（通信与信息系统专业论文）无线通信系统中arq机制的研究与实现.pdf

摘要 在高速无线通信中 自动请求重传 a r q 技术无疑是数据链路层所不可缺少 的 在目前的移动通信中 由于传输速率低 提供的业务少 主要是话音业务 对该技术的要求不高 在高速无线移动通信系统中 传输速率大为提高 因此使 用高效的a r q 技术是进行高速数据无线传输的关键技术之一 本文首先对现有的主要a r q 技术进行了介绍 从当前a r q 技术发展角度来看 现有的a r q 技术已经可以很好地解决有线网络 如以太网 上的数据传输问题 对于无线网络 虽然已经有了比较完善的a r q 机制 但是对于参数的配置并没有 一个很理想的解决方案 其最大的难点主要在于无线链路上传输数据比有线网络 上的具有更大的时延和更高误比特率 通过研究l t e 协议q h a r q 设计的技术要点 提出了一种适合l t e 系统的a r q 算法 并分析 a r q 参数配置对系统性能的影响 提出 a r q 参数的合理配置方法 最后 通过环境测量仿真对协议算法进行了验 证 仿真测试结果表明 该算法能够较好地适应大时延 高误码率的无线链路上 数据传输的需求 关键词 自动请求重传无线链路控制r l c 确认模式实体 l t e a b s 仃a c t i nl t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m a u t o m a t i cr e p e a t r e q u e s t a r q t e c h n o l o g yi s e s s e n t i a lf o rc o m m u n i c a t i o no fm u l t i p l em o b i l et e r m i n a l si ns h a r e dw i r e l e s sc h a n n e l i n c u r r e n tm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h eh i g h e re f f i c i e n c yo fw i r e l e s sr e s o u r c e u t i l i z a t i o ni sn o ti m m i n e n t l yb e c a u s eo fa b s e n c eo fa p p l i c a t i o n s h o w e v e r i nh i g hs p e e d w i r e l e s sm o b i l ei pc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t r a n s m i s s i o nr a t eh a sb e e ne n h a n c e dg r e a t l y a n da p p l i c a t i o n sw i t hb u r s tc h a r a c t e rw o u l db ei nt h el e a d i n gp o s i t i o n s o o n eo ft h e k e yt e c h n o l o g i e si s a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t a r q f o rh i g h l ye f f i c i e n tu t i l i z a t i o no f l i m i t e dn e t w o r kr e s o u r c e i nt h i sp a p e rt h em a i na r qt e c h n o l o g i e si nw i r e l e s sc h a n n e la r ei n t r o d u c e d f r o m t h ev i e w o fd e v e l o p m e n to fa r qt e c h n o l o g i e s c u r r e n ta r qt e c h n o l o g i e sh a v e r e s o l v e dt h ep r o b l e m so fd a t at r a n s m i s s i o ni nw i r en e t w o r k e v e ni ft h e r ei sar e l a t i v e l y p e r f e c ta r q m e c h a n i s mi nw i r e l e s sn e t w o r k t h ec o n f i g u r a t i o no fp a r a m e t e r sh a sn o t b e e ns o l v e dp e r f e c t l y t h em a i nh a r dp o i n tl i e si nt h eh i g ht r a n s m i s s i o nd e l a ya n dh i g h b i te r r o rr a t i o b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h ek e yp o i n t so fa r qt e c h n o l o g i e si nl t e s y s t e m an e wa r qa l g o r i t h mf o rl t es y s t e mi ss u g g e s t e d t h r o u g ha n a l y z i n gt h e e f f e c to fp a r a m e t e rc o n f i g u r a t i o no ns y s t e mp e r f o r m a n c e am e t h o do fp a r a m e t e r c o n f i g u r a t i o nf o rt h ea l g o r i t h mi sg i v e n a tl a s t as i m u l a t i o np l a t f o r mi se s t a b l i s h e dt o v e r i f yt h ea l g o r i t h m t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv a l i d a t et h a t t h i sn e wa l g o r i t h ma n d c o n f i g u r a t i o nc o u l da d a p ti t s e l ft on l e1 1 i g ht r a n s m i s s i o nd e l a ya n dh i g h b i te r r o rr a t i o k e y w o r d s a u t o m a t i cr e p e a t r e q u e s t a r q a c k n o w l e d g e dm o d e r l c e n t i t y r a d i ol i n kc o n t r o l l o n g t e r me v o l u t i o n l t e 创新性声明 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 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外 论文中不 含有其他人已经发表或撰写的研究成果 也不包含为获得西安电子科技大学或其 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明并表示了谢意 申请学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切相关责任 本人签名 堡垒梅 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定 即 研究 生在校攻读学位期间论文工作的只是产权单位属西安电子科技大学 本人保证毕 业离校后 发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学 学校有权保留送交论文的复印件 允许查阅和借阅论文 学校可以公布论文的全 部或部分内容 可以允许采用影印 缩印或其它复制手段保存论文 保密的论文 在解密后遵守此规定 本学位论文属于保密 在 年解密后使用本授权书 本人签名 墨堡塑堑盈 导师签名 叠丝鸯 聃半 日期五翻 z 乡 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 1 9 0 1 年1 2 月1 2 日 意大利科学家马可尼在人类历史上第一次实现了无线电通 信 2 0 世纪7 0 年代 随着半导体技术 微电子技术和计算机技术的发展 移动通 信得到了迅猛发展和广泛应用 1 9 7 8 年 美国芝加哥开通第一台模拟移动电话 标志着第一代移动通信 1 g 的诞生 1 9 8 7 年 我国首个t a c s 制式模拟移动电话系 统建成并投入使用 1 9 9 3 年 我国首个全数字移动通信系统 g s m 建成开通 使我 国进入了第二代移动通信 2 g 时代 2 0 0 1 年 数个国家相继开通了3 g 商用网 标 志着第三代宽带数据移动通信时代的到来 从移动通信的发展历史来看 从1 9 7 8 年至l j 2 0 0 1 年的2 3 年时间里 每1 1 年进行一次更新换代 这刚好是一个设备的使用 寿命周期 由此推断 第一个4 g 商用网很可能将于2 0 1 2 年开始部署 1 2 无线通信的发展和l t e 的诞生 1 g 时代 是个人移动通信的诞生期 它将个人移动通信的概念引入到了人们 的日常生活中 使人们认识到了个人移动通信的必要性和可能性 同时创造了个 人移动通信的原始产业链 产生了设备供应商 移动通信运营商 但由于技术的 原因 通信的质量比较差 体积比较大 同时由于缺乏规模效应 价格非常昂贵 只有少数富人和企业老板才能用得起 因此 必须发展第二代移动通信来解决这 些矛盾 2 g 时代 是个人移动通信的原始成长期 它将个人移动通信的方式普及到了 广大的消费者中 使人们认识到了个人移动通信是我们日常生活中不可或缺的部 分 在这个阶段 移动通信技术取得了突破性的进展 话音质量得到了很大提高 几乎完全满足了消费者的需求 同时体积重量也达到了消费者的期望值 在这期 间 移动通信产业链得到了长足发展 一大批设备提供商诞生了 而且分工更加 专业化 有配件供应商 终端供应商 系统设备供应商 许多运营商也相继诞生 3 g 时代 将是个人移动通信的快速成长期 移动通信不再是一个孤立的系统 而是开放式的 传统的移动通信方式将与开放的因特网融合 各个国家和地区的 移动通信网将融合为一个整体 除了传统的语音业务外 更多的将是数据和多媒 体业务 2 g 时代以运营商为主体的产业链结构将发生重大的变化 新的内容提供 商将起重大的作用 传统的运营商盈利模式将受到重大冲击 一批运营商将退出 移动通信的舞台 少数几个有实力的运营商将垄断全球的移动通信市场 4 g 时代 1 1 将是个人移动通信发展的成熟期 移动通信有可能成为2 1 世纪信 2 无线通信系统中a r q 机制的研究与实现 息社会的细胞核 各种基于移动通信细胞核的信息社会细胞和信息社会组织结构 将相继诞生 进而形成2 l 世纪信息社会的完整有机体 可以毫不夸张地说 4 g 将 是整个移动通信发展的归宿 是人类信息社会发展的基石 目前1 2 1 基于w c d m a 无线接入技术的3 g 移动通信技术已逐渐成熟 正在世 界范围内被广泛推广应用 为了进一步对3 g 技术进行发展 3 g p p 首先引入了 h s d p a 和增强型上行链路这两种具有很强竞争力的3 g 增强技术 遗憾的是 虽然 这些技术能够大幅度提高上下行速率 但是是以牺牲小区吞吐率为代价的 而且 由于成本过高 难以大规模应用 为了实现降低成本和提高性能的目标 3 g p p 在 众多国内外大型运营商的提倡下于2 0 0 4 年将u t r a n 的长期演进 l t el o n gt e r m e v o l u t i o n 计划正式批准立项 并在2 0 0 6 年6 月完成可行性报告 2 0 0 7 年6 月完成主 要规范 2 0 0 9 年推出商用产品 如今 大多数移动通信设备厂商都已有了自己的 l t e 样机 并能提供更高的上下行速率 拥有更短的时延 1 3l t e 中的关键技术 o f d m 技术1 2 1 1 3 1 1 5 l 其主要思想是 将信道分成若干正交子信道 将高速数据信号转换成并行的 低速子数据流 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一小部分 信 道均衡变得相对容易 m i m o 技术 采用多天线技术来改善系统的性能由来已久 比如多天线接收分集 多天线 发送分集以及智能天线技术已经在实际系统中获得了广泛的应用 m i m o 技术在一 定程度上可以利用传播中的多径分量 也就是说m i m o 可以抗多径衰落 但是对于 频率选择性深衰落 m i m o 技术依然是无能为力的 目前解决m i m o 技术中的频率 选择性衰落的方案可以结合o f d m 技术 将频率选择性衰落转换为子载波上的平坦 衰落 另外 o f d m 技术是l t e 的核心技术 而o f d m 提高频谱利用率的作用有限 在o f d m 的基础上合理开发空间资源 也就是m i m o o f d m 就可以提供可靠的 数据传输速率 h a r q a r q 技术 h a r q 技术在h s d p a 技术中已经采用 是一种带前向纠错的自动重传技术 u t r a n 中h a r q 实体位于m a c h s 中 这样相对于r l c 就减小了重传时延 l t e 系统虽然m a c 和r l c 存在于同一实体中 但h a r q 重传减少7 r l c 层的处理时间 第一章绪论 3 另外前向纠错和a r q 功能的相结合 解决了以前两种功能单独使用时存在的问题 从整体上提升系统性能 l t e 中的h a r q 上下行均采用n 信道停一等协议 下行共享数据信道采用异步自 适应h a r q 方案 上行共享数据信道采用同步非自适应h a r q 方案 对上行 同步 h a r q 限制了一个特定的h a r q 过程只能发生在一些已知的时隙 不需要h a r q 过 程号等显示信令 因为过程号可以从帧号中获得 对下行 一个特定的h a r q 过程 其发送可以发生在任意时刻 因此需要显示地通知h a r q 过程号 a r q 与h a r q 的异同 重传对象 a r q 重传r l cp d u h a r q 重传t b 块 m a cp d u 重传机n a r q 基于r l c 报告或者与h a r q 的交互 h a r q 基于终端反馈的 a c k n a c k a r q 与h a r q 的交互 从目前协议来看 两者在重传方面是相互辅助的 在h a r q 重传失败后 a r q 应该可以得到消息发动l 2r l c 重传 发送数据的h a r q 实体检测到某个t b 块重传失败后 它应该把相关信息通 知a r q 实体 然后a r q 实体进行可能的重传或重分段 1 5 研究背景及研究内容 本文的研究依托国内某著名公司对l t e 商用机的研发项目 该项目的目标就是 为开发可以商用的高性能 高稳定性的l t e 商用机奠定基础 l t e 的技术特征有 全i p 分组交换的网络架构 支持2 0 m h z 带宽时 高数据吞吐量 下行大于1 0 0 m b p s 上行大于5 0 m b p s 和低时延 用户面单向时延 5 m s 控制面时延 支持用户移动速度3 5 0 k m h 多业务和多用户的q o s 保证 l t e 系统是一个规模宏大的系统 无线链路层是该系统的重要组成部分 在无 线链路层协议设计中 多拒绝自动请求重传 a r q 机制 是链路层的关键技术之 一 3 直接影响着系统的时延和吞吐量 本文将讨论l t e 系统中确认模式r l c 实体 链路层多拒绝自动请求重传 a r q 机制的算法设计与性能分析 1 6 论文内容安排 本文各章的内容安排如下 第一章介绍了无线通信的发展及l t e 的关键技术 同时提出了本文所讨论技术 的研究背景和意义 无线通信系统中a r q 机制的研究与实现 第二章着重介绍了无线信道中最具代表性的几种a r q 技术 比较 分析了它 们的性能 第三章针对无线业务特性和无线信道高误帧 高时延的特点 研究了l t e 中层 2 无线链路控制层 r l c a m 模式下多拒绝自动重传请求 a r q 机制 提出并详细阐 述了l t e 中r l c 层a m 模式下多拒绝自动重传请求 a r q 机制的算法 给出了其在 l t e 系统中的收发流程 最后对该算法的性能给出了理论分析 第四章通过在实际环境上进行实地测试采得的数据 对该算法在典型无线信 道下进行仿真并对系统的性能进行分析 对r l c 层a r q 参数的配置对系统性能的 影响做出相应的分析解释 提出了参数的合理配置 第五章给出总结和未来研究工作的展望 本文对在下一代移动通信系统中的无线链路层高效率确认及参数配置这一热 点问题做出了有意义的探索 对该领域的工作提供了一定的参考价值 第二章a r q 技术分析 5 第二章a r q 技术分析 2 1 传统a r q 技术介绍 传统a r q 有三种典型技术 停止等待方式 s t o pa n dw a i ta r q 缩写s w a r q 回退n 步方式 g o b a c k na r q 缩写为g b n a r q 以及选择重传方式 s e l e c t r e p e a t a r q 缩写为s r a r q s w a r q 是最简单的a r q 形式 其过程是 当发送方传 出一组单元信息位 通常指一帧 后 系统将停止 等待接收端反馈回来的a c k 或n a c k 信号后再进行下一帧的传输或重传 g b n a r q 的工作过程可概括为 发 送端将n 个数据帧分为一组 当发送端发出第一个数据帧后 不停止等待 继续发 下面的n 个数据帧 当反馈回n a c k 时 发送方不但要重传错误的那一帧 还要同 时将错误帧之后的n 个数据帧进行重传 具体如下图所示 重发 遏四步 重发 退四步 发送端 传输过程 接收端 图2 1g b n a r q 原理图 g b n 系统中 当发端收到n a c k 信号时 要返回n 步 重发n 个码组 如果发 端收到n a c k 这个应答信号时 只发送其相应出错码组 而不需退回n 个码组重传 也就是说对重发码组作选择 这就是所谓选择重传a r q 系统 选择重传a r q 在具有无限大的缓冲区时可以达到传输的理论上限 g b n 及选 择重传a r q 在有线环境下工作的相当好 但它们并不适合无线系统 首先 高误 帧信道以及相对不足的控制带宽将不能满足过多确认帧的传输需求 此外 这两 种技术中所使用的捎带技术同样不适合无线信道 总而言之 由于无线信道质量 很差 需要大量的链路控制带宽用于传输错误帧的确认信息 导致确认效率很低 在无线数据通信系统中 需要高确认效率的自动请求重传机制 目前无线通信所采用的a r q 技术中 最具有代表性的两种是第三代移动通信 标准3 g p p 所采用的多拒绝自动请求重传机制以及欧洲无线局域网所采用的 h i p e r l a n 技术 下面将从方案论证的角度对这两种方案进行简要分析 2 23 g p p 中的多拒绝m r 自动请求重传机制 第三代移动通信标准3 g p p 采用多拒绝m r 自动请求重传机 j t 6 j 该机制数据接 收方发送的状态p d u 即s t a n7 sp d u 一次可以同时对多个数据p d u 协议数据 6 无线通信系统中a r q 机制的研究与实现 单元 的接收状态进行确认 其格式如下图所示 d cp d ut v d es u f l l o c tl s u f l l0 c t 2 s u f i k p a d o c t n 图2 2s 耵盯u sp d u 结构图 最多可以将k 个s u p e r f i e l d s s u f l l 一s u f i k 包含在一个s t a t u sp d u 中 在每一 个s t a t u sp d u 中 每一个s u f i 的类型可以是不同的 状态p d u 的长度是可变的 其上限是由发送控制p d u 的逻辑信道所用的最大的r l cp d u 长度确定的 通过填 充位使之符合发送控制p d u 的逻辑信道所采用的一个p d u 大小 在l t e 中p d u 大小 并不固定 s t a t u sp d u 的长度为整数字节 3 g p p 的多拒绝m r 自动请求重传机制中的确认信息也可通过p i g g y b a c k e d 数据 p d u 发送 除t d c 字段被保留位 r 2 替代外 p i g g y b a c k e d 状态p d u 的格式与通常 的状态p d u 一样 如果数据不能添满整个a m dp d u 则该p d u 用作a m dp d u 中 填充状态p d u p d u 类型字段被设置为0 并且在这个版本中所有其它值无效 这 个p d u 被丢弃 s t a t u sp d u 主要通过以下三种方式完成确认 位图 b i t m a p 列 表 1 i s t 及相关列表 r e l a t i v el i s t 位图s u h 由一个类型标识字段 b i t m a p 一个位图长度字段 l e n g t h 一 个开始顺序号 f s n 和一个位图组成 如下表所示 表2 1b i t m a p 确认格式 t y p e b i t m a p l e n g t h f s n b i t m a p 长度字段为4 b i t s 指示按八位字节计算的位图的长度等于l e n g t h i 也就 是 l e n g t h 0 0 0 0 意味着位图的大小是1 字节 l e n g t h 1 1 1 1 给出了最 大的位图尺寸 1 6 字节 f s n 字段长度 1 2 b i t s 代表位图中第一个比特所对应的数据p d u 的顺序号 b i t m a p 字段长度可变 由l e n g t h 字段给出 在位图中指示的间隔 f s n f s n l e n g t h 8 1 中所对应的每个数据包的接收状态 这里 每个位置 从左到右 都可以有两个不同的值 0 和1 分别具有下列含义 b i t p o s i t i o n0 l e n g t h 8 第二章a r q 技术分析 l 1 s n f s n b i tp o s i t i o n 已被正确接收 0 s n f s n b i tp o s i t i o n 没有正确接收 列表s u f i 由一个类型标识字段 l i s t 一个列表长度 l e n g t h 和 个成对的 l e n g t h 号的列表组成 如下表所示 表2 2 列表确认格式 t y p e l i s t l e n g t h s n i l l s n 2 l 2 s n l e n g t h l l e n g t h 长度字段为4 b i t s 指示类型l i s t 的s u f i 中 s n i l i 对的数目 s n i 字段长度为1 2 b i t s 为没有正确接收的p d u 的序列号 l i 字段长度为4 b i t s 为具有序列号s n i 的p d u 之后没有正确接收的连续p d u 的 数目 相关列表s u f i 由一个类型标识字段 r l i s t 一个列表长度 l e n g t h 第一 个序列号 f s n 和一系列l e n g t h 数目的码字 c 聊组成 如下表所示 表2 3 相关列表确认格式 t y p e r l i s t l e n g t h f s n c w l c w 2 c w l e n g t h 长度字段为4 b i t s 指示类型r l i s t 的s u f i 中的c w 的数目 f s n 字段长度为1 2 b i t s 表示r l i s t 中第一个错误p d u 的顺序号 c w 字段长度为4 b i t s 前三个比特是数目的一部分 最后一个比特是状态指示 8 无线通信系统中a r q 机制的研究与实现 器 解释如下表 表2 4c w 字段格式 码字描述 x 1 x 2 x 3数目的相邻三个比特是x 1 x 2 x 3 并且数目在下一个c w 中持续 0在这个c w 中 最高有效位是x 1 x l x 2 x 3数目的相邻三个比特是x 1 x 2 x 3 并且数目被终结 1在这个c w 中 最高有效位是x 1 在数目中 这是最高有效码字 作为缺省 由c w 给出的数目代表从先前指示了的错误p d u 至u 下一个错误p d u 的间隔 3 g 中多拒绝m r 自动请求重传机制的确认效率i p h d l c 自动请求重传机制和 s r 自动请求重传机制有了很大提高 但是3 g p p 采用的多拒绝自动请求重传机制 存在下面一些问题 每次确认都对接收窗口中的所有数据p d u 的接收状态进行确 认 相邻发送的两个链路控制p d u 包含对很多相同数据p d u 的确认 确认信息冗 余度很大 造成数据带宽极大浪费 数据接收方不能对还未发送的p d u 进行确认 这就要求链路控制p d u 的大小为变长 所以其链路控制p d u 最大长度与数据p d u 大小相同 链路控制p d u 不能填满最大长度时 存在很多无用的填充信息 造成 很大的数据带宽浪费 不能根据数据接收方接收窗口内当前数据p d u 错误的分布 情况 用链路控制p d u 的有限比特对尽可能多的数据p d u 同时进行确认 3 g p p 中一般在下列四种情况下发送s t a t u sp d u l 发送方发送轮询比特为l 的数据包 这意味着发送方需要了解此时的接 收状态 一般而言 发送方周期性或在发送s d u 的最后一个p d u 时将轮询 位置l 2 接收方检测到有数据包丢失时 3 接收方周期发送 4 e p c e s t i m a t e dp d uc o u n t e r 定时器超时 这意味着重传包丢失了 同时 m r 自动请求重传中一个重要的定时器s t a t u sp r o h i b i tt i m e r 控 制两个状态p d u 间的最小时间 该时间间隔定义为t s t a t u s 为了避免重复确认的 s t a t u sp d u 过多浪费系统带宽 一般来说 t s t a t u s 大于一个r t t r o u n dt r i pt i m e 时间 即接收方在发送了一个状态p d u 后 至少将等待t s t a t u s 才能发送下一个 实际上 m r 使用此定时器来控制状态p d u 的发送个数 根据以上四种情况 在最 坏情况下 接收方将每隔t s t a t u s 发送一个s t a t u sp d u 这在数据量不大的情况下 接收方有能力确认所有在r t t 中发过来的数据包 从而很好的完成其对数据帧的确 认 如当发送速率为3 4 k b p s 时 1 0 m s 内发送方可发送1 4 个数据帧 r t t 约为1 8 0 m s 若按照每隔r 1 陌发送一个s t a t u sp d u 则每个s t a t u sp d u 平均只需确认 第二章a r q 技术分析 9 1 4 1 8 4 5 个数据帧 确认能力绰绰有余 当我们延长t s t a t u s 时 可以发现系统吞 吐量并无明显变化 而当发送速率提高至3 8 4 k b p s 时 1 0 m s 内发送方可发送1 2 个数 据帧 此时r t t 约为1 6 0 m s 若按照每隔r t t 发送一个s t a t u sp d u 则每个 s t a t u sp d u 平均只需确认1 2 1 6 1 9 2 个数据帧 此时s t a t u sp d u 已接近其确认 极限 若在延长t s t a t u s 可以观察到系统吞吐量明显下斛引 可以想象 如果继 续提高发送速率 达到兆级 十兆级甚至到l t e 要求的百兆级 3 g p p 中的原有的 多拒绝m r 自动请求重传机制必将不堪重负i 乒1 3 2 3h i p e r l a n h i g hp e r f o r m a n c el a n 标准 h i p e r l a n h i g hp e r f o r m a n c el a n 标准采用部分位图选择自动请求重传 s e l e c t i v er e p e a ta r qw i t hp a r t i a lb i t m a p 机制 1 4 儿1 5 该机制数据接收方的链路控 制p d u i i i c p d u 也可一次同时对多个数据p d u 的接收状态进行确认 但只对 接收窗口内的包含有错误数据p d u 的一部分数据p d u 的接收状态用位图进行确 认 减小了相邻链路控制p d u 之间的确认信息冗余 但该机制存在下面一些问题 只用位图同时对多个数据p d u 进行确认 一个链路控制p d u 最多同时对2 4 个数据 p d u 进行确认 在数据p d u 出错突发性很强时确认效率很低 而如果此时用相对 偏移确认效率会高得多 虽然该机制只对接收窗口中的部分数据p d u 的接收状态 用位图进行确认 但是标准中未定义每次如何确定对接收窗口内的哪些数据p d u 进行确认的方法 虽然链路控制p d u 采用固定长度 但未提出如何用固定长度的 位图对发送方还未发送的p d u 进行确认以及如何避免由此可能引起的链路控制 p d u 包含的确认信息语义歧义的方法 没有被位图确认的正确接收的数据p d u 通过累积确认 即对首序号前的所有数据p d u 进行肯定确认来进行确认 如果在 无线链路r t t 数据发送方发送数据p d u 到收到链路控制p d u 的往返时间 内数据 接收方未能移动接收窗口 则本次发送的包含累积确认的链路控s u p d u 和上次发送 的包含累积确认的链路控制p d u 之间包含很多冗余的确认信息 而且由于数据发 送方未进行超时重传 数据p d u 只有收到否定确认后才进行重传 链路的平均时 延和吞吐率对包含累积确认的链路控 1 p d u 的丢失很敏感 l 睨 2 3 本章小结 从以上分析可以看出 3 g p p 目前采用的标准由于其确认效率低下且极为复杂 并不适用于高速的l t e 无线链路 而h i p e r l a n 在链路突发误帧时 其确认效率也 会大大降低 此外 这两种a r q 发送方都没有超时重传 这必然导致链路的平均 时延及吞吐率对控制信道误帧十分敏感 第三章l t e 中a r q 算法研究 第三章l t e 中a r q 算法研究 3 1 技术方案 3 1 1l t e 无线链路层特点及主要技术方案 3 g p pl t e 中的层2 无线链路层 采用的是两级的自动请求重传协议 位于 无线链路控n r l c 子层的自动请求重传 a r q 协议和位于媒介接入控匍j m a c 子 层的混合自动请求重传 h a r q 协议 其中 h a r q 是将前向纠错编码 f e c 和a r q 技术相结合的一种差错控制方案 是指接收方在解码失败的情况下 保存接收到 的数据 并通过反馈要求发送方重传数据 接收方将重传的数据与先前收到的数 据在解码之前进行组合合并 混合自动重传技术能够提高系统性能 并能灵活调 整有效码元速率 还能补偿由于链路适配所带来的误码 但可靠性不够高 不足 以满足高层业务的需求 所以还需要位于r l c 子层的a r q 协议进一步确保数据的 可靠性 而随着3 g p pl t e 系统网络结构的优化 无线网络控n r n c 节点的删除 r l c 子层从原来的r n c 节点下移至l j e n o d e b 使得r l c 子层和m a c 子层都位于同一 节点 从而a r q 和h a r q 之间的交互 跨层优化成为可能 并在l t e 中备受关注 r l cs d u 的长度是可变长的 同时支持r l c 协议数据单元 p d u 的重分割 从 而使业务载荷能够很好地适应信道质量 另一方面 由于苛刻的时延需求 要求 填充小 因此3 g p pl t e 的层2 协议支持属于同一终端的多个无线承载在m a c 层的 复接 由于a r q 和h a r q 都位于e n b 有利于系统的联合设计 a r q 的设计原则为 为了保证协议层间的相互独立性 无线链路控n r l c 子 层的序号与包数据汇聚协议 p d c p 子层的序号各自独立 为了减少r l c 头开销 r l c 序号基于r l cp d u a r q 的重传基于r l cp d u a r q 的重传支持重分割 适 配信道质量 重分割的次数大于或等于一 与r 6 的a r q 协议相比 协议得到巨 大简化 a r q 和h a r q 相互协作的主要目的为快速触发a r q 的重传 减少空中接 口传输时延 针对l t e 系统网络结构的特点并吸取第三代移动通信中3 g p p 中偏移确认及 h i p e r l a n 中累积确认和窗口复位的思想 针对无线信道突发错误造成误帧比例 高以及其对控制信道误帧敏感的不足 加以改进 提出一种在发送端加入超时定 时器 且将相对偏移和累积确认合二为一的多拒绝自动请求重传机制 下面给出 该机制的主要技术方案 数据发送方和数据接收方通过逻辑信道向传输信道的映射建立数据逻辑链路 1 2 无线通信系统中a r q 机制的研究与实现 连接 每个逻辑信道对应一个数据p d u 数据发送方的无线链路控 j j r l c 子层从 包数据汇聚协议 p d c p 子层获取s d u 服务数据单元 由位于r l c 的组包模块 根据调度资源将s d u 级联或者分片为p d u 协议数据单元 再填充相应的r l c 头 放入发送窗口 等待m a c 子层进行复用 数据发送方的m a c 子层根据本次调度的t b 块大小将r l c 子层递交的p d u 复 用到t b 块里 再由数据发送模块将t b 块发送出去 组包模块在进行组包时 首先要判断发送和接收窗口下有没有需要发送的控 制p d u 发送窗口下有没有重传的数据p d u 最后再进行新数据p d u 的组包处理 在组包完成时进行p o l l i n g 位的判断 然后将组包信息交给封装模块进行封装处理 封装模块为每个递交给m a c 子层的p d u 包括控制p d u 和数据p d u 完成r l c 子层协议头的封装并启动发送超时定时器 修改该数据p d u 的发送状态为正等待 a c k 状态 当数据发送方有发送超时定时器消息时 发送窗口处理部分修改相应数据 p d u 的发送状态为等待重传状态 等待组包模块对重传数据p d u 的处理 当数据发送方收到包含确认信息的链路控制p d u 时 发送窗口首先分析该链 路控制p d u 包含对哪些数据p d u 的确认 并对所有的否定确认进行否定有效性判 断 再对每一个有效的确认 包括所有肯定确认和所有有效的否定确认 修改相 应数据p d u 的发送状态 并取消该数据p d u 的发送超时定时器 当数据接收方收至i j p d u 数据解析模块将接收的p d u 进行分类 控f l i p d u 交 给控制p d u 处理模块 数据p d u 交给数据p d u 处理模块 数据p d u 处理模块 收到数据p d u 后 进行p d u 的合法性检查 对于正确接 收的p d u 放到接收窗口下 并对该p d u 进行解析 若该数据p d u 带有p o l l i n g 位 则 会触发状态报告 若解析出完整的s d u 贝j j 递交给上层 p d c p 子层 如果是s d u 分片则将其缓存 等待后续分片到来组成完整s d u 完成解析工作后将该p d u 接 收状态设为已正确接收状态 如果满足移动接收窗口的条件则通知移动接收窗口 模块移动接收窗口 当移动接收窗口模块收到数据接收处理模块的移动接收窗口的通知 将连续 多个已正确接收的数据p d u 移出接收窗口 更新窗口上下限值 数据接收方根据数据p d u 处理模块的通知信息检查接收窗口下的p d u 接收情 况 并组数据链路控f 1 i p d u 放入接收窗口的控制p d u 队列等待发送 3 1 2 状态报告帧格式 状态报告p d u 的具体确认信息见下图 4 第三章l t e 中a r q 算法研究 d cc p t a c k s n a c ks ne 1 n a c k s n e 1e 2 n a c k s n n a c ks ne 1e 2 s o s t a r t s o s t a r ts o e n d s o e n d s o e n dn a c ks n 0 c t1 0 c t2 0 c t3 0 c t4 0 c t5 0 c t6 0 c t7 0 c t8 0 c t9 图3 1 状态报告帧格式 状态报告p d u 由两部分组成分别是 状态p d u 承载部分和r l c 层控制p d u 头 r l c 控制p d u 头包含1 b i t 的d c 域和3 b i t s 的c p t 域 d c 域 d a t a c o n t r o l d c 1f i e l d 1b i t d c 域指示了当前p d u 是数据p d u 还是控制p d u 其含义描述 见下表 表3 1d c 域含义表 值 描述 0控制p d u 1数据p d u c p t 域一c o n t r o lp d ut y p e c p t f i e l d 3 b i t s c p t 域描述了控依i j p d u 的类型 其含义如下表 表3 2c p t 域含义表 值描述 0 0 0状态p d u 0 0 1复位p d u 0 1 0移窗p d u 0 1 1 1 1 l保留 包含这此字段的p d u 将被对端接收佃f 丢弃 状态p d u 承载部分从r l c 层控铝l j p d u 头之后的第一个b i t 开始 包含一个 a c ks n 和一个e 1 位 不包含或者包含多个n a c ks n e 1 和e 2 位 也可能包含 每d n a c ks n 的p d u 的s o s t a r t 与s o e n d 发生在重分段情况下 a c k s n a c k n o w l e d g e m e n ts n a c k s n f i e l d 10 b i t s a c k s n 指示了接收侧没有完全接收到的或者检查到丢失的第一个p d u 的s n 号 当对端发送侧实体接收到状态报告p d u 时 那么a c ks n 就指示了接收侧在 1 4 无线通信系统中a r q 机制的研究与实现 a c k s n 之前的 不包括a c k s n 除去n a c k s n 包括重分段的s o s t a r t 和s o e n d 之外的所有p d u 都已正确接收 e 1 位 e x t e n s i o nb i t1 e 1 f i e l d 1 b i t e 1 指示t a c k s n 之后是否还有n a c ks n e 1 和e 2 跟随 其含义描述如下 表3 3e 1 位含义表 值描述 o 没 舒i a c k s n e1 和e 2 跟随 1 h n a c k s n e 1 和e 2 跟随 n a c k s n n e g a t i v ea c k n o w l e d g e m e ms n n a c ks n f i e l d 10 b i t s n a c k s n 指示了接收侧实体检查到的丢失的p d u 或者p d u 的一部分 的s n 号 e 2 位一e x t e n s i o nb i t2 e 2 f i e l d 1b i t e 2 指示了该n a c k s n 里是否有s o s t a r t 和s o e n d 其含义描述如下表 表3 4e 2 位含义表 值描述 0n a c ks n 里没有s o s t a r t 和s o e n d 1n a c ks n 里有s o s t a r t 和s o e n d s o s t a r t 域 s 0 s t a r t s o s t a r 0f i e l d 15 b i t s s o s t a r t 与s o e n d 起 指示了接收端检查到s n 为n a c ks n 的p d u 的一部分丢失 特别的 s o s t a r t 指示了丢失部分的第一个字节在原始数据p d u 中的位置 s o e n d 域 s o e n d s o e n d f i e l d 1 5 b i t s s o e n d 与s o s t a n 一起 指示了接收端检查到s n 为n a c ks n 的p d u 的一部分丢失 特别的 s o e n d 指示了丢失部分的最后一个字节在原始数据p d u 中的位置 当 s o e n d 为 1l1 11 1 1 1l1 11 11 1 时 表示丢失部分包含了原始数据p d u 的最后一个 字节 发送方数据p d u 有四种状态 等待确认状态 确认状态 等待重传状态 丢弃 状态 当组包模块将s d u 组装成p d u 并提交给m a c 子层等待复用时 数据p d u 处 于等待确认状态 在等待确认状态时 当收到对端给该p d u 的确认时 状态跳转 为确认状态 并等待缓存管理模块对其进行资源释放 当该p d u 在超时定时器溢 出时还没有确认消息或者收到否定确认时 则状态跳转为等待重传状态 等待组 包模块的下次重传 若是该p d u 的总的等待时长超出规定时长 那么状态直接跳 转为丢弃状态 等待丢弃 在等待重传时 若收到对端的确认报告 则跳转为确 认状态 若组包模块将其提交给m a c 子层进行复用 则状态跳转至等待确认状态 若是