（信号与信息处理专业论文）无线通信中的高效混合arq研究.pdf

北京邮电大学博士论文摘要 摘要 h a r q 传送中，吞吐率和时延是两个主要的性能指标。一般来说，当码字 无错接收时，吞吐率是和传送时延是互相矛盾的。本论文研究了在保持系统吞吐 率的情况下，如何有效的降低传送时延，主要内容如下： 首先，提出了自适应的递增冗余( i r ) 的h a r q ，在第一次重传时根据信 道的状况确定重传的冗余内容，信道状态用前面数据的传输状态来表征。在保持 i r 方式高吞吐率的同时，降低码字的传输时延。根据重传冗余比特的不同，分 为两种：第一种方案重传打孔的校验比特，第二种除了校验比特以外，同时重传 译码器输出幅度最低的比特。前者的复杂度稍低于后者，但是前者只在a w g n 信道下有很好的结果，大约只需3 5 次传输就可以正确接收，而在衰落信道下的 性能稍羞。第二种方案则在衰落信道下也有很好的性能，正确接收时大约只需要 4 次传送。与原始的i r 方案相比，新方案最大可减少2 3 的传送次数，而吞吐率 则与原始方案非常接近，实现了低时延高吞吐率的目标。 其次，提出了一种新的多分组合并方式。h a r q 与a r q 的不同在于对传送 的信息进行了纠错编码，利用码字的纠错能力来提高信息被正确接收的概率。而 现有的两种h a r q 的多分组合并方式：分集合并和码字合并，都是利用信道的 输出值，即译码之前的信道符号来进行合并的，纠错的结果被丢弃了。新合并方 式利用了纠错的结果，将纠错译码的输出值看作是传输分组经过较好信道后的另 一次重传的输出分组，将其与当前收到的重传分组合并，提高了合并的准确性， 从而减少了码字重传次数。新方式在信噪比较低时，与码字合并相比，可以减少 近一半的传送次数，降低了传送时延。 最后，提出了一种新的有限存储的多重s r - a r q 方案，收端缓存大小为系 统的环路延时。新方案在初次发送失败后，在第一次重发时，根据信道状态设定 数据的发送次数，连续发送多个相同分组。这种方式可以把绝大部分的重传集中 在一起发送，极大的降低了传送的时延。分析了新方案的吞吐率，应用信号流图 北京邮电大学博士论文 摘要 分析了时延，并与基本a r q 和其他有限存储的s r 进行了比较。结果表明，新 方案的性能是最接近理想s r 的，吞吐率受环路时延变化的影响不大，而时延性 能则是大大低于其他的有限存储的a r q 。新方案适合用于大环路延时的系统， 如卫星通信。 关键词：无线通信混合a r q t u r b o 码传输时延吞吐率自适应 北京邮电人学| 尊士沧文 摘要 a b s t r a c t f o r h y b r i da r q ( h a r q ) s y s t e m ，t h et h r o u g h p u ta n dt h et r a n s m i s s i o nd e l a ya r e t h et w o p r i m a r yp e r f o r m a n c ef a c t o r s g e n e r a l l y ，t h et r a d e o f fb e t w e e nt h et w oa s p e c t s i sad i l e m m a ，w h i c hi se s p e c i a l l yo u t s t a n d i n gi nh i g hs p e e dd a t ac o m m u n i c a t i o n s i n t h i s d i s s e r t a t i o n ，w et r y t of i n ds o m en e wc o r r e l a t i v e a r qs c h e m e st o a c h i e v e c o m p a r a t i v et h r o u g h p u t w i t hl o wt r a n s m i s s i o n d e l a y f i r s t l y , an e wa 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 ( i r ) h a r q i sp r o p o s e d ，w h i c h s e n d st h e r e d u n d a n c y b i t s a c c o r d i n g t ot h ec h a n n e l c o n d i t i o ni nt h ef i r s t r e t r a n s m i s s i o n i nt h i ss c h e m e ，t h ec h a n n e lc o n d i t i o nc a nb er e f l e c t e d b y t h e t r a n s m i s s i o ns t a t u so ft h e p r e v i o u sp a c k e t s a c c o r d i n g t ot h ek i n d so ft h e r e t r a n s m i s s i o nb i t s ，t w os t n l c 嘛sa r ep r o p o s e d o n ei st or e t r a n s m i to n l yp a r i t yb i t s ， a n dt h eo t h e ri st or e t r a n s m i tm o r er e d u n d a n c yi n c l u d i n gp a r i t yb i t sa n dt h es y s t e m b i t sw i t ht h el o w e s td e c o d e ro u t p u tm a g n i t u d e s t h ec o m p l e x i t yo ft h ef o r m e ri s l o w e rt h a nt h a to ft h el a t t e r w ea n a l y z eh o wt h et h r o u g h o u ta n dt h et r a n s m i s s i o n d e l a yo ft h et w os c h e m e sv a r yw i t ht h ec h a n n e lf a d i n gc o n d i t i o n ，a n df i n dt h a tt h e d e l a yp e r f o r m a n c e o ft h el a t t e re x c e e d st h ef o r m e r t h ef o r m e rn e e d s3 5 t r a n s m i s s i o n st or e c e i v ep a c k e tn oe r r o r so v e ra w g n c h a n n e l ，w h i l et h el a t t e rn e e d s o n l y4t r a n s m i s s i o n s t or e c e i v ep a c k e tn oe r r o r so v e rr a y l e i g hf a d i n gc h a r m e lb u tt h e f o r m e rn e e d sm o r et oo v e rt h es a n l ec h a n n e l i nc o m p a r i s i o nw i t ho r i g i n a li rh a r q ， t h en e wi rh a r qr e d u e s2 3t r a n m i s s i o n sa tm o s ta n d k e e pt h et h r o u g h p u tv e r y c l o s e t ot h a to fo r i g i n a li rh a r q ，a c h i e v i n gt h et r a d e o f fb e t w e e nt h et r a n s m i s s i o nd e l a y a n dt h et h r o u g h p u t s e c o n d l y ，a n e w m u l t i p l ep a c k e tc o m b i n i n gm e t h o d i sp r o p o s e d i nc o m p a r i s o n w i t hp u r ea r q s y s t e m ，h a r q c a l li m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e mb yt h ef e c b u tt w oe x i s t i n gh a r q p a c k e tc o m b i n i n gm e t h o d s ，d i v e r s i t yc o m b i n i n ga n dc o d e i l l 北京邮电大学博七论文摘要 c o m b i n i n g ，o n l yc o m b i n et h ec h a n n e lo u t p u ts y m b o l sb e f o r ed e e o d i n g ，n 6 tm a 函哩 u s eo ft h ed e c o d e ro u t p u t c o n s i d e r i n gt h ec o r r e c t i n ga b i l i t yo ff e c ，o u t p u tc o d e c o m b i n i n g i sp r o p o s e d 。t h eo u t p u to fd e c o d e rc a nb ev i e w e da sa n o t h e ro u t p u to ft h e p a c k e tp a s s i n gt h r o u g hab e t t e rc h a n n e l s oi t c a nb ec o m b i n e dw i t hn e wr e c e i v e d c h a n n e le r r o n e o u so u t p u t b ym e a f f l so f 删y t i c a ld e r i v a t i o n sa n ds i m u l a t i o n ，n e w c o m b i n i n g s c h e m e o u t p e r f o r m se x i s t i n g s c h e m e s i t g r e a t l y r e d u c e s s y s t e m t r a n s m i s s i o nd e l a yw i t h o u tr e m a r k a b l ec o m p l e x i t yi n c r e a s e s f i n a l l y ，an e wr e p e a t e dt r a n s m i s s i o n ss e l e c t i v e - r e p e a t e ds c h e m ei sp r o p o s e d ， w h o s er e c i e v eb u f f e rs i z ee q u a l st ot h es y s t e mr o u n dl o o pd e l a y ( r t d ) n e ws c h e m e s e n d s m u l t i p l ep a c k e tc o p i e s f o rt h ef i r s tr e t r a n s m i s s i o nw h o s en u m b e ri ss e t a c c o r d i n g t ot h ec h a n n e ls t a t ea f t e rt h ei n i t i a lt r a n s r n i s s i o nf a i l e d t h i sk i n ds r s c h e m es e n d sa m a j o r i t yo fp a c k e tc o p i e si no n er e t r a n s m i s s i o n ，s oc a ng r e a t l y r e d u c e t h et r a n s m i s s i o nd e l a y w ea n a l y s et h et h r o u g h p u tb yp r o b a b i l i t ya n dt h et r a n s m i s s i o n d e l a yb yt h es i g n a lf l o wg r a p h s i nc o m p a r i s i o nw i t ht r e eb a s i ca r q a c h e m e sa n d a n o t h e rs rs c h e m ew i t hf i n i t er e c e i v eb u f f e r , n e ws c h e m ei st h em o s tc l o s et h ei d e a l s r ，w h o s et h r o u g h p u ti sm a i n l ya f f e c t e db y e r r o rp r o b a b i l i t ya n dt r a n s m i s s i o nd e l a y i sl o w e rt h a no t h e ra r qa c h e m e sw i mf i n i t er e c e i v eb u f f e r t h es y s t e mr t d h a si r f l e e f f e c to nn e ws rs c h e m e s oi ti ss u i t a b l ef o rl a r g er t dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m , l i k e s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s k e yw o r d s ：w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，h y b r i da r q ，t u r b oc o d e s ，t r a n s m i s s i o n d e l a y , t h r o u g h p u t , a d a p t i v e 独创性说明 本人声明所呈交的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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或 论文而使用过的材料。与我一i 司工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 签名：毪盔垒聋日期：加夕年月矽日 关于论文使用授权的说明 本论文作者完全了解北京邮电大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构交送论文的复印件，允许论文被查阅和借阅。本人授权北 京邮电大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名戳导师签名 鸟错 日期：叫彳月冲日 北京邮电人学博士论文 第章引言 第一章引言 信息社会高速发展的今天，数据业务在各种新业务中所占的比例越来越大， 如g s m 中的短信服务( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ，s m s ) 及通用分组无线服务 ( g e n e r a lp a c k e ts e r v i c e ，g p r s ) 。第三代( t h i r d g e n e r a t i o n ，3 g ) 无线通信中， 数据传输也将成为主要的业务类型之一【1 1 。与其他业务类型相比，数据业务对 传输的可靠性要求极高，至少要达到l o 6 的等级，丽近来出现的各种金融类业务， 则更是要求完全无错的传输。但是无线信道的传播环境非常恶劣，受到各种衰落 及噪声的干扰，还会受到诸如多径效应和多普勒频移等因素的制约，极大的影响 了通信的质量。这对数据传输，尤其是高速数据传输提出了挑战。因此，有效的 差错控制技术就变成了当前无线通信的个关键问题。差错控制可以分为两个主 要类型：前向纠错码( f o r w a r de r r o r - c o r r e c t i o nc o d e ，f e c ) 【2 和自动重传请求 ( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ，n r q ) 【3 】。f e c 引入了冗余信息，使码字具有对于 错误的纠正能力，可以克服一定的干扰。但它是单向的通信方式，不存在重传过 程，当错误不能纠正时，也要接收，系统的吞吐率是恒定的。而无线通信时，超 出码字纠错能力的错误发生的概率非常大，所以f e c 的传输可靠性并不高。a r q 方式则是通过对发生错误的数据包进行重传来达到提高传输可靠性的目的，这种 重传可以直进行到数据包正确接收为止，从而实现真正的无错传输。但是a r q 只有检错功能，没有纠错功能，数据包能否正确接收完全依赖于信道状况。当信 道较差，错误率较高时，系统将频繁的进行重传，从而导致系统吞吐率的急剧下 降。这两种方式各有优缺点。若将二者结合起来，则可以取长补短，获得更好的 性能，这种包含了f e c 子系统的a r q 称为混合a r q ( h y b r i d a r q ) 【4 8 】。 数据业务虽然般不是实时业务，但是传输的时延也不能太长。随着通信 技术的发展，尤其是高速传输技术的出现，时延对于通信系统的影响变得日益显 著 9 。如何在保证传输可靠性的前提下，降低数据传输的时延，同时保证较高 的吞吐率，就变成了一个重要的问题，这正是本论文的目标所在。 北京邮电人学博十论文 第一章引言 1 。1h a r q 简介 根据重传内容的不l j ，h a r q 可以分为两类【3 】：第一类( t y p e i ) 和第二类 ( t y p e - 1 1 ) 。第一类h a r q 是f e c 和a r q 的简单结合，只是将a r q 中传送的码 字进行纠错编码，每次重传码字与先前传送的码字完全相同。第二类h a r q 则 是将码字的信息部分与校验部分分开传送，对信道有一定的适应性。后者是 h a r q 研究的重点。 1 1 1 第一类h a r q 第一类h a r q 中，发送的码字是可以独立译码的完整码字。对于接收端来 说，收到一个分组后，首先进行译码，纠错，若是能纠正分组中的错误，正确译 码，则接受该分组；若是无法正确恢复该分组，则丢弃这个收到的分组，同时发 送一个n a c k 回发送端，要求发端重传一个同样的分组。具体的重传过程如图 1 1 所示。这种方式结构简单，具有恒定的纠错能力，但是它的缺点也是非常突 出的：每次重传的内容都一样，无法适应变化的信道。而无线通信中的信道是时 圈1 - 1 第一类h a r q 的重传过程 2 北京邮电大学博士论文第一章引言 刻变化的，这就带来了如下问题：一方面，信道很好的时候，系统不需要很强的 纠错能力，多余校验位的传输就会浪费信道资源，导致吞吐率的降低：另一方面， 信道较差的时候，纠错码提供的纠错能力显得力不从心，许多错误无法纠正，只 能依靠不断的重传来解决问题，这样也影响了吞吐率的提高。所以它只适用于信 道状况较稳定的情形，如有线传输。 1 1 2 第二类h a r q 如上节所述，第一类i - i a r q 不保存错误的分组，因此不能利用出错分组的 有用信息，只能单纯利用f e c 的纠错能力：其次对信道基本没有适应能力，导 致吞吐率无法提高。因此，若对h a r q 加以改进，使h a r q 能够利用信道信息， 根据信道的变化调整纠错能力，就可以极大的提高系统的吞吐率。第二类h a r q 就是基于这种思想产生的。 改进h a r q 的纠错能力可以从两个方面着手。是充分利用出错数据中的 有用信息，提高新分组的纠错能力。也就是说对于无法正确译码的数据分组，收 端不是简单抛弃，而是先保留下来，待重传的分组收到后，和保留下来的错误分 组合并在一起，然后在进行译码。这种方法称为合并( c o m b i n i n g ) 技术【6 0 6 4 】。 因为合并后的信号的信噪比高于单独传输的信号的信噪比，必然能够增加正确译 码的概率，从而提高纠错能力。对收到的数据分组采用合并的方法，而不是简单 的丢弃无法正确译码的分组，是第二类h a r q 相对于第一类h a r q 的最大改进， 也是其最大的特点。尤其是在噪声较大的信遁中，合并技术对于吞吐率的改善是 非常显著的。 二是发端递增冗余。发端在发送码字时，逐渐增加码字冗余：首先尝试发 送纠错能力较低的码，若错误超出其纠错能力，则在重传时降低编码速率，重新 发送，称为递增冗余( i n c r e m e n t a lr e d u n d a n c y ，i r ，) 技术。也就是说，i r 不是 每次重传都采用同一个码字，词一种编码速率的，而是根据前一次解码的结果来 决定下一次发送的码字的编码速率的。若是没能正确解码，收端发送n a c k ，于 是发端自动降低下一次发送的码字的编码速率，也就是增大冗余度，以更好的适 北京邮电人学博士论文第一章引言 应当前信道。最初的二类h a r q 没有采用i r 技术，重传的分组都是与初次传送 相同的数据，因此不能根据每次译码的情况调整发端速率。采用i r 技术后，可 以适应信道特性，自适应的发送冗余信息，能够更为有效的传送有效信息。目前 的第一二类h a r q 一般都是包含了i r 的h a r q ，称为递增冗余h a r q 3 5 - 3 8 。第 二类h a r q 的重传过程如图1 2 所示。 合并技术和递增冗余通常是结合在一起的，即初次传送时，发端只发送信 息部分和高速率编码对应的校验部分，若未能正确译码，则发送低速率编码对应 的剩余校验部分。接收端将两次接收到的数据分组合并，构成一个低速率的码字， 进行译码。这种方式可以使码字的纠错能力适应信道的状况：信道好的时候可以 不发送多余的校验部分，没有浪费，提高了吞吐率；信道差的时候利用前面错误 分组的信息，合并译码，提高码字的纠错能力，从而尽快的正确译码，减少重传 的次数，也相对的提高了吞吐率。重传机制如图1 2 所示。 第二类h a r q 中，根据重传码字的不同，又可以分为三种类型：c h a s e 合 并( c c ：c h a s ec o m b i n i n g ) 方式、全递增冗余( f u l li r ) 方式和部分递增冗余 ( p a r ti r ) 方式 1 0 l ： 图1 - 2 第二类h a r q 的蕈传过程 北京邮电大学博士论文第一章引言 1 c c 方式是指每次重传发送的码字与初传完全相同，包括信息位和同样的校 验位。接收端保存收到的无法正确译码的码字，将其和重传分组合并，合 并时根据每个分组发送时的信道信噪比进行加权合并，然后在进行译码。 2 f u l li r 方式是指每次重传发送的码字都各不相同，没有重复的比特位。第 一次发送的码字中包含信息位或者一部分冗余的校验位，重传的码宇则只 包含校验位，不包含以前传输中已经传送过的信息位和校验位。 3 ，p a r ti r 方式是c c 方式和f u l li r 方式的综合，每次传输的码字中都包含信 息位和校验位，只是校验位各不相同，是可以自解码的。 这三种方式各有优缺点：c c 方式所需的接收端缓存较小，信令相对简单， 但是性能改善有限；两种i r 方式中，在同样传输速率的情况下，f u l li r 方式重 传增加的冗余更多，因此性能更好一些，但是由于它重传的冗余码字中不包含信 息位，是不能单独译码的，必须和第一次传送的码字一起译码。因此，若是在信 道条件很差的情况下，第一次发送的数据丢失了或是损坏严重，后面重传的冗余 码字就不能进行译码了。而p a r ti r 则没有这个问题，每次传送的分组既可以单 独译码，又可以合并为一个新的分组进行译码。实际系统当中，一般采用部分i r 和c c 的更多一些。 1 2h a r q 在未来无线通信中的应用前景 从广义上来说，h a r q 是一种链路自适应技术，可以使数据传输适应信道 的状况，从而提高数据传输的效率。h a r q 已经在第3 代无线通信中获得了应用 1 1 。目前，3 g 已经进入了商用阶段。但是相对于无线数据业务的发展，3 g 的 传输速率仍然不足：3 g 的峰值速率只有2 m b p s ，演迸的3 g 系统也只能保证峰值 速率在1 0 8 1 d b p s ，并且不能保证系统中每个用户都能得到这种服务。这种速率， 对于未来的移动计算、多媒体等业务而言，数据率仍太低，和光纤传输相比更相 差很远。人们开始了对下一代移动通信的研究，称为后3 g ( 4 g ) 。到目前为止， 后3 g 还没有统一的标准，但是在一些关键方面，人们已经达成了共识。在网络 架构方面，未来网络应与因特网结合，以i p 协议为基础；包含多个异质网络， 北京邮电大学博士论文第一章引占 能够无缝切换等等u 2 1 4 。在具体的数据传输方面，后3 g 的特点是【1 5 - 1 7 ： 后3 g 应该能够为用户提供速率更快、质量更高的数据传输能力。对于广 域覆盖，数据速率要达到1 0 0 m b i t s ，对局部覆盖，速率耍达到1 g b 似s 。同时， 要保证用户不同移动性要求、不同地区的连续覆盖、满足非对称的上下行速率、 对不同业务采用要求更高的分层的q o s 控南0 等。 后3 g 系统的容量更高，尤其对于数据通信。3 g 中w c d m a + h s d p a 最 高可达到0 5 1 0 b i t s h z ，而4 g 中单小区情况下要最高达到5 - 1 0 b i t s h z ，多小区 情况下要远大于1b i t s h z ( n o k i a ) 。 后3 g 系统使用的频段会更高，系统带宽会更宽，将达到5 0 m h z ( e r r i s o n ) 。 综合而言，后3 g 就是要提高速率，扩展频率，增大容量。相伴而来的就是 更严重的衰落干扰和对传输效率的更高要求。要解决这些问题，后3 g 系统采用 了多种新技术，物理层的核心技术主要是正交频分复用( o f d m ) 1 8 ，1 9 和多入 多出( m 【m o ) 技术【2 0 1 。 o f d m 起源于多载波技术，可以通过d f t 实现。其主要思想是将倍道分 成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速予数据流，调制在每个 子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可 以减少子信道之间的相互干扰( i c i ) 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关 带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。 而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的- d , 部分，信道均筏就变得相对 容易。o f d m 技术的最大优点是能够对抗多径衰落，极大的提高了频谱利用率。 适于在存在多径传输和多普勒频移的移动无线信道下传输高数据速率的信息。 m i m o 是实现高速率数据传输的另一个重要途径，它可以简单的定义为 在一个任意的无线系统中，链路的发端和收端都使用多天线。该技术的关键是能 够将传统通信系统中存在的多径影响因素转变成对用户通信性能有利的增强因 素，有效地利用随机衰落和可能存在的多径传播，从而在不增加带宽的情况下成 倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。空时码 2 1 ，2 2 年1 1 智能天线【2 3 1 都是 m i m o 理论的应用体现。 6 北京邮电大学博士论文第一章引苦 从本质上说，各种后3 g 关键技术的核心目的就是更有效的利用无线通信中 的各种资源，如空间、时间和频率等。 j a r q 做为能够更有效利用资源，提高数 据传输效率的种方式，也成为建立高速率大容量系统的重要特征。它在后3 g 系统中的应用，主要是和各种关键技术结合。如目前出现的与o f d m 结合的 h a r q 2 4 ，应用空时码的h a r q 等【2 5 】。随着更多后3 g 关键技术的出现，h a r q 在未来应用的范围会越来越广泛。 1 3 论文所做工作及内容安排 h a r q 传送中，吞吐率和时延是两个主要的性能指标。一般来说，当码字 无错接收时，吞吐率和传送时延是互相矛盾的。为了适应高速高可靠性的通信要 求，本文对低时延的h a r q 系统进行了详细的探讨，使用高可靠性的t u r b o 码 做为h a r q 的f e c ，在保证系统吞吐率的条件下，对能够减少码字传输时延的 各个方面进行了研究，主要内容如下： 第二章首先分析了应用t u r b o 码的h a r q 的特点，根据重传内容的不同， 分为两类：固定重传图样和可变重传图样。i r 属于固定重传图样，实现简单， 但是存在传送次数多，时延大的缺点。为了解决这一问题，提出了两种自适应的 递增冗余( i r ) 的h a r q ，在第一次重传时根据信道的状况确定重传的冗余内容， 信道状态用前面数据的传输状态来表征。在保持i r 方式高吞吐率的同时，降低 码字的传输时延。根据重传冗余比特的不同，分为两种：第种方案重传打孔的 校验比特，第二种除了校验比特以外，同时重传译码器输出幅度最低的比特。前 者的复杂度稍低于后者，但是前者只在a w g n 信道下有很好的结果，大约只需 3 5 次传输就可以正确接收，而在衰落信道下的性能稍差。第二种方案则在衰落 信道下也有很好的性能正确接收时大约只需要4 次传送。与原始的i r 方案相 比，新方案最大可减少2 3 的传送次数，而吞吐率则与原始方案非常接近，实现 了低时延高吞吐率的目标。 第三章提出了一种新的多分组合并方式。h a r q 与a r q 的不同在于对传送 的信息进? f y 纠错编码，利用码字的纠错能力来提高信息被正确接收的概率。而 北京邮电人学博十论文第。章引高 现有的两种多分组的合并方式：分集合并和码字合并，都是利用信道的输出值， 即纠错之前的信道符号来进行合并的，纠错的结果被丢弃了。新合并方式利用了 纠错的结果。将纠错译码的输出值看作是传输分组经过较好信道后的另一次重传 的输出分组，将其与重传分组合并，提高了合并的准确性，从而减少了码字重传 次数。薪方式在信噪比较低时，与码字合并相比，可以减少一半的传送次数，极 大的降低了传送时延。 第四章分析了采用s r 方式，存储空间有限时r t n r q 的流量效率和时间效 率，推导了该h a r q 的吞吐率和传送次数公式，并根据不同种类h a r q 的特点 进行了化简。应用t u r b o 码的h a r q 的仿真结果验证了该公式，结果表明，收 端存储大小为系统往复时延时，可以在大部分范围内实现与收端无限存储相同的 性能，因此系统可以降低实际所用的存储器的大小。分析了不同码率的t u r b o h a r q 的性能，结果表明低码率适用于低信噪比，高码率适用于高信噪比，在实 际应用时，应根据应用的环境来选取合适的码率。 第五章提出了一种新的有限存储的多重s r 方案，收端缓存大小为系统的环 路延时。新方案在第一次发送失败后，在第二次发送时，根据信道状态设定重传 次数，发送多个相同分组。这种方式可以把绝大部分的重传集中在一起发送，极 大的降低了传送的时延。分析了新方案的吞吐率，应用信号流图分析了时延，并 与基本a r q 和其他有限存储的s r 进行了比较。结果表明，理想s r 是三种基本 a r q 中性能最好的，吞吐率仅受到信道错误率的影响。新方案的性能是最接近 s r 的，吞吐率受环路时延变化的影响不大，而时延性能则是大大低于其他的有 限存储的a r q 。新方案适合用于大环路延时的系统，如卫星通信。 最后，我们对论文的工作作了整体的总结，并对可以进步研究的问题进行 了展望。 北京邮电大学博士论文 第二章t u r b oh a r q 性能研究 _ vi ii i 一i - _ _ - 第二章t u r b oh a r q 性能研究 纠错码是h a r q 的重要组成部分，也称为f e c 子系统，它直接决定了h a r q 方案的吞吐率特性和复杂度。分组码和卷积码均可用于h a r q 中，比如分组码 中的r s 码 2 6 ，2 7 、b c h 码【2 8 】、h a n u n i n g 码 2 9 1 、乘积码 3 0 l 、z i g z a g 码【3 1 】等。 卷积码中最常用的是速率兼容打孔卷积码 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 lc o d e s ， r c p c ) 3 2 1 。还可以选用t u r b o 码 3 3 4 0 和低密度校验码 ( l o w d e n s i t yp a r i t y c h e c kc o d e s ，l d p c ) 【5 0 这样近s h a n n o n 限的码。一般而 言，h a r q 的f e c 子系统越复杂，其吞吐率特性就越好，相应的系统结构就越 复杂，数据处理引起的时延越大。应用简单的码字，如各种分组码可以降低系统 的结构复杂度，但是在信道环境较差的时候，需要大量的重传才能实现可靠接收。 而无线通信的环境是相对比较恶劣的，信号能量不仅随着传输距离的增加迅速衰 减，还会受到诸如多径效应和多普勒频移等因素的影响，极大的降低系统的性能。 因此，选择一个能够克服无线信道衰落的合适的f e c ，兼顾h a r q 的吞吐率和 时延，是非常重要的。t u r b o 码的性能优异，已在3 g 通信系统中得到了应用 1 】。 虽然它的译码相对复杂，但是随着芯片制造工艺的进步和相应译码算法的研究， 运算时延正在变得越来越小。因此，我们选用t u r b o 码做为h a r q 的f e c 子系 统。针对t u r b o 码译码时延大的缺点加以改进，提高h a r q 传送的效率。 本章首先对t u r b o 码在各类h a r q 的应用进行了概括。根据t u r b o 码h a r q 应用的特点，提出了自适应的第二类h a r q ，并基于比特可靠性的思想，对自适 应算法加以改进，提出了基于比特可靠性的自适应算法。最后，通过仿真比较了 这两种自适应算法的性能。 2 1t u r b o 码在h a r q 中的应用 h a r q 中的f e c 直接影响着系统性能的好坏。在信道较差，信噪比很低的 时候，只有选择纠错能力强的码字，才可能获得较好的系统性能。考虑到t u r b o 9 北京邮电人学博士论文 第二卓t u r b oh a r q 性能研究 码的优良表现，人们将其应用到h a r q 中，尤其是传输环境较为恶劣的情况下， 获得了很好的性能表现。本节首先对t u r b o 码进行简要的介绍，其次介绍t u r b o 码在h a r q 的几种典型应用。 2 1 1t u r b o 简介 t u r b o 码由b e r r o u ，c l a v i e u x 和t h t i m a j s h i m a 于1 9 9 3 年首次提出 4 1 1 ，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：l 司时，采用软输出迭代 译码来逼近最大似然译码。模拟结果表示，如果采用大小为6 5 5 3 5 的随机交织器， 并且进行1 8 次迭代，则在玩0 0 7 d b 时，码率为1 2 的t u r b o 码在a w g n 信道上的误比特率( b e r ) 1 0 ，接近s h a n n o n 限的性能( 1 2 码率的s h a n n o n 限是o d b ) 。这一超乎寻常的优异性能立即引起了信息与编码理论界的极大关注， 开始应用于实际的通信系统。 二1 磊j _ j 验位1 复 接 交织器| 器 r s c 2 _ 校验磐 图2 - 1t u r b o 码编码器框图 ii 厂仁丝l o 嘲。峰塑+ 厂聂i hl 1e 二二二；二二二二 观叭r 1 兰竺篓r _ 1 i 解f 信息位i 一 | | 坐叫曩1 南厂一一二1 jll j 爿i 开丛虬何磊计一j l 涵面l 坛f l j 葡决输苫 图2 - 2t u r b o 码译码器框图 l o 北京邮电大学博士论文 第二章t u r b ou a r q 性能研究 标准t u r b o 码 4 3 的编码器结构如图2 - 1 所示，编码器由两个系统递归卷积 码( r s c ) 并行级联构成，中间由一个交织器连接，所以又称并行级联卷积码 ( p c c c ) 。当然t u r b o 码也有串行级联方式，称为串行级联卷积码( s c c c ) 4 2 。 实践中最常用的还是并行级联的方式，第三代移动通信中的w c d m a 和 c d m a 2 0 0 0 的t u r b o 码采用的都是p c c c 。编码器的输出序列包括信息位和两个 校验位，编码速率为1 3 。轮漉删除两个校验位就可以得到码率为1 2 的码。通 过不同的校验位删除方式就可以得到各种不同速率的t u r b o 码。 t u r b o 码的标准译码器结构如图2 - 2 所示。与编码器对应，译码器将收到的 数据分为三个序剜：信息位，校验位l 和校验位2 ，在两个分量码译码器( d e c ) 之间进行迭代译码，译码器之间传递去掉正反馈的外信息。整个译码反馈迭代过 程类似涡轮( t u r b o ) 工作，所以又形象的称为t u r b o 码。d e c l 和d e c 2 采用软 入软出( s i s o ) 译码算法，主要有两种：最大后验概率( m a p ) 算法和软输出 的维特比( s o v a ) 算法。交织器是与编码器中同样结构的交织器。解交织器则 是将交织后的数据恢复到未交织时的位置。 2 1 2i - i a r q 应用 自从t u r b o 出现以后，由于其优越的性能，人们迅速将其应用到了h a r q 中。n a r a y a n a n 首先将t u r b o 码用于a r q 传送 3 3 】，通过增加成员码的数目，重 传不同交织器的输出来实现性能提高。随后出现了大量的研究 3 4 - 4 0 , 4 4 4 8 1 。除 了单一应用t u r b o 码以外，利用t u r b o 码的思想构筑组合码字用于h a r q 也是 研究的方向，如t u r b o 空时码的h a r q 5 l ，5 2 ，级联码的h a r q 5 3 。 我们将分组每次传送数据对应的不同比特位置称为重传图样。根据重传内 容的不同，t u r b o 码在h a r q 中的应用又可分为固定重传图样和可变重传图样两 种方式。前者每次重传时发送的重传内容是规定好的，收发端的重传图样同步变 化，不需要额外的信令通知。而后者每次重传的内容是伴随信道条件的变化而变 化的，收端在反馈n a c k 时，需要额外的信道向发端反馈下次需要重传的内容。 前者信令简单，但是效率没有后者高。后者纠错能力更高一些，但是实现相对复 北京邮电人学博十论文第_ 章t u r b oh a r q 性能研究 杂，需要额外的反馈信道和信令。 固定重传图样的典型应用是d n r o w i t c h 和lb m i l s t e i n 提出的速率兼容 打孔t u r b o 码( r c p t 码) 【3 4 ，3 5 】，对满速率的母码进行速率兼容的打孔发送。 这类码可提供较好的通过率和可靠性，并且具有较强的鲁棒性，得到了广泛的应 用。许多文献 4 4 ，4 6 ，4 8 均将r c p t 码应用于递增冗余h a r q 系统中，即系统以 重发递增的冗余回应收端译码失败的重发请求。可变重传图样的方式有基于比特 可靠性的h a r q ( r b h a r q ) 【3 9 ，4 0 1 和级联译码的 5 9 1 。前者若分组错误，则 将s i s o 译码器输出的对数似然比低于门限的信息位重发。后者采用级联编码， 对外码译码器与内码译码器各自判决不同的信息位重发。这类方式重传效果好， 分组很快就能正确接收，但是反馈信道复杂，信令容量大。 2 1 3 速率兼容打孔t u r b o 码 速率兼容打孔t u r b o 码最早出现于1 9 9 7 年，【3 4 ，5 6 ，5 7 备自独立提出了在 h a r q 中使用打孔速率兼容t u r b o 的思想。【5 6 ，5 7 】只提供了速率为1 、2 3 和3 4 的打孔码，而d n r o w i t c h 和l b m i l s t e i n 将速率兼容打孔卷积码( r c p c ) ( 3 2 】 的原理引入了t u r b o 码，提供了最高可达8 9 速率的各种不同码率的打孔码，并 给出了适应不同信道条件的最优打孔矩阵组【3 5 】。【3 5 】中的r c p t 码在信噪比较 低时，性能接近s h a n n o n 限，而