（通信与信息系统专业论文）混合arq技术在edge系统中的应用.pdf

摘要 摘要 有效性和可靠性是通信系统两大永恒的主题。混合a r q 和自适应调制编码技术的结合恰恰体现 了对通信有效性和可靠性双重性能指标的联合关注和保证。3 g p p 已把它们作为第三代移动通信后期 高速数据传输的关键技术。本论文正是在此背景下，以e d g e + 移动通信系统作为平台，对混合a r q 和自适应调制编码技术进行了深入细致地研究。 首先，论文系统阐述了混合a r q 、自适应调制编码以及两者相结合技术的基本原理，分类介绍 了混合a r q 的工作机制，并对h a r q 和a m c 技术在e d g e + 系统中的应用进行了说明。 其次，论文在介绍c h a s e 合并和星座图重构h a r q 两种方案原理的基础上，对其进行了仿真分析。 仿真结果表明，这两种单一冗余h a r q 方案能提高系统性能，但由于重传编码块不包含新的冗余信 息，因此，系统性能增益有限，而且抵抗信道衰落的能力不强。 再次，论文详细讨论了r c p c 一混合i i i 型a r q 和基于不同编码方式重传h a r q 的实现方案和系统 性能，并和单一冗余方案的h a r q 性能进行了比较，分析表明，r c p c - 混合型a r q 方案能大大提 高系统吞吐量和误块率性能，并能有效的抵抗信道衰落。基于不同编码方式重传的h a r q 方案，能 取得吞吐量和误块率性能上的折中，为系统设计提供了一种可行的方案。 最后，论文重点研究了a m c 以及a m c 与h a r q 相结合的技术，分析了信噪比估计误差对a m c 系统性能的影响以及h a r q 技术对于自适应调制编码系统的作用。通过仿真可以看到a m c 技术能 大大提高系统性能，而混合a r q 技术的运用则降低了a m c 系统对信道质量估计方差的敏感度并且 能提高a m c 系统吞吐量性能。 关键字：混合a r q ，e d g e + ，星座图重构，r c p c ，自适应调制编码 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t e f f i c i e n c ya n dr o b u s t n e s sa r et w om a i nt o p i c sf o rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h ec o m b i n a t i o no f a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ( a m c ) a n dh y b r i da r q ( h a r q ) j u s ts h o w st h ej o i n tc o n s i d e r a t i o na n d e n s u r eo ft h e s et w ot o p i c s 3 g p pt r e a tt h e ma sk e yt e c h n i q u e so fh i g hr a t ed a t at r a n s m i t i o n i nt h i sc o n t e x t ， t h i sp a p e rs t u d i e st h ea m ca n dh a r qt e c h n i q u e sb a s e do nt h ep l a t f o r mo fe d g e + c o m m u n i c a t i o n s y s t e m si n - d e p t ha n dm e t i c u l o u s l y f i r s t l y , t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e so fh y b r i da r q ，a m ca n dt h e i rc o m b i n a t i o na r es y s t e m a t i c a l l y d e s c r i b e d c l a s s i f i e dd i s c u s s i o no ft h em e c h a n i s mo fv a r i o u st y p e so fh y b r i da r qa n dd e s c r i p t i o n so ft h e i m p l e m e n t a t i o nm e t h o d so ft h e s et w ot e c h n o l o g i e si ne d g e + s y s t e ma r ep r e s e n t e d 。 s e c o n d l y , o nt h e b a s i so fi n t r o d u c i n gt h e p r i n c i p l e o fc h a s ec o n b i n a t i o na n dc o n s t e l l a t i o n r e a r r a n g e m e n th a r q ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e s et w os i n g l er e d u n d a n c yh a r qs c h e m e sc a n i m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e ，b u tt h ep e r f o r m a n c eg a i ni sl i m i t e da n dr e s i s t a n c et ot h ec h a n n e lf a d i n gi s n o ts t r o n gb e c a u s eo ft h er e t r a n s m i s s i o nc o d e db l o c k sc o n t a i nn on e wr e d u n d a n c yi m f o r m a t i o n t h i r d l y , i m p l e m e n t a t i o ns c h e m ea n ds y s t e mp e r f o r m a n c eo fr c p c - h y b r i dt y p e - - 1 1 1a r q a n du s i n g d i f f e r e n tm c sf o rr e t r a n s m i t i o nh a r qa r ed i s c u s s e di nd e t a i l ，a n dt h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s i o nw i t h s i n g l er e d u n d a n c yh a r qs c h e m ea r ep r e s e n t e d t h ea n a l y s i ss h o wt h a tr c p c - h y b r i dt y p e i i ia r qc a n g r e a t l y + i m p r o v et h es y s t e mt h r o u g h p u ta n db l e rp e r f o r m a n c e ，f u r t h e rm o r e ，i tc a nr e s i s tc h a n n e lf a d i n g e f f e c t i v e l y u s i n gd i f f e r e n tm c s f o rr e t r a n s m i t t i n gh a r qc a na c h i e v eat r a d eo f fb e t w e e nt h r o u g h p u ta n d b l e r p e r f o r m a n c e ，s oi tp r o v i d eaf e a s i b l es c h e m ef o rs y s t e md e s i g n f i n a l l y , t h ep a p e rf o c u s e so nt h et e c h n o l o g i e so fa m ca n dt h ec o m b i n a t i o no fa m ca n dh a r q a n a l y s i so ft h ei n f l u e n c eo fs n re s t i m a t i o ne r r o ro nt h ea m cs y s t e mp e r f o r m a n c ea n dt h ea f f e c t i o no f h a r qt oa m cs y s t e ma r ep r e s e n t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea p p l i c a t i o no fh a r qt e c h n i q u e c a nr e d u c et h es e n s i t i v i t yo fs n re s t i m a t i o ne r r o ri na m cs y s t e ma n dt h ea m ca n dt h ec o m b i n a t i o no f a m ca n dh a r qc a ng r e a t l yi m p r o v es y s t e mt h r o u g h p u tp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：h y b r i da r q ，e d g e + ，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 ，r c p c ，a m c i i 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已在论文中作了明确的说踢并 表示了谢意。 研究生签名： 弛日期：彤 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：互丝尘乙导师签名i 醢日期： 半3 第一章绪论 第一章绪论 移动通信是当今最为活跃和发展最为迅速的通信领域之一，也是二十一世纪对人类生活和社会发展产 生重大影响的领域之一。蜂窝移动通信系统自2 0 世纪7 0 年代问世以来获得了极大的进步，从单一语音业务 到可提供低速率数据业务，再到能提供移动i n t e r n e t 接入的高速多媒体业务。用户数的快速增长和对业务的 高质量要求给移动通信提出了巨大的挑战。未来的移动通信系统必须具有高的频谱利用率、高速率和高可 靠性的数据传输能力。因此在未来的数十年内，除了通过技术革新来提高频谱利用率外，还需要不断拓展 可用于无线移动通信的频谱资源，才能满足移动通信业务增长的需要【1 l 。在移动通信技术的发展方面，混 合自动重传f f i 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 o 和链路自适应技术( l a ，l i n ka d a p t a t i o n ) 能有效提高数 据传输速率和频谱利用率，从而成为目前和未来移动通信系统的关键技术【2 】【引。 本章简要介绍了论文研究的背景及意义、差错控制技术、链路自适应技术以及论文的内容和结构。 1 1 研究背景及意义 g s m 是当今世界应用最广泛的第二代无线标准，他们一共占有全球约7 0 的无线用户，g s m 网络提供 了较低速率的数据业务，如电路交换9 6 k b i t s 数据业务和短消息，以及高速电路交换数据( h s c s d , h i 【曲 s p e e dc i r c u i ts w i t c hd a t a ) ，h s c s d 具有多时隙功能，每时隙数据速率达到1 4 4 k b i t s s 。第二代移动通信系 统将向第三代移动通信系统平滑过渡。g s m 系统加上通用无线分组业务( g p r s ，g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e r v i c e ) 被称为第2 5 代系统。g p r s 有两个发展阶段：第1 阶段是由g s m 演进的增强型数据速率( e d g e ， e n h a n c e dd a t ar a t e sf o rg s m e v o l u t i o n ) h 捌，它对g s m 系统中的数据速率进行了大幅度的改进。e d g e 把数 据速率从9 6 k b i t s 增 j n 至l j 6 4 k b i t y s ( h s c s d ) 和1 6 0 k b i t s ( g p r s ) ，可以向用户提供电子邮件、因特网浏览等数 据业务。第2 阶段是e d g e 的增强型g p r s ( e g p r s ，e n h a n c e dg p r s ) ，它可以提供的速率高达3 8 4 k b i t s ，能 够提供带宽要求更高的电视会议等业务。e d g e 采用了能提供更高比特率和频谱效率的调制技术8 _ p s k ， 能提供更高速的数据业务能力，向3 g 过渡。由于e d g e 是通过对现有的g s mp h a s e2 + 协议修改来实现的， 因此没有专门描述e d g e 的协议，而是由s m g ( 特别移动小组) 负责整理并给出一些阶段性报告1 7 l 。 e d g e 是在g s mp h a s e2 + 现存的两项业务g p r s 矛h h s c s d 的基础上规定了物理层新的调制和编码方 案后演化而来的。e d g e 有两个阶段：e d g ep h a s e l ：重点放在增强型电路交换数据( e c s d ，e n h a n c e dc i r c u i t s w i t c hd a t a ) 和e g p r s ，在1 9 9 9 年形成标准。e c s d 和e g p r s 促使新的基于8 - p s k 的调制方案分别用在单时 隙或多时隙的电路交换业务和分组交换数据业务中。 e d g ep h a s e2 ：提供与阶段1 不同的实时新业务，其特点是g e r a n 【8 ( g s m e d g er a d i oa c c e s sn e t w o r k ) 能连接所有i p 核心网，能提供与u t r a n ( u m t s 陆地无线接入网) 相匹敌的功能，和u m t s 业务类型、承载 定义和对系统性能扩展技术( 比如统计复用，智能天线等) 都能匹配。它采用1 6 q a m 及3 2 q a m 的调制方案 以增强比特率和频谱利用效率，极大的增加了系统容量，提高了系统性能。e d g ep h a s e2 的主要技术集中 在分组数据领域而非电路交换领域，因此也称为e g p r sp h a s e2 1 9 1 。 e g p r sp h a s e2 更接近u m t s 的要求，它能支持实时业务和全i p 结构。业务需求包括为u m t s 定义的业 东南大学硕士学位论文 务类型：会话( 如语音电话、远程登录等) 、流( 音频、视频等) 、交互( 如网页浏览、电子邮件等) 和背景( 传真、 服务器之间的电子邮件等) 。为了支持多媒体，它被要求能并行支持不同的q o s 。e g p r sp h a s e2 理论最高 下载速度可达n 1 2 m b p s ，上传速度也能达蛰j 4 7 3 k b p s ，该速度达到标准e d g e 网络的4 倍。 有效性和可靠性是通信系统的两大永恒主题。对于保证通信的可靠性，纠错编码和自动重复请求( a r q ) 是两项基本的差错控制技术，二者的结合就是近年来得到越来越广泛应用的混合a r q 技术。提高通信的有 效性，提高频带剥用效率，更是近年来备受关注的一个课题，众多的候选技术中，自适应调制编码技术就 是其中之一。自适应调制编码的基本原理就是根据信道条件自适应的选择调制方案和编码速率，使之最大 限度的适应于当前的信道状态，以期达到最优化系统资源和提高系统数据吞吐量，从而提高频谱利用率的 目的。 由g s m 演进的e d g e + 系统中，数据传输的有效性和可靠性都是标准的核心。因此，对混合a r q 和自 适应调制编码技术在该系统中的性能进行研究，提高无线链路的传输速率和可靠性，为用户提供高质量的 服务，具有时代的迫切性和重要的现实意义。 1 2 差错控制方式 无线移动信道具有由于自由空间传播衰落和阴影效应产生的大尺度衰落，以及由于多径和多普勒频移 导致的小尺度衰落等，信道状况较为恶劣，信号在通过时会产生畸变，导致信号失真，从而导致大量的传 输错误。另一方面，随着数据传输速率的提高，其对抗衰落的能力会逐渐降低，系统容错能力通常也会相 应下降，而无线通信系统的发展要求提供更高的数据速率以及更可靠的数据传输，因此，在无线通信系统 中，有必要采用有效的差错控制技术，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。差错控制技术主要应用于数据链路层和物理层中，目前，基本的差错控制有：前向纠 错( f e c ，f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 、自动重发请求和混合a r q 方式。 1 前向纠错 发送端经信道编码后可以发出具有纠错能力的码字；接收端译码后不仅可以发现错误码，而且可以判 断错误码的位置并予以自动纠正。对于二进制系统而言，如果知道错码的位置，就能够纠正它。f e c 码在 早期主要分为线性分组码和卷积码两类。上世纪9 0 年代，随着t u r b o 码、l d p c ( l o wd e n s i t yp a r i t yc h e e k ) 码的问世，f e c 码的研究进入了一个新的阶段。 f e c 通信系统的优点是：1 、不需要反向信道( 传递重发指令) 和重发控制系统；2 、系统的传输效率高， 等于码速率；3 、不存在由于反复重发而延误时间。实时性好。 它的缺点在于：1 、为了获得高的系统可靠性，必须选用纠错能力强的码组，这使得译码电路复杂化， 造价提高；2 、依赖检错和译码的准确性，难以保障系统的高可靠性。 2 自动重发请求 发送端经信道编码后可以发出能够检测出错误能力的码字；接收端收到后经检测如果发现传输中有错 误，则通过反馈信道把这一判断结果反馈给发送端。然后，发送端把前面发出的信息重新传送一次，直到 接收端认为已经正确后为止。所谓检测出错码，是指在若干接收码元中知道有一个或一些是错的，但不一 定知道错码的准确位置。 a r q 方式的主要优点有：1 、只需要少量的多余码元( 一般为总码元的5 0 o - - 2 0 ) 就能获得极低的输出误 2 第一章绪论 码率，可靠性高；2 、要求使用的检错码基本上与信道的差错统计特性无关，也就是说，对各种信道的不 同差错特性，有一定自适应能力；3 、其检错译码器与前向纠错法中的纠错译码器相比，成本和复杂性均 低得多。 这种方法的主要缺点是：1 、由于需要反向信道，故不能用于单向传输系统，也难以用于广播( 一发多 收) 系统。并且实现重发控制比较复杂；2 、当信道干扰增大时，整个系统可能处于重发循环中，因而通信 效率降低，甚至不可通信；3 、不适宜提供实时服务。 3 混合a r q f e c 和a r q 两种技术各有利弊。为了进一步提高性能，将检错和纠错结合使用。当出现少量错码并在 接收端能够纠正时，即用f e c 法纠正；当错码较多超过纠正能力但尚能检测时，就用a r q 法。我们称这一 方法为混合a r q 法。混合a r q 是一种折中方案，该方案在一定程度上降低了f e c 方式的译码复杂性，避免 t a r q 方式的信息传送连贯性差的特点，既增加了系统的可靠性，又提高了系统的传输效率。实际上，混 合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。它主要应用于实时性 要求不是太高的业务。 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，基于星座图重排的h a r q 技术，基于预均衡的h a r q 技术【1 0 1 等等。其中大量低复杂度、高效率的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 3 链路自适应技术 随着通信技术的发展，无线通信系统自身的特点及其工作环境制约了对未来高速多媒体业务的传输质 量，这些制约归纳起来主要有三个方面： 1 ) 移动通信信道是时变信道，该信道会引入严重的多径和阴影衰落： 2 ) 随着移动通信传输业务量的不断增加，频谱资源就显得越发紧缺： 3 ) 通信终端必须体积小，功耗低，重量轻，这些要求也限制了其性能的提高。 由于这些因素的存在，必须采取频谱和功率高效的抗衰落技术来提高系统性能。上节所述的差错控制 技术可以使信道的输出错误减少，然而仅将纠错码与自适应调制结构简单级联会浪费频谱资源【12 1 。“一个 有效对抗这些有害( 衰落) 效应的方法，是根据接收端获得的接近瞬时信道质量信息，自适应地调整调制和 信道编码的方式以及其他系统参数，这些信道质量信息利用一个反馈信道反馈回发送端”，这是h a y e s t l 3 】 在1 9 6 8 年就提出的自适应准则，也是自适应技术的开端。自适应技术在很多实际系统中得到了应用，表1 1 列出了目前通信系统中使用的主要自适应技术及其应用。 以编码符号序列间的欧几里德距离最优为准则，即设计编码调制结构，可以有效提高频谱利用率。这 种自适应编码调制技术首先e h s m a l a m o u t i 1 4 1 提出，a j g o l d s m i t h 纠1 5 1 研究了其一般设计方法。自适应调 制编码( a m c ，a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ) 的基本原理是根据信道、用户和业务的改变，在满足一定 条件下，如重传次数、误帧率、信道信噪比以及译码器译码状况等，改变系统中的某些参数，如发射功率、 调制方式、符号速率、编码码率、扩频系数、交织参数、天线加权系数等，达到系统的最优化。近年来自 适应调制编码技术引起了广泛关注，本文研究所基于的e d g e + 系统在数据发送和重发机制上采用了自适应 调制编码技术，本文第五章将详细阐述这种技术在e d g e + 系统中的应用。 3 东南大学硕士学位论文 表1 1 自适应技术分类及应用情况 类别 技术名称实际应用系统 自适应天线阵t d s c d m a 自适应接收技术 自适应均衡g s m 、1 s 1 3 6 功率控制i s 9 5 、w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 等 自适应调制编码 g p r s 、e d g e 、h s d p i a 、c d m a 2 0 0 0 1 xe vd o 压 v 、 自适应发送技术8 0 2 1la 、h i p e r l a n 2 等 可变扩频增益w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 自适应发射天线分集 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 自适应无线资源管理技术动态信道分配p h s 、d e c t 1 4 论文的内容和结构 本文主要讨论混合a r q 和自适应调制编码技术在e d g e + 系统中的应用。论文从第二章开始，具体结 构安排如下： 第二章，从传统的a r q 的实现方式出发，详细介绍了不同类型的混合a r q 技术和自适应调制编码技术 以及这些技术在e d g e + 系统中的应用。 第三章，详细阐述了c h a s e 合并i - t a r q 和星座图重构h a r q 技术的原理，实现方式，并通过仿真分析了 这些技术在e d g e + 系统中的性能。 第四章，以e d g e + 系统中的r c p c 码为研究对象，对自适应递增冗余的部分增量冗余a r q 方案作了详 细地说明和讨论。并且，针对该系统中采用不同调制编码方式重传的机制进行了仿真研究。 第五章，重点讨论了自适应调制编码方案在e d g e + 系统中的应用，详细分析了a w g n 和多径衰落环境 下，信道估计误差对系统吞吐量性能带来的影响。 第六章，全文总结。总结了本论文的研究成果，明确进一步的研究方向。 4 第二章混合a r q 和自适应调制编码技术 第二章混合a r q 和自适应调制编码技术 近年来，人们对于混合a r q 技术、自适应调制编码技术以及这两种技术相结合的研究，取得 了不少喜人的成果，这一方面的研究也正成为颇受瞩目的热点。目前，3 g p p 的无线接入工作组 ( t s g r a n ) 对e d g e + 系统采用的混合a r q 方法进行了性能分析和机制讨论，形成多份技术报告 ( t r ) t 1 6 1 和技术规范( t s ) 1 7 1 。在e d g e + 系统中，混合a r q 技术和自适应调制编码技术得到了充 分应用，并显著提高了系统的吞吐量【1 踟。 在这一章中，我们将对a r q 技术和自适应调制编码技术进行较为系统的介绍。本章首先介绍 了传统a r q 技术及其新发展，接着介绍了h a r q 的原理和分类，最后介绍了自适应调制编码技 术的基本原理及其在e d g e + 系统中的应用。 2 1 引言 在通常的纠错码设计方案中，纠错码的码率都是固定的，相应的其纠错能力也是确定的。选 择纠错码的条件是信道状况以及目标误码率，对于有线信道而言，通常信道状况比较稳定，因此， 只要选择合适的纠错码方案，便可以提供稳定的数据传输。然而，相比于有线信道，无线信道的 信道状况则要复杂很多： 1 由于无线电波本身在自由空间的路径损耗以及阴影衰落等因素的存在，使得无线信道具有 大尺度衰落特性，信道状况通常比较恶劣，且受环境影响较大。 2 无线信号在自由空间的传播导致它会受到周围障碍物的遮挡从而产生反射折射等，这使得 无线信号通常会经过多条路径到达目的地，从而产生所谓的多径效应，反映为频域上的小尺度衰 落特性一频率选择性衰落。 3 对于移动设备而言，由于移动导致的多普勒频移进一步造成了无线信道的另一种小尺度衰 落一时间选择性衰落。 香农信道编码定理【19 】指出，假设信道容量为c ，只要信息传输速率r 2 。如果二。设的太 小，在低信噪比条件下，系统的有效的数据传输速率( 吞吐量) 会很差，达不到系统的要求，甚 至不能进行数据通信；如果 乙。设的太大，会增加系统延迟，而且在低信噪比或衰落较快的条件 下，某一数据帧由于劣化严重，即使重传很多次，接收端也不能正确解码，这时还不如抛弃该数 据帧以提高资源利用率，也就是说m 。设的太大也不能够有效的提高系统性能。因此需提供一个 合适的m 。来使系统性能最佳化。 我们以m c s - 7 ( 见表2 - 1 ) 和u a s 一1 1 ( 见表2 - 2 ) 为例，仿真研究了传输次数对系统性能的 影响，仿真条件和参数如表3 - 1 、3 - 2 所示，仿真中重传编码块使用的打孔方式与初始传输不同， 接收端对各次传输的编码块先自解码后进行c r c 校验，如果c r c 校验出错，则对相同编码块的各 次传输版本进行合并译码，该方式即本文第五章所述r c p c 一混合i i i 型a r q 方式。 图3 2 为a w g n 环境下，m c s - 7 经过不同传输次数，系统的吞吐量和误块率性能曲线，从图 可以看出： 1 ) 对吞吐量性能来说，如图3 - 2 a 所示，传输次数越多，对应的曲线在较 氐s n r 区间内吞吐 量性能曲线呈现缓慢降低的特点，即二。越小吐量性能曲线则随着s n r 的降低衰减的更迅速。如 当 乙。= 1 时，在1 4 d b 至, j 1 0 d b 内吞吐量迅速从最大数据速率降为零，其他情况都是呈阶梯状逐渐 减4 、，i 。 1 时，低s n r 的工作区比二。= 1 分别增加了5 d b 、6 5 d b 、7 5 d b 、8 5 d b ； 2 )随m 。增大，单纯靠增加重传次数后的额外增益越发减少，并且趋向于零。m 。为2 、 3 、4 时，吞吐量性能的增益分别为5 5 d b 、1 5 d b 、l d b ，而m 。= 6 与m 。= 8 之间基本没有增 益，也就是说当m 。 4 时吞吐量的额外性能增益已不太明显； 3 )误块率性能曲线特征类与吞吐量类似，不再赘述。 图3 3 为t u s 0 衰落环境下，m c s 7 不同二。时系统的吞吐量和误块率性能。性能曲线呈现和 a w g n 环境下的呈现一些共同的特征，但也有不同之处： 1 8 第三章e d g e + 系统中单一冗余方案的h a r q 技术研究 1 ) 衰落环境下仿真曲线是平滑的。这种平滑是i $ 1 d o p p l e r 频移造成的衰落、多径干扰以及信 道信噪比共同作用而成的，而衰落造成的随机效应对s n r 的作用起到了缓冲作用； 2 ) 0 。 4 时，不论是a w g n 信道还是衰落信道， 系统吞吐量和误帧率性能增益都很小，而且由于传输次数的增加带了了系统延时，降低了码资源 利用率和系统效率，所以在本文仿真中，最大传输次数 上 移。 。蠹 ! ：琴 下 f i i | _ i 卜 t r a n 3 卅 夕 一滋么 瑷 b2 t r a n s e i膨囊髟 _ 3 t r a n s 。一4 t r a n s 以- p _ ； - 一- 6 t t a n s 一q 1 l r a ：吞吐量性能b ：误块率性能 图3 2a w g n 下m c s 一7 经过不同传输次数的系统性能 ；：i ! - i ； 。澄 ； l ；l： i 俄；兰丝 il i ；谚。；j i ；i ：， 啊参扦 嘲一 一4 j l 卜1 t r a - s 丝盯r + 2 1 而 - 3 t r a - s 一4 t r a 信 r ，哩! w ；l ； ： 4 681 0 它1 4 笛1 s 乃22 4 西盈 蚤r 旧 a ；吞吐量性能 嚣鬻荨l + 1 t 拄r s 燮霞；薹婺 + 2 t m m 卜3 t r a 曜 二：= ：= ：鼍：= ：j ：x ：二：= 二：二i ：j ：0 ：= 譬 十4 t r a m 囊篡j 霞塞鏖嚣冀篓 摹藩瓣鬻攀至鬻嚣耄罄；委誊蓑薹 一二，= l ! ：。：x 。l ：l ：曩j r i o 一二工j 二三二1 ： ! i i ! j ：；主； 4681 1 31 21 41 51 8 忽翟为驾 隙国 b ：误块率性能 图3 3t u 5 0 下m c s 7 经过不同传输次数的系统性能 1 9 鲰 为 仲 o 一qdi一_了ca了ojc卜 东南大学硕士学位论文 3 3c h a s e 合并h a r q 技术研究 c h 笛e 合并算法是一种码合并算法，最早于1 9 8 5 年由d c h a s e 提, m t 2 m 。本节将在详细阐述 c h a s e 合并算法的基础上，基于e d g e + 链路仿真平台，对等增益合并h a r q 方案进行仿真和分析。 3 3 1c h a s e 合并算法 c h a s e 合并技术的基本原理是重发的数据包与原始数据包完全相同，接收端把先后收到的编码 速率为r 的各个码字中的每一个比特，利用某种加权算法进行合并，得到一个编码速率仍旧为r 的 码字，然后再将这个码字送到译码器中进行译码。c h a s e 合并包括等增益合并和最大比合并。当合 并时对接收到的每个传输版本使用相同的加权系数，这时c h a s e 合并即为等增益合并。c h a s e 合并 是一种在比特或符号层次上的合并方法，研究表明c h a s e 合并在增强期望信号的同时，能够削弱干 扰与背景噪声，获得干扰和噪声的抑制效应。图3 - 4 为c h a s e 合并示意图。 c h a s e 合并具有以下两个重要的特点： 1 对于同一编码块的l 个版本，采用最大似然译码算法，将各个重传版本的比特软信息合并， 从而将该编码块的等效编码速率由初始状态的r 降低为r l ，有效地提高该编码块的译码性能。 2 考虑到无线信道的时变性，同一编码块的不同重传包经历的信道状况不同，其可信度也不 同，因此，对于每个重传包均估计其可信度，在合并时作为该包的权重。因此，即使有衰落相当 严重的重传包，由于其可信度很低，因此权值很低，使得它对整体译码性能的影响很小。该方案类 似于分集技术中基于各传输支路信噪比的最大比合并方案。 3 对于相同重传版本在接收端的合并，也可以将多个版本的重传分组的对应符号简单相加， 再输入译码器译码，这种合并方案利用了多个重传版本在时间上的分集特性，通常称为等增益合 并方案或时间分集合并方案。 图3 - 4c h a s e 合并示意图 2 0 第三章e d g e + 系统中单一冗余方案的h a r q 技术研究 图3 4 中，信息包1 = ( 1 1 。，i k ) 经过编码形成长度为n 的编码块x = ( x t ，艺一，h ) ，经过无线信 道传输后，针对第一次发送和以后( l - 1 ) 次重传，接收方的接收信号分别为 【y 1 ，q 】= 【m ，乃，蜘) ，【y ，吼】= ( 乃，蜴，y n ) ，其中q ，i = 1 ，l 表示每次重传对应的接收信 号的可信度。c h a s e 合并和译码模块基于同一编码块的l 次接收信号以及它们各自的可信度先进行 合并，然后做最大似然译码，从而得到对于原信息比特的最大似然估计j ，其基本原理如下： 对于二进制编码，信息包1 = ( i t ，厶) 经过编码形成长度为n 的编码块x = ( x 2 一，h ) ：共 有2 n 种可能的组合，而考虑到对于确定的编码方案，原始信息和编码块之间是映射关系，因此， 编码块x = ( 五，屯，h ) 实际上共有2 k 种可能的组合，它们组成了编码块集合 x i ，江1 ，2 ，在 信源等概的情况下，满足最大后验概率准则的最大似然译码是一种最佳译码方案【3 5 1 。对于不需采 用c h a s e 合并的情况( 即第一个编码块) ，最大似然译码的过程即为选择编码块l ，满足： m a x p y 1i 以】= ( 1 一a ) 肛一)( 3 6 ) 其中厶表示以与y 1 不相同的比特个数，a 表示信道误比特率。根据式( 3 1 ) 得到以后， 再对以译码，便可得到，。而对于基于c h a s e 合并的混合a r q ，接收信号可能存在多个，因此， 多个版本的接收信号 y l ，】，2 ，y l ) 将共同作为最大似然译码的输入，所以，对于采用c h a s e 合 并的情况( 即l 1 ) ，最大似然译码的过程即为选择编码块以，满足： m a p l y i x = i - i ( 1 一p y 吨”试”、( 3 - 7 ) 其中，y 表示多个版本的接收信号的集合 y 1 ，y 2 ，y l ，厶，表示以与y 不相同的比特个 数，b 表示接收信号】，对应的信道误比特率。式( 3 - 7 ) 两边取自然对数可得： 唧x l 叫y i x i ) 2 峄【善l l n ( 1 刊吨l n ( 等) 】 ( 3 _ 8 ) 去除式( 3 8 ) 中与m 无关的部分，可以得到式( 3 - 9 ) ： 珊x l n p 【y l 以】) 芘卿n 喜以1 n ( 鲁) ( 3 - 9 ) n 以上分析中考虑到了每个版本的接收信号的误比特率不同，体现在c h a s e 合并方案中就是考虑 了各个接收信号的可信度，对各重传版本基于可信度进行加权合并。因此每个接收信号的可信度 可以表示为： q ：i n ( 上旦) ( 3 1 0 ) p l 从式( 3 一i o ) 可以看出，要获得每个重传版本的可信度，必须估计它的信道误码率a ，只的 估计通常可以通过以下几种方法获得： 1 在编码块中添加同步比特，并在接收端统计同步比特的错误率。 2 计算在不合并的条件下。译码器能够纠正的错误图样的数目： 2 1 东南大学硕士学位论文 3 通过信道估计获得。 考虑到对于无线通信系统而言，接收端通常都会实现信道估计算法，因此，采用信道估计方 法可以利用接收机己经提供的信息，不需要额外的开销，实现起来较为简便。 在a w g n 信道下，对于给定的( n 0 , k o ，m ) 卷积编码，采用b p s k 调制的通信系统而言，采用 v i t e r b i 译码器输出的误码率可以表示为： k e b 2 d , w , 2e - ( ”雄。k ( 3 - l 1 ) 其中( n o ，k o ，研) 卷积码码字中，所有重量为d f t e e 码字( 路径) 的非零信息位总数，毛表 示接收比特能量，r 是信道编码速率，是卷积码的自由距离，0 是噪声单边功率谱密度。对 于同一编码块的l 次重传而言，r 、和发送信号能量都是相同的，因此信道误码率的变化仅与 接收信噪比即毛0 有关。因此，式( 3 5 ) 中的哆可以用接收信噪比表征，即： e h 以o c 卫 o ( 3 1 2 ) 考虑到式( 3 - 12 ) 描述的接收信号可信度与接收信噪比之间的映射关系，c h a s e 合并译码可以简 化为各个重传版本基于接收信噪比的加权合并，合并后的接收信号送入最大似然译码器译码。这 种合并方案类似于分集技术中基于各传输支路信噪比的最大比合并方案，是c h a s e 合并算法在实际 应用中最常用的合并方案，可以提供接近于最大似然译码的性能。 对于相同重传版本在接收端的合并，也可以将多个版本的重传分组的对应符号简单相加，再 输入译码器译码，这种合并方案利用了多个重传版本在时间上的分集特性，通常称为等增益合并 方案或时间分集合并方案，合并后的分组可以表示为： 土 x = ( ：z ) 上 ( 3 - 1 3 ) i = 1 其中x ；，f = 1 ，l 为同一编码块的l 个重传版本。时间分集合并方案一般只适用于缓变的信 道，因为当信道变化较为剧烈时，l 个重传版本中的一个或多个版本可能会经历深度衰落或强噪声 干扰，导致信号的严重畸变，在时间分集合并的情况下，由于合并信号是各个重传版本的简单算 术相加，因此会受到这种畸变版本的严重影响。而在c h a s e 合并方案中，由于畸变信号的接收信噪 比也很低，因此经过基于接收信噪比的加权合并后，畸变信号的影响将会被大大缩小。 3 3 2 等增益合并算法仿真结果与讨论 c h a s e 合并混合i i i 型a r q 方案，在不考虑最大重传次数限制的情况下，可以根据信道状况重传 足够数量的编码块，并在接收端采用最大似然译码，从而使得等效编码速率可以降到足够低，相 应的信息传输速率也可以降到足够低，理论上说，只要信息传输速率r 罡一 只一 e 图4 - 2 和4 2 分别是在a w g n 和t u 5 0 环境下。m c s - 6 、m c s 一8 和m c s 一9 基于r c p c 一混合 i 型a r q 的吞吐量性能和误块率性能曲线，采用的性能参考基准为等增益合并a r q 。 从图4 - 2 可以看出，在m c s - 9 情况下，使用r c p c - 混合型a r q 的吞吐量和误块率性能相 比等增益合并a r q 的性能，在较低信噪比区域( s n r 一 只一 | s 隘治眦眦眦】叫酬叫肥：卧古r 三誊_疆籀萋荆=：=：盯*一侈穆梅h=“=“：= “；“1r：“。lp：。一!r!- i 巾；l 卜。十； 斟 捌一” 第四章e d g e + 系统中多冗余方案的h a r q 技术研究 图4 5 是在a w g n 环境下，u a s 一8 、u a s 一9 和u a s 一1 1 基于r c p c 一混合i i i 型a r q 的吞吐量 和误块率性能曲线，采用的性能参考基准为星座图重构n a r q 。从图中可以看出，u a s 一8 、u a s - 9 和u a s 一1 1 的吞吐量性能相比星座图重构h a r q 方案，在较低信噪比下( 1 4 d b ) 分别有2 d b 、 3 d b 和5 d b 的增益：而在高信噪比下，吞吐量性能基本无增益。误块率性能也有相似的增益情况。 由此可见，码率越高，增益越大。这些现象的原因和e g p r s 系统中的原因基本相同，这里不再叙述。 ；