（信号与信息处理专业论文）链路自适应与混合arq技术的研究.pdf

北京邮电大学博士学位论文摘要 摘要 有效性和可靠性是通信系统两大永恒的主题。链路自适应技术( 自 适应调制编码) 和混合a r q 技术的结合在某种程度上恰恰体现了对通信 有效性和可靠性双重性能指标的联合关注和保证。因此，本论文将链路 自适应和混合a r q 结合的相关技术课题作为研究的重点。 首先，论文系统阐述了自适应调制编码和混合a r q 的概念和原理； 并详细介绍了两项技术在若干通信系统，特别是w c d m a 增强型标准 h s d p a 中的独特的实现方法；较为全面的分析比较了自适应调制编码系 统中递增冗余和c h a s e 合并两种机制下的性能；分析了h a r q 技术对于 自适应调制编码系统的作用。 论文从理论性能分析入手，对基于自适应调制编码的三种标准a r q 协议：停等( s a w ) ，后退n 步( g b n ) 和选择重传( s r ) 以及改进型 的停等协议_ n 信道停等协议的吞吐量性能进行了理论分析，推导出 了四种a r q 协议基于自适应调制编码的吞吐量表达式。 通过分析h a r q 的环路延迟的构成，并针对c h a s e 合并机制下的平 均传输次数这一指标进行性能分析，提出了一种基于传输次数预测的 h a r q 方案，并且利用扩展信噪比的概念提出了简化算法。这种基于传 输次数预测的h a r q 方案改变了对每次接收到的数据帧先译码，然后检 错，再要求重传的传统模式；而是根据平均传输次数，在不对首次发送 的数据帧进行检错纠错的情况下，要求发送端一次性按照某个合理的重 传次数重传该数据帧，在接收到这些数据，并进行相应的合并后，统一 进行译码和检错的操作，从而降低了环路延迟，提高了传输效率。 对于采用自适应调制编码技术的系统来说，引入具有较高频谱利用 率的高阶调制方案是在信道条件较好时提高系统的数据吞吐量的有效手 段。论文推导了采用高阶调制方式时计算比特级软判决信息的精确算法 l o gm a p 算法和经典简化算法m a x l o g m a p 算法；在此基础上，针对 方形星座图高阶q a m 调制，提出了两种更加简化的算法：简化 m a x l o g - m a p 算法一和简化m a x - l o g m a p 算法二。其中简化 m a x l o g m a p 算法一是经典的m a x l o g - m a p 算法的等价化简，所以在 性能上没有损失，但是大大降低了乘法运算和加法运算的次数。简化 m a x l o g - m a p 算法二充分利用了高阶调制映射比特可靠性不同的特性， 利用一种特殊格雷映射星座图推导出简单的递推公式，使得高阶调制情 北京邮电大学博士学位论文摘要 况下软判决信息的计算复杂度降低到与b p s k ，q p s k 相仿的程度。再根 据不同格雷映射情况下各映射比特可靠性级别的不同排列顺序以及每个 比特不同的0 ，1 取值情况，对由递推公式计算出的软信息中间变量进行 简单调整，使得任何格雷映射都能够利用同一个简单的递推公式进行软 信息计算，提供了一种通用的计算比特级软判决信息的方法。 最后，论文对自适应调制编码系统中采用高阶q a m 调制时基于星 座图重排的h a r q 算法进行了研究，针对3 g p p 规范中采用的6 4 q a m 星座图，提出了一种基于四种星座图映射规则的混合a r q 星座图重排策 略，与原来的六星座图重排策略相比，一方面降低了复杂度，另一方面 还提高了系统的吞吐率性能，降低了平均传输次数。在此基础上，进一 步将算法推广至任意的初始星座图，给出了重传星座图的选择准则。 关键词： 链路自适应，自适应调制编码，混合a r q ，q a m 调制，h s d p a i i 北京邮电大学博士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t e 硒c i e n c y a n dr o b u s t n e s sa r et w om a i nt o p i c s f o rc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s t h ec o m b i n a t i o no f l i n ka d a p t a t i o n ( o ra d a p t i v em o d u l a t i o na n d c o d i n g ，a m c ) a n dh y b r i da r q ( h a r q ) ，t o s o m ee x t e n t ，j u s ts h o w st h e i o i n tc o n s i d e r a t i o na n de n s u r eo f t h e s et w o t o p i c s t h e r e f o r e ，t h i sd i s s e r t a t i o n m a i n l y f o c u s e so nt h er e s e a r c h e so nt h e t e c h n o l o g i e s r e l a t i v et ot h e c o m b i n a t i o no f l i n k a d a p t a t i o na n dh y b r i da r q f i r s t l y , t h ec o n c e p t sa n df u n d a m e n t a l so f l i n k a d a p t a t i o na n dh y b r i d a r q a r es y s t e m a t i c a l l yd e s c r i b e d ，a n dt h e nt h o r o u g h l yd e s c r i p t i o n so ft h e p a r t i c u l a ri m p l e m e n t a t i o n m e t h o d so ft h e s et w o t e c h n o l o g i e si ns o m e m o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，e s p e c i a l l yh s d p a ，t h ee n h a n c e ds p e c i f i c a t i o n so f w c d m aa r e p r e s e n t e d p e r f o r m a n c e s o fi n c r e m e n t a l r e d u n d a n c y a n d c h a s e c o m b i n i n g b a s e do na m ca r ec o m p r e h e n s i v e l y c o m p a r e d t h e o r e t i c a l l ya n a l y s i s o nt h e t h r o u g h p u tp e r f o r m a n c eo ff o u ra r q p r o t o c o l sb a s e d o na m ca r e m a d e ，i n c l u d i n gs t o p a n d w a i t ，g o - b a c k - n , s e l e c t i v er e p e a t i t i o na n dn - c h a n n e ls t o p - a n d w a i t f u r t h e r m o r e ，b ya n a l y z i n g t h ea v e r a g e dn u m b e ro ft r a n s m i s s i o na t t e m p t s ，a ne f f i c i e n th a r qs c h e m e b a s e do nt h ep r e d i c t i o no fr e t r a n s m i s s i o na t t e m p t si sp r o v i d e dt or e d u c et h e r o u n d - t r i pt i m eo fr a r q i no r d e rt or e d u c et h ec o m p l e x i t y , as i m p l i f i e d s c h e m ei sp r o p o s e da sw e l lb a s e do nt h ec o n c e p to f e x t e n d e ds n r f o rac o m m u n i c a t i ns y s t e mw i t ha d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ， u s i n gm o d u l a t i o n s c h e m ew i t hh i 【曲s p e c t r a le f f i c i e n c yi sa ne f f e c t i v ew a yt o i m p r o v et h et h r o u g h p u tp e r o r m a n c e b a s e do nt h ed e s c r i p t i o n so fo p t i m a l l o g m a pb i c m a n dt h ep r a c t i c a lm a x - l o g - m a pb i c m d e m o d u l a t o r s ，t w o n e w a l g o r i t h m st oc a l c u l a t et h eb i t - l e v e ls o f ti n f o r m a t i o na r ep r o p o s e d t h e f i r s t a l g o r i t h mi se q u i v a l e n ts i m p l i f i c a t i o no ft h ep r a c t i c a lm a x - - l o g - - m a p b i c m ，a n d t h e r e f o r eh a sn o p e r f o r m a n c e l o s s c o m p a r e d t ot h e m a x l o g - m a pa l g o r i t h m t h e s e c o n d a l g o r i t h m m a k e sf u l lu s eo ft h e v a r i a t i o n si nb i tr e l i a b i l i t i e sc a u s e db yt h es i g n a lc o n s t e l l a t i o no fm u l t i l e v e l m o d u l a t i o nf o r m a t s ，a n di sa p p l i c a b l et oa n y s q u a r eq a m c o n s t e l l a t i o nw i 由 g r a yl a b e l i n g i t i ss h o w nt h a tt h i su n i v e r s a l a l g o r i t h m c a nb e e a s i l y i m p l e m e n t e dw i t he x c e l l e n tp e r f o r m a n c e i i i j ! 室塑皇查兰苎主兰竺垒壅茎茎塑墨 f i n a l l y , a l la d v a n c e dh a r q s c h e m ea p p l i c a b l et oq a mi s p r e s e n t e d ， w h i c hu s e ss i g n a lc o n s t e l l a t i o nr e a r r a n g e m e n tt oa v e r a g et h ev a r i a t i o n si nb i t r e l i a b i l i t i e sc a u s e db yq a m s i g n a lc o n s t e l l a t i o n t h ep r e s e n t e ds c h e m e u s e s 4c o n s t e l l a t i o nm a p p i n gr u l e sf o r6 4 - q a m ，a n dw i l la c h i e v eas i g n i f i c a n t g a i no nt h et h r o u g h p u tp e r f o r m a n c ea sw e l l a sar e d u c t i o ni n c o m p l e x i t y , c o m p a r e d t ot h ee x i s t e ds i g n a lc o n s t e l l a t i o nr e a r r a n g e m e n ts c h e m eu s i n g6 m a p p i n g r u l e s k e yw o r d s ：l i n ka d a p t a t i o n ，a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ，h y b r i d a r q ，m - q a m ，h s d p a i v 北京邮电大学博士学位论文图表目录 本论文所用到的图表目录 图2 1 自适应调制编码系统实现原理图6 图2 - 2 基于误比特率性能的转换门限设置算法原理9 图2 - 3 基于归一化吞吐量性能的转换门限设置算法原理1 0 图2 - 4h s d p a 物理层结构图1 4 图2 - 5h s d p a 中h a r q 功能的两级速率匹配实现2 0 图2 6n 信道停等协议( n = 4 ) 2 3 图2 7q p s k ，1 4 码率f e r 性能2 4 图2 - 8q p s k ，3 4 码率f e r 性能2 4 图2 - 9 1 6 q a m ，1 2 码率f e r 性能2 5 图2 - 1 01 6 q a m ，3 4 码率f e r 性能2 5 图2 1 1q p s k 调制，静态信道，三种h a r q 机制的谱效率比较2 5 图2 1 21 6 6 4 q a m 调制，静态信道，三种h a r q 机制的谱效率比较2 6 图2 - 1 3q p s k 调制，3 k m a a ，三种h a r q 机制的谱效率比较2 6 图2 1 41 6 6 4 q a m 调制，3 k m h ，三种h a r q 机制的谱效率比较2 6 图2 1 5 口= 0 时的吞吐量性能2 8 图2 1 6 盯= 6 时的吞吐量性能_ 2 8 图2 1 7 不使用h a r q 时吞吐量性能，信道条件3 k m h ，3 1 图2 1 8 使用h a r q 时吞吐量性能，信道条件3 k m h 3 2 图2 - 1 9 使用不使用h a r q 时的h u l l 曲线，信道条件3 k m h 3 2 图2 2 0 不使用h a r q 时吞吐量性能，信道条件1 2 0 k m h 3 2 图2 - 2 1 使用h a r q 时吞吐量性能，信道条件1 2 0 k m h 3 3 图2 2 2 使用不使用h a r q 时的h u l l 曲线，信道条件1 2 0 k m h 3 3 图3 1 系统框图3 8 图3 2 采用b p s k 调制，q p s k 调制和1 6 q a m 调制时的数据块结构示意图3 8 图3 3 停等h a r q 4 0 图3 - 4 回退n 步h a r q 协议4 1 图3 - 5 选择重传h a r q 协议4 2 i i 北京邮电大学博士学位论文图表目录 图3 - 6n 信道停等h a r q 协议4 3 图3 7 通信系统框图4 5 图3 罐基于传输次数预测的高效h a r q 算法流程5 0 图3 - 9 平均传输次数的上下界及实际仿真结果曲线5 3 图3 ，1 0q p s k 调制1 2 码率传输次数统计5 4 图3 - 1lq p s k 调制3 1 4 码率传输次数统计5 4 图3 1 21 6 q a m 调制1 2 码率传输次数统计5 5 图3 ，1 31 6 q a m 调制3 1 4 码率传输次数统计5 5 图3 1 4 用经典h a r q 方案( t y p i c a l ) 和预测重传方案( p r e d i c i ：精确算法；p r e d i c 2 ： 近似算法) 得到的吞吐率曲线5 6 图4 13 g p p1 6 q a m 星座图。【1 2 】( 符合格雷映射) 6 5 图4 - 2a w g n 信道下三种算法误比特率性能比较6 8 图4 3a w g n 信道下三种算法误帧率性能比较6 9 图4 4 r a y l e i g h 信道三种算法误比特率性能比较6 9 图4 - 5r a y l e i g h 信道三种算法误帧率性能比较7 0 图4 - 6 服从格雷映射的6 4 q a m 调制i 路映射关系7 3 图4 7 糖确计算和近似计算的比特软判决信息7 6 图4 - 8 h i p e r l a n 2 的6 4 q a m 星座图示意7 8 图4 - 9 经典简化算法( m a x - l o g - m a p 算法) 与本文提出的算法( 简化 m a x - l o g - m a p 算法二) 误比特率性能比较8 0 图5 1 6 4 一q a m 调制映射星座图( 横线对应的行列比特取值为1 ) 8 4 图5 - 2 t 6 - q a m 调制映射星座图( 横线对应的行，列比特取值为1 ) 8 7 图5 - 31 6 q a m 调锘8 星座图的另外三种映射规则( 横线对应的行，列比特取值为 1 ) 9 ( ) 图5 4a w g n 信道c h a s e 合并机制下是否采用星座图重排的吞吐率性能比较9 2 图5 5a w g n 信道部分增量冗余机制下是否采用星座图重排的吞吐量性能比较 。9 3 图5 - 6 六星座图重排h a r q 所采用的星座图( 全部符合格雷映射) 9 6 图5 7 四星座图重排h a r q 所采用的星座图( 全部符合格雷映射) 9 7 i x 北京邮电大学博士学位论文图表目录 图5 8a w g n 信道c h a s e 合并机制下吞吐量性能比较( m c s 7 ) 1 0 0 图5 - 9a w g n 信道c h a s e 合并机制下平均传输次数比较( m c s 7 ) 1 0 0 图5 t o 6 4 一q a m 初始星座图( 横线对应的行，列比特取值为1 ) 1 0 t 图5 1 1以图5 1 0 为初始星座图时重排算法所用的星座图1 0 2 表2 1e g p r s 传输模式( 调制、编码方案) 1 2 表2 - 2d s c h 和h sd s c h 基本技术特性比较1 3 表2 3 不同h a r q 机制的实现2 2 表2 - 4 调制编码方式2 7 表2 53 g p p t r2 5 8 4 8 中选取的m c s 一2 9 表2 - 6 不采用h a r q 时的吞吐量性能3 0 表2 7 采用h a r q 时的吞吐量性能3 0 表4 - 1 三种算法复杂度比较7 0 表5 - 1 基于图5 - 1 所示星座图i 路映射比特的平均l l r 8 5 表5 2 基于图5 - 2 所示星座图i 路映射比特的平均l l r 8 8 表5 3 基于图5 3 所示星座图i 路映射比特的平均l l r 8 8 表5 4 各次传输中选用的星座图映射规则8 9 表5 5a w g n 信道下经过4 次传输后是否采用星座图重排策略的合并l l r 值 9 ( ) 表5 - 6 部分增量冗余条件下各次传输所采用的映射规则9 2 表5 7a w g n 信道下六次传输后是否采用星座图重排策略的合并l l r 值9 4 表5 8 六种星座图映射规则重排的另一种实现形式9 5 表5 - 9a w g n 信道下四次传输后采用四星座图和六星座图重排策略的合并l l r 值9 8 表5 1 0 四星座图映射规则重排的另一种实现形式9 9 表5 1 1 初始星座图为图5 - 1 和图5 1 0 时a w g n 信道下四次传输后的合并l l r 值】0 2 x 北京邮电大学博士学位论文 数学符号列表 口( j ) q ( i ) a q ( i ) 刀 6 l ”岛”l 反，。) 本论文所用到的主要数学符号列表 b 1 , 1 ( 0 , l t ， 蹦岘：( l ) d ； 易。( f ) e b n o e 5 na f f e r , g d 吒( f ) “屯。( f ) ) i o r i i 。 m m ( ，) n d j 在j 时刻映射到的m - q a m 复调制符号 m - q a m 复调制符号的同相分量 m - q a m 复调制符号的正交分量 每个调制符号承载的平均比特数 在i 时刻，被映射到个q a m 复调制符号的m 个编码 比特 在i 时刻映射到i 路的r n 2 个编码比特 在i 时刻映射到q 路的m 2 个编码比特 第j 次传输合并后的数据帧经c r c 校验发现有错的事件 岛t ( f ) 对应的软信息中间变量 比特级信噪比 符号级信嗓比 最大传输次数 超过最大传输次数限制后的残余误帧率 用于h s d p a 的发射功率比例 复信道增益 良t ( f ) 的示性函数 下行到某个用户的总功率谱密度与带限噪声和干扰的功 率谱密度之比 m - q a m 星座图中星座点的个数 给定信噪比，选择第f 级m c s 时一个数据块中的数据包 个数 选择第f 级m c s 时每个数据包中包含的信息比特个数 x i 北京邮电大学博士学位论文数学符号列表 n f j n p n ( 0 n p 6 ( y ) 只。1 ( ，) 选择第i 级m c s 时每个数据包中包含的校验比特个数 每个数据包包含的编码比特个数 复高斯随机噪声 第j 次传输过程中信道高斯随机噪声 选择第i 级m c s 时对应的调制方式下的平均误比特率 给定信噪比y 选择第i 级m c s 时一个数据包能够正确传 输的概率 第j 次传输合并后的数据帧经c r c 校验发现有错的概率 接收信号 第j 次接收到的数据帧 第j 次c h a s e 合并后的数据帧 6 ，i ( f ) 的可靠性级别 比特速率 码片速率 编码码率 发送的数据帧 编码比特岛。= 1 时映射到的m 2 个星座点的集合 编码比特b = 0 时映射到的m 2 个星座点的集合 6 i 且钆= l 时映射到的掣个横坐标的取值集合 b t j 且= o 时映射到的掣个横坐标的取值集合 q 且岛，。= l 时映射到的半个纵坐标的取值集合 钆巩且= o 时映射到的掣个纵坐标的取值集合 首次传输时的信噪比 第j 次合并后数据的等效信噪比 吞吐率，单位是“信息比特数传输符号” i 哟。_州咒疋s 删w w渺毗州r 北京邮电大学博士学位论文数学符号列表 从接收端到发送端的a c k n a k 信令反馈时间 从发送端到接收端的数据帧传送时间 h a r q 整体时延 接收端对该数据帧的处理时间 平均传输次数 选择第i 级m c s 时信道编码的纠错能力 映射到星座图i 路而与q 路无关的要个编码比特匆 的 集合 映射到星座图q 路而与l 路无关的要个编码比特岛 的 集合 岛。= l 对应的判决空间 6 i 上= 0 对应的判决空间 经过理想信道补偿后的接收信号 经过理想信道补偿后接收信号的同相分量 经过理想信道补偿后接收信号的正交分量 岛女( f ) 对应的软判决信息 瞬时信噪比 平均信噪比 吞吐量，单位是每秒钟正确接收的信息比特数 给定信噪比，选择第i 级m c s 时平均每个数据块中可 以被正确接收的数据包个数 降低的h a r q 整体时延 k k k c o 啪啪，力棚 。 莹i 啉啉炯小班地7歹叩彻 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衰成撰写过的 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 我一同下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 瞬 日期：f o 年占月f 目 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 将学位论文的生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：左醴导师签魈日期：。譬年。月叫日 北京邮电大学博士学位论文第一童绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 自二十世纪七十年代开始开发使用商用移动通信起，移动通信系统的发展可谓 突飞猛进，根据权威资料统计，2 0 0 0 年，全球移动用户数为4 亿左右，到2 0 1 0 年， 全球移动用户数预计达到1 8 亿。我国目前已拥有1 3 4 亿用户，据有关部门预测， 2 0 0 5 年我国移动用户数将达到3 亿。普及率由现在的9 增加到2 0 。在欧洲，大 量预测表明，在2 0 0 5 - 2 0 1 0 年期间欧洲移动用户数将超过普通有线电话用户数。越 来越多的资料显示，移动通信的发展速度势不可挡，发展潜力巨大。 另一方面，从业务量预测来看，1 9 9 9 - 2 0 1 0 年，预计面向话音业务的用户数将 增长1 5 倍，业务量增长2 倍。而在2 0 1 0 年以后，语音类业务将停止增长，多媒体 业务迅速膨胀。从整个上下行链路看，话音业务和多媒体业务的比例将达到1 ：2 。 可见，用户对高速移动数据业务及多媒体业务的需求越来越追切，现存的移动通信 必须向着能支持更高速率多媒体业务的未来先进移动通信系统发展。 在市场需求和技术的双重驱动下，二十世纪九十年代，移动通信系统从第一代 的模拟通信系统( 1 g ) 升级到第二代数字蜂窝移动通信系统( 2 g ) ，2 g 的主要特征 是数字通信技术和国际漫游，但仍然是主要面向话音业务，作为2 g 的代表性通信 系统，g s m 的空中传输能力仅为9 6 k b s 。虽然g p r s ，e d g e 等所谓2 5 代，2 7 5 代技术也不断涌现，数据传输速率也在不断提高，但似乎仍然不能满足人们对于移 动通信系统所能提供的高速多媒体业务能力的期望。 从九十年代末开始，第三代移动通信系统( 3 g ) 成为移动通信领域最热门的词 汇。3 g 系统的一个重要特点就是具有支持多媒体业务的能力，特别是支持i n t e r n e t 业务的能力，根据国际电信联盟( i 砌的规定，第三代移动通信无线传输技术必须满 足：在快速移动环境，最高速率可以达到1 4 4 k b s l 室外到室内或步行环境，最高速 率达3 8 4 k b s ；室内环境，最高速率达2 m b s 。 由于种种原因，3 g 在全球的商用化进程却远没有人们想象的那样顺利，在我国， 3 g 经历了几年的发展，时至今日，也只是走到了商用化的边缘。但是技术本身却没 有因为市场的发育不成熟或者商用化进程受挫而放慢脚步，在3 g 还远没有大规模 商用之前，超三代( b e y o n d3 g ) ，或者4 g 的技术研究和讨论已经展开。从技术的 角度讲，第四代移动通信系统应该与第三代移动通信系统有着本质区别，其核心网 部分可以以演进形式发展，但是空中接口应该是革命性的。 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 目前，在3 g 和4 g 技术之间，还有一部分技术也是人们关注和研究的热点，那 就是我们通常所说的增强型3 g 标准。增强型3 g 标准会尽可能的沿用3 g 的空中接 口，同时要尽可能的提高数据传输能力。由于移动多媒体业务通常具有上下行业务 不对称的特点，下行对于数据传输速率的要求比上行要高得多。增强型的3 g 标准 的重点即在于提高下行的数据传输能力，例如w c d m a 的增强型标准h s d p a ( h i g h s p e e d d o w n - l i n kp a c k e t a c c e s s ) ，以及c d m a 2 0 0 0l xe v - d v 。 以h s d p a 为例，它的主要特征包括：短传输时间间隔( t t i ) ，快速的链路自 适应技术( 在时域，也可以直接称为自适应调制编码技术，在论文中，除非特殊说 明，我们将不加区分的使用这两个名词) ，快速的软合并重传机制，以及快速的基于 信道的调度算法。通过向w c d m a 网络引入h s d p a ，网络容量可以提高2 3 倍， 而用户则能享受到超过1 4 m b s 的峰值数据速率，同时接入延迟下降到1 0 0 m s 以内。 自适应调制编码和混合a r q 作为h s d p a 的两项关键技术，对于保证数据的高 效可靠传输起到了至关重要的作用。同时，人们对于h s d p a 的关注也推动了对于 自适应调制编码和混合a r q 技术的研究热潮。其实，不只是在增强型的3 g 标准中， 在对于超3 g 和4 g 的研究中，自适应调制编码和混合a r q 也都是重要的候选技术 之。 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，提高频带利用效率，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。 所以，可以说自适应调制编码和混合a r q 技术的结合是将通信的有效性与可 靠性相结合进行研究，是一个非常有意思也非常有意义的课题，基于这一主线，本 论文把自适应调制编码和混合a r q 两种技术相结合，系统的探讨了其中的若干相 关技术课题，并得出了一些重要结论。 1 2 主要研究成果以及论文各部分的内容安排 论文共分为六章。 第二章分别对链路自适应和混合a r q 两项技术的基本概念和原理进行了较为 全面、系统的阐述；并且介绍了链路自适应和混合a r q 技术在移动通信系统g p r s ， 2 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 e d g e ，特别是在h s d p a 中的应用情况和实现方法；重点对递增冗余和c h a s e 合并 两类h a r q 机制在采用自适应调制编码条件下的性能进行了较为全面的分析和比 较：最后，分析了使用混合a r q 技术对于提高链路自适应系统性能方面所起到的 重要作用。 第三章主要从理论性能分析入手，对基于自适应调制编码的三种标准a r q 协 议：停等( s a w ) ，后退n 步( g b n ) 和选择重传( s r ) 以及改进型的停等协议一 n 信道停等协议的吞吐量性能进行了理论分析，推导出了各自的吞吐量表达式。 进一步，通过分析h a r q 的环路延迟的构成，并针对c h a s e 合并机制下的平均传输 次数这一指标进行性能分析，论文提出了一种基于传输次数预测的h a r q 方案，降 低了环路延迟，提高了传输效率；在此基础上，利用扩展信噪比的概念提出了基于 传输次数预测的h a r q 方案的简化算法。 对于采用自适应调制编码技术的系统来说，引入具有较高频谱剥用率的高阶调 制方案是在信道条件较好时提高系统的数据吞吐量，提高传输效率的有效手段。在 第四章，我们对于常用的方形星座图q a m 调制的软输出解调算法进行了研究。在 推导计算比特级软判决信息的精确算法( l o gm a p 算法) 和常用简化算法 ( m a x l o g m a p 算法) 的基础上，通过研究高阶调制时星座图的映射规律，发现 m a x l o g 。m a p 算法还可以在不损失性能的前提下进一步进行等价简化，由此提出 了一种新的比特级软输出解调简化算法，在论文中称为“简化m a x l o g m a p 算法 一”。进一步，我们根据软判决与硬判决的类比关系，从直观意义上定义了近似的比 特软判决信息，并且将多级调制时，映射到同一符号的不同比特可靠性级别不同的 特性引入高阶解调算法中，根据一种特殊的格雷映射关系推导出一组递推公式，在 此基础上给出了一种简单易行的通用算法，使得在任何格雷映射方式下，都能够使 用这组递推公式计算比特软判决信息，在论文中称为“简化m a x - l o g m a p 算法二”。 第五章对自适应调制编码系统中采用高阶q a m 调制时基于星座图重排的 h a r q 算法进行研究，深入分析了3 g p p 规范中采用的6 4 q a m 星座图，提出了一 种基于四种星座图映射规则的混合a r q 星座图重排策略，与现有的六星座图重排 策略相比，一方面将复杂度降低到与1 6 q a m 相同的程度，另一方面还提高了系统 的吞吐率性能，降低了平均传输次数，提高了系统效率。在此基础上，进一步提出 了通用的直接算法和间接算法，将基于星座图重排的r t a r q 算法推广到任意初始 6 4 q a m 星座图的情况( 符合格雷映射规则) 。 第六章是对论文所做工作的总结，并且对进一步的研究工作提出建议。 3 j t 京邮电大学博士学位论文第二章链路自适应与混台a r 0 技术的原理与应用 第二章链路自适应和混合a r q 技术的原理与实现 2 1 引言 在这一章，我们将对链路自适应技术和混合a r q 技术进行较为系统的介绍。 这其中包括链路自适应技术的发展过程，原理，传输模式切换算法，以及它在移动 通信系统中的应用情况，包括2 ，5 代的g p r s 和e d g e ，以及第三代移动通信系统 的演进技术版本h s d p a 。对于h a r q 技术，我们将首先介绍它的原理和分类，作 为h s d p a 的一项关键技术，h a r q 技术在h s d p a 中的实现非常有特点，因此，接 下来我们较为详细的介绍了h s d p a 中通过两级速率匹配实现h a r o 功能的方法， 以及n 信道停等h a r q 协议的原理和实现。并对递增冗余h a r q 机制以及c h a s e 合并h a r q 机制在采用自适应调制编码技术情况下的性能进行了较为全面的分析 比较。最后，我们还将分析使用h a r q 对于提高链路自适应技术性能方面所起到的 重要作用。 2 2 链路自适应技术简介 链路自适应技术( l a ：l i n ka d a p t a t i o n ) 通常也被称为自适应调制编码( 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 ) 或者自适应传输( a d a p t i v et r a n s m i s s i o n ) ，指的是 通过信道估计，获得信道的瞬时状态信息，并且在发送端根据这些信息自适应的选 取恰当的传输模式以适应信道的当前状态，从而提高频带利用效率。从无线传输物 理层来看，可供选择的传输参数包括发射功率水平、传输的符号速率、交织参数、 调制方式、信道编码方式和码率，或者是以上参数的任意组合。随着系统可以利用 的无线资源维数的增加，例如时间、频率、空间、码字等，传输参数可以在多维资 源上进行自适应调整，因而链路自适应变得越来越灵活。 在移动通信中，克服信道的慢时交特性及由于用户位置和环境变化而引入的信 道变化的最有效途径即是链路自适应技术 1 】。其中信道的慢时变特性主要是指慢阴 影衰落和慢平坦衰落，由于用户位置和环境变化而引入的信道变化主要是指上行链 路的“远近”效应和下行链路的“角”效应。链路自适应技术必须具备两个附加条 件：一是准确的信道估计，以掌握信道状态信息，二是具有反馈信道，以便及时传 送信道状态信息。链路自适应技术对信道状态信息的依赖也决定了这一技术比较适 用于信道变化不太剧烈的慢衰落信道环境。 在以往的固定传输模式的系统中，为了保证在较差的信道条件下也能获得比较 4 北京邮电大学博士学位论文第二章链路自适应与混合a r q 技术的原理与应用 可靠的通信质量，传输模式通常是根据信道较差情况选择的，显然当信道处于质量 较好的状态时，将造成系统资源的浪费，因此传输效率不高，频带利用率较低。在 采取了链路自适应技术后，传输模式根据信道状态动态选取：例如，当信道衰落严 重或存在严重干扰和噪声时，采用具有较强纠错能力，抗噪声干扰性能较好的调制 编码方案，以保证数据的可靠传输，但是这类调制编码方案通常传输效率不高：相 反，如果在一定时间内拥有高质量的信道条件，高阶调制和码率较高的编码方案将 被采用，这种调制编码方案的抗干扰性能和纠错能力较差，对信道质量的要求较高， 但是能够赢得较高的数据速率，提高链路的平均数据吞吐量。因此，采用链路自适 应技术，能够最大限度的利用信道条件，必然会提高频带利用率。也就是说，链路 自适应技术的优点就是可以在维持不同业务的q o s 要求下，提高系统的平均频带利 用率和传输速率，提高系统容量。 其实，自适应传输的概念最早在上个世纪6 0 年代末就被提出【2 】。h a y e s 早在 1 9 6 8 年就提出发射功率自适应调整的功率控制方法，并且指出发送端根据瞬时信道 质量的反馈信息可以进行调制方式和信道编码等一系列参数的自适应调整。相对于 功率控制抗衰落的思想，自适应调制是利用衰落的更有效方法。但是由于这项技术 要求准确的信道估计和快速可靠的反馈链路，而在当时缺乏好的信道估计算法，而 且通信系统一般是针对点对点通信的，没有反馈链路，再加上硬件上的限制，这一 技术提出后并没有得到广泛关注。随着通信技术的发展，特别是数据通信以及多媒 体业务的发展，对数据传输速率和有效传输带宽的要求越来越高，因此一系列提高 频带利用效率的技术逐渐成为人们的研究热点，这其中包括：m i m o ，多载波调制 ( 特别是o f d m ) ，链路层重传( h a r q ) ，以及自适应调制编码技术【3 】。 近十年中，链路自适应技术获得了长足的发展。首先是时域的基本理论和实用 技术的研究，1 9 9 6 年，h a n z o 等提出基于调制转换门限的自适应调制 4 】，并进行了 深入研究 4 - 9 】。该方案在满足b e r 指标下通过门限判别调整调制方式，使得系统传 输的吞吐量最高，调制转换门限通过使用p o w e l l 多维优化算法来优化代价函数获 得。c h o i 和h a n z o 在该方案的基础上进一步提出了根据信道平均s n r 可交转换门 限的自适应调制，在信道平均s n r 较高时可以获得更高的吞吐量，并且提出利用拉 格朗日