HSDPA 系统中HARQ 性能的比较与分析.pdf

echnology Panorama 技术广角 T MSTTJanuary 2009 HSDPA 系统中 HARQ 性能的比较与分析 李垠韬 北京邮电大学信息与通信工程学院硕士研究生 常永宇 北京邮电大学信息与通信工程学院教授 摘要 为了满足日益增长的分组数据业务需求 特别是下行业务需求 3GPP 提出了 HSDPA 技术 并进行了标准化 作为 HSDPA 的关键技术之一 HARQ 能够自动适应瞬间的信道条件并且不太 受测量差错和时延的影响 本文对采用不同方式 HARQ 的 HSDPA 系统性能做了较为详细的比较 与分析并给出了最后的结论 关键词 HSDPA HARQ 比较 分析 Abstract In order to meet the growing demand for packet data services particularly the need for downstream traffic 3GPP proposed HSDPA tech原 nologies and make it standardized As one of the key technologies of HSDPA HARQ is able to auto原 matically adapt to the instantaneous channel condi原 tions and is not subject to measurement error and delay In this paper the authors make a detailed comparison and analysis on the performance of HS原 DPA system under different HARQ schemes Key Words HSDPA HARQ comparison analysis 1 HARQ 技术 在无线通信蓬勃发展的今天 人们对于信息传输的要 求与期望越来越高 其中 高速和准确是用户对信息传输 尤其是对数据传输的最基本的两个要求 因此 如何保证 高速传输的数据能够准确无误地到达用户终端 自然成为 了如今乃至今后在无线通信中急需解决的问题 而差错控 制技术则为这一问题提供了基本的解决方法 特别是近几 年提出的结合了差错控制编码的混合自动重传请求技术 更是能够有效的保证可靠的数据传输 在 HSDPA 系统中 主要采用 n 信道停等 SAW Stop And Wait 重传方式 大体实现的过程如下 1 如果传 输正确 移动台通过 HS DPCCH 上行信道向 Node B 发送 ACK 信号 Node B 接收到 ACK 信号后发送下一个 TTI 数 据块 如果传输出错 移动台发送 NACK 信号 并将 Turbo 译码前的结果保存到存储器中 Node B 接到 NACK 信号 后向移动台重新发送同一个 TTI 的数据块 接收端在 Turbo 译码前将刚刚接收到的数据与存储器中的数据软 合并 然后进行译码和 CRC 校验 如此重复直到传输正确 或者重传次数达到预先规定的最大重传次数为止 Node B 接着再发送下一个 TTI 数据块 由于混合自动重传请求 HARQ 的停等机制 每个 ARQ 的连续传送都有个固定 的时间等待 为了提高信道的利用率 避免 Node B 等待 ACK NACK 时产生的信道空余 可以采用并行的 SAW 即 在等待 ACK NACK 的同时 可以发送其他的数据块 56 2009 年 1 月第 1 期现代电信科技 ODERN SCIENCE TECHNOLOGY OF TELECOMMUNICATIONS 现代电信科技 M 这一部分的重点就是分析 HARQ 的性能 来体 现其在吞吐量和误帧率等方面性能的优越性 1 1 HARQ 的参数设置 不同的 HARQ 方案主要是通过设置不同冗余 度参数的和来实现 1 参数的取值为 0 或 1 分别对应自译码传送 1 和非自译码传送 0 而是允许选择不同集合的比特进行重复或是删 除 假设初始传送选择的参数是 1 0 那么重 传采用 Chase 合并 部分冗余和全冗余的参数如表 1 所示 QPSK 4 16QAM 2 1 2 HARQ 的实现流程 HARQ 并不像 ARQ 抛弃之前的数据包 而是合 并几个不成功传输的数据包来改善译码性能 具体 实现的流程如图 1 1 3 HARQ 的功能模块的实现 在 HSDPA 系统中 HARQ 主要是在 Turbo 编码 后速率匹配这个模块进行实现的 它由两级速率匹 配和一个缓冲器组成 1 第一个速率匹配子模块匹 配输入到虚拟 IR 缓冲器的比特数 这个速率匹配子 模块的参数是由上层给出 若输入比特数未超过虚 拟 IR 缓冲器的容量 第一速率匹配是透明的 即实 际上不起作用 第二个速率匹配单元匹配第一速率 输出的 HS DSCH TTI 比特数到 HS DPSCH 在物理 信道帧内的比特数 HARQ 的功能由一个两级速率匹配功能实体模 块完成 图 2 给出了它的原理 图中位于两个速率匹 配级间的缓冲器可以用来协调在这两个速率匹配级 间为不同重传机制的冗余度配置 所示的缓冲器应 当作为虚拟缓冲器 因为实际的速率匹配实现方法 可以使用单个速率匹配模块完成 并不需要在第一 级速率匹配后缓冲任何数据块 2 HARQ 性能比较与分析 主要分析两种 HARQ 方式的性能 包括 Chase 合并和递增冗余 通常 分组多次传送的合并 采用 比特级合并或是符号级合并 将带来许多相关的软 信息 本文的仿真中采用的是以上介绍的第二种方 案 解调后的基带符号信息在译码器的输入之前进 行合并 多次重传之后的性能相当于比特能量的累 加 则误帧率 2 可定义为 1 其中 是取决于重传次数的函数 为有效编 码速率 为调制的阶数 对于合并后的 可用 以下的公式表示 2 3 其中为调制的阶数 为初始传送的有效编码 速率 而表示的是 n表示的 次传输后合并 的 表示 Chase 合并的效率 表 1 MECRIEIEgFER norcorcn L n k korcn n nCorc IEMECRIE 1 1 1 n n ECR M ECR M 2ifn o th e r w is e 表 1 不同的 HARQ 方案 HARQ 方案参数参数 Chase 合并10 部分冗余11 全冗余00 图 1 HARQ 的实现 图 2 HARQ 的功能 57 echnology Panorama 技术广角 T MSTTJanuary 2009 表 2 HARQ 在 3km 衰落信道下的参数 调制方式码率 QPSK16QAM 着浊 4 着浊 16 0 50 931 070 921 35 0 750 931 300 921 80 示初始传输后递增冗余的增益 根据文献 2 这个 公式的数值定义如表 2 所示 2 1 仿真模型 性能比较的标准是在相同的 Turbo 码的编码速 率 R k n 下 信噪比 Eb N0 误帧率 FER 和信噪 比的相互关系 在本文的仿真中 是通过固定 改变 来统计 FER 的性能 1 链路仿 真模型图如图 3 所示 3 其中 为基站整个发送功率 为通过信道后的发 送功率 为其他小区干扰加高斯白噪声 为 移动台天线整个接收到的功率 2 2 AWGN 信道的仿真结果和分析 图 4 8 是四种 MCS 分别采用 Chase 合并 部 分冗余和全冗余的在 AWGN 信道下的结果图 其中 包括一次 两次 三次传送的 FER 的曲线 不同的线 代表不同的传送方式 其中 CC 代表 Chase 合并 PIR 代表部分冗余和 FIR 代表全冗余 图 4 给出 1 2 码率的 QPSK 的性能曲线 在每次重传后 全冗余相 对于 Chase 合并的增益基本上都是 0 5 dB Chase 合 并 部分冗余和全冗余三者之间的性能差异并不是 很大 但是 Chase 合并在实现上比较简单 对接收缓 存的容量也比较小 可考虑对 MCS1 只采用 Chase 合并 对于 MCS1 三次重传之后部分冗余的性能优 于全冗余 因为初始传送的码率低 传送的校验比 图 3 链路仿真模型 图 4 MCS1 的 AWGN 下的 FER 曲线 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 100 10 1 10 2 10 3 QPSK0 5 CC1 CC2 CC3 PIR1 PIR2 PIR3 FIR1 FIR2 FIR3 图 5 MCS2 的 AWGN 下的 FER 曲线 100 10 1 10 2 10 3 14 12 10 8 6 4 Ec Ior dB 16QAM0 5 CC1 CC2 CC3 PIR1 PIR2 PIR3 FIR1 FIR2 FIR3 图 6 MCS3 的 AWGN 下的 FER 曲线 100 10 1 10 2 10 3 18 16 14 12 10 8 6 4 QPSK0 75 CC1 CC2 CC3 PIR1 PIR2 PIR3 FIR1 FIR2 FIR3 58 2009 年 1 月第 1 期现代电信科技 ODERN SCIENCE TECHNOLOGY OF TELECOMMUNICATIONS 现代电信科技 M 表 3 不同的 HARQ 方案性能增益 FER 10 1 MCS 级别 FER 0 1 CC 相对于 初传的增益 PIR 相对于 CC 的增益 FIR 相对于 CC 的增益 FIR 相对于 PIR 的增益 MCS16 00 50 4 0 1 MCS25 82 83 60 8 MCS33 61 82 30 5 MCS44 21 04 13 1 特多 部分冗余和全冗余在两次重传之后 校验比特 已经传完 在第三次重传的时候 全冗余全部传校验 比特就很难带来大的增益 反而部分冗余能多传些 系统比特 带来的增益就大些 图 5 给出 QPSK 码率 为 3 4 结果图 每次重传之后的全冗余相对于 Chase 合并的增益一般在 3 4 dB 之间 图 6 中码率为 1 2 的 16QAM 的性能增益从 1 8 dB 到 2 0 dB 由此可 见 全冗余对于高码率的性能增益比较明显 特别是 对于码率为 3 4 的 16QAM 如图 7 全冗余相对于 Chase 合并和部分冗余的增益更加明显 所以可以 考虑在牺牲复杂度和接收缓存容量的条件下采用全 冗余获得更大的增益 表 3 是对图 4 7 中 FER 为 0 1 时不同的 HARQ 的性能增益的比较 从表 3 我们可以发现 对于高的码率和高阶的调制方式 冗余 包括全冗 余和部分冗余 性能明显优于 Chase 合并 部分冗 余的性能处于全冗余和 Chase 合并之间 还有 在 大多数情况 部分冗余和全冗余曲线的下降收敛 比 Chase 合并的快 但在高的 FER 的性能的差异 不是很大 2 3 衰落信道的仿真结果和分析 图 8 11 是四种 MCS 分别采用 Chase 合并 部 分冗余和全冗余的在 3 km 衰落信道下的结果图 其 中只包括四次传送后的 FER 的曲线 图 8 给出 1 2 码率的 QPSK 的性能曲线 在四次传送后 全冗余相 100 10 1 10 2 10 3 图 7 MCS4 的 AWGN 下的 FER 曲线 12 10 8 6 4 20 Ec Ior dB 16QAM0 75 CC1 CC2 CC3 PIR1 PIR2 PIR3 FIR1 FIR2 FIR3 图 8 MCS1 的 3km 衰落信道下的 FER 曲线 100 10 1 10 2 10 3 14 13 12 11 10 8 Ec Ior dB CC PIR FIR 图 9 MCS2 的 3km 衰落信道下的 FER 曲线 100 10 1 10 2 10 3 12 10 8 6 4 2 Ec Ior dB CC PIR FIR 59 echnology Panorama 技术广角 T MSTTJanuary 2009 酝杂栽栽 图 11 MCS4 的 3km 衰落信道下的 FER 曲线 图 10 MCS3 的 3km 衰落信道下的 FER 曲线 对于 Chase 合并的增益是 2 dB 而部分冗余和全冗 余两者之间的性能差异并不是很大 只有 0 3 dB 与 AWGN 信道中性能结果不同 MCS1 全冗余的性能 要稍微优于部分冗余的性能 图 9 给出 QPSK 码率 为 3 4 结果图 四次传送后的全冗余相对于 Chase 合并的增益是 7 dB 相对部分冗余的增益是 2 dB 图 10 中码率为 1 2 的 16QAM 的全冗余相对的增益 分别是 3 8 dB 和 1 5 dB 由此可见 全冗余对于高码 率的性能增益比较明显 特别是对于码率为 3 4 的 16QAM 如图 11 全冗余相对于 Chase 合并和部分 冗余的增益更加明显 分别是 8dB 和 6dB 3 结 语 由以上的仿真和分析可以得到 不管是在 AWGN 信道还是衰落信道下 对于高的码率和高 阶的调制方式 冗余 包括全冗余和部分冗余 性 能明显优于 Chase 合并 而且 全冗余也明显优于 部分冗余 重传之后 递增冗余方式有效的编码速 率下降 这样功率效率变高 同时 16QAM 高阶调 制的功率效率要高于 QPSK 所以在高的码率和高 阶的调制方式下 递增冗余相对于 Chase 合并的译 码增益比较大 4 5 作为 HSDPA 采用的关键技术之 一 HARQ 直接影响着 HSDPA 系统的性能好坏 通过比较和分析采用不同方式 HARQ 的 HSDPA 系统的性能 可以为以后 HSDPA 的实际应用提供 指导和参考 参考文献