（通信与信息系统专业论文）未来移动通信系统中的混合arq（harq）技术研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 在无线通信系统中，用户通常需要系统能够提供较低的数据包错误概率和较高的系统吞 吐量。混合a r q ( h a r q ) 是降低误包率、提高系统容量的有效手段之一。目前，几乎所 有的现代无线通信系统都采用了h a r q 技术，以保证可靠的服务质量。 多输入多输出( m i m o ) 无线通信系统由于在发送端和接收端采用了多个天线，可以极 大地提高系统的容量。目前已有很多m i m o 技术可以明显地提高系统性能，但是这些技术 往往没有和h a r q a r q 技术有机地结台，所以在和h a r q 技术联合使用时不能发挥系统的 潜力。 本文主要研究m i m o 系统的线性预编码器和h a r q 的联合设计。在发送端己知信道的 完全信息时，人们已经分别基于最大信道容量和m m s e 准则推导出了a r q 重发时的最优序 贯线性预编码器。我们推广已有的研究成果，利用信道的部分信息来为a r q 重发设计相应 的预编码器。针对平坦衰落m i m o 信道，我们进一步利片j 信道协方差矩阵，设计了a r q 重 发时的次优预编码器，以获得最大的各态历经系统容量。仿真结果表明，本文提出的次优预 编码器可以获得明显的性能增益。利用j e n s e n 不等式，我们还设计了其它三种不f 司类型的 次优预编码器：基于信道协方差信息的m m s e 线性预编码器，基于信道均值信息的最大系 统容量的线性预编码器和基于信道均值信息的m m s e 线性预编码器。 本论文的第二部分以m i m o g m c 试验系统为平台，研究了多种h a r q 技术的应用。 我们首先研究了如何有效合并多次发送的信号，根据m i m o g m c 系统t u r b o 接收机的特点， 了三种简单的台并算法，通过计算机仿真，比较了它们的性能。 为了减小由a r q 重传引起的系统时延，我们在系统中引入r 短t f l 和快速h a r q 。短 t t i 和快速h a r q 是以物理层的少量性能损失为代价来减少系统时延，适应t c p i p 高速传 输需求。为了使系统获得更高的传输效率，我们还研究了采用星座图重排的h a r q ，它口j 以获得符号映射分集。仿真结果表明，重排星座图可以获得很大的性能增益，而系统只增加 了少量的复杂度。 关键词：自动重发请求，混合a r q ，快速混合a r q ，m i m o ，m i m o - g m c ，预编码器 m m s e 预编码器， 星座图重排，符号映射分集 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，e n du s e ra p p l i c a t i o n so f t e nr e q u i r el o wp a c k e te r r o rr a t ea n d h i e , ht h r o u g h p u t h y b r i da r q ( t t a r q ) h a sb e e nw e l le s t a b l i s h e da s1 t 1 5e f f e c t i v em e c h a n i s mf o r p a c k e t e r r o rp r o t e c t i o nn o w a d a y s ，a l m o s ta l lm o d e r nw k e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r e a s s i s t e db yt h eh a r qm e c h a n i s mt oe n s u r et h eq u a l i t yo f s e r v i c e s ( q o s ) i th a sb e e nw i d e l yr e c o g n i z e dt h a tb yu t i l i z i n gm u l t i p l ei r a n s m i ta n d o rr e c e i v ea n t e n n a s ， s u b s t a n t i a li m p r o v e m e n to fc h a n n e lc a p a c i t yc a nb ea c h i e v e db ym u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ( m i m o ) s y s t e m s ，g i v e nt h et r e m e n d o u sc a p a c i t yg a i n so f f e r e db ym i m ot e c h n o l o g i e s ，i ti s i m p o r t a n tt on o t et h a tt h e yh a v en o tb e e nn a t u r a l l yi n t e g r a t e dw i t ht h ed e s i g no fh a r q a r q p r o t o c o l s i nt h i sp a p e r , w ef o c u so nt h ej o i n td e s i g no fl i n e a rp r e c o d e r sa n dh a r qp r o t o c o l sf o r m i m os y s t e m s w i t hp e r f e c tc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s t ) a v a i l a b l ea tt h et r a n s m i t t e r ，t h e o p t i m a ls e q u e n t i a ll i n e a rp r e c o d e r sf o ra r ot r a n s m i s s i o n su n d e rb o t hm i n i m u mm s ec r i t e r i o n a n dm a x i m u mc a p a c i t yc r i t e r i o nh a v eb e e np r o p o s e d i nt h i st h e s i s ，w ee x t e n dt h ep r e v i o u s r e s e a r c hb yc o n s i d e r i n gp a r t i a lc h a n n e li n f o r m a t i o nf e e d b a c k b ye x p l o i t i n gt h ec h a n n e lc o v a r i a n c ei n f o r m a t i o n ，w ee x p l o r eas e q u e n c eo fs u c c e s s i v e s u b o p t i m a ll i n e a ra r qp r e c o d e r sf o rf l a tf a d i n gm i m oc h a n n e l s ，w h i c hm a x i m i z et h ee r g o d i c c a p a c i t yp r o v i d e db ym u l t i p l et r a n s m i s s i o n s o fap a c k e t s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h e e f f e c t i v e n e s so fo u rs e q u e n t i a la r qp r e c o d e r s b yu t i l i z i n gt h ej e n s e n si n e q u a l i t y , w ea l s oo b t a i n t h r e e 。t y p e so fs u b o p t i m a la r qp r e c o d e r s f o rm i m os y s t e m s ：m m s el i n e a rp r e c o d e rb y e x p l o i t i n gi h ec h a n n e lc o v a r i a n c ei n f o r m a t i o n ，m a x i m u m c a p a c i t yl i n e a rp r e c o d e rb ye x p l o i t i n g t h ec h a n n e lm e a ni n f o r m a t i o n ，a n dm m s el i n e a rp r e c o d e rb ye x p l o i t i n gt h ec h a n n e lm e a n 妯f o r m a t i n n f o c u s i n go nt h em i m o - g m ce x p e r i m e n ts y s t e m sa st h eu n d e r l y i n gb r o a d b a n dt e c h n o l o g y , t h es e c o n dp a r to ft h i st h e s i si n v e s t i g a t e sv a r i o u sn a r qp r o t o c o l s w ef i r s tc o n s i d e rt h e c o m b i n a t i o ns c h e m e so fm u l t i p l et r a n s m i s s i o n so fap a c k e ta n dp r o p o s et h r e es i m p l ea l g o r i t h m s a c c o r d i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et u r b or e c e i v e r p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n sa r ec a r r i e d o u tv i a c o m p u t e rs i m u l a t i o n s i no r d e rt or e d u c et h ed e l a yi n d u c e db ya r qr e n a n s m i s s i o n s ，s h o r tt t ia n df a s th a r qa r e i n t r o d u c e dt ot h em i m o g m ce x p e r i m e n ts y s t e m s s h o r t i t 1a n df a s ti t a r qh a v et h ep o t e n t i a l t oi m p r o v et h ed a t ar a t eo f t h en e t w o r kl a y e rw i t ham i n o rs a c r i f i c eo f p e r f o r m a n c ea t h ep h y s i c a l 查堕查兰堡主兰些笙兰 l a y e rf o rt h es a k eo fe f f i c i e n c yi m p r o v e m e n t ，w ea l s oi n v e s t i g a t et h eh a r q m e t h o dw i t hs i g n a l 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 s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w 也砒s i g n a lc o n s t e l ；t a t i o nr e a r r a n g e n 3 e n t ， p r o n et os y m b o lm a p p i n gd i v e r s i t y ，c a l lo b t a i ns i g n i f i c a n tg a i no v e rc o n v e n t i o n a lr e t r a n s m i s s i o n w i t ho n l ys l i 曲ti n c r e a s eo f s y s t e mc o m p l e x i t y k e yw o r d ：a r q ，h y b r i d a r q ，h a r q ，f a s t l a a g q ，m i m o ，m i m o g m c ，p r e c o d e r m m s e p r e c o d e r ，c o n s l e l l a f i o nr e a r r a n g e m e n l r s y m b o lm a p p i n g d i v e r s i t y 1 1 1 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 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：邈查：堡日期：垫旦业f 7 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。 研究生签名：吏盎、生导师签名 日期：兰! 堕盟! ! 第一章绪论 第一章绪论 近年来，随着移动通信技术的发展和人们对通信需求的不断提高，移动通信系统在全球 范围内发展迅猛，移动用户数目高速增长，在很多地区和国家已经超过固定电话的用户数， 移动业务的重心也逐渐从早期的语音业务转向以多媒体业务为代表的高速数据业务。未来移 彳 动通信的目标是实现完全的个人通信，即任何人在任何时间、任何地点，以任何方式与任何 其他人进行通信。 1 1 论文背景 移动环境下的信道具有衰落、时变、噪声干扰等特性，信号在通过时会受到各种形式 的干扰，产生畸变，导致信号失真，从而产生大量的传输错误。所以，未来移动通信系统为 了提供高数据速率和高度可靠的通信质量，就必须采用有效的检错和纠错机制，来控制由于 噪声和干扰产生的传输错误，从而提高系统的数据通过率和链路的可靠性。目前，基本的纠 错机制一般可以分为两大类：前向纠错( f e c ) 和自动重发请求( a r q ) 。 1 前向纠错法 前向纠错法，就是通过特定的编码规则，在要传输的信号中加入冗余信息。当接收端接 收到信号后，利用传输信号中的这些冗余信息，来检测和纠正在传输过程中产生的错误。前 向纠错法的性能依赖于纠错编码的纠错能力【1 3 】。 2 自动重发请求技术 自动重发请求的基本思想是，在经过检测、译码等处理以后，接收端通过c r c 检验， 如果发现接收的这一帧信号有错，就请求发送端把这一帧信号重新发送，如果发现接收的这 一帧是正确的，就向发送端发送一个确认信号，告诉发送端这帧信号接收正确。 f e c 技术和a r q 技术有各自的优缺点【3 5 。在信道条件比较好、信号传输出错概率较 小的情况下，a r q 可以获得很高的效率，此时如果采用中低码率的f e c ，由于引入了大量 不必要的冗余，造成系统资源的浪费；但当信道条件变差时，a r q 的性能急剧下降，而中 低码车的f e c 往往能获得较好的性能。为了充分利用这两类方法的优点，同时避开它们的 缺点，人们把f e c 和a r q 有机地结合，形成了混合a r q ( h y b r i da r q ，h a r q ) 技术。 f e c 子系统用来纠正经常出现的传输错误，以减少重传的次数，即在纠错能力范围内自动 纠正错误，超出纠错范围则要求重发。这是一种折中方案，既增加了系统的可靠性，又提高 了系统的传输效率。实际上，a r q 不局限于和纠错编码地结合，它还可以和物理层其它技 术进行有效地结合。 目前人们已经提出了各种不同的h a r q 技术：基于纠错码的h a r q 技术 2 1 1 6 8 ，基于 茅南大学硕i 学位论文 自适应调制与编码( a m c ) 的h a r q 技术【1 3 】，基于星座图重排的f l a r q 技术【1 5 1 ，基于 均衡的h a r q 技术f 1 6 】等等。其中大量低复杂度、高效辛的h a r q 技术已经广泛应用于实 际的通信系统，获得了良好的性能增益。 1 2 论文的研究工作 未来的移动通信系统的需要高频谱利用率和高度可靠的链路性能。多输入多输出 ( m i m o ) 系统是实现这一目标的核心技术之一。m i m o 无线通信系统在接收端和发送端采 用多个天线，增加了系统的空间自由度，从而使得m i m o 系统具有极大的系统容量。理论 证明，在l i d 信道模型下，m 1 m o 系统的容量是和发送天线势和接收天线数两考中的最小值 近似成线性关系1 1 8 1 1 9 。m i m o 技术主要基于咀下原理：利用分集提高链路性能1 2 0 一2 2 1 ， 利用复用提高系统的频谱利用率 2 3 2 5 ，或者综合利用分集和复用来提高系统性能。 由信息论可以知道，如果接收端知道信道的状态信息( c s i ) ，m i m o 系统可以获得更 大的系统容量。所以现在利用反馈信道信息的自适应m i m o 越来越受到人们关注。自适应 m i m o 的原理是：反馈信道向接收端传送信道信息，接收端根据信道信息自适应地调整发 送信号时的系统参数，以适应移动信道的变化，从而提高数据传输的可靠性。a r q 技术可 以利用自适应m i m o 中同确的信道反馈信息，所以在自适应m i m o 系统中采用a r q 技术 具确得太独厚的优势。在自适应m i m o 系统中采用h a r q 时，如何优化信号的发送和拶收 将是本论支的一个研究内容。在本论文中，我们重点研究m i m o 系绩采用a r q 对，如何根 据信道信息的不同反馈来设计最优的预编码矩阵。我们把这种采用a r q 的m i m o 系统称为 m i m o a r q 系统。 未来移动通信系统的另一类核心技术是多载波技术。其中正交频分复用调制技术 ( o f d m ) 和广义多载波调制技术( g m c ) 都是未来移动通信系统的候选技术之一。由于 采用了颞的载波调制技术，现有系统中的一些技术需要做相应的修改，才可以应用到未来移 动通信系统中。h a r q 技术作为一种有效的纠错机制，是未来移动透信系统的必备技术， 同样也需要做适当改进以适应未来移动通詹的技术特点。未来移动通信系统在物理层采用了 新的技术，为了充分利用物珲层新技术的优势，我们需要结合物理层各项技术的特点，设计 出能充分发挥系统潜能的h a r q 方案。 在以往的i l c r o 方案中，由于a r q 在链蹄层，a r q 和物理层技术的结合往往不够紧 密，没有亢分发挥两者结合的优势。为了进一步提高h a r q 的性能，自动重发请求歼始从 链路层向下搬移，比如在h s d p a 中，为，提高h a r q 的效率，自动重发请求通过l l 层在 基站和移动台之阀完成。为了提高末柬移动通信系统性能，我们篱要把a r q 和物理屋参数 联合设计，优化信号的每一次发送，以获得史高的系统通过率。我国“8 6 3 ”计划已经肩动 了未来移动通信研究自q “f u t u r e 计划”，本论文在第二i 部分将以这计划中的m i m o g m c 试验系统作为基础，构建仍真彳台，改汁相应的f i a r o 力案，给士系统胜能的仿真纬果。 2 第一章绪论 1 3 论文的章节安排 本论文的主要章节结构安排如下： 第二章首先叙述传统a r q 技术的基本原理，依据重发镱略的不同，介绍了四种基于不 同重发策略的a r q 方案，在这一基础上，论文引入h a r q 概念，给出了现有的三种不同类 型的h a r q 技术。在本章最后，简单介绍现有的基于系统物理层各种不同技术的h a r q 技 术。 第三章介绍m i m oa r q 系统中发送端如何根据完全的信道信息来设计最优预编码器 ( p r e e o d e r ) 。本章首先介绍预编码器和a r q 联合优化设计的基本原理，给出文献中已有的 算法：m a m o a r q 系统中基于信道容量最大化和m m s e 准则的预编码器的序贯联合优化算 法。在本章后半部分，我们把基于信道容量最大化的最优预编码器设计算法应用到天线选择 系统中，和一个已有的天线选择算法相结合，得到的系统容量可以逼近采用穷举法时的最大 系统容量。 在第三章中，所有的算法和理论推导都是基于发送端已知信道完全的信息，但在实际系 统中，这很难实现。第四章将以信道信息非理想反馈模型为基础，讨论m i m o a r q 系统中 最优预编码器的设计。在这一章，我们首先利用信道的协方差反馈来设计基于最大系统容量 的预编码器，根据b i n e t - c a u c h y 公式，推导出系统容量的上界，对这一上界采用两种不同的 近似简化，可以得到预编码器的两种次优的设计方法。通过计算机仿真给出并比较了这两种 算法的性能。对于这一模型下的基于m m s e 准则的预编码器，本文通过j e n s e n 不等式来得 到次优的设计方法。同样，对于信道均值反馈模型，我4 l i b e l 用j e n s e n 不等式，得到了基于 最大化系统容量和m m s e 准则的次优预编码器。 m i m o - - g m c 试验系统是我国未来移动通信研究“f u t u r e 计划”提出的候选方案之 一。第五章将以这一系统作为平台，通过计算机仿真的方式，分析不同条件下，采用各种 h a r q 技术时的系统性能。第五章茸先简要介绍m i m o - - g m c 系统的基本框架和主要技术 特点。在论文中，我们采用三种不同的方法来合并多次发送的信号，通过计算机仿真比较了 三种合并方法的性能。为了降低系统延时，我们在系统中引入了短1 _ n 结构，同时针对长 r n 结构和短t 1 1 结构对系统性能的影响进行了分析和仿真。为了进一步降低系统延时，我 们研究了快速h a r q ，详细分析比较了车速不同、t t i 长度不同时，快速h a r q 和普通h a r o 的性能差别。在最后我们仿照文献【1 5 0 7 】。在这一试验系统中引入了符号映射分集( s y m b o l m a p p i n gd i v e r s i t y ) ，即在重发信号时改变调制符号的星座图，通过计算机仿真给出了符号 映射分集带来的性能增益。 第六章是对论文工作的总结，概括了论文已取得的研究成果，同时对可以进一步的研究 工作做了探讨。 3 第二章h a r q 技术简介 第二章i j a r q 技术简介 移动通信系统在时变多径衰落环境中为保证必要的业务质量( q o s ) ，需要高效率的差 错控制技术来有效地减少错误概率，提高系统的传输效率和系统链路的可靠性。基于这原 因，纠错码和a r q 技术几乎成为移动通信系统的必选技术。纠错码技术和a r q 技术的有 效结合就构成了h a r q 技术。 由于高速数据业务的需求，近年来h a r q 技术已经成为了研究热点。基于各种通信系 统的h a r q 技术研究已经取得了相当的研究成果，尤其是针对第三代移动通信系统的h a r q 研究获得了大量的理论成果和工程实用技术【1 3 1 1 2 6 - 3 9 。 本章首先介绍传统a r q 技术的基本原理以及不同重传策略的优缺点，在这一基础上， 我们将插述现有的三种不同类型的h a r q 技术，以及它们在第三代移动通信系统中的应用。 本章最后介绍基于除纠错码以外的其他物理层技术的h a r q 技术，简要说明它们的基本原 理以及已有的应用范例。 2 1 传统a r q 技术 自动重发请求系统简称为a r q 系统，它是在数据链路控制( d l c ) 层实现的。其组成 原理如图2 1 所示【5 。 信一鬻臀卜 双 摹警卜 信 源 冉 向 信 道 宿 图2 一l a r q 系统组成方框图 我们可以看到，a r q 系统需要取向信道。在发送端，输入的信息码元在编码器中破分 组编码后，除立即发送外，尚暂存于缓冲存储器中。如果接收端解码器检测出错误，则由解 码器控制产生一个重发指令，经反向信道送至原发送端。这时候，由发送端重发控制器控制 缓冲存储器重发一次。接收端仅当解码器认为接收信息码元正确时，才将信码送给收信者， 否则在输出缓存器中删除掉。当接收端解码器未检澳0 出错误时，经反向信道发出无需重发的 指令。发送端接到这一指令后，即继续发送后面的码组，发送端的缓冲存储器中的内容也随 之更新。 根据重发策略的不同，a r q 系统可以分为四类：停止等待式a r q ( s t o p - a n d w a ) t a r q ， 5 东南大学硕 学位论义 简称s w - a r q ) ，退回步a r q ( g o b a c k a - a r q ，简称g b n a r q ) ，选择重发a r q ( s e l e c t i v e r e p e a t a r q ，简称s r - a r q ) 和通道停止等待式a r q ( c h a n n e ls t o p - a n d w m t a r q ) 。 2 1 1 停止等待式a r q s w - a r q 是一种最简单的重发协议，如图2 2 所示。它的基本思想是：在初始化下一 个数据包的传输之前，保证前一个数据包已经被让确接收。当从a 点传输数据到b 点时， a 传输完一个数据包后，进入等待状态。b 接收到这一个数据包后进行错误检测，如果没有 发现错误，就向a 发送一个肯定应答( a c k ) ，售诉发送端数据包接收正确；如果发现数据 包中含有错误，就向a 发送一个否定应答( n a c k ) ，通知a 重发这个数据包。 停止等待式a r q 实现十分简单，但是由于大量的空闲时间用来等待反馈信息，降低了 传输效率。停止等待式a r q 对通信链路的低利用卒使得它不是很适合现代高数据速率的通 信系统。下面的三种a r q 方案是s w - a r q 方案的延伸和改进，具有更高的效率。 时r 哥 2 1 2 退回n 步a r q 围2 2 停止笤待式a r q 退回步a r o ( 圉2 3 ) 通常被称为措动窗a g o 协议，其基本思想也比较简单。和 s w - a r q 不同，在g b n - a r q 中，一个长度岔口内的个连续数据包( 序列号为t l ， t + n - i ) 可以在无篇等待下一个数据包请隶的情跣 卜，依次破传输。接收端向发送端反馈菜 个特定的序列号r n ，将会确认所有的序列号s n 小jr n 的数据包都己接收正确，并请求 传输s n 等十r n 的势据包。如果b 点榆删出第，个数据包有错，那就乏弃籀t + l ，s * 2 ， 6 墨三差坠! 旦垫查堡坌 + n - 1 个数据包。 g b n - a r q 的传输效率明显好于s w - a r q 。g b n - a r q 的主要缺点是，一旦检测到某一 个数据包有错，就会丢弃接下来的- 1 个数据包不管这1 个数据包是否正确，这样导致 了很多不必要的重传。在系统传输时延比较大时，这将大大降低系统的传输效率。所以它不 适用于高速数据速率和延时大的通信系统。这一缺点可以通过s r - a r q 来克服。 2 1 3 选择重传a r q a b 图2 3 退回 ，步a r q a 点到b 点链路上， s r 一舢0 q 的基本思想是允许接收次序颠倒的数据包，而且仅仅要 求a 点重传那些没有被正确接收的数据包。由于s r a r q 只重传出错的数据包，避免了不 必要的重传，同时在等待确认信息时，还在继续发送新的数据包。避免了空闲等待时间，所 以它的效率要优于g b n - a r q 和s w - a r q 。另一方面s r - a r q 对于延时不敏感，适用于系 统延时的通信系统。 s r a r q 的高效率是以实现复杂为代价的，它的重发控制比前两种更加复杂，在接收端 和发送端都需要大容量的缓冲存储器以保证不会溢出。为了限制控制复杂度和存储器规模 的急剧增加，在实际系统中往往采用加窗的s r a r q 即只重传长度窗口内数据包。在 3 g p p 叶1tn 记做m b s n ( m a x i m u mb l o c ks e q u e n c en u m b e r ) 。 文献【4 4 1 对上面介绍的三种a r q 方案的优缺点傲了全面介绍和比较，对实际能取得的 系统吞吐量也做了详细的分析。 7 东南大学硕士学位论文 时问 图2 4 选择重传a r q 2 1 ，4n 通道停止等待式a r q 在h s d p a 中育接采用s r 。a r q 存在一些实现上的困雉p o 】。为了有效的利用s w a r q 的低复杂度和s r a r q 的高效率，h s d p a 采用了_ 通道停止等待式a r q ( 圈2 - - 5 ) ，这是 双通道( d u a lc h a n n e l ) 停l t 等待式a r q 的扩展【4 0 1 。 通道停止等待式a r q 实际上是并行了个s w - a r q 协议，a 点向b 点传输信号时， | 个数据流通过个虚拟通道复用在实际信道中。每个输入的数据流被分配给一个虚拟通 道( 假设个虚拟通道中至少有一个处于空闲状态) ：如果所有的虚拟通道都处于繁忙状态， 输入的数据将在存储器中等待。如果在接收到某个虚拟通道的a c k 之前轮到该虚拟通道传 输数据，则数据包将被重传。当某个特定的虚拟通道上数据帧的应答被接收到时。该虚拟信 道就成为空闲信道，可以用来传输新的数据。_ 通道停止等待式a r q 巧妙地融合了s w - a r q 和s r 。a r q 各自的特点，在效率和复杂度之间达到了很好的折中。 a 一 图2 5 _ 通道停止等待式a r q 墨三兰坠! ! 蔓查塑坌 2 2 基本的h a r q 技术 上面介绍的a r q 方案，只采用了检错码，没有采用纠错码，所以不具有纠错能力。为 了充分利用f e c 技术和a r q 方案各自的优点，人们在a r q 系统中引入了f e c ，形成了 f l a r q 技术f e c 子系统用来纠正经常出现的传输错误，以减少重传的次数，即在纠错能 力范围内自动纠正错误，超出纠错范围则要求重发。n a r q 系统的传送可靠性优于f e c 系 统，而系统传输效率优于a r q 系统。 最初人们仅仅是在a r q 系统中加入f e c ，形成了早期的h a r q 技术，在随后的大量研 究中，人们不断提出对两者联合优化的新方法，使得纠错码和a r q 协议越来越有机地融合， 获得了大量高效率的 r a r q 技术，并且其中的很多技术已经在各种通信系统中得到了充分 的应用。 根据被重发的信息的不同特征和接收端对多次发送的信号处理方法的不同，h a r q 技 术一般可以分为三类：l 型h a r q ，1 1 型1 4 a r q 和i i i 型h a r q 。 2 2 1i 型h a r q 1 型r t a r q 技术是早期提出的，它只是单纯的将a r q 系统和f e c 组合在一起，并没有 把两者有机结合起来。它的基本原理如图2 - - 6 所示。数据经过c r c 编码和f e c 编码以后 发送出去，接收端收到信号以后，首先对码字进行f e c 译码，然后采用c r c 校验，若没有 发现错误，表明信号接收正确，把数据传送给上层处理；若检测到错误，则这一帧数据丢弃， 要求发送端重发相同的数据帧。 】型h a r q 系统的性能主要和f e c 的纠错能力有关，而f e c 的设计又必须和信道误码 率相匹配。在噪卢和干扰基本恒定的系统中，误码率基本不变，我们可以设计相应的f e c ， 这时l 型h a r q 具有良好的性能。如果信道环境在变化，误码率不稳定，f e c 若是按照撮 差环境来设计的话，系统引入的冗余太大，如果f e c 的纠错能力不够的话，重传的概率叉 比较大，所以在这种时变的信道环境下，】型h a g q 的吞吐量小、效率低下。另一方面，在 1 型h a r q 中，接收端完全丢弃出错的数据包，在接收重发信号时，不再利用以前接收到的 数据，很显然，这种方法没有充分利用多次重发的联合信息。由于l 型h a r q 确这些缺点， 人们提出了其它两种效率更高的h a r q 类型。 在l 型n a r q 中，由于不需要保留传错的数据，所以在接收端不需要很多存储器，这 样实现起来系统开销比较小。l 型 i a r q 可以和各种纠错码结合，如r s 码，b c h 码，卷积 码，t u r b o 码，l d p c 码等等 4 3 1 。 9 堡燮塑墅l l 一 发送端 接收端 2 2 2 i i 型h a r o 图2 6 i 型h a r q 的调薹? 黧茎冀享竺：i 竺竺q 除了简单重发溉它不能自适应地作出其他桃 裟罴娑竺雾竺一概羔孟荔瑟淼篡 鬻黧：羹誓言竺主茎：翌了克服- 型眦q 系淼纛焉塞署嚣黧 兰慧麓黧毫竺篓黼一懈道当蒜蕊1 罴z 裂篓4 黧条黧! 慧黧槲懒一的赢；某嚣鬻嚣嚣 誓黧黧黧黧统璺黜懒件恶纛豢嚣荨，髫鬻 蒙悃鞠纠姻糠觚c 脯鳓纠毒i 夏焉二慧翟 的区：墨= 竺等等：芝! ：，所示一它的重发请求的产生和。型眦q 类似，两者 黧纛翼竺兰竺蒯蹴把淼茹裂蓑篡 笳黧发鬻黧裂 型蛾揪盹。慕蕊盖蒜篙 增加了自由度，提高，系统对信道变化的自适应能力。 “1 5 “”叫“。颈话7 返就 锚能：! 裟凳慧笔翌显曼由于多次发送的数据坝联台起来译码，获得了更强 雾黛黧黧竺烟鳓砜焉焉豢罴裟曩 鲥岫踵勰秘燃拥的数腻这就为自适甚：磊銎蒜麓? 臁统 1 0 第算堂旦垫查塑l 7 二7 发送螭 接收端 时阃 囤2 7 n 型n 螺q 嚣 狲 种淄批 粥撒 。 ；奁蚴拟 一一一一 黝 ，瓢贼 例 躺锨 至蔓查鲎望兰竺堡堡兰 h a r q ( 4 5 】。 i i i i i 型h a r q ，通过合并多次发送的数据，可以获得耍大的编码增益取分集增益。我 们可以看到，对于信道环境的变化，i i m i 型h a r q 比1 型h a r o 具有更好的自适应能力， 从而可以获得更大的吞吐量和更高的系统效率，但是它们也比l 型h a r 0 需要更多的信令， 占用了更多的带宽，同时控制也更加复杂，实现代价大。 由于每种h a r q 都有各自的技术特点和优缺点，所以实际系统中采用何种类型的t l , 、r q 需要综合考虑系统的各项因素，在性能和实现复杂度之间权铂，从而选择合适的h a r q 力 案。 盘莲端 接收蜡 时伺 圈2 8i l l 型1 - l a r o 2 3 3 g p p 中的h a r q 技术 存3 g p p 中，为了能够满足对高速数据业务需求的遇诛增长，特别是对移动踊特网业务 的需求，人们果用了多项关键技术， t a r q 技术便是其中之一。 2 3 1 重传实现方案 目前3 g p p 中采用了两种h , a l l q q 力案的应飓f 4 3 】【4 4 1 1 r l c 层上重传 尢线链路挖制( r l c ) 层上季传力式足矽垂传仂戍住为耽白r 1c 输协议的补充，它 第= 章h a r q 技术简介 涉及l 2 和l 3 层的操作。r l c 上重传对l i e ( u s e re q u i p m e n t ) 、n o d eb ，c r n c d r n c 以 及s r n c 在上行方向和下行方向连接时涉及如下五种可能的基本操作：( 1 ) t x 缓存：发送 端缓存数据以备重传；( 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；( 3 ) r x 软判缓存以便组合：接收端缓存接收的首次及重传数据以便组合译码；( 4 ) r x 对 r l c s d u 的重构缓存：缓存r l c - p d u 以重构r c l s d u ；( 5 ) 重传组合：首传与重传数据 的组合以便进彳亍差错纠正 2 l 1 层七重传 h s d p a 为了增强系统的传输能力，将h a r q 从r l c 层下移到物理层( p h y ) ，降低了 重传延时。l 1 层上重传的h a r q 又称快速h a r q ( f h a r q ) 。它通过在n o d eb 上增设快 速h a r q 功能来实现。h l a r o 采用信道s w - a r q 协议，最初m o t o r o l a 提议n = 2 ，即双 信道停等协议【4 0 】。它的特点是二一个连续的传输流在时间上分为两个子信道，而这两个信 道独立地执行s w - a r q 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。 在h s d p a 中，采用了更短的t 1 1 ，使得h a r q 时延变得更小；同时，h a r q 和自适应 调制与编码( a m c ) 联合使用：a m c 技术根据信道情况作出较粗的数据速率选择，而h a r q 则提供了基于信道条件的更细微的数据速率调整。这些措施，使得系统获得更好的性能。不 过，在h s d p a 中，a m c 与h a r q 只是联合工作，还没有更有机的融合，在后面我们将会 介绍如何更有效的联合a m c 和h a r q 技术。 2 3 2 常用h a r q 方案 1 c h a s e 合并 这里的c h a s e 合并方案指的是重发相同数据包的i j l 型h a r q ( 也有很多文献把它称为 软合并的i 类h a r q ) 。这一方案实现比较简单，容易工程实现。文献f 4 6 】讨论了基于调制 符号级和基于比特级的c h e 合并方案，认为基于符号级的c h a s e 台并在实现复杂度相当的 情况下，性能好于比特级的c h a s e 台并方案。 2 递增冗余( i r ) 在第三代移动通信系统中，一般通过r c p c 码和r c p t 码来实现1 1 1 1 1 型h a r q 。这些 方案都属于递增冗余a r q 。人们对l r 在3 g p p 中的系统性能和实现已经做了大量的研究 【4 5 4 7 5 0 1 。在3 g p p 中，l r 可以基于s r - a r q ，也可以基于s w - a r q 。基于s w - a r q 的 递增冗余根据初始发送和重发之问的定时关系可以分为三类：同步l r ，部分异步i r 和完全 异步i r 4 7 。 东南大学硕士学 盘论文 在同步i r 方案中，发送端可以灵活的选择第一次传输时问，而重传只能发生在与第一 次传输相关的固定时间段里。这个方案的缺点是：调度缺乏灵活性。不能允分利用多用户分 集增益；重传和初次传输使用帽同的速率。不能适应变化的信道情况芹变化的信道结构；当 小区的信道结构改变或者切换到新的小区时，可能会使得正在进行的传输中止。为了增加 m 的灵括性，所以人们提出了非同步的i r 。 如果重传的时间可以选择在某一固定时间的任意整数倍上，这就是部分异步i r 。它比 同步i r 灵活一些，但是重传限制在些固定的时问里会影响调度，并且限制了多用户分集 增益。 全异步佩可以提供更大程度的灵活性。不论是哪个用户，也不论是新的数据包还是重 传包，都可以在任何时间传输，这样就充分的利用了多用户分集增益。但是这是以增加复杂 度为代价的【4 5 】。 和简单的c h a s e 合并相比，1 r 需要更多的信令信息来标记每次重新发送的数据包：在 接收端需要更多的存储器；每次重发不能自身单独解码：在接收端，不需要存储符号信息， 而是需要存储比特的软信息。文献f 5 l 】分析了c h a s e 合并和l r 对h s d p a 系统性能影响，通 过仿真，认为i r 增加了大量的复杂度，但是和c h a s e 台并相比，却没有获得期望的性能增 益。 2 4基于物理层其他技术的h a r q 技术 前面介绍的h a r q 技术基本上都是基于纠错码原理，这也是一般h a r q 技术的概念。 现在，为了进一步提高系统性能，跨层( c r o s s l a y e r ) 设计逐渐成为研究热点。物理层其他 技术和a r q 的联合优化也成为一种必然趋势，我们把这种融合的技术也归入i - i a r q 技术。 目前，基于物理屡各项技术的h a r q 的研究已经取得了一定成果，部分方案已经进入3 g p p 的提案。 2 4 1 基于a m c 的h a r q 技术 在a m c 系统中，采用何种调制方式和编码码率是根据信道的状况而定。根据信道的状 况，调制方式动态地切换。每种调制方式对应一个接收信噪比( s n r ) 门限，由信噪比的 值来决定调制方式的改变