学年 论文模板范文

学年学年 论文模板范文论文模板范文 分类号学校代码10126学号密级本科学年论文 设计 学院 系电子 信息工程学院电子系专业名称电子信息科学与技术年级级学生姓名 指导教师孙锴LTE HARQ技术研究及分析摘要本文详细介绍HSPA的分类及原理 而且对H ARQ技术的原理 自动重传请求协议以及特点和分类做了认真论述 最后总结说明HARQ技术在现代社会发挥的重大作用和其拥有的巨大 前景 为支持这种高速数据传输率 HSUPA引入一种新的传输信道E DCH E DCH可以用来传输分组业务数据 它支持变速率传输 快速重传和快 速分组调度等 HSUPA是一些无线增强技术的集合 利用HSUPA技术可以在现有技术 的基础上使得上行峰值速率有很大的提高 并在上行链路得到更大 的吞吐量 TD SCDMAHSUPA主要采用了如下两种技术物理层快速混合重传 基于Nod eB的快速调度 随着移动通信技术的蓬勃发展 无线通信系统呈现出移动化 宽带 化和IP化的趋势 移动通信市场的竞争也日趋激烈 3G长期演进系统 LTE 的标准化工作已经全面展开 并得到了大家的 广泛关注 由重传发生时刻的不同 HARQ可以分为同步和异步两类 同步HARQ接收端预先已知传输的发生时刻 HARQ进程的序号可以从 子帧号获得 异步HARQ进程的传输可以发生在任何时刻 HARQ进程 的处理序号需要连同数据一起发送 根据其自身特点 HARQ技术能够很好地补偿无线移动信道时变和多 径衰落对信号传输的影响 已成为LTE中的关键技术之一 该技术将 会随着3G长期演进系统的发展不断完善 1HSPA1 1HSDPA1 1 1HSDPA概述高速下行链路分组接入技术 High SpeedDownlink PacketAess HSDPA 是3GPP Release5及后续规范版本中定义的关键新特性 其目标是通过在下行链路提供高速数据传输速率来增强3G系统的性 能 理论最高达14 4Mbps 可基于3GPP R 99网络直接演进 HSDPA可以提供高速分组接入的原因香农定理C W log2 1 S N HSD PA采用自适应编码调制 快速自动混合重传 快速调度等技术代替 了OVSF 快速功率控制 WCDMA R5版本高速数据业务增强方案充分参考了cdma20001X EV DO的设计思想与经验 新增加一条高速共享信道 HS DSCH 同时采用了一些更高效的自适应链路层技术 共享信道使得传输功率 PN码等资源可以统一利用 根据用户实际 情况动态分配 从而提高了资源的利用率 自适应链路层技术根据当前信道的状况对传输参数进行调整 如快 速链路调整技术 结合软合并的快速混合重传技术 集中调度技术 等 从而尽可能地提高系统的吞吐率 基于演进考虑 HSDPA设计遵循的准则之一是尽可能地兼容R99版本 中定义的功能实体与逻辑层间的功能划分 在保持R99版本结构的同时 在NodeB 基站 增加了新的媒体接入控 制 MAC 实体MAC hs 负责调度 链路调整以及混合ARQ控制等功能 HSDPA引入的信道使用与其它信道相同的频点 从而使得运营商可以 灵活地根据实际业务情况对信道资源进行灵活配置 HSDPA信道包括高速共享数据信道 HS DSCH 以及相应的下行共享控制信道 HS SCCH 和上行专用物理控制信道 HS DPCCH 共享高速数据信道 HS DSCH 映射的信道码资源由15个扩频因子固定为16的SF码构成 不同移动台除了在不同时段分享信道资源外 还分享信道码资源 信道码资源共享使系统可以在较小数据包传输时仅使用信道码集的 一个子集 从而更有效地使用信道资源 1 1 2HSDPA信道结构HSDPA新的信道包括新的传输信道HS DSCH Downlink shared traffic 仅在下行链路存在 每个UE仅有一个HS DSCH类型的CCTrCH CCTrCH可以映射到一个或者多个物理信道 TTI 为2ms 只支持Turbo编码 支持更高阶的调制 无功控 无软切换 固定扩频因子 SF 16 不支持时隙级的DTX 新的物理信道包 括HS PDSCH Downlink shared traffic HS SCCH downlink shared controlmassage HS DPCCH Uplink HS Dedicated Physical Control 1 2HSUPA1 2 1HSUPA概述高速上行行链路分组接入技术 High SpeedUplink PacketAess HSUPA 3GPP对HSUPA的称呼是E DCH 是3GPP R6及后续规范版本中定义的关键新特性 目标是提高上行链路数据 传输速率 理论上最高达5 76Mbps 典型值2Mbps 同时提高频谱效 率 改善容量 可基于3GPP R 99 HSDPA网络直接演进 HSUPA可以提高接入速率 增大容量的 原因香农定理C W log2 1 S N HSUPA没有采用高阶调制就获得了 高速率是因为L1的HARQ和Node B快速调度 1 2 2HSUPA信道结构HSUPA新的传输信道Uplink为E DCH HSUPA新的物理信道Uplink包括E DPDCH E DCH DedicatedPhysical DataChannel E DCH专用物理数据信道 E DPCCH E DCH DedicatedPhysicalControlChannel E DC专用物理控制信道 Downlink包括E AGCH E DCH AbsoluteGrant Channel E DCH绝对准入信道 E RGCH E DCH RelativeGrant Channel E DCH相对准入信道 E HICH E DCH HARQAcknowledgement IndicatorChannel E DCH指示符信道 HSUPA新的传输信道 E DCH E DCH和DCH的差异DCH是一个UE多个 复合为一个CCTrCH E DCH是一个UE仅能一个 MAC可将多个业务复用到一个E DCH 支持HARQ E DCH和DCH可以并存同一UE 但若配置了E DCH 则DCH的最大速率被限制在64kbps E DCH编码过程CRC固定为24bit DCH为 0 8 12 16 24bit 传输块分割为Max5114bit 信道编码为1 3Turbo DCH 为1 2 1 3卷积 1 3Turbo HARQ为速率匹配并产生RV 物理信道分段 与DCH相同 交织只有一次 DCH为两次 1 2 3HSUPA移动性HSUPA支持软切换 HSUPA可以和R99有不同的激活 集 R99DCH activeset最大为6 HSUPA E DCH activeset最大为4 E DCH服务小区更新和HSDPA小区更新的准则相同 1D事件用于最佳服 务小区变更时发送测量报告 在HSUPA系统中 对于来讲UE有三种小 区 Serving DCHcell Serving E DCH RadioLink Cell Non servingE DCH RadioLink Cell E DCH的服务小区可以和HSDPA服务小区不同 也可相同 HSUPA的小区类型为Serving E DCH RadioLink setCell 一个UE只能有1个Serving E DCH RLS Non servingE DCH RadioLink Cell 1 2 4TD SCDMA HSUPA的工作流程通过HSUPA的工作流程 可以看出HSUPA把调度和重 传控制的功能从RNC移到了NodeB端 HSUPA工作流程具体步骤描述如下1 UE根据信道质量 可用发射功率 缓冲区中待传输数据量决定要申请的速率 并向NodeB发出申请 2 NodeB调度器根据系统中采用的调度算法算出各个用户的优先级 并据此将各用户排队 3 UE通过E DPDCH发送数据包 并通过E DPDCH传送相应控制信息 4 UE根据收到的ACK NACK决定是否重传 若收到NACK消息 需重传 直到收到ACK消息或者到达系统设定的最大重传次数为止 1 3WCDMA HSDPA和TD SCDMA HSDPA的差异1 物理层信令参数的差异只能用于FDD模式的信令信道 码 用来向UE定义接受信息和进行解码时所需的信道码 测量反馈 率 用来定义用于下行链路质量测量的反馈率 仅用于TDD模式的信令HS PDSCH配置 用来向UE定义它所要接受和解码的时隙和码 HS SCCH循环序列号 HCSN 在每次HS SCCH传输给目标UE时该参数值加1 2 物理信道种类的差异在TD SCDMA系统的上行链路中 基站通过扩频码来区分用户 HS SICH的扩频因子SF固定为16 这有限的扩频码资源 不允许采用类 似于WCDMA系统的HSDPA反馈信道HS DPCCH那样的设计 采用专用的物理信道 因此 将HS SICH设计为共享的物理信道 使多个用户同时使用相同的扩频码 用户之间通过正交序列区分 但这种方法的缺点是增加了HS SICH设计的复杂度 而且由用户和基站之间的相对运动产生的多普 勒频移 单频电波受到随机调频 接收到序列的正交性将受到影响 3 时隙分配的差异工作在TDD模式下的TD SCDMA系统在同一载波上进行上 下行链路传输 上下行的分配是通 过时隙调度来实现的 DwPTS和UpPTS两时隙间的GP转换点在子帧中的位置是固定不变的 另一个转换点的位置可以在常规时隙间变化 但系统规定TSO总是分配给下行链路 TS1总是分配给上行链路 工作在FDD模式下的WCDMA系统 其上 下行数据在已经分配好的两 个不同的频段上传输 所以不能动态地根据上下行的数据传输量调 整资源的分配 即当进行非对称业务服务时 信息量较少的那一链 路方向的剩余频率资源不能分配给另一链路使用 而这些剩余频率 资源处于空闲状态 这使得WCDMA系统达不到资源的充分利用 频谱 效率较低 4 MAC层WCDMA HSDPA和TD SCDMA HSDPA的介质访问控制 MAC 层结构基本相似 其中一个最显著特点是将MAC层的实体MAC hs移到了NodeB中 以支持高级调制和编码 AMC 混合自动重传 HARQ 快速调度等 在通用地面无线接入网络 UTRAN 侧 每个小区有一个MAC hs实体来支持HS DSCH传输 除此之外 MAC hs还负责管理分配给HSDPA的资源 5 物理层WCDMA和TD SCDMAHSDPA中都新增了HS SCCH和HS DSCH信道 在两系统的HARQ进程中两信道上承载的信令也相同 WCDMAHSDPA和TD SCDMAHSDPA的上行控制链路中都传输HARQ的确认信息ACK NACK以及 下行链路质量反馈信息 CQI 对于下行链路 WCDMA和TD SCDMA HSDPA在HS SCCH信道中均传输HARQ过程识别及新数据指示信令 在HS DSCH信道中传输重排序队列ID及传输队列数信令 另外 WCDMAHSDPA和TD SCDMAHSDPA都采用了AMC HARQ和基于NodeB调度三项技术 与处于不利位置 如小区边缘 的用户相比 AMC使处于有利位置 近基站点 的用户具有更高的数据速率 由此蜂窝平均吞吐量得到 提高 同时 在链路自适应过程中 AMC通过调整调制编码方式而不是调整 发射功率的方法可以降低干扰水平 但由于AMC取决于CQI的质量 因此对测量误差和延迟比较敏感 此 时可以寻求与HARQ的结合 HARQ功能在MAC层上实现 其实体靠近空中接口 所以HARQ能够大大 降低数据的传输时延 在TD SCDMA系统上引入具有上 下行链路业务不对称特点的HSDPA技术 由于系统的时分双工模式 能够通过灵活的调整上 下行转换点来 动态的分配时隙 从而充分的利用频率资源 提高频谱利用率 而 在WCDMA系统上引入HSDPA技术 由于系统的频分双工模式 不能动 态的分配上 下行时隙 造成频率资源的浪费 使得频谱利用率较 低 我们知道 频率资源是极为有限的 WCDMA系统这浪费资源的情况是 一个很严重的弊端 因此 在这一点上 可充分利用频率资源的TD SCDMA系统对引入HSDPA技术具有明显优势 6 技术上的差异 FCS WCDMA系统中使用了快速蜂窝选择 FCS 技术 而TD SCDMA系统中则没有采用 这一差异需要通过两系统采用的不同切换 算法来解释 WCDMA系统采用软切换技术 软切换需要同时与多个小区进行连接 除了服务小区 该移动终端 UE 对于其他小区产生额外干扰 而且耗费了其他小区的资源 此外 HSDPA提供快速数据速率 需要很大的系统的资源 假设需要的资源为N 若采用软切换 这里假设UE同时与M个小区保 持通信 对于系统来说 就要为该UE分配N M的资源 所以 快速数据速率系统不希望进行软切换 而在HSDPA技术中 为了更有效地利用基站的发射功率 减小下行链 路干扰以及提高整个系统地吞吐量 就需要对小区进行快速的选择 因此在下行增强技术中 通过快速小区选择以及硬切换技术代替 了以前的软切换 由于在TD SCDMA系统中采用的接力切换技术是信令与业务先后转移的过程 虽 然在某种程度上与硬切换类似 同样是在 先断后连 的情况 但 是由于其实现是以精确定位为前提 因而与硬切换相比 UE可以很 迅速地切换到目标小区 降低了切换时延 减少了切换引起的掉话 率 由于接力切换技术采用业务 先断后连 的方式 且能迅速切换到 目标小区 所以它不像软切换那样占用其他小区很多资源并产生干 扰 因此 TD SCDMA系统的HSDPA中不必用FCS技术来代替接力切换技术 7 FDD与TDD工作原理以及优缺点频分双工 FDD 和时分双工 TDD 是 两种不同的双工方式 FDD是在分离的两个对称频率信道上进行接收 和发送 用保护频段来分离接收和发送信道 FDD必须采用成对的频率 依靠频率来区分上下行链路 其单方向的 资源在时间上是连续的 TDD双工方式的工作特点使TDD具有如下优势 灵活配置频率 使用F DD系统不易使用的零散频段 能通过调整上下行时隙转换点 提高 下行时隙比例 很好的支持非对称业务 具有上下行信道一致性 基站的接收和发送可以共用部分射频单元 降低设备成本 在接收 上下行数据时 不需收发隔离器 只需要一个开关即可 降低设备 的复杂度 具有上下行信道互惠性 能够更好的采用传输预处理技 术 比如预RAKE技术 联合传输 JT 技术 智能天线技术等 能有效 地降低移动终端的处理复杂性 TDD双工方式相较于FDD 存在明显的不足因为TDD方式的时间资源分 别分给了上行和下行 因此TDD方式的发射时间大约只有FDD的一半 如果TDD要发送和FDD同样多的数据 就要增大TDD的发送功率 TD D系统上行受限 因此TDD基站的覆盖范围明显小于FDD基站 TDD系 统收发信道同频 无法进行干扰隔离 系统内和系统间存在干扰 为避免与其他无线系统之间的干扰 TDD需要预留较大的保护带 影 响了整体频谱利用效率 2 HARQ技术2 1自动重传请求常用的自动重传请求协议包括停等式 S AW 后退N步式 Go back N 和选择重发式 SR 等 以下介绍其分类及工作流程 1 停等式发送端每发送一个数据分组包就暂时停下来 等待接收端 的确认信息 当数据包到达接收端时 对其进行检错 若接收正确 返回确认 AC K 信号 错误则返回不确认 NACK 信号 当发端收到ACK信号 就发送新的数据 否则重新发送上次传输的数 据包 因此 停等式造成通信信道的利用率不高 系统的吞吐量较低 2 后退N步式在采用后退N步式ARQ协议的传输系统中 发送端发送完 一个数据分组后 并不停下来等待确认信息 而是连续发送若干个 数据分组信息 接收端将每个数据包相应的ACK或NACK信息反馈回发送端 同时发送 回的还有数据包分组号 当接收到一个NACK信号时 发送端就重新发送包括错误数据的N个数 据包 接收端只需按序接收数据包 在接收到错误数据包后即使又接收到 正确的数据包后还是必须将正确的数据包丢弃 并重新发送确认信 息 可以看出 相比较SAW 采用该协议一方面因发端连续发送数据提高 了系统的吞吐量 但同时增大了系统的信令开销 另一方面 由于 收端仅按序接收数据 那么在重传时又必须把原来已正确传送过的 数据进行重传 仅因为这些数据分组之前有一个数据分组出了错 这种方法使信道利用率降低 3 选择重发式为了进一步提高信道的利用率 选择重发式协议只重 传出现差错的数据包 但是此时收端不再按序接收数据分组信息 那么在收端则需要相当容量的缓存空间来存储已经成功译码但还没 能按序输出的分组 同时收端在组合数据包前必须知道序列号 因此 序列号要和数据 分别编码 而且序列号需要更可靠的编码以克服任何时候出现在数 据里的错误 这样就增加了对信令的要求 所以 相比之下SR的信道利用率最高 但是要求的存储空间和信令 开销也最大 在3G LTE系统中将采用停等式 SAW 重传协议 这种机制不仅简单可靠 系统信令开销小 并且降低了对于接收机 的缓存空间的要求 但是 该协议的信道利用效率较低 2 2HARQ特点HARQ是ARQ和FEC技术相结合的一种纠错方法 通过发送 附加冗余信息 改变编码速率适应信道条件 是一种基于链路层的 隐含的链路自适应技术 采用HARQ技术的接收方在译码失败的情况下 保存接收数据 并要 求发送方重传数据 接收方将重传数据和前匝1的数据进行合并 再 送到译码器进行译码 因为数据在译码前进行了合并 译码数据具有更多的信息量 可以 提高译码的成功率 降低错误率 HARQ技术可以提高系统性能 并可灵活地调整有效码元速率 补偿 由于采用链路适配不合适所带来的误码 在AMC中 利用反馈信息等设定调制和编码的级别从而实现自适应控 制 而HlARQ通过链路层的确认信号来决定重发与否隐含地实现了自 适应控制 在HSDPA中 HARQ技术主要作用是补偿AMC选择的传输格式不恰当带 来的误码 AMC的机制提供了大动态范围的粗略的 慢速的自适应控制 而HARQ 的机制则提供了小动态范围的精确的 快速的自适应控制 AMC的机 制对测量的误差和时延敏感 而HARQ是对信道即时状态的反应 与 测量误差和时延无关 将HARQ与AMC这两种链路自适应技术结合使用 可以取得比较理想的 效果 即AMC基于信道测量结果等信息大致决定数据传输速率 HARQ 在此基础上根据实时信道条件再对数据传输速率进行微调 研究表明 通过HARQ技术可有效地将由于AMC选择传输格式不恰当所 造成的吞吐量损失减少50 同时HARQ在不降低系统性能的情况下 还可以减少MCS的调制编码类 型 降低系统调度和实现复杂度 2 3基本HARQ类型根据重传内容的不同 在3GPP标准和建议中主要有 3种混合自动重传请求机制 包括HARQ I HARQ II和HARQ III等 1 HARQ I型HARQ I即为传统HARQ方案 它仅在ARQ的基础上引入了纠错编码 即对发 送数据包增加循环冗余校验 CRC 比特并进行FEC编码 收端对接收的数据进行FEC译码和CRC校验 如果有错则放弃错误分 组的数据 并向发送端反馈NACK信息请求重传与上一帧相同的数据 包 一般来说 物理层设有最大重发次数的限制 防止由于信道长期处 于恶劣的慢衰落而导致某个用户的数据包不断地重发 从而浪费信 道资源 如果达到最大的重传次数时 接收端仍不能正确译码 在3G LTE系统中设置的最大重传次数为3 则确定该数据包传输错误并丢 弃该包 然后通知发送端发送新的数据包 这种HARQ方案对错误数据包采取了简单的丢弃 而没有充分利用错 误数据包中存在的有用信息 所以 HARQ I型的性能主要依赖于FEC的纠错能力 2 HARQ II型HARQ II也称作完全增量冗余方案 在这种方案下 信息比特经过编码后 将编码后的校验比特按照一 定的周期打孔 根据码率兼容原则依次发送给接收端 收端对已传的错误分组并不丢弃 而是与接收到的重传分组组合进 行译码 其中重传数据并不是已传数据的简单复制 而是附加了冗 余信息 接收端每次都进行组合译码 将之前接收的所有比特组合形成更低 码率的码字 从而可以获得更大的编码增益 达到递增冗余的目的 每一次重传的冗余量是不同的 而且重传数据不能单独译码 通常 只能与先前传的数据合并后才能被解码 3 HARQ III型HARQ III型是完全递增冗余重传机制的改进 对于每次发送的数据包采用互补删除方式 各个数据包既可以单独 译码 也可以合成一个具有更大冗余信息的编码包进行合并译码 另外根据重传的冗余版本不同 HARQ III又可进一步分为两种一种是只具有一个冗余版本的HARQ III 各次重传冗余版本均与第一次传输相同 即重传分组的格式和 内容与第一次传输的相同 接收端的解码器根据接收到的信噪比 SN R 加权组合这些发送分组的拷贝 这样 可以获得时间分集增益 另一种是具有多个冗余版本的HARQ III 各次重传的冗余版本不相同 编码后的冗余比特的删除方式是 经过精心设计的 使得删除的码字是互补等效的 所以 合并后的码字能够覆盖FEC编码中的比特位 使译码信息变得 更全面 更利于正确译码 在3GPP中 各个成员公司达成了一些初步共识 明确指出在未来3G LTE系统的上行或者下行链路中 将会采用基于递增冗余重传 IR 机 制的HARQ重传策略 由于Chase合并 CC 可以视为IR的一种特殊的情 况 因此系统也支持CC机制 2 4同步和异步HARQ按照重传发生的时刻来区分 可以将HARQ可以分 为同步和异步两类 这也是目前在3G LTE中讨论比较多的话题之一 同步HARQ是指一个HARQ进程的传输 重传 是发生在固定的时刻 由 于接收端预先已知传输的发生时刻 因此不需要额外的信令开销来 标示HARQ进程的序号 此时的HARQ进程的序号可以从子帧号获得 异步HARQ是指一个HARQ进程的传输可以发生在任何时刻 接收端预 先不知道传输的发生时刻 因此HARQ进程的处理序号需要连同数据 一起发送 由于同步HARQ的重传发生在固定时刻 在没有附加进程序号的同步H ARQ在某一时刻只能支持一个HARQ进程 实际上HARQ操作应该在一个时刻可以同时支持多个HARQ进程的发生 此时同步HARQ需要额外的信令开销来标示HARQ的进程序号 而异 步HARQ本身可以支持传输多个进程 另外 在同步HARQ方案中 发送端不能充分利用重传的所有时刻 例如为了支持优先级较高的HARQ进程 则必须中止预先分配给该时 刻的进程 那么此时仍需要额外的信令信息 根据重传时的数据特征是否发生变化又可将HARQ分为非自适应和自 适应两种 其中传输的数据特征包括资源块的分配 调制方式 传 输块的长度 传输的持续时间 自适应传输是指在每一次重传过程中 发送端可以根据实际的信道 状态信息改变部分的传输参数 因此 在每次传输的过程中包含传 输参数的控制信令信息要一并发送 可改变的传输参数包括调制方式 资源单元的分配和传输的持续时 间等 在非自适应系统中 这些传输参数相对于接收端而言都是预先已知 的 因此 包含传输参数的控制信令信息在非自适应系统中是不需 要被传输的 在重传的过程中 可以根据信道环境自适应地改变重传包格式和重 传的时刻的传输方式 可以称为基于IR类型的异步自适应HARQ方案 这种方案可以根据时变信道环境的特性有效地分配资源 但是具有 灵活性的同时也带来了更多的系统复杂性 在每次重传过程中包含传输参数的控制信令信息必须与数据包一起 发送 这样就会造成额外的信令开销 而同步HARQ在每次重传过程中的重传包格式 重传时刻都是预先已 知的 因此不需要额外的信令信息 与异步HARQ相比较 同步HARQ具有以下的优势控制信令开销小 在 每次传输过程中的参数都是预先已知的 不需要标示HARQ的进程序 号 在非自适应系统中接收端操作复杂度低 提高了控制信道的可 靠性 在非自适应系统中 有些情况下 控制信道的信令信息在重 传时与初始传输是相同的 这样就可以在接收端进行软信息合并从 而提高控制信道的性能 根据层一 层二的实际需求 异步HARQ具有以下的优势如果采用完全 自适应的HARQ技术 同时在资源分配时 可以采用离散 连续的子 载波分配方式 调度将会具有很大的灵活性 可以支持一个子帧的 多个HARQ进程 重传调度的灵活性 在3G LTE系统中 已经确定在演进通用移动通信系统陆地无线接入网 E UTRA 下行链路系统中将采用异步自适应的HARQ技术 4 因为相对于同步非自适应HARQ技术而言 异步HARQ更能充分利用信 道的状态信息 从而提高系统的吞吐量 另一方面异步HARQ可以避 免重传时资源分配发生冲突从而造成性能损失 例如在同步HARQ中 如果优先级较高的进程需要被调度 但是该时 刻的资源已被分配给某一个HARQ进程 那么资源分配就会发生冲突 而异步HARQ的重传不是发生在固定时刻 可以有效地避免这个问 题 在上述关于异步HARQ的优点的基础上 同时考虑到信令开销过大的 问题