) 、无线局域网 ( w l a n ，w i r e l e s sl o c a ln e t w o r k ) 等系统中；它可以有效地消除信号多径传播所造成的i s i 干 扰，因此在移动通信中的运用也是大势所趋。自1 9 9 9 年1 2 月策划一个基于o f d m 技术的全 球性统一标准到现在，o f d m 论坛的成员己增加到4 6 个会员，其1 5 个为主要会员。我国的 信息产业部也参加了o f d m 论坛，可见o f d m 在无线通信的应用己经引起国内通信界的重 视。2 0 0 0 年1 1 月，o f d m 论坛的固定无线接入工作组向i e e e 8 0 2 1 6 3 无线城域网委员会提 交了一份建议书，提议采用o f d m 技术作为i e e e 8 0 2 1 6 3 城域网的物理层标准。o f d m 由 于其频率利用率高、成本低等原因越来越受到人们的关注。随着人们对通信数据化、宽带化、 个人化和移动化的需求，o f d m 技术在综合无线接入领域将越来越得到广泛的应用。随着d s p 芯片技术的发展，傅立叶变换反变换、高阶调制技术、格状编码技术、软判决技术、信道自 适应技术、插入保护间隔、减少均衡计算量等成熟技术的逐步引入，人们开始集中精力开发 o f d m 技术在移动通信领域的应用，o f d m 技术将是未来移动通信的主流技术。 此外，o f d m 还易于结合h a r q 技术，最大程度地提高物理层信息传输的可靠性。如果 再结合自适应调制【3 0 1 ，自适应编码【3 l 】以及动态子载波分配，其性能可以进一步得到提高。 近年来3 g p p 3 g p p 2 已经把o f d m 技术定为3 g 长期演进的关键技术，并在i x e v d o 、 l t e 、高速下行分组数据接入( h s d p a ) 【l 】等技术标准中引入了o f d m 技术。i e e e 8 0 2 工作组 也把o f d m 技术引入到w l a n 和w 懈等技术标准中。其中基于i e e e 8 0 2 1 6 e 标准的移 动w i m a x 技术，由于兼具了移动化、宽带化和d 化的特点，成为最具发展潜力的无线接入 技术之一。本文参照i e e e 8 0 2 1 6 e 标准 2 1 研究了o f d m 系统中的混合a r q 技术的性能。 1 3i b r q 技术概述与国内外研究现状 如何有效地控制由于信道噪声及干扰导致的传输错误，保证信源数据准确无误地传送到 信宿，是任何一种通信方式都必须面临的一个关键问题。差错控制技术作为解决这一问题的 有效手段，应用于链路层和物理层以提高数据速率和系统吞吐量【3 】。数字系统中，利用检错 码或纠错码进行差错控制的方式主要分两类：自动重传请求a r q 和前向纠错方式f e c 。a r q 技术利用检错码对出错信息请求重传，以吞吐率为代价换取高可靠性；f e c 技术则采用纠错 码纠正出错码字中的部分错误，为了获取较低的误码率，往往必须以最坏的信道条件来设计 纠错码，导致需要大量的冗余信息，编码效率较低。混合自动重传请求( h a r q ) 技术则有效地 3 塑曼些皇查! 婴土竺墨圭兰生堡兰墨二兰堕堡 结合f e c 和a r q 技术，不仅减少了f e c 中不必要的开销，相对简单a r q 又能获得更高的 吞叶量，被广泛应用于w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、w i m a x 等通信系统中。 31h a r o 重传合并技术的研究现状 源于f e c 和a r q 各自的特点和己有的研究基础，长期以来，国内外h a r q 研究工作的 重点一直围绕其自身的特性开展，主要集中在三个方面，即重传协议、重传编码策略和码合 并技术【圳。 重传协议沿用了a r q 的三种基本重传机制，即停- 等a r q ( s w - a r q ) 、退n 步a r q ( g b n - a r q ) 和选择重传a r q ( s r - a i z q ) 。s w - a r q 是指发送端发送一个数据后，必须等待接 收端的应答信号，若接收端正确接收，将反馈肯定应答信号( a c k ) ，否则反馈否定应答信号 ( n a k ) 发送端根据应答信号进行新数据的发送或错误数据的重传。g b n a r o 协议中，发送 端连续发送含顺序序号的帧，并启动相应的定时器，接收端每收妥一帧都会反馈肯定应答 a c k ，当定时器超时仍未收到某帧a c k 或超时前收到否定应答n a k ，发送端必须退回到该 帧并重发该帧及该帧以后的所有己发帧。s g - a r q 协议则是在g b n a r q 的基础上，设法只 重传那些出错的数据帧，其余数据帧将不需重传，但易出现收发信息分组顺序不一致的情况， 需要较大的缓存。三种重传协议中s r - a r q 效率最好，但必须以较大的存储空间和复杂的 实现机制为代价。s w - a r q 最简单，所需缓存最小，但效率也最低，在等待确认期间信道闲 置，浪费了系统容量。 一一_ 与也溪艮。乒豇霉里a 一 _ 、f 匹堑卫杰珥整日e 口口m ， 釜丑墅巫立_ 廛亚正垂砸匦强圈艮 圜 r o 3 一m * m 图1 一l n 信道s w - a r q 的原理图( n = 4 ) 为了充分利用s w - a r q 协议的优势，同时克服其效率较低的缺点，m o t o r o l a 于2 0 0 0 年 首先提出了双信道s w - a r q 协议来提高信道利用率i “，进而发展为n 信道s w - a r q 重传机 制”j ，如图1 - i 所示，其实质是通过n 个子信道并行采用s w - a r q 协议在提高信道利用率 的同时保持了协议实现简单、所需缓存少的优点。如i e e e s 0 21 6 e 协议采用的便是n 信道 s w a r q 协议【6 】协议中允许每个连接支持多个h a r q 信道( h a r qc h a n n e l s ) 并由 a c i d ( a r qc h a n n e ll d e n t i f i e r ) 标识进行区分，信道数目由基站( b s ) 决定。数据帧将在多个 南京邮电大学硕士研究生学位论文第章绪论 h a r q 信道上并行采用简单的s w a r q 重传协议。在设计多信道s w a r q 时，需根据分组 传输时间、往返延迟时间合理安排s w a r q 的信道数n ，使a r q 系统性能达到最佳【7 1 。 重传编码策略和码合并是紧密相关的两项技术，重传编码策略指在发送端采用固定编码 或递增冗余编码进行子包划分，相应的码合并技术在接收端将采用分集合并或冗余合并进行 子包组合，二者共同决定了h a r q 的具体机制。递增冗余技术主要通过递增发送码字的冗余 度，逐渐降低编码速率，以增大正确译码的概率，从而增加系统吞吐量，与a m c ( a d a p t i v e m o d u l a t i o na n dc o d i n g ，a m c ) 3 】技术中的自适应速率改变不同的是，递增冗余h a r q 对编码码 率的调整是在不改动系统编译码器结构的前提下实现的。而码字合并技术实际上是一种时间 分集及码字分集技术，主要分成分集合并和冗余合并两大类 4 1 。分集合并是一种在比特或符 号层次上的合并方法，合并前后的码率保持不变，c h a s e 合并【8 】就是一种基于最大似然译码的 符号层次上的合并技术。冗余合并则是一种码字层次上的合并方法，合并后的码率比合并前 低。文献【4 】对h a r q 中的码合并技术做了大量深入的研究。 随着编码策略和码合并技术的发展，h a r q 己经从最初的t y p e i 型h a r q 发展至t y p e - i i 型h a r q ，虽然不同的标准对三类h a r q 的定义各有不同，如3 g p p 定义递增冗余h a r q 为t y p e i ih a r q t l o l ，而c d m a 2 0 0 0 中则将采用固定编码及等增益合并的重传合并机制和递增 冗余h a r q 一起定义为t y p e i ih a r q d 】，但总的来说并没有本质上的区别，只是归类不同而 已。这里以3 g p p 的标准简要介绍三类h a r q 4 , 5 】： 1 ) t y p e ih a r q ：采用固定编码策略，即重传的数据与首传相同，接收端将出错分组丢弃， 重传分组单独译码，而不进行合并。通过提高信噪比获得时间分集增益。 2 ) t y p e 1 ih a r q ：采用递增冗余( i r ，i n c r e m e n t a lr e d u n d a n c y ) 编码策略，每次传输的数据包 含不同的冗余信息，且重传的数据不具备自译码能力，即除首次传输的码字外，每次仅重传 冗余信息。接收端对所有分组进行冗余合并后译码。随着重传次数增加，合并后的码字冗余 信息逐渐增加，码率相应降低，获得码字合并增益。 3 ) t y p e 1 i ih a r q ：采用瓜编码策略并进行冗余合并，与t y p e i i h a r q 不同的是，重传的 数据具备自译码能力，因此接收端可以直接从重传的码字中译码恢复数据，也可以对多次传 输的码字进行合并后译码。这类h a r q 又被进一步分成只有一个冗余版本的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 h a r q 。 三种h a r q 中，t y p e ih a r q 最简单，所需缓存最少，而性能也最差：t y p e i i h a r q 复杂度最高，所需缓存最多，性能也最优；t y p e h a r q 则综合了二者的优点，既能在信 道恶化时保证数据的可靠传输，又能在信道状况改善时保持合理的数据吞吐率。 本文的h a r q 重传编码机制主要支持c h a s e 合并和i r 两种重传合并策略，具体的子包 s 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 划分和速率匹配方案则因f e c 编码的不同而各有差异。物理层采用卷积t u r b o 码( c t c ) t l o ，1 1 ，1 2 1 作为信道编码方式。文献 4 】给出了具体的子包划分和速率匹配打孔方案，典型的h a r q 系统 都可由图1 2 给出。 数据分组hc r c 编码 a c k 门呵a k 数据分组i hc r c 检验 信道 编码 速率 匹配 重传 缓存 信道 估计 工 重传 缓存 一白噪声叫+ 解调 图1 - 2 经典的乩讯q 系统框图 1 4 论文主要内容和结构 本文共六章： 第一章是绪论部分，主要介绍了移动通信史、o f d m 技术的概述和主要o f d m 系统、 h a r q 技术的研究现状。 第二章o f d m 系统与t u r b o 码，阐述了o f d m 系统的基本原理和组成结构，并对o f d m 系统的设计思想给出了一定的说明。接着重点介绍了t u r b o 码的构造方法、编译码原理，并 对t u r b o 码译码中的m a p 和l o g m a p 译码算法做了详细的说明。 第三章h a r q 基本原理和性能，介绍了常见的三种类型的混合自动请求重传技术的基本 原理和系统框图，并对三种类型的h a r q 传输数据分组和合并方式作了详细的介绍。接着用 m a t l a b 仿真工具搭建了o f d m 系统中基于t u r b o 码的h a r q 的仿真平台。在简要介绍了c r c 检错模块和删除矩阵后，在a w g n 和s u l 5 0 信道中仿真了三种类型h a r q 系统的吞吐量、 误包率和传输时延。并根据仿真结果分析了三种类型h a r q 系统的性能，得出了在信道条件 比较差的时候，也就是低信噪比区域里t y p e l - i 型的性能最好，而在信道条件比较好时t y p e - i i 表现出了很好的性能。 第四章基于r c p t 码的混合i i 型a r q ，介绍了r c p t 码的原理，对, r c p t 码的编码原理、 码率、删截矩阵做了详细的介绍，并基于a d ss l o p e 准则提出了对应于不同码率的最佳删截 矩阵。在传统r c p t - h a r q 系统上仿真了不同码率的码字的误码率性能，得出了在相同误码 性能的条件下，1 3 码率r c p t 码的性能比4 5 码率r c p t 码的性能将近有7 个d b 的增益。 6 坐嬲 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 利用这一性能，本章讨论了一种改进的r c p t - h a r q 自适应传输机制，它可以根据信道条件 来调整传输的码率，该方法在保证了与传统r c p t - h a r q 传输机制有相同的吞吐量性能的条 件下，有效的降低了传输时延，并且该方法是简单易行。 第五章h a r q 与自适应子载波分配，基于o f d m 系统，提出一种h a g q d s a 联合控制 策略，在自适应子载波分配过程中优先考虑重传用户，显著的降低了系统丢包率。通过与传 统的h a r q d s a 独立控制策略比较发现，在低信噪比区域，h a r q d s a 联合控制策略的系 统吞吐量相比采用m a x 准则的h a r q d s a 独立控制策略有较大的损失，而系统丢包率的优 势却较小。随着信噪比增大，h a g q d s a 的系统吞吐量损失越来越小，丢包率性能优势则逐 渐增大。而h a r q d s a 联合控制策略的吞吐量性能与h a r q d s a 独立控制策略几乎相同， 系统丢包率则远远小于h a r q d s a 。此外，当改变最大重传次数时，该结论仍然成立。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章o f d m 系统与t u r b o 码 第二章o f d b t 系统与t u r b o 码 o f d m ( 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 i n g ，正交频分复用) 技术以其良好的抗多 径干扰能力和高频谱率用率的特点，受到高速数字通信系统的青睐。o f d m 系统是本文研究 的实验平台，因此本章首先介绍o f d m 系统的基本原理和o f d m 系统的结构。 t u r b o 码，又称并行级连卷积码( p c c c ) ，是由c b e r r o u 等在i c c 9 3 会议上提出的【l o j 。它 巧妙地将卷积码和随机交织器结合在一起，实现了随机编码的思想，同时，采用软输出迭代 译码来逼近最大似然译码。模拟结果表明，在a w g n 信道下可以达到近s h a n n o n 限的性能。 这一超乎寻常的优异性能，立即引起信息与编码理论界的轰动。被认为是近年来纠错编码领 域中最为重大的突破。本章将详细介绍t u r b o 码的编译码原理。 2 1o f d m 系统基本原理 o f d m 是一种无线环境下的高速传输技术，无线信道的频率响应大多是非平坦的，而 o f d m 技术的主要思想就是在频域内将所给信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用 不同的调制方式，并且各子信道并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，也就是具有频 率选择性，但是每个子信道却是相对平坦的。并且在每个信道上进行的是窄带传输，信号带 宽小于信道的相关带宽，因此就可以大大消除符号间干扰( i s i ) ，i s i 的减小又能够降低接 收机内均衡器的复杂度。在o f d m 系统中，甚至可以采用插入循环前缀的方法来消除i s i 的 影响，而不采用均衡器。 一个o f d m 符号内包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波都可以进行 不同的调制。假设n 表示子载波的个数，t 表示o f d m 符号的持续时间，矾( k = 0 n - 1 ) 表 示第k 个子载波上传输的数据，厶表示第0 个子载波的载波频率，矩形脉冲成型函数为 , p a ( t ) = l ( i t l - t 2 ) ，则从，= t s 开始传输的o f d m 符号可以表示为： s c r ) = r - e 荟n - i 矾旭c ，( ，一一； e x p ，2 万f o + 事 c ，一， ) ，r + r c 2 一， 其复等效基带信号可以表示为： s ( r ) = 荟n - ! 反坨c ，( f 一一吾 e x p 一，2 万事( ，一) ，r ，r s + r 8 ( 2 2 ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章o f d m 系统与t u r b o 码 其中实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量，在实际中可以分别与相应子载波 的c o s 分量和s i n 分量相乘，构成最终的子信道信号和合成o f d m 符号。 一数据输 据输出+ 图2 - lo f d m 系统的基本模型 图2 - 1 给出了o f d m 基本原理图，其中石= f o + k i t ，k = o n 一1 ，且子载波频率的设定 保证了子载波之间的正交性，即： 上f p 坤p 脚吐： h 一 ( 2 - 3 ) t 句 l0m 刀 正是由于这种正交性，调制器能很方便地从接收信号中解调出传输的数据，然后在时间长 度t 内进行积分，得到： 吲1f , + re - j 2 , 号o - t , ) , 脚v - i 矿知西 = 亍1 刍n - i 小蚺) 西：4 ( 2 4 由上式可见，对第f 个子载波进行解调可以恢复出期望信号西，而对于其它子载波来说， 由于在积分间隔内，频率差( 七一f ) r 可以产生整数倍个周期，所以其积分结果为零。 这种正交性还可以从频域角度来解释。根据式( 2 1 ) ，每个o f d m 符号在其周期t 内包含 多个非零的子载波，因此其频谱可以看作是周期为t 的矩形脉冲的频谱与一组位于各个子载 波频率上的万函数的卷积。矩形脉冲的频谱幅值为s i l l c ( 归) 函数，这种函数的零点出现在频 率为1 r 整数倍的位置上。 图2 - 2 给出了o f d m 的频谱。在每一个子载波频率的最大值处，所有其他子信道的频谱 值恰好为零，从而避免了子信道间干扰的出现。各个子载波组合在一起，其总的频谱形状非 常近似于矩形频谱，频谱的宽度接近传输信号的奈奎斯特带宽，因而可以获得较高的频率利 用率。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章o b t ) m 系统与t u r b o 码 1 图2 2o f d m 的频谱图 对于n 比较大的系统来说，式( 2 - 2 ) 中的o f d m 等效基带信号可以采用离散傅立叶反变换 ( i d f t , i n v e r s ed i s c r e t e f o u r i e rt r a n s f o r m ) 的方法来实现。为了叙述简洁，可令式( 2 2 ) 中的 t s = o ，并忽略矩形函数，黼ss ( t ) 以叫n 的间隔进行抽样，即令f = 甩叫( 以= o 一1 ) ， 可以得到： ，一1 z m = j ( 刀吖) = 噍p 可，o n n - i ( 2 5 ) 可以看到等效于对反进行i d f t 运算。同样在接收端，为了恢复出原始信号盔，可以 对进行d f t 得到： ，- i 2 m d c 4 = e - j 下，o k n - 1 ( 2 6 ) 所以，o f d m 系统的调制解调可以分别由i d f t d f t 来代替。通过n 点i d f t 运算，将 频域数据符号畋变换为时域数据符号晶，经过射频载波调制后，发送到无线信道中。其中每 个i d f t 输出的数据符号都是由所有的子载波信号经过叠加而生成的，即对连续的多个经 过调制的子载波的叠加信号进行抽样得到的。 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章o f d m 系统与t u r b o 码 2 1 1o f d m 系统组成 当调制信号通过无线信道到达接收端时，由于信道多径效应带来的码间干扰的作用，子 载波之间不再保持良好的正交状态，因而发送前需要在码元间插入保护间隔，如果保护间隔 大于最大时延扩展，则所有时延小于保护间隔的多径信号将不会延伸到下一个码元期间，从 而有效地消除了码间干扰。当采用单载波调制时，为减小码间干扰的影响，需要