（通信与信息系统专业论文）lte终端数据重传性能的研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 近年来，随着w i m a x 、w i f l 2 等具有竞争力的无线通信技术的日益发展， 3 g p p 和3 g p p 2 组织提出了l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 技术，它作为第三代移动通 信技术和第四代移动通信技术之间的过渡，被业界称为3 9 g 技术。l t e 的系统目 标是提供更高的带宽、更快的峰值速率、可靠性传输的增强、更低的时延以及更好 的服务质量( q 砌埘o f s e r v i c e ，q o s ) 保证，在业界引领了一场重大的技术演进。 在l t e 系统中，由于无线传输环境、干扰信号等因素影响，使得无线移动终端 设备( 简称u e ) 接收、处理数据的过程往往不能一次成功完成。当接收端出现解码不 成功时，需要发送端重新发送数据，然后u e 再次接收、处理，上述过程称作数据 重传。数据重传是l t e 系统数据可靠性传输中的一种保证性技术，因此研究数据重 传对无线通信技术的研究和发展有着积极意义。本文基于3 g p pl t e 协议栈的基础 上，以数据重传为核心研究对象。 在本文研究中，我们首先描述了l t e 的系统架构和数据传输流程，并介绍、分 析、比较了不同差错控制技术，其中包括自动请求重传( a u t o m a t i cr e p e a t - r e q u e s t , a r q ) 、前向纠错( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n , f e c ) 以及混合自动请求重传( h y b r i d a u t o m a t i cr e p e a t - r e q u e s t , h a r q ) ，再结合l t e 协议栈上各个协议层的数据重传技 术，介绍了数据重传在不同协议层的功能和方案。 其次引入数据重传在t c p 层出现的问题，在解决t c p 层出现的传输问题中， 本文深入研究了数据链路层的两层数据重传方案，通过数值仿真，分析了两层重传 中的相关参数对系统中数据包的平均传输时延和吞吐量的影响，为数据链路层的参 数配置提供了理论参考依据。 接着研究了与h a r q 相关的物理层技术来进一步改善问题解决的方案。通过 跨层设计将a m c 与h a r q 进行有效的结合，实现了高效可靠的数据传输。随后引 入了星座重排方案，并对1 6 q a m 调制各个比特可靠性进行了深入分析，通过每次 重传过程中采用不同的星座映射规则，使得多次传输后的信息比特可靠性达到相 同，从而提高译码的正确性。通过链路仿真验证了a m c 和星座重排技术与h a r q 有效结合，使得系统的吞吐量得到提高且误块率也得到有效地降低。 最后，对全文工作做了总结以及对未来工作的展望。 关键词：l t e ，数据重传，跨层设计，星座重排 重庆邮电大学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s a l o n g 、丽t h t h e d e v e l o p m e n t o f c o m p e t i t i v e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , s u c ha sw i m a xa n dw i f l 2 ，t h e3 g p pa n d3 g p p 2 o r g a n i z a t i o n sp r o p o s e dt h el o n gt e r me v o l u t i o ns y s t e m ，w h i c hi s a l le v o l u t i o n s y s t e mb e t w e e nt h e3 r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dt h e4 t h g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s oi ti sc a l l e d3 9 c t 砀el t et e c h n o l o g y a i m st op r o v i d eh i g h e rb a n d w i d t h , f a s t e rp e a kr a t e ，e n h a n c e dt r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t y , l o w e r l a t e n c y a n db e t t e r q u a l i t y o fs e r v i c eg u a r a n t e e s oi tl e a d sam a j o r t e c h n o l o g i c a le v o l u t i o n i nt h el t es y s t e m ，d u et ot h ei m p a c to fw i r e l e s st r a n s m i s s i o ne n v i r o n m e n t , i n t e r f e r e n c es i g n a la n ds oo n ，t h ew i r e l e s st e r m i n a l s ( c a l l e du ef o rs h o r t ) c a n t r e c e i v ea n dp r o c e s st h ep a c k e t ss u c c e s s f u l l ya tat i m e ，w h e nt h er e c e i v e rf a i l st o d e c o d et h ep a c k e t s ，i tw i l la s kt h es e n d e rr e t r a n s m i ta g a i n ，t h e nt h eu er e c e i v e sa n d p r o c e s s e st h ep a c k e t sa g a i n n ew h o l ep r o c e s si sc a l l e dd a t ar e t r a n s m i s s i o n d a t a r e t r a n s m i s s i o ni sa ni m p o r t a n tg u a r a n t e et e c h n o l o g yi no r d e rt oe n s u r et h er e l i a b l e d a t at r a n s m i s s i o n s oi th a sap o s i t i v es i g n i f i c a n c ef o rd a t ar e t r a n s m i s s i o nr e s e a r c h b a s e do n3 g p pl t e p r o t o c o ls t a c k sa n dw ef o c u so nd a t ar e t r a n s m i s s i o n i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , w ed e s c r i b et h el t es y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dd a t a t r a n s m i s s i o np r o c e s st h e ni n t r o d u c e 、a n a l y z ea n dc o m p a r et h ed i f f e r e n te r r o rc o n t r o l t e c h n o l o g y , w h i c hi n c l u d ea u t o m a t i cr e p e a t - r e q u e s t , f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n , h y b r i da u t o m a t i cr e p e a t - r e q u e s t ，t h e nt h ep a p e rc o m b i n e sw i t hd i f f e r e n td a t a r e t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yo nt h ee v e r yp r o t o c o ll a y e ro fl t ep r o t o c o ls t a c k s ， i n t r o d u c e st h ef u n c t i o na n ds c h e m e so fd a t ar e t r a n s m i s s i o no nt h ed i f f e r e n tl a y e r s e c o n d l y , w ei n t r o d u c e dt h ep r o b l e mo fd a t ar e t r a n s m i s s i o na tt c pl a y e r , f r o m t h em a n ys o l u t i o n so ft h i sp r o b l e m ，t h i sp a p e ri n t e n s i v er e s e a r c ht h et w ol a y e r r e t r a n s m i s s i o ns c h e m eo fd a t al i n kl a y e r a na n a l y s i so f a v e r a g ep a c k e tt r a n s m i s s i o n d e l a ya n dt h r o u g h p u ta f f e c t e db yt h et w or e t r a n s m i s s i o np a r a m e t e r sb yn u m e r i c a l s i m u l a t i o no nt h es y s t e m ，w h i c hp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i s f o rc o n f i g u r a t i o n p a r a m e t e r sa tt h ed a t al i n kl a y e r n e x t , r e s e a r c ha b o u th a r q r e l a t e da tp h y s i c a ll a y e ri st oi m p r o v et h es o l u t i o n t ot h ep r o b l e m n l i sp a p e ri l a k e se f f i c i e n tc o m b i n eo fa m ca n dh a r q t h r o u g h c r o s s - l a y e rd e s i g n , w h i c hr e a l i z e s r e l i a b l ed a t at r a n s m i s s i o n s u b s e q u e n t l y , w e u i n t r o d u c et h ec 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 e sa n da n a l y z et h e r e l i a b i l i t yo f e a c hb i tw h e na p p l i e dt o16 q a m ，b i tr e l i a b i l i t yc a l la c h i e v en l es 锄ev a l u ev i a a d o p td i f f e r e n tc o n s t e l l a t i o nm a p p i n gr u l e sa t e v e r yr e t r a n s m i s s i o np r o c e s st o i m p r o v ed e c o d i n ga c c u r a c y t h el i n ks i m u l a t i o nv e r i f i e st h a ta m c ，c o n s t e u a t i o n r e a r r a n g e m e n tc o m b i n ew i t hh a r qe f f e c t i v e l y i tm a k e ss y s t e m t h r o u g h p u t i m p r o v e da n db l o c ke r r o rr a t ea l s oe f f e c t i v e l yr e d u c e d f i n a l l y , t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h ec o n c l u s i o na n dp r o p o s e st h ep r o s l p e c t so f f u t u r er e s e a r c h k e y w o r d ：l t e ，d a t ar e t r a n s m i s s i o n ，c r o s s l a y e rd e s i g n ，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 i i i 重庆邮电大学硕士论文 附图索引 附图索引 图2 1l t e 系统网络图6 图2 2a r q 原理框图7 图2 3 等停方式a r q 8 图2 4g b n 方式a r q 。9 图2 5 选择方式a r q 9 图2 6 混合i 型h a r q 机制。1 1 图2 7 混合i 型h a r q 机制1 2 图4 1r l ca m 传输模型图2 3 图4 2 两层a r q 数据重传框图2 8 图4 3 两层a r q 时延分析模型图2 9 图4 4m 。不变时，误包率受到m ，的影响3 2 图4 5m 。不变时，传输时延受到m ，的影响3 3 图4 6m 。不变时，误包率受到c 的影响3 4 图4 7m 。不变时，传输时延受到c 的影响。3 4 图4 8m ，不变时，误包率受到m 。的影响3 5 图4 9m ，不变时，传输时延受到m 。的影响3 5 图5 1l t e 物理层h a r q 流程框图3 7 图5 2t u r b o 码编码器3 8 图5 3 速率匹配3 9 图5 4b p s k 和q p s k 的星座图4 0 图5 51 6 q a m 星座图4 0 图5 6t u r b o 译码器结构图4 l 图5 7 典型调制方式的b e r 分布4 3 图5 8a m c 和h a r q 合并对吞吐量的性能影响4 7 图5 916 q a m 星座映射方式1 一4 8 图5 1 01 6 q a m 星座映射方式2 4 9 图5 1116 q a m 星座映射方式3 5 0 图5 1 21 6 q a m 星座映射方式4 5 1 图5 1 3 星座重排与c h a s e 合并对吞吐量的影响5 2 图5 1 4 星座重排与c h a s e 合并对b l e r 的影响5 2 v i 重庆邮电大学硕士论文 附表索引 附表索引 表1 1 不同业务的q o s 参数和机制3 表2 1a r q 与f e c 性能比较8 表3 1t c p 报文格式。1 6 表5 1 典型调制方式的判决门限4 4 表5 21 6 q a m 的同相分量不同比特比特平均似然比4 8 表5 3 映射方式i i1 6 q a m 的同相分量不同比特比特平均似然比4 9 表5 4 映射方式i i i1 6 q a m 的同相分量不同比特比特平均似然比5 0 表5 5 映射方式i v1 6 q a m 的同相分量不同比特比特平均似然比5 0 表5 61 6 q a m 的l l r 的平均值5 l 表5 71 6 q a m 映射规则变换5 1 v i i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文的研究背景和意义 在最近几年里，移动通信和互联网成为当今世界发展最快、市场潜力最大、 前景最诱人的两大业务，它们的增长速度都是任何预测家未曾预料到的。迄今， 全球移动用户已超过1 5 亿，互联网用户也已逾7 亿，中国移动通信用户总数超过 3 6 亿，互联网用户总数则超过1 亿。这一历史上从来没有过的高速增长现象反 映了随着时代与技术的进步，人类对移动性和信息的需求急剧上升。越来越多的 人希望在移动的过程中高速地接入互联网，获取急需的信息，完成想做的事情， 所以，现在出现的移动通信与互联网相结合的趋势是历史的必然。目前，移动互 联网正逐渐渗透到人们生活、工作的各个领域，短信、铃图下载、移动音乐、手 机游戏、视频应用、手机支付、位置服务等丰富多彩的移动互联网应用迅猛发展， 正在深刻改变信息时代的社会生活，移动互联网经过几年的曲折前行，终于迎来 了新的发展高潮【l j 。 随着移动互联网的快速发展，移动通信网络也在不断的演进增强。基于客户 的需求，3 g p p 和3 g p p 2 组织也在与时俱进的开展了l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 的标准研发，随即全球大部分通信设备厂商也投入了l t e 的商业开发潮流中， 使得l t e 系统具有很大的应用前景【2 j 。 在l t e 系统中，由于无线传输环境、干扰信号等等的影响，无线移动终端 设备( 简称u e ) 接收、处理数据的过程往往不是一次就可以完成的。在出现解码 不成功的时候，还需要发送端重新发送数据，由u e 再次接收、处理，上述过程 通常称为数据重传。为了减少无谓的数据重传，l t e 系统中设置了最大重传次数， 即当数据重传次数达到最大重传次数时就不再继续进行，结束整个数据发送、接 收和处理过程。 由于数据重传的过程需要不断的存储、读取数据，并且随着数据重传的过程 不断进行，需要存储数据量可能越来越大。对于多进程情况，可能有多组合并译 码的数据需要同时存储。显然，为保证系统正常运行，必要保证有足够的存储空 间。一方面，u e 越做越小、越做越薄，u e 空间资源越来越紧张；另一方面， 随着多媒体等数据业而务的增加，需要数据重传的数据量也在增加，这样需要存 储的数据量也在增加，势必造成芯片体积的增大，会对u e 的设计带来困难。如 果u e 的存储空间不够将会导致数据覆盖或丢失，导致发送端需要大量的重传， 大大加大了网络负载，最终将可能导致系统的堵塞或瘫痪。因此研究l t e 终端 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 数据重传的性能有着积极的意义。 1 2l t e 关键技术 本文主要研究的是l t e 的数据重传技术，除了该项技术还有多种技术都是 l t e 系统为了达到低延迟、高速率、高可靠性数据传输，提高系统容量，增大系 统覆盖范围和低成本等一系列需求，3 g p p 在l t e 标准协议制定过程中采纳了一 系列相应的技术。这些技术包括【3 1 1 4 1 1 5 】【6 】： ( 1 ) 传输与多址接入技术：l t e 系统物理层下行链路传输和下行多址接入技 术采用o f d m a ，而为了降低上行峰均比，物理层上行链路传输和上行多址接入 技术采用s c f d m a ( s i n g l ec a r r i e r - f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 。 ( 2 ) m i m o 技术：l t e 支持下行2 1 、2 2 、4 2 、4 4 和上行1 2 的m i m o 。 l t e 采用s f b c ( s p a e e f r e q u e n c yb l o c kc o d e s ) 发射分集、b l a s t ( b e l l l a b s i l a y e r e ds p a c e t i m e ) 空间复用、预编码技术、s u m i m o ( s i n g l eu s e rm i m o ) 、 m u m i m o ( m u l t iu s e rm i m o ) 、波束成形等m i m o 技术。 ( 3 ) 工作模式：l t e 支持f d d 、t d d 和半双工f d d 模式。 ( 4 ) 编码与调制：l t e 中使用重复编码、卷积码和t u r b o 码；t u r b o 码用于下 行共享信道，卷积码主要用于上、下行控制信道等；支持b p s k ( b i n a r yp h a s es h i f t k e y i n g ) 、q p s k ( q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g ) 、1 6 q a m ( 1 6q u a d r a t u r ea m p l i t u d e m o d u l a t i o n ) 和6 4 q a m ( 6 4q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 调制方式，采用a m c 技术，实现链路自适应编码。 ( 5 ) h a r q ( h y b r i d a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) 技术：l t e 使用基于前向纠错编 码( f o w a r de r r o rc o r r e c t i o n ，f e c ) 和自动请求重传( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ，a r q ) 相结合的差错控制方法，来降低系统误码率、提高系统吞吐量，这就是h a r q 技术。l t e 采用两层重传机制即r l c ( r a d i ol i n kc o n t r 0 1 ) 子层的a r q 技术和 m a c ( m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 子层的h a r q 技术来提高系统的性能。 ( 6 ) 随机接入技术：l t e 支持非同步随机接入和同步随机接入两种源预留的 s l o t t e d a l o h a 协议，主要目的是上行定时同步校正、用户资源请求申请等。 ( 7 ) 功率控制技术：由于l t e 系统下行链路使用o f d m a ( 上行链路使用 s c f d m a ) 技术，下行链路功率控制对系统性能影响不是很大，因此采用半静态 功率控制；上行链路干扰呈现频率选择性，因而采用慢功控。 ( 8 ) 小区搜索技术：l t e 规定小区搜索在系统带宽中心频域为1 4 m h z 。 ( 9 ) 小区干扰抑制：l t e 干扰抑制技术主要有发射信号加扰技术、小区干扰 抵消技术和小区干扰协调技术。 ( 1 0 ) m b m s 技术：l t e 中支持m b m s 以支持更高速率的多媒体业务。 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 3l t e 的目标需求 3 g p pl t e 在系统性能要求、网络的部署场景、网络架构、业务支持能力等 方面与3 g 相比都有显著的特征，3 g p p 在t r2 5 9 1 3 协议中规定了l t e 系统性 能、技术特征等需求和性能指标，具体内容包括【7 】【8 】： ( 1 ) 通信速率有了提高，下行峰值速率为1 0 0 m b p s ，上行峰值速率为5 0 m b p s 。 ( 2 ) 提高了频谱效率，下行链路频谱效率达5 ( b i t s ) h z ( 3 - - 4 倍于r 6 版本的 h s d p a ) ；上行链路频谱效率达到2 5 ( b i t s ) h z ，是r 6 版本h s u p a 的2 3 倍。 ( 3 ) 以分组域业务为主要目标，系统在整体架构上将基于分组交换。 ( 4 ) q o s 保证，通过系统设计和严格的q o s 机制，保证实时业务( 如v o i p ) 的 服务质量。 ( 5 ) 系统部署灵活，能够支持1 4 m h z 2 0 m h z 间的多种系统带宽，并支持 成对和非成对的频谱分配，为了保证将来在系统部署上的灵活性。 ( 6 ) 降低无线网络时延：子帧长度0 5 m s ，解决了向下兼容的问题并降低了 网络时延，时延可达u - p l a n 5 m s ，c p l a n l o o m s 。 ( 7 ) 增加了小区边界比特速率，在保持目前基站位置不变的情况下增加小区 边界比特速率，如m b m s ( 多媒体广播和组播业务) 在小区边界可提供l b i t s h z 的数据速率。 ( 8 ) 强调向下兼容，支持已有的3 g 系统和非3 g p p 规范系统的协同运作。 由于丰富的应用对系统有着不同的需求，比如说v o i p 对系统来说要求就是 延时小，但是f t p 下载服务就要求是错误率低，但是手机o n l i n e 游戏对系统的要 求就是延时小、可靠性高。l t e 系统为了满足这些不同的需求，在制定不同协议 层的时候就已经考虑了不同层次的业务需求了。因此，在下表1 1 就可以看到不 同的协议层为了满足q o s 的时候制定的机制和重点考虑的参数。 不同的业务对性能的需求是不同的，对不同网络分层的需求也是不同的，有 的是对传输层要求的、有的是对链路层要求的，同样不同层对上面的需求也提供 了不同保障机制来确保上层应用需求。在这里我们列举出不同业务的 q o s ( q u a l i t yo f s e i c e ) 的需求【8 】【9 】，如表1 1 所示： 表1 1 不同业务的q o s 参数和机制 q o s 级别 网络层 q o s 参数q o s 保障机制 应用级传输层端到端的吞吐量流量控制、阻塞控制 呼叫级 r r c 层阻塞率、掉话率 切换控制、准入控制 分组级i 也c 层和m a c 层分组时延、吞吐量、丢包队列管理和分组调度 比特级 p h y 层 误包率、误比特率链路自适应 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 4l t e 终端数据重传的研究现状 从二十世纪七八十年代开始，就有一批研究人员对数据重传技术进行了前期 的研究。m j m i l l k e r 研究了选择重传技术在接收端有限寄存器下的性能： d j c o n s t e l l o j r 对比研究了三种h a r q 方案应用卷积码在动态信道中的性能和 a r q 方案在无线移动信道中的数据传输；f a w e l d o n 详细研究了选择重传a r q 方 案的性能；a r k s a s t r y 和p s y u 研究了h a r q 在卫星信道中的纠错控制； y m w a n g 深a 研究 h a r q i 系统性能和卷积码及其维特比译码在重传系统中 应用。s h ul i n 和d a n i e lj c o n s t e l o j r 以及m i c h a e l j m i l l e r 合作研究，对h a r q 的前 期研究作出总结，并为日后的h a p q 的研究打下基础。 在九十年代末和二十一世纪初，h a r q 的研究主要以s a n d r k a l l e l 为代表。他 重点研究j h a r q i 码合并译码方法，并且由此引发了人们对兼容删去卷积码的 研究热情，在互补删除卷积码的基础上提出了新型h a r q i i 的定义并作了相关的 性能研究。p a l f r e n g e r 等人针对卷积码做出了多码率卷积码的研究，对母码的码 率分别为1 2 、1 3 和1 4 的卷积码，约束长度为从3 至1 j 1 5 的兼容删除卷积码的码型 以及删除周期为2 到8 的卷积码的最优距离谱的删除矩阵，这为h a r q 在无线通信 领域的研究提供了坚实便利的基础。于此同时，在不同环境下不断深入研究了将 各种技术与h a r q 相结合的性能。其中k r i s h n a r na r a y a n a n 研究了将t u r b o 码应用 至i j h a r q 的方法，d o u g l a sn r o w i t c h 研究了自适应在删除t u r b o 码在h a r q 系统中 的应用；a b c d e l g h a n i a d a r a i s e h 研究了在突发错误信道中的h a r q 包合并技术； h a n s j i i r g e nz e p e r n i c k 研究了突发错误信道中a r q 的可靠性和吞吐量；p a l f r e n g e r 和s t e f a np a r k v a l l 研究t h a r q 在h s d p a 系统中应用的性能。 为了克服无线移动信道时变和多径衰落对信道传输的影响，可以采用前向纠 错和自动重传等差错控制方案，以便降低系统的误码率。虽然f e c 方案产生的时 延较小，但存在编码冗余高，从而降低了系统吞吐量；a r q 在误码率不大时可 以得到理想的吞吐量，但产生的时延较大，不易于提供实时服务。为了结合两者 的优点，将纠错编码和a r q 结合起来，即为h a r q 技术。无论是现在运行的3 9 技术还是未来即将采用的l t e 技术都会使用上述几种数据重传技术来保证数据 的可靠有效传输。 在第三代移动通信网络中，h a r q 和a m c 是高速数据传输的基础。通过跨 层方案的实施可以有效地改善系统的性能，因此是l t e 系统中项关键技术。在 以往的研究中都是对系统的a r q 技术和h a r q 技术进行分开研究，在a r q 和 h a r q 交互和参数设定的研究，却是无人问津。因此，在前人研究的基础上，对 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 l t e 系统的链路层两层重传技术的数值分析是为系统参数的设定提供了有效的 理论依据，在对具体方案实施的同时，提出了对h a r q 中的c c 合并中结合星座 重排方案，并且通过链路仿真验证。在数据重传的方案中，对其系统参数的设定 和如何平衡效率和资源消耗的良好折中，以及如何设计出适合的重传算法方案以 及相关参数都是同样需要深入研究和思考的问题。 1 5 论文结构及内容安排 本论文共分六章，各章内容安排如下： 第一章，简要的介绍了l t e 系统中的关键技术和系统目标，对l t e 终端数据 重传的研究现状和未来做了小结以及研究数据重传技术的重要意义。 第二章，介绍数据重传的相关技术，首先阐述了l t e 网络架构和数据传输流 程，然后讨论了自动请求重传和混合自动请求重传的原理和机制。最后，描述了 跨层设计的研究背景和原理，为后续章节的深入研究打下基础。 第三章，首先简要的介绍下t c p 层协议的概述，随即对l t e 网络中t c p 层的 数据重传做了简要分析，通过均值估算方法来达到对网络更好的感知，并在此基 础上总结了前人对无线网络中的t c p 重传的改进策略，主要分为三类策略来改进 u 限网络中t c p 的数据重传性能。 第四章，首先研究了基于t c p 层数据重传改进策略之一的链路层的数据重 传，对l t e 系统的链路层的数据重传( 其中包括r l c 层的选择自动请求重传和 m a c 层的n 信道等和停混合自动请求重传) 的功能实体进行了原理描述和模型分 析，其次通过一个仿真模型来研究链路层对t c p 层数据包的重传性能的影响，最 后，采用过m a t l a b 仿真平台进行数值分析和性能解析，为链路层的两层重传方案 的系统参数的设定提供了理论基础。 第五章，对l t e 的物理层数据传输流程中的各个模块进行了深入简出的描 述，经过第四章的数值仿真分析，为了降低误包率、提高信息比特的可靠性、增 加频谱利用率。这里使用了跨层优化方案，研究了物理层的自适应调制编码和 凇c 层的混合自动请求重传技术的跨层设计和性能分析，并通过仿真验证了跨 层设计方案的有效性。随即研究了星座重排技术和混合自动请求重传联合优化方 案，该方案操作方便，又可以提高系统性能。 第六章，总结和展望全文，讨论需要解决的问题以及下一步的工作。 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e 中数据重传的相关技术 第二章l t e 中数据重传的相关技术 在l t e 系统中最重要的作用简而言之就是数据传输和信令控制，由于无线信道 的时变、衰落、多径以及其他的不稳定因素，数据的传输往往不是一次就能传输成 功。因此，为了保证信息传输的可靠性，在l t e 系统的各个传输协议层中就设置了 一些实体功能来保证数据传输能够满足业务需求。本章节主要就是简要讲述l t e 系统架构以及数据传输的流程，为了保证数据传输可靠性，在各个协议层采用不同 的传输机制来应对相应层的功能特点，同时为了最大化传统协议层的各个功能作 用，在这里也简要阐述了跨层设计的作用和意义。 2 1l t e 系统架构和数据传输流程 l t e 系统是3 ( 3 网络的演进，在业界被称为3 9 g 技术。l t e 无线网络在原来的 基础下去掉了r n c ，将其功能分流到e n o d e b 和接入网关( a g w ) 中，这样就可以 简化网络结构，使网络分布“扁平化”，并且其中的一些处理流程相比以前的网络 处理流程要简单明了些。l t e 系统网络结构如图2 1 所示： i 一。l 簟狲的1 p 巷接 1t c p i p f “f 1 1 、册 i 包 6 - 怒蕊蕊心心心沁沁波澜 髓 ，一、 l 聊l r l c s d uf i | 鼷蕊蕊蕊蹊鼷蕊阑 l j 7j f ? j j t | ： j l l爵 圆圈圈囤 l u c p d u o 沁，乏、鲞5 7 行芯 图2 1l t e 系统网络图 l t e 系统为了简化网络和减小延迟以及实现低时延、低复杂度和低成本的要 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e 中数据重传的相关技术 求，采用了e n o d e b 构成的单层结构。从图2 1 可以看出，l t e 系统没有了r n c 节 点。l t e 的接入网主要是e n o d e b 和接入网关( a g w ) 两部分组成。接入网关是一个 无线接入网的边界节点，如果把接入网关看成是核心网的一部分，那么无线接入网 就是主要有e n o d e b 通过网格( m e s h ) 7 亨式直接互联【6 j 。e n o d e b 不仅具有原有的 n o d e b 的功能，还能完成3 g 网络中的r n c 的大部分功能，包括物理层、m a c 层、 r r c 层功能，同时具有调度、接入控制、承载控制、接入移动性管理等功能。 从图2 1 中，我们还可以看到终端的数据传输首先是从应用层传输到t c p i p 层， 继续向下传递到数据链路层，即由p d p c 、r l c 、m a c 子层构成的数据链路层，再 通过u u 口传输到接受方的对等体，经过无线信道的干扰以及信号衰落后，数据包 又从物理层开始向上层继续传输，一直到达对方的应用层。 2 2 自动重传技术( a r q ) 幂n 混合自动重传技术( h a r q ) l t e 系统用户终端在接收( 发送) 数据的过程中，可能会出现一次接收( 发送) 不 能成功解码( 接收) ，就需要重传数据，其中数据重传的过程中可能要就要经过t c p 层的重传、链路层的重传以及物理层的重传，因此各层的重传性能关系到数据是否 能够及时有效成功接收，下面就简要介绍下链路层采用的剐陴和h a r q 技术。 2 2 1 自动重传请求技术 为了保证信息可以可靠、有效的传输，l t e 无线接入层的r l c 子层还引入自 动重传请求( a u t o m a t i cr e p e a t - r e q u e s t ，a r q ) 技术。接受端会检错，如果没有错误 则发送信息到用户终端的缓存中，并且通过反馈信道向发送端发送一个a c k 信号， 通知对方此码组已经正确接受了。如果检出错误，也通过反馈信道返回一个n a k 信号，请求对方把刚才的码组重发一次，这样的过程一直持续到正确接受或则达到 系统规定的重发次数，其川 原理框图如图2 2 所示： 图2 2 a r q 原理框图 a r q 技术与f e c 技术相比【i l j ，必须要有一条反馈信道来传送a c k 或者n a k ， 并要对信息的速率进行控制，需要让整个通信系统收发两端通过信令传输来互相配 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e 中数据重传的相关技术 合协作。该技术的优点是译码设备比较简单，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要高很多，同时a g o 技术的缺点是如果信道干扰十分严 重，则系统经常处于重发消息的状态，这样会导致信息的实时性比较差，不适合提 供实时服务。因此比较适合干扰情况复杂但是要求误码率较低且对实时性要求不高 的的场合，具体性能的指标对比如表2 1 所示： 从2 1 表中可以看出，虽然a r q 技术可以弥补f e c 技术需要大量冗余编码的 问题，但是自身也存在不少问题，并不能完全适应无线系统。 表2 1a r q 与f e c 性能比较 纠错技术a r q f e c 冗余度 5 一2 0 1 0 0 一2 0 0 可靠性高低 反馈信道需要不需要 效率 低高 实时性 差好 复杂度 低高 扩展性 低高 a r q 通信信系统主要有三种基本的工作方式：停等( s t o p - a n d w a i t , s a v e ) 方式， 返回n 步( g o b a c k - n ，g b n ) 方式和选择( s e l e c t i v e r e p e a t ，s r ) 方式。下面分别简 单介绍三种方式的工作原理。 停等( s t o p - a n d w a i t , s a w ) 方式是一种比较简单的方式，发送端每次发送一帧数 据后，就在等待接收端的确认，如果发送端收到n a k 后，就会重发数据，一直等 到接收到a c k 后才发送新数据。s a w - a r q 比较容易实现，但是由于每发送一帧 数据都要等待接收端的应答，因此信道利用率很低。停等方式a r q 流程图如图2 3 所示： 发送端 接收端 空闲时间重发重发 n a i (? ，尹 a c k _ a c ki h 渔kv a ki j 、：、；l 图2 3 等停方式a r q 退回n 步a r q ( o o b a c k - na r q ，g b n a r q ) 是发送端按照序号发送码字并且 存储下来，等待接收每个码字的a c k n a k 信号。每个码字的应答信号要等到一个 8 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e 中数据重传的相关技术 周期延时，并且利用这个周期又发送了其他的n 1 个码字。如果发送端接收到某个 码字为i 的n a k 信号，就会停止发送新的码字，重新发送码字i 和它后面的一个延 时周期内的其它连续的n 1 个码字。接收端抛弃了码字i 和它后面无论错误与否的 n 1 个码字，如此重发直到收到码字i 的a c k 为止。这种方式与s r - a r q 相比较 效率要高些，但是如果某个码字发生了错误就会导致接收端也可能将某些正确接受 的码字丢弃了，这样吞吐量就会随着周期的增大而严重下降。g b n 方式流程图如 图2 4 所示： 发送端 重发 退4 步 r l2 3 456 3 456789l o1 1 一、一。? 7 7 彳7 了? ? l2 3 456 3 45678 图2 4g b n 方式a r q 选择重传a r q