（通信与信息系统专业论文）混合自动重传请求的协议研究与仿真实现.pdf

摘要 目前，移动电话和因特网是通信领域中发展最为迅猛的两个领域，因此这么 一种需求：在移动环境中，人们依然希望通过移动终端接入因特网，享受多种多 样的服务。在3 g p p 中，为了满足迅速增长的对于高速移动数据服务，特别是移 动因特网业务的需求，技术人员们正在u m t s 标准的基础上发展一种增强型技 术高速下行分组接入技术( h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ，h s d p a ) 。 h s d p a 中包括有几项关键技术，其中之一就是h a r q 一混合自动重传请 求。h a r q 是a r q ( 自动重传请求) 和前向纠错( f e c ) 相结合的纠错方法，能够 提高数据通信的系统性能。 本文将对t d s c d m a 模式下的混合自动重传请求进行分析和仿真。不同的 h a r q 方案将被介绍，其具体算法和仿真实现也将被描述。在总结原有h a r q 算法实现的同时本文提供了一种h a r q 新的算法实现- - j d 合并。j d 合并是在联 合检测中进行码合并的c h a s e 合并。通过对仿真结果的深入分析，比较了各类 h a r q 实现方式的系统性能并且验证了j d 合并的优越性。并且j d 合并的实现 复杂度要远远低于多冗余版本h a r q 的实现复杂度。所以综合考虑系统性能和 实现复杂度，j d 合并是一种理想的h a r q 实现方式。 【关键词】 t d s c d m a 混合自动重传请求自动重传请求前向纠错高速下行分组 接入 a b s t r a c t m o b i l ec o m m u n i c a t i o na n dn e t w o r ka r et w od o m a i n s w h i c ha led e v e l o p e df a s t e s t i nc o m m u n i c a t i o na tp r e s e n t s ot h e r ei san e e dt h a tp e o p l ec a ne n j o yn e t w o r ka n d o t h e rs e r v i c ee v e ni nm o b i l ee n v i r o n m e n t i no r d e rt of u l f i lt h ef a s ti n c r e a s en e e df o r h i g hs p e e ds e r v i c ee s p e c i a l l yi nn e t w o r k t e c h n i c i a n sd e v e l o p e dab u i l d u pt e c h n o l o g y h s d p a b a s i n go nu m t s i n3 g p p h s d p ai sm a d eu po fh a r qa n do t h e rk e yt e c h n o l o g y 1 1 1 ea d v a n t a g eo fa r q s y s t e m so fo b t a i n i n gh i g hr e l i a b i l i t yc a nb ec o u p l e dw i t ht h ea d v a n t a g eo ff e c s y s t e m st or e p r e s e mas t e pt o w a r d sm o r er e l i a b l ea n de f f i c i e n td a t at r a n s m i s s i o n s s u c ha s y s t e m ，w h i c hi sac o m b i n a t i o no fa r qa n df e c ，i sc a l l e dah y b r i da r q s y s t e m t h i s p a p e rp r o v i d e sa n a l y s i sa n d s i m u l a t i o n o fh y b r i da r qs c h e m e sf o r t d - s c d m am o d e v a r i o u ss c h e m e so fh a r qa r ei n t r o d u c e d a r i t h m e t i ca n d s i m u l a t i o ns t r u c t u r eo fh a r qa r ea l s ot ob ed e s c r i b e d a f t e ri n t r o d u c i n gg p n e r a l h a r qa r i t h m e t i c ，t h i sp a p e rs u g g e s t san e wh a r q a r i t h m e t i c - - j dc o m b i n i n g j d c o m b i n i n gi so n ek i n do f c h a s ec o m b i n i n gw h i c hf i n i s h e sc o d ec o m b i n i n gi nj o i n t d e t e c t i o n s i m u l a t i o n sr e s u l ts h o wt h a tj dc o m b i n i n go f f e r sb e t t e rp e r f o r m a n c et h a n o t h e rh a r qa r i t h m e t i cm o d e l s i na d d i t i o n ，j dc o m b i n i n gi ss i m p l e rt h a nm u l t i - r e d u n d a n c yh a r qi nr e a l i z a t i o n s o ，j dc o m b i n i n gi s ai d e a l8 a r qm o d e l c o n s i d e r i n gp e r f o r m a n c ea n df e a s i b i l i t y 一 。一 -j k e yw o r d s t d s c d m ah a r qa r qf e ch s d p a 重庆邮电院硕l ：论文 第二章绪论 随着计算机技术同新月异的发展，人们身处在快速变化的社会中，传统的电 话已逐渐无法满足这个分秒必争的社会的需求。所以如何使电话具有可移动性， 达到人类通信的最高目标个人通信，即人们的梦想，也是科学家追求的目标。 个人通信是人类通信的最高阶段，斯移动通信则足通向个人通信的必经阶段。 所谓移动通信，是指通信双方或至少有一方是在运动中进行信息交换的。例 如，固定点与移动体( 汽车、轮船、1 5 机) 之f h j 、移动体与移动体之间、人与人 或人与移动体之f h j 的通信，都属于移动通信。 过去1 0 年全球移动通信得到了很人的发展，无线通信技术经历了为商业使 用的第一代模拟产品到为公众和商, _ l k - q ：境i f i i 设计的第二代数字无线通信系统。2 0 世纪9 0 年代初期，工业和运营部门推出了第二代数字移动通信系统，这标志着 无线信息网络的到来，完全的无线信息网络将使所有用户在所希望的两地能够很 经济地传送任何形式的信息。 新的网络建立了与第一代和第二代无绳电话、蜂窝服务的接口，也包含了其 它意义上的有线和无线接入，如局域网( l a n ) 等。在今后的几年内，第三代数 字移动通信系统可提供宽带多媒体业务的网络逐渐发展起来。 目自订，移动r 乜话和因特网是通信领域中发展最为迅猛的两个领域，可以想象 已经存在着这么一种需求：在移动环境中，人们依然希望通过移动终端接入因特 网，享受多种多样的服务。在3 g p p 中，为了满足迅速增长的对于高速移动数据 服务，特别是移动凶特网业务的需求，技术人员们正在u m t s 标准的基础上发 展一种增强型技术，这就是高速f 行分组接入( h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e t a c c e s s ，h s d p a ) 技术【l 】 2 】【3 】。 h s d p a 4 中包括有几项关键技术，其中之一就是h a r p 混合自动重传 请求。 h a r q 是a r q ( 自动重传请求) 和前向纠错( f e c ) 丰h 结合的纠错方法，通过 发送附加冗余信息，改变编码速率来自适应信道条件。按时间的先后的顺序，到 目前为止有三类基本的h a r q 方案，它们分别是：第一类h a r q 、第二类h a r q 和第三类h a r q ( 详见3 1 节) 。 其中第一类f l a r q 仅仅是a r q 与f e c 的简单结合，结构简单，但效率不高。 d c h a s e 5 在1 9 8 5 年提出了码合并的思想，指出通过码合并可获得额外的解码增 益。第二类h a r q 6 是递增冗余的h a r q ，充分的利用了码合并增益，使系统 性能得到了较大的改善嗣时也增大了实现的复杂性。其缺点是由于重传没有自解 码能力，当信道恶化时系统的吞i j j ：景急剧下降。为了克服这个缺点产生了具有自 解码能力的增量，凡余h a r q 第三类h a r q 。大量研究表明第二类h a r q 和 第三类h a r q 在不同的信道条件下各有优劣。此外单冗余版本的第三类h a r q h a s e 合并，结构简单、实现的灵活性较大同时利用了码合并增益，在实际 应用中有很大的潜力。 重庆邮i 也。院顾卜论文 因此综合考虑系统性能和实现的复杂程度，研究三类h a r q 在移动通信系 统中的应用将是h a r q 研究的一个重要方面。 h s d p a 是一种3 g p p 的加强技术，因此大部分h s p d a 的研究都是基于3 g 标准平台之上的。而仡陶际电联( i ，f u ) 确定的第j 三代移动通信标准中，采用 h s d p a 技术的有两种：w c d m a 和f d s c d m a 。其中t d s c d m a 是由中国提 出并被i t u 确认为正式的第三代移动通信空问接口技术规范之一，这是中国通 信史上的第一个被国际认可的移动通信系统标准，也是中国通信业的巨大突破。 由于t d s c d m a 标准的研究起步较晚，t d s c d m a 中的h s p d a 研究尚 未成熟，而其关键技术h a r q 技术的研究更是一个空白。故，本文将在 t d s c d m a 平台上研究各类h a r q 的系统性能。这些结论对于t d s c d m a 标 准的研究和完善有很大的推进作刚，对f7 i d s c d m a 系统产品的开发具有一定 的参考价值。 论文的内容结构安排如下： 第一章为绪论部分。 第二章介绍了h a r q 的起源及棚关概念。 在描述了h a r q 技术的基本知谚 背景后，第三章详细介绍了h a r q 技术的 分类以及h a r q 的重传机制并给相关的系统性能分析。另外由于本文主要是在 t d s c d m a 平台上研究h a r q 实现的性能，所以本章中还重点描述一种可在 t d s c d m a 系统中使用的h a r q 重传机制刊信道停等h a r q 重传机制及 该重传机制在h a r q 的实现。 第四章给出了h a r q 技术的算法实现 第矗章为h a r q 的仿真部分。给j 了h a r q 链路的仿真假设和仿真方案。 而且还描述了些关键上匀能模块的j 乓体仿真实现。 第六章列出了仿真结果。在描述仿真结果的同时对仿真结果作了理论上的分 析。 第七章给出了本文的结论。 2 重庆邮电学院硕+ 论文 第二章h a r q 概述 本章将简要介绍h a r q 的起源和三种差错控制技术：a r q ( 自动请求重传) ， f e c ( d 向纠错) 及a r q 和f e c 有机结合而成的h a r q ( 混合自动重传请求) 。 2 1 背景介绍 h a r q 技术是a r q 和f e c 相结合的纠错方法，通过发送附加冗余信息，改 变编码速率来自适应信道条件。 a r q 7 技术最早应用于有线传输上，目的是实现数据分组无错传输，采用的 是最简单的s t o p a n d w a i t ( 停等t j l n ) ，即s t o p a n d 。w a i ta r q 。发端在发送一个数 掘分组后等待从收端发送回来的反馈信息，如果接收到a c k 信号则发送下一个 数据分组，否则重发该数据分组。采用s t o p a n d w a i t 机制的a r q 在实现上很简 单，但是s a wa r q 存衿j 一个 嘤的缺点：确认信息小及时，发送端在发送下一 个数据块之d 订必须等待接收到确认消息，这是s a wh a r q 的一个众所周知的问 题。在等待确认信息期| 、日j ，信道处于空闲，系统能力被浪费了。在一个时隙系统 中，发送端等待确认信息的时延将浪费掉至少一半的系统能力。 为了克服s a w a r q 机制通过率低以及浪费时间长的缺点，出现一种发送端 连续传输数据组的后退n 步机制( g b n a r q 机制) 。由二f 后退n 步机制有一个 数据块错就要重传n 个数据块，所以效率不离。 为了提高数据传输效率，提出了一种新的a r q 数据传输机制： s e l e c t i v e r e p e a ta r q 8 9 。s e l e c t i v e r e p e a ta r q 与s t o p a n d w a i t 的最大同点在 于s ra r q 在传送数据分组的过程当中没有停顿，数据分组被连续的传输，发端 根据反馈信息决定重发哪些数据分组。数据分组的连续传输在提高数据传输效率 的同时，也要求收发端的b u 骶r 能够存储一定数目的数据分组以便将数据分组按 照发端的发送次序恢复出来，而不是象在s wa r q 当中只需要存储一个数据分 组就可以了，但s ra r q 的实现比较复杂且有缓存溢出现象。 为了得n - 一利即有高数据传输效率又比较易于实现的a r q ，提出了改进的 s 。州a r 删c h a n n e l s a w h a r q ，它提供一种防l 卜系统资源被浪费的方法，在 个信道上同时并列进行n 个s a w ，当下行链路被某个s a w 用于传输数掘块 时，上行链路被j j ：f 传输其他s a w 的确认信息，这样系统资源被充分利用，但 是这时就要求接收端必须能够存储n 个传输块的信息。 a r q 技术不论是采用n s t o p a n d w a i t 机制还是s e l e c t i v er e p e a t 机制，当被 应用在无线通信当中时有一个严重的缺陷，就是在无线信道质量下降时，重传次 数急剧上升直接导致数据吞吐量会迅速下降。 f e c 技术是用来克服在无线坏境当中信道噪声、信号衰落、其他用户干扰对 传送数据分组的影响，即通过传送冗余信息比特对发送数据分组进行检错和纠 错，达到对发送数掘分组进行有效保护的目的。f e c 技术的缺陷就是冗余信息的 发送导致数据传输效率的下降，对数据分组保护要求越高，需要传送的冗余信息 3 重庆邮电学院硕十论文 越大，数据传输效率越低。 如果在采用a r q 技术的基础上，再对传送的数据分组提供有效的保护就能 够很好的克服a r q 技术在无线信道质量下降时，数据吞吐量会迅速下降这一缺 陷。另外如果在采用f e c 技术的基础上，结合一定的数据分组发，那么就可以 减少每次所需要发送的冗余信息，提高数据传输的效率 1 0 1 1 11 】【1 2 】。正是出于以 上两个原因，产生了f e c 结合a r q 的新技术：h a r q 。 按照时i h j 的先后顺序，h a r q 到f | f j 订为“：7 。共分成三类，它们分别是：t y p e ih y b r i da r q 、t y p ei ih y b r i da r q 、t y p ei i ih y b r i da r q 。 第一类h a r q 只是把f e c 和a r q 简堆的结合起柬，虽然在一定程度上解决 了f e c 和a r q 本身的缺陷，但是i - j 于每次只是简单的把出错数据分组丢弃要求 发端重传该数据分组，没有充分利刚 错的数据分组当中的有用信息，导致整体 数据传输效率依然不高。 为了在数据传输系统当中充分利川已接收数据当中的有用信息，d c h a s e 在 1 9 8 5 年提出了码合并的思想，当接收到的数掘分组出错时并不是简单的将其丢 弃，而是将其与后面发送的数掘分组进行合并，将若干个出错的数据分组合并后 解码有可能得出正确的结果。因为每个数据分组都包含不同的有用信息，将这些 有用的信息合并在一起产生的新的数据分组在理论上能够产生一定的解码增益， 从而使得新的数据分组能够被f 确解码。t y p ei ih a r q 就是在这种思想下产生 的，t y p ei ih a r q 通过增加冗余的码合并能有效的提高系统的性能。 t y p ei ih a r q 虽然充分利川了每次发送的数据分组当中包含的有用信息， 但是在t y p ei ih a r q 当中晕发的数抓分纤l 包禽是新增的冗余信息并不包含原始 数据信息，是4 i 具备 j 解码能力的，如果原始数抛分组被破坏严重或者丢失，那 么无论重传多少次也无法i f 确解码。这是t y p ei ih a r q 一个很大的缺点。为了 克服t y p ei ih a r q 的这个缺点，t y p e1 1 ih a r q 被提了出来，所不同的是重传码 字具有自解码能力，因此接收端可以直接从重传码字中解码恢复数据，也可以将 出错重传码字也已有的缓存码字进行合并后解码。根据重转版本的不同，第三类 h a r q 又进一步分为两种，一种是具有一个冗余版本的第三类h a r q ，也称为 具有软合并的第一类h a r q ，各次重传版本均与第一次传输相同。另一种是具有 多个冗余版本的第三类h a r q 。各次重传版本中所采用的前向纠错码均不相同。 2 2 f e c 一前向纠错 在f e c 系统中采用纠错编码束抑制传输差错，在发送端对信源送出的数据 块上附加足够的= c 余信息，在接收端对这些受噪声干扰的码组进行错误检测并试 图纠正。如果不能纠i f ，那么接收的 ；i q f l i 将被错误的译码，并将错误码组传给用 户。 f e c 1 3 】通信系统的优点是不需要反馈信道就能进行一个用户对多个用户的 同时通信( 广播) ，特别适应于移动通信，而且系统的传输效率高，等于码速率 ( 与信道的差错率无关) 。译码的实时性好，控制电路也比较简单。然而f e c 也 有一些缺点，例如当错误译码时，错误的信息也送给用户，所以可靠性差。为了 获得高的可靠性，设计时必须使用长码和选用纠错能力强的码组，这会使译码电 路复杂化，提高造价。同时，所选用的纠错码还必须与信道干扰情况相匹配，因 4 巫：厌邮j u 7 ：院硕l j 沦文 而对信道的适心讹较芹。为了扶得比较低的误护5 率，往往必须以最坏的信道条件 柬设汁纠错i i i 5 敞所川纠销4 t ：， i 5 的冗余皮较大，这就降低了编码效率。 由于f e c 没有反馈消息，所以协议具有良好的可扩展性。f e c 采用的是一 种“事先避免的策略，事后即使仍有丢包，也f 再晕传。所以，纯粹的f e c 技术不能保h e 完全l f 确的发送。l l f , ， l - ，f e c 还彳r 以一卜缺陷：编码解码增j j u 了计算 的丌销和复杂性，在丢包率很高的情况下，性能明届下降；只适合一次发送一个 数据块的应用；整体性能仍受制于丢包最严重的接收者等。 2 3 a r q 一自动重传请求 a r q 通信系统首先在发送端列f 者息进_ 了编码，编码后的码组具有很强的检 错能力，通过6 仃向信道送达接收端。在接收端进行检错，如果不能检错，则送给 用户( 或送到缓丫，寄作器各j j ) ，时，通过反向信道向发送端返回一个信号 a c k ，通知对力此码缉l 已经确接收。如果检出错误，则通过反向信道返回一 个信号n a k ，请求对力把刚彳的码组重发一次，这样连续进行下去直到正确接 收为止。 由此可知，应用a r q 方式必须有一条从收至发的反馈信道，并要求信源产 生信息的速率可以控制( 或有大容景的信源产生器) ，整个通信系统的收、发两 端必须相互配合，密切协作，故这种方式的控制电路比较复杂。由于反馈重发的 次数与信道的干扰情况有关，若信道干扰很频繁，则系统经常处于重发消息的状 态，所以传输信息的连贯性和实时性较差。该方式的优点是编译码设备，特别是 译码设备简单，在冗余度一定的情况下检错码的检错能力比纠错码的纠错能力高 得多，差错控制系统的枪错能力极强，因而使整个通信系统能获得极低的误码率。 此外，由于检锚码的榆错能力与信道干扰情况綦本无关，因此整个差错控制系统 的适应性很强，特别适j j 于短波和敝均t 等二 ：扰情况特别复杂的信道以及要求误码 率极低的场合。 a r q 通信系统与f e c 通信系统棚比，设铬确单，可靠性高。但它必须设置 一个反向信道，而且当信道差错率太大时，系统由于经常处于重传状念会使传输 效率非常低。 2 4 h a r q 一混合方式a r q h a r q 1 4 方式是前两种方式的组合。在h a r q 方式中，发端发送的码不仅 能够检错，而且还具有_ 定的纠错能力。收端译码器收到码字后，首先检验错误 情况，如果在码的纠错能力以内，则自动进行纠错，如果错误很多，超过码的纠 错能力，但能检测出来，则接收端通过反馈信道给发送端发一个判决信号，要求 发端重发消息。这种方式在一定程度j 二避免了f e c 需要复杂的译码设备和a r q 方式信息连贯f ，筹的缺点，并能使整个通信系统的误码率很低，因此这种方式近 年束发展很快特别怒在卫世通信和尤线通信中得到了较广泛的应用。 概括的说，i i a r q 系统就足在a r q 系统中引入一个f e c 子系统，这个f e c 子系统用束纠旷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 一垩壅坐坐堂堕堡：兰笙奎一一 一一- 一 纠j f 错误，超i l ；纠错范刚则要求发送端重新发送。这是一种折中的方案，既增加 了系统的可靠性，又提高了系统的传输效率。 6 重庆邮l u 学院硕十论文 第三章h a r q 技术 本章首先详细介绍各类h a r q 技术，以及每类h a r q 可采用的重传机制。 接着描述了一种3 g p p 中所采用的h a r q 重传机制n 信道停等h a r q 及其 在h a r q 的实现。最后给出各类h a r q 的性能分析。 3 1 h a r q 的分类 实现h a r q 柯多种技术：第一类h a r q 、第：类h a r q 和第三类h a r q ， 还有以上三类的各种结合技术。下睡玎将详细介绍这三类基本又典型的h a r q 技 术。 3 1 1 第一类h a r q 第一类h a r q 又叫传统a r q ，其工作过程如下【1 5 】：接收端首先对数据包 进行纠错，如果有错误不能纠错，就发送数据包请求重传。同时，丢弃错误的数 据包。重传时使j f j 相l 司的前向纠错编鸺，也就是说冗余信息是一样的。 第一类h a r q 实际上是一种自适心编码速率的方法( a c r ) 的方法。这种 方法的主要原竭! 就是根据系统条件的限制( 如系统信噪比) 来改变前向纠错编码 的速率。如果一个数批包在接收时1 i 能i f 确的解码，就将其丢弃，并在上行信道 中返回一个数据包重传请求。发送端收到重传请求后，会再次发送原来的编码数 据包。在接收端刁i 进行任何合并。b j 以看：【j ，第一类h a r q 的信令丌销小。由 于在重传中使用干| j i 司的的向纠错编码，物理层的结构以及解码都要简单一些。但 是这种固定的前向纠错编码意i 味着刚定的冗余信息，系统的吞吐量不如第二类和 第三类高。 3 1 2 第二类t l a r q 第二类h a r q 方案【1 6 】【1 7 1 1 8 】【9 】属于递增冗余( i n c r e m e n t a lr e d u n d a n c y ) 的a r q 机制。在增加冗余的a r q 中，接收错误的数掘包不会被丢弃，而是与 重传冗余信息合j ：之后 耳进行解码。承传数掘通常与第一次传输的数掘不一样， 它携带着新的冗余信息来帮助解码。新的冗余信息与先的收到的初次传输的信息 一起形成了纠错能力更强的f i 订向纠错码，使错误率进一步降低。下面是一个第二 类h a r q 方案的乃：例： 7 重庆邮电学院硕十论文 c o d e w o r dc ， ( a l e w o f d 岛 t - 一l - 、 kb i t s l 尺b i t j , lh “k 厂-一一一_ _ 厂 - 、厂- _ _ - _ k _ _ ，臣= 二团 二 舢 图3 一l ：t y p ei ih y b r i da r q 编码结构 如图3 1 所示，码字c o 为( l ，k ) 检错码，码字c i 为( 2 l ，l ) 的纠错码。 c o 和c l 均可称为冗余版本。发送端第一次发送数据分组i ( 即c o ) ，接收端对接 收到的数掘进行校验，如果没何发现错误则发送a c k 信息否则发送n a c k 信息。 当发端收到来自接收端的n a c k 信息指示6 ，j 一。传送数据分组出错时，则另一个 l b i t 的数据分组p ( i ) 被发送，接收端把接收到的p ( i ) 与先日订的i 合并( 即构成c i ) 再进行解码和校验。第二二发送的p ( i ) 就是我们所说的增量冗余信息，它与第一次 发送的i 不同。当第二发送的p ( i ) 与i 码合并后，仍不能币确解码，再发送其它 的冗余版本。如果所有版本信息郜发送后，接收端仍然不能币确解码，那么将依 次重发各冗余版小。依次重发各) c 余版本侄接收端町与前面发送的冗余版本合并 也在合并解码中代替原来的那次传送。这个过程可以周而复始地进行下去，但实 际上，对重传次数必须有一定限制以控制如时延等的性能指标。 3 1 3 第三类h a r q 第三类的h a r q 方案【1 8 】也属于增最冗余( i r ) 机制。它与第二类h a r q 相似， 接收错误的数据包不会被丢失，接收机将其存储起来与后续的重传数据合并后进 行解码。第二类t i a r q 有个缺点就避重传数槲中包含冗余信息，不包含系统比 特，因而重传数叛t j 不能自解码。如果系统c l 】噪声和干扰比较大。对第一次传输的 数据破坏非常严重，那么即使增加己余信息，数据也难以解码，因为系统比特对 解码的影响非常犬。在这种情况f ，如果重传数据町以自解码，将会使系统性能 得到提高。第三类h a r q 可以看成是第一类和第二类h a r q 的结合。它与第二 类h a r q 不同的是重传码字具有自解码能力，因此接收端可以直接从重传码字 当中解码恢复数据，也可以将出错重传码字与已有缓存的码字进行合并后解码。 另外根据重传的= j c 余版本不同，第三类h a r q 又w 进一步分为两种，一种是具 有多个冗余版本的第三类h a r q ，各次重传冗余版本均与第一次传输不同；另一 种是只具有一个冗余版本的第三类h a r q ，也称为具有软合并得第一类h a r q ， 各次重传冗余版本均与第一次传输相同( c h a s ec o m b i n g ) 。 第三类h a r q ( 多冗余版本) 编码时生成的编码数据包是不同的，第一次传 输的数据包通常j 一第一类h a r q 传输的数据包相同：重传时所传输的数据包可 含不同的t i l l 比特。当第一次传输刁i 能i f 确接收时发送后续的重传数据包。由于 重传数据包是可( 1 解码的，区l 此- - - jl h 匕b , 山重传数掘包直接解码出用户信息，如果不 能j f 确解码，则将多次传输的数抛合并，再进行自解码，如果仍然不能f 确解码， 则继续传输后续逦传数抛包。如果所有的传输数据包版本发送完一遍后数据包仍 不能j 下确解码，则重复发送这些版本的传输数4 l ! ：包。 8 重庆邮电学院硕十论文 与第二类h a r q 相比，第三类h a r q ( 多冗余版本) 在实现上更为复杂，所有 接收到的传输数抓包和所有它们之问的组合都需要进行解码，而在第二类h a r q 中，由于重传数拟包4 i 包含系统比特，i 又】而每次传输只需要解码一次。 c h a s e 合并的基本：j 二作原理足当第一次传输接收有误时，并不将它丢弃，而 是将它存储起来，重传时象传统a r q 那样，多 足简单的重发与第一次传输相同 的编码数掘包，神：接收端，象第i 三类h a r q ( 多冗余版本) 那样先自解码，如果 不能诉确解码，解码器将多次传输按信噪比加权相加再自解码。这种方法得到时 问分集的增益，帆1 1 很容易实现。 3 2 h a r q 的重传机制 h a r q 系统主要有三种基本的重传机制：停等机制( s t o p a n d - w a i ta r q ， 简称s a w a r q ) ，后退n 步机制( g ob a c kna r q ，简称g b n a r q ) 以及选 择重传机制( s e l e c t i v er e p e a ta r q ，简称s r a r q ) 。下面分别讨论这几种机制 的工作原理和性能。 3 2 1 停等机制 停等机制( s t o p a n d w a i ta r q ) 足最简单、容易实现的重传机制，也是出现 的比较早的一利，艰传机制， ，j i ， ：多实际的数据传输系统都采用这种机制。在 s a w 中，发端发送一数据块后) f ：始等待接收端发送的该数掘块的反馈消息，如 图3 2 所示。反锁消息“a c k ”表明该数据块被成功的发送到接收端，发端继续 发送下一数据块；反馈消息“n a k ”表明该数据块被接收端检验出有误，发端 将重传该数据块并等待反馈消息。重传过程一直持续到发端收到反馈消息 “a c k ”。 r e t r a n s m is si o n i r e t r a n s m is s i o n l ff e r r o re r r o r 图3 - 2 ：s t o p - a n d - w a i ta r q 发端只在发送的数掘块被正确接收到之后4 丌始对下一个数据块进行操作， 系统只需使用l 比特的序列号用来区分当前的数据块和下一个待传输的数据块， 使得相应的控制丌销较小，传输块所需的确认信息开销也较小，因为用于指示传 输块是否被正确解码的确认信息( 使用a c k ，n a c k ) 只需简单的使用一个比 特。另外，因为在i 二j 一时洲内只传输一个数据块，所以对u e 内存的要求也较低。 因此，s a w 能够有效地降低对t j e 内存和信令带宽的要求。但是，s a w 存在一 9 重庆邮电学院硕十论文 个主要的缺点：确认信息不及时，发送端在发送下一个数据块之日矿必须等待接收 到确认消息，这是s a wa r q 的一个众所周知的问题。在等待确认信息期间，信 道处于空闲，系统能力被浪费了。在一个时隙系统中，发送端等待确认信息的时 延将浪费掉至少一半的系统能力。 在h a r q 中，假设重传次数不限时，h a r q 系统的接收误块率p ( e ) i 生i 系统 的校验码和信道条件决定。故，评价s a w a r q 性能指标主要为传输信息的有效 性( 吞吐率) 。 假设用分签i 线r k 校验6 l ( n k ) 水榆验数据块足否被无误传输，且对p c ，p d ， p e 作如下定义： p c - - 收端收到无误传输的数抛块的概率。 p d = 收端收剑有误传输的数掘块i 枪测 n 该数据块有误的概率。 p e = 收端收到有误传输的数据块但没有检测出该数据块有误的概率。 p c + p d + p e = l 。 p c 由信道的统计特性决定，p d 和p e 则山信道的统计特性和( n ，k ) 码共同决定 的。一个数据块仪有当其无误传输或其传输错误没有被收端检测出才被收端接 受。有误的数据块没有被检测出既发生在首次传输也出现在重传中。 p ( e 、) = p e + p d p e + p d l p e + =pe(1+pd+pd2+)(3-1) ：p e l ：一生 l p dp c + p e 如果采用合适的检错码，则p c 榭时p c 非常小，p ( e ) 也相当小。 h a r q 的吞吐效率可定义为平均单位时间内收端收到的正确比特数与单位 时| 日j 内发端发送的所有比特数的比值。 令入为s a w 两次连续传输数：i i i 块i i , j 的空闲时i 日j ，6 为传输的比特率。虽然 在空闲时间罩发端没有传输数据，但空闲i t , - j f j 对吞吐率的影响必须考虑进去。在 一个时延周期罩，假设发端连续发送数据，其发送的比特数为甩+ 2 5 ，当收端正 确的收到一个数据块时，发端平均发送的比特数为： t s w ：( n + a s ) + ( 1 p c ) ( n + 入6 ) + ( 1 p c ) 2 ( n + 入6 ) + ( 1 - p c ) m ( n + 入6 ) + = ( n + a s ) 1 + ( 1 一p c ) + ( 1 一p c ) 2 + ( 1 一p c ) m + ) = ( n + a s ) p c s a wa r q 的吞吐率为： rsw：当：而pc(kn)17s ( 3 。2 ) 2i 2 雨丽 1 3 - z j 其中k n 为系统的编码速率。对于具有较大时延周期和较高编码速率的 数字通信系统，允万，7 的值会变得很人，n 的值不可能设置的很大。着这种情况 下，单停等机制的吞吐率就小的不能被系统接受。例如在一卫星通信系统中，其 l o 重庆邮i u 学院硕十论文 数据传输速率为1m b s 、信道的时延周期为7 0 0 m s ，则有i z l n = 7 10 5 。如使 1 z n 接近1 ，n 的数量级必须为1 0 5 ，而在通信中不可能传送这么大的数据快。 即使令q = 1 0 0 0 0 ，2 8 1 刀的值为7 0 ，系统的同吞率仍然很低，约为1 4 p c ( k - ) 。 力 3 2 2 后退n 步机制 为了克服s a w 。a r q 机制通过率低以及浪费时| 日j 长的缺点，下面提出发送端 连续传输数据组的后退n 步机制( g b n a r q 机制) 。这种方式既适合于双工通 信，又适合于单工通信。 r e t1 8 1 s i g i q s i o n r o u n dt r i pd e l a y ( g o b a c k 一7 ) r e t r a n s m i s s i o n i _ l _ 、 j r i t r a n s m i t t e rill2i3i4l56i7l8i9l3l45l6l7i8i9fl li1 21 3l7i8i91 0ll ll1 2 一，。一，。一，。一一。，。“。，”。，。”。 梦嗲嗲嗲嗲嗲嗲嗲今嗲嗲嗲箩嗲嗲嗲嗲嗲嗲哆哆 ， 图3 3 ：g o b a c k - na r qw i t hn = 7 g o b a c k na r q 的工作原理如图3 3 所示，发送端按顺序连续的发送数据块， 并且把每个数据块存储起来。经过一个叫埏周期后，发送端收到反馈消息。时延 周期是指从j l ：始发送粜数抛x i ( i = l ，2 n ) 块到收到该数据块反馈消 息的时i 日j l 日j 隔，在一个时延剧期内发端共发送n 个数据块。当发端收到反馈消 息“n a k 9 99 表吵】该反馈消息所刘心的数据块x i 到达接收端后被检验出有误， 就返回到发端存储器单的第x i 个数扔；块，丌始在下一个时延周期罩发送x i 及其 后面的n 1 个数据块。在每次x i 的重传过程中( 一个时延周期内) ，发端都发送 相同的数据块序列。该重发过程一直持续到收到数据块x i 的无误反馈消息 “a c k9 9 0 在接收端，接收机抛掉被检验柯误的数据块x i 及其后面的n 1 个数 据块，不论这n 1 个数据块是否被检验有误。 g o b a c k 。na r q 的主要缺陷是，当一个数据块被检验有误时其后的n 1 个 数据块都会被抛弃，即使这n 1 个数据块中有无误传输的数据块。因此，这些无 误传输的数掘块还需要被重传。这是一种对有用数据块的浪费，当较大的时延周 期被采用时，系统的吞吐量会急剧降低。例如在卫星通信系统中，假设每次传输 的数据块长度为1 0 0 0 b i t s ，传输速率为l m b s ，时延周期为7 0 0 m s ，即n - - 7 0 0 。 当有一数据块被卡：) ! 验有误时，7 0 0 个数掘i 块就被抛掉。如果信道比较恶劣，数据 传输被检验有误比较频繁，系统奋吐量会迅速卜降。 在g o b a c k 一( g b n ) a r q 机制中，当某个数据块的传输有误时，通常要求重 发n 个数据块。凶此，当有一个数据块被无误传输时，平均需要发送的数据块 重庆邮电学院顾十论文 为： t g b n = i + n ( 1 p c ) + n ( 1 一p c ) 2 + n ( 1 一p c ) m + = 1 + n ( 1 一p c ) ( 1 + ( 1 一p c ) + ( 1 一p c ) m 一1 + ) = 1 + n ( 1 一p c ) p c g b na r q 的备吐率为： ：一1(生)：一pc一(krh 7 ，) (33)；nu 5 z = 【彳) - 再i l 二蠢) 七) 由公式( 3 3 ) 可知，g b na r q 的吞吐率由信道的误比特率和时延周期n 共同决定。对于传输速率不是很高以及f j 寸延周期比较小的通信系统，通过采用较 大的数据块，则n 的值相当小。在这种条件下，时延周期对系统吞吐率的影响 十分微小，g b na r q 可以提供较高的吞吐率。然而，对于传输速率较高以及时 延周期比较大的通信系统，n 的值町，叟得很人，当系统误比特率也较高时，系统 的吞吐率就变得不能满足系统通信的需要。例如，在数据传输率为1 m b s 、时延 周期为7 0 0 m s 的卫星通信系统中，取 = 1 0 0 0 0 ，则n 的取值为7 0 。当p c = 0 8 8 6 时，系统的吞吐率为1 0 ( ! ) 。 3 2 3 选择重传机制 对于速率较高以及时延周期较人的通信系统，g o b a c k na r q 的效率很低。 较低的效率是山于对被校验有误的数土l ：i ：块后n 1 块内无误传输的数据块进行重 传造成的，选择重传机制( s e l e c t i v er e p e a ta r q ) 町以克服这样的缺陷。在s e l e c t i v e r e p e a ta r q 中，数据块被连续的发剑接收端，发端仅重传那些被接收端检验有误 的数据块。当发端进行一次重传后，尤需等待反馈消息直接发送新的数据块，如 图3 - 4 所示。因为通常数据块必须按顺序发送到接收端，例如：在点到点的通信 系统中，所以收端收到有误的数据块后，必须有一缓存来存储之后无误接收的数 据块。当第一个反馈为“n a c ”的数据块被无误的接收后，收端将按先后顺序 释放收端缓存中被无误接收的数据块，释放过程一直持续进行直到收到下一有误 的数据块。采用s e l e c t i v er e p e a ta r q 的接收端必须有足够大的缓存，否则，会 造成缓存外溢，一些数据块就会被丢失。 1 2 重庆邮电学院硕十论文 l234567389l o7l l1 21 3 m n 二谚一 123 4 5673891 07l l 图3 - 4 ：s e l e c t i v er e p e a ta r q 在s e l e c t i v e r e p e a t ( s r ) a r q 机制中，假设接收端有足够大的缓存来存储有误 传输数据块之后的无误传输的数据块，这样的系统被称为理想的s ra r q ( 选择 重复自动请求重传) 。 当有一个数掘块被无误传输时，平均需要发送的数据块为： t s r = i + ( 1 一p c ) + ( 1 p c ) 2 + + ( 1 p c ) m + = 1 p c 理想的s ra r q 的吞吐率为： ：了1 ( k 一) ：九( 生) ( 3 4 ) 1 姝l t n 公式( 3 - - 4 ) 表明s ra r q 的吞i | ：率不受时延周期的影响，对传输速率较高 以及时延周期比较大通信系统的吞i t i = 率有极大的