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l i 声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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,论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 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。 本人签名璺亟本人签名:粤竺鉴 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许学位论文被查阅和借阅;学校可以 公布学位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、汇 编学位论文。 本学位论文不属于保密范围,适用本授权书。 本人签名:笠亟日期:地l q 。墨 导师签名:翌重量=日期: 趁 仝2 ,! ! l 先简要介绍了传统h a r q 的类型和实现机制。然后对本文所涉及的,根 据3 g p p 协议所搭建的t d l t e 系统上行发射端和接收端仿真平台进行了 简要介绍。接着通过仿真分析,对h a r q 中不同重传版本的内容差异和 译码性能,以及l t e 系统中支持的两类h a r q 技术:c h a s e 合并和增量 冗余进行了研究和对比,得出了影响l t e 系统中h a r q 性能的参数。同 时,针对h a r q 中的多次重传进行了研究,通过仿真对比分析获得了针 对一个具体实例的最优重传机制使得系统译码性能最佳。最后,本文针 对协议中规定的数据传输大小进行了深入研究,将传送数据块大小指示 参数k ,与重传数据分组样式相互唯一对应。进而,给出了适合协议中各 种送数据大小的最优重传机制表。 在获得了初始编码速率与最优重传机制的对应关系表之后,针对不同 的重传实例,相对于3 g p p 协议,有了明确的重传顺序选择,对系统整体 吞吐量和译码性能有明显的改善,这也就是本文研究的意义所在。 关键字长期演进混合自动重传编码速率t u r b o 编码 h 、 j j t h e s t u d yo fr e t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m o fh y b r i da u t o m a t i c r e p e a tr e q u e s t ( h a r q ) i n t h es y s t e mo ft d - - l t e a b s t r a c t t h el o n gt e r me v o l u t i o n ( l t e ) i st h el a r g e s tn e wt e c h n o l o g yr e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n tp r o j e c ti nr e c e n ty e a rw h i c h3 g p ps t a r t e d i ti sr e g a r d e da s t h e “q u a s i 4 g t e c h n o l o g yw h i c h i sb a s e do nt h e a p p l i c a t i o n o f o f d m d m a s y s t e m t h et e c h n o l o g yo fh y b r i da u t o m a t i cr e t r a n s m i s s i o n ( h a r q ) i nl t en o to n l ya b l et oo b t a i nf o r w a r de r r o rc o r r e c t i o nc o d i n g ( f e c ) c o d i n gg a i nb r o u g h t ,b u ta l s og e ts o f t c o m b i n e d t ob r i n gd i v e r s i t yg a i n , t h e r e b ye n h a n c i n g t h e s y s t e ma g a i n s t t h ew i r e l e s sm o b i l ec h a n n e l t i m e - v a r y i n ga n dm u l t i - p a t hf a d i n ge f f e c t so nt h es i g n a l t r a n s m i s s i o na n d r e d u c et h es y s t e mb i te r r o rr a t ei no r d e rt oe n s u r eq u a l i t yo fs e r v i c e i nt h i sp a p e r , t h er e t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mo ft h eh a r qi nt d l t ei s b e i n gd e e p l ys t u d i e d i tf i r s tb r i e f l yd e s c r i b e dt h et r a d i t i o n a lh a r q t y p ea n d i m p l e m e n t a t i o nm e c h a n i s m a n di n t r o d u c e dt h es i m u l a t i o np l a t f o r mo fu p l i n k t r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e ri nt d l t es y s t e m ,b u i l tu n d e rt h e3 g p pp r o t o c 0 1 t h e n t h ep a p e ra n a l y z e dt h ed i f f e r e n tc o n t e n t sa sw e l la st h e i rd e c o d i n g p e r f o r m a n c e so fe a c hh a r q r e t r a n s m i s s i o nv e r s i o n s a f t e rt h a t ,t w ot y p e so f h a r qt e c h n o l o g y :c h a s em e r g e r a n di n c r e m e n t a l r e d u n d a n c y , b o t h s u p p o r t e di nt h el t es y s t e m ,w e r eb e i n ga n a l y z e d ,s i m u l a t e da n dc o m p a r e d a tt h es a m et i m e ,t h ep a p e rf o c u s e do nt h es t u d yo fs e v e r a lt i m e s r e t r a n s m i s s i o no fh a r qa n do b t a i n e dt h eo p t i m a lr e t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m w h i c hb r o u g h tt h eb e s td e c o d i n gp e r f o r m a n c et h r o u g hc o m p a r a t i v es i m u l a t i o n f o rap a r t i c u l a re x a m p l e f i n a l l y , t h ep a p e rm a p p e dt h ed a t at r a n s f e rs i z e , s p e c i f i e db yt h e3 g p pp r o t o c 0 1 w h i c hi si n d i c a t e db yt h et r a n s m i td a t ab l o c k s i z ep a r a m e t e ri m s ,t ot h ef o r m a to fr e t r a n s m i s s i o nd a t ap a c k e t s f u r t h e r m o r e , t h ei n i t i a lc o d i n gr a t ea n dt h eo p t i m a lr e t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s ma r eb e i n g i i i i m a p p e dw h i c hl e a d e dt oal o o k u pt a b l ef o rs e l e c t i n gt h eb e s tr e t r a n s m i s s i o n m e c h a n i s mw h e nd o i n gt h eh a r qi nt d l t e a f t e ro b t a i n e dt h em a p p i n gr e l a t i o n sb e t w e e nt h ei n i t i a lc o d i n gr a t ea n d t h eb e s tr e t r a n s m i s s i o n ,w ec a ne a s i l ys e l e c tt h er e t r a n s m i s s i o ns e q u 【e n c ef o r d i f f e r e n tt r a n s m i s s i o nc a s e s ,w h i c hl e a d st om a x i m u ms y s t e mt h r o u g h p u ta n d l o wb l o c ke r r o rr a t e t h i si sa l s ot h ep u r p o s eo fo u rr e s e a r c h k e y w o r d s :t d l t e ,h a r q ,i n i t i a lc o d i n gr a t e ,t u r b oc o d i n g i v | 、- , l - q 摘要 目录 目录 第一章引言 v 1 1 1l t e 系统简介l 1 1 1l t e 的技术特征1 1 1 2l t e 采用的关键技术2 1 2h a r q 技术简介。7 1 3 本文的研究意义8 第二章对i i a r q 技术的初步研究 1 0 2 1 传统h a r q 技术简介1 0 2 1 1 传统h a r q 的类型。1 0 2 1 2 传统h a r q 的实现机制1 l 2 2l t e 中的h a r q 13 2 2 1 l t e 中h a r q 的类型1 4 2 2 2 编码对h a r q 的影响1 6 第三章系统仿真平台的搭建1 7 3 1l t e 系统仿真平台的搭建1 7 3 1 1l t e 上行发射端1 7 3 1 2l t e 上行接收端2 0 3 2 仿真平台对h a r q 的支持2 3 3 2 1 发射端重传数据的生成2 3 3 2 2 接收端重传数据的合并2 6 3 3 本章小结2 7 第四章对n a r q 技术的深入研究。 4 1 协议中对l t e 重传版本的设定2 8 4 1 1 不同重传版本数据分组的内容差异2 8 4 1 2 不同重传版本数据分组的译码性能3 0 4 1 3 结论3l 4 2 对协议中已有l t e 重传机制的仿真实现3 l 4 2 1 能量增益和编码增益的仿真对比3l 4 2 2 对协议中多次重传的仿真对比3 2 4 3 对不同重传机制以及重传顺序的仿真对比3 5 v _ ,一 , 、- 。 噜 4 3 1 一次重传时的版本选择3 5 4 3 2 两次重传时的版本选择3 6 4 3 3 三次重传时的版本选择3 7 4 4 对已有结论的一般性推广3 8 4 4 1 待传数据和重传分组间关系3 8 4 4 2 初始编码速率和重传策略的对应4 4 4 4 3 不同编码速率对应的最佳重传机制4 7 4 5 本章小结5 l 第五章总结与展望 参考文献 附录 致谢 5 2 攻读硕士学位期间发表或已投学术论文清单 5 5 6 3 6 4 v i - 一 、 , 、u 也 北京邮电大学硕士学位论文 第一章引言 随着数据网络的飞速发展,基于数据业务的通信在各种通信中占的比重越来越 大,作为主要支持话音业务的第二代移动通信系统已经不能够满足人们对数据业务的 需求。如今世界各移动通信设备制造商和运营商已从对第三代移动通信系统的概念认 同阶段进入到具体的设计、规划和实施阶段。在第三代移动通信的发展过程中,随着 r 9 9 、r 4 、r 5 、r 6 和r 7 各个系统版本技术规范的发布,第三代移动通信合作计划( 3 g p p ) 组织作为宽带码分多址( w c d m a ) 和时分同步码分多址( t d s c d m a ) 这两个系统进行 国际标准化工作的主要组织,为基于带码分多址( c d m a ) 技术的第三代移动通信技术 的发展发挥了重要的作用,近年来这些系统逐渐进入了商用的进程。l t e 是英文l o n g t e r me v o l u t i o n 的缩写。l t e 也被通俗的称为3 9 g ,具有1 0 0 m b p s 的数据下载能力, 被视从3 g 向4 g 演进的主流技术。为了满足更高速率业务的需求,3 g p p 于2 0 0 4 年 作1 2 月正式开始了3 g 长期演进( l t e ) 系统标准化工作【。推动l t e 的出发点是保证 3 g 系统未来1 0 年的竞争力,使其性能、功能等得到全面提升。 1 1l t e 系统简介 3 g p p 长期演迸( l t e ) 项目是近两年来3 g p p 启动的最大的新技术研发项目,这种 以o f d m f d m a 为核心的技术可以被看作“准4 g ”技术。3 g p pl t e 项目的主要性 能目标包括:在2 0 m h z 频谱带宽能够提供下行1 0 0 m b p s 、上行5 0 m b p s 的峰值速率; 改善小区边缘用户的性能;提高小区容量;降低系统延迟,用户平面内部单向传输时 延低于5 m s ,控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于5 0 m s ,从驻留状态到激 活状态的迁移时间小于1 0 0 m s ;支持1 0 0 k m 半径的小区覆盖;能够为3 5 0 k m h 高速 移动用户提供大于1 0 0 k b p s 的接入服务;支持成对或非成对频谱,并可灵活配置1 2 5 m h z 到2 0 m h z 多种带宽。 3 gl t e 重点考虑的方面主要包括降低时延、提高用户的数据率、增大系统容量 和覆盖范围以及降低运营成本等。为了满足这些要求,需要对无线接口以及无线网络 的架构进行一些改进。相应的研究将围绕多个方面展开,包括:物理层的空中接口、 层二与层三间的接口,通用移动通信系统陆地无线接入网( u t r a n ) 结构的调整和与射 频相关的问题等。 北京邮电大学硕士学位论文 1 1 1l t e 的技术特征 3 g p p 从“系统性能要求、“网络的部署场景”、“网络架构”、“业务支持能力” 等方面对l t e 进行了详细的描述。与3 g 相比,l t e 具有如下技术特征: ( 1 ) j l 臣信速率有了提高,下行峰值速率为1 0 0 m b p s 、上行为5 0 m b p s 。 ( 2 ) 提高了频谱效率,下行链路5 ( b i t s ) h z ,( 3 到4 倍于r 6 版h s d p a ) ;上行链 路2 5 ( b i t s ) h z ,是r 6 版h s u p a 的2 到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 w ) 的服务 质量。 ( 5 ) 系统部署灵活,能够支持1 2 5 m h z - 2 0 m h z 间的多种系统带宽,并支持“p a i r e d 和“u n p a i r e d ”的频谱分配。保证了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 和0 6 7 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 小于5 m s ,c p l a n 小于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。与3 g 相比,l t e 更具技术优势,具体体现在:高数据速率、分组传送、延迟降低、广域覆 盖和向下兼容。 1 1 2l t e 采用的关键技术 在下行链路,l t e 系统采用了o f d m + m i m o 的核心技术。考虑到o f d m 系统 的高峰均仁l ( p a p r ) ,l t e 上行链路采用了s c f d m a 技术。导频设计、h a r q 以及与 信道相关的无线资源调度都是l t e 无线链路的核心技术。 ( 1 ) o f d m 与s c f d m a 正交频分复用o f d m 技术是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率 响应曲线大多是非平坦的,而o f d m 技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成 许多正交子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,并且各子载波并行传输, 这样,尽管总的信道是非平坦的,也就是具有频率选择性,但是每个子信道是相对平 2 “ 北京邮电大学硕士学位论文 坦的,并且在每个子信道上进行的是窄带传输,信号带宽小于信道的相应带宽,因此 就可以大大消除信号波形间的干扰。 采用o f d m 技术具有以下优点【2 】: 1 ) 可以有效地对抗多径传播引起的符号间干扰( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ,i s i ) ,适 于多径衰落信道中高速数据的传输。 2 ) 通过各子载波的联合编码,可具有很强的抗衰落能力。 3 ) 信道利用率很高,这是因为其各个子信道在频域是重叠的,不像传统的频分系 统各子信道之间要留有一定的保护带宽。各子信道的信号不仅重叠而且在时域是正交 的,这就为接收端正确区分各子信道的信号创造了条件。 4 ) 基于d f t 的o f d m 有快速算法,大大简化其硬件复杂性,使其应用更广泛。 5 ) 可以较为简单地实现均衡,此时要对每个子信道上的数据分别做均衡,而由于 每个子信道上经历的是平坦衰落,均衡器只需一个的抽头即可。 6 ) 各子信道能够进行自适应的功率比特分配,最大限度的利用宽带无线信道的传 输容量。 由于正交频分复用( o f d m ) 能够很好地对抗无线传输环境中的频率选择性衰落, 可以获得很高的频谱利用率,o f d m 非常适用于无线宽带信道下的高速传输。通过 给不同的用户分配不同的子载波,o f d m a 提供了天然的多址方式。由于用户间信道 衰落的独立性,可以利用联合子载波分配带来的多用户分集增益提高性能,达到服务 质量( q o s ) 要求。然而,为了降低成本,在用户设备( u e ) 端通常使用低成本的功率放 大器,o f d m 中较高的p a p r 将降低u e 的功率利用率,降低上行链路的覆盖能力。 由于单载波频分复用( s c f d m a ) 具有的较低的p a p r ,它被提议成为上行接入的多址 方案。 ( 2 ) 多天线技术 多天线技术是移动通信系统中的一项重要技术。若没有多天线技术的支撑l t e 系统是很难满足i m t - a d v a n c e d 系统的需求。依据多天线应用场景和多天线结构的不 同,多天线技术可分为三类:空间复用技术;空间分集技术;智能天线技术。l t e 系 统对这3 种多天线技术都有所支持,如图1 1 所示。 3 北京邮电大学硕士学位论文 :i 线性预编码( p r e c o d i n g ) i ;j 获得复用增益; 州基于码本、公共导频; i i 主要用于中低速的业务信道 :l 空间发送分集 一i ;j 获得分集增益; 卅 基于s f b c : ! l 主要用于控制和高速的业务信道 羔= = 攫| 上j 获得阵列增益; l i 叫单流、基于非码本、公共和专用导频;l i ! l 主要用于中低速的业务信道l : 图1 - 1l t e 系统支持的m i m o 模式 不同的m i m o 模式适用于不同的信道条件。当信噪干扰比( s i n r ) 较低时,例如 u e 工作于小区边缘,通过波束赋形技术可有效提高通信链路的传输质量和频谱效率; 当s i n r 较高时,系统容量受限于传输带宽而不是s i n r ,此时可通过空间复用技术 充分利用移动信道的散射特性,提高通信链路的信道容量和频谱效率。 ( 3 ) 导频设计 l t e 系统中,由于上下行链路采用不同的传输体制,因此导频设计大相径庭。借 鉴o f d m 系统经典的导频设计和信道估计算法l t e 下行链路采用了时频二维网格 结构的导频设计。以一个r b 为例,下行公共导频如图1 2 所示。 4 。f , 多 北京邮电大学硕士学位论文 上也 图1 - 2 l t e 系统下行导频 图1 2 假设下行链路采用普通c p 长度,每个时隙共7 个o f d m 符号。由于e n o d e b 共有4 个天线端口。因此每个r b 内共有4 个公共导频,r s 0 ( r e f e r e n e es i g n a lo ) 分配 给天线端口0 ,r s l 分配给天线端口1 ,依此类推。与h s p a 系统中的扰码类似,l t e 系统的参考信号r s 也可作为物理层的小区i d 识别信号。l t e 系统共定义了5 1 0 种 r s 信号,用于识别5 1 0 个不同的小区。5 1 0 个r s 信号由1 7 0 个伪贝叶斯随机序列和 3 个正交序列相乘得到。1 7 0 个伪贝叶斯随机序列用于区分1 7 0 个e n o d e b ,而3 个正 交序列则用于区分每个e n o d e b 下的3 个扇区。 l t e 的上行链路虽然采用了单载波频分多址技术s c f d m a 但是导频设计与下 行链路相似依然在频率域插入。频域导频经i f f t 变换后,在时间域发出。上行导 频位置如图1 3 所示。 5 北京邮电大学硕士学位论文 u 躬 u e 2 u e l 时隙 图1 3l t e 系统上行导频 图1 3 假设上行链路采用普通c p 长度,每个时隙共有7 个符号。上行导频位于 其中第4 个符号。由于上行导频序列在频率域插入,为了确保上行链路低p a p r 特性, 对上行导频序列有着特殊的要求,即:具有恒定或者几乎恒定的信号幅度;具有良好 的自相关特性。为了满足这些要求,l t e 采用了z a d o f f - c h u 序列。在同一小区内, 由于不同用户的上行资源相互正交,因此同一小区内的不同用户可采用相同的 z a d o f f - c h u 序列。在相邻小区之间,由于邻小区干扰的存在,相邻小区的上行链路最 好使用不同的z a d o f f - c h u 序列。一种简单可行的办法是:依据z a d o f f - c h u 序列良好 的自相关特性,相邻小区可采用同一z a d o f f - c h u 序列的不同循环移位作为上行导频 序列。另外,在l t er e l 8 版本中,上行链路没有考虑m i m o 技术的应用,因此上行 链路不需要考虑多天线导频设计。 ( 4 ) 无线资源调度 l t e 系统以子帧为周期,依据无线信道质量指示c q i 调度或分配无线r b 。r b 的结构如图1 2 所示,每个r b 占据1 8 0k h z 带宽,o 5 m s 时间周期。若子载波问隔 为普通间隔1 5 k h z ,则每个r b 共有1 2 个子载波;若循环前缀为普通长度4 7 s ,则每 个r b 共有7 个o f d m 或s c f d m a 符号。l t e 系统中,子帧周期为l m s ,每个子 帧包含2 个时隙( s m s ) 。由于l t e 系统工作于超宽带( 2 0 m h z ) ,因此无线信道的频率 选择性衰落尤为突出。调度器的作用就是充分利用无线信道的衰落特性为不同的用 户调度或分配质量相对较好的无线信道,使系统容量最大化。对于o f d m 技术调 6 北京邮电大学硕士学位论文 度器可依据信道质量为下行链路分配频带上互不相邻的无线资源块;对于s c f d i v l 4 , 技术,由于单载波体制的约束,调度器只能依据信道质量为上行链路分配频带相邻的 无线r b 。由于基于o f d m 技术的调度器具有更大的自由度因此下行链路的性能要 优于上行链路。上下行链路无线资源分配如图1 4 所示。为了更好地获得隐频率分集 增益,同一子帧内不同时隙之间可采用跳频机制。 频率 u e l u e l 蓦豸猫戮笺 :,:x 7 :,夕, 影;西茜爹彰 ? 殄夕:,嫩咒 哆:( t 一:舅 骖骖善堕爹骖 ,r , 7 ,7 ,尹o y , t ? ? r | ,r - t | ,r 一,_ u e l 彩髓e 2 :彩 ,r ;,;,;,痧: u e l 时间。 图1 - 4 l t e 上下行链路无线资源调度示意图 为了获得调度增益,调度器需要整个信道的质量指示c q i 。对于下行链路,u e 可以通过公共导频估计c q i ,并将其反馈给e n o d e b 。然而,由于上行导频只能估计 u e 所占据的无线信道,e n o d e b 无法通过上行导频直接获得整个频带内信道的质量指 示。为了解决这一问题,l t e 又专门为上行链路设计了s o u n d i n g 信号。虽然s o u n d i n g 信号与上行导频一样都是z a d o f f - c h u 序列,但是s o u n d i n g 信号会在某个符号内占据 整个l t e 频带,而并非仅仅在为u e 所分配的频带内发射。为了同时估计多个u e 的 上行信道质量,s o u n d i n g 信号可以在时间域复用,也可以在频率域复用。另外,由于 z a d o f f - c h u 序列具有良好的自相关特性,不同u e 可以同时同频使用同一z a d o f f - c h u 序列的不同循环移位序列。 1 2h a r q 技术简介 为了克服无线移动信道时变和多径衰落对信号传输的影响,3 gl t e 可以采用基 于前向纠错( f e c ) 和自动重传请求( a r q ) 等差错控制方法,来降低系统的误码率以确 保服务质量。虽然f e c 方案产生的时延较小,但存在的编码冗余却降低了系统吞吐 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,不宜于提供 7 北京邮电大学硕士学位论文 实时服务。为了克服两者的缺点,将这两种方法结合就产生了混合自动重传请求 ( h a r q ) 方案:即在一个a r q 系统中包含一个f e c 子系统,当f e c 的纠错能力可以 纠正这些错误时,则不需要使用a r q ;只有当f e c 无法正常纠错时,才通过a r q 反馈信道请求重发错误码组。a r q 和f e c 的有效结合不仅提供了比单独的f e c 系统 更高的可靠性,而且提供了比单独的a r q 系统更高的系统吞吐量。 早期的h a r q 技术是a r q 与前向纠错码( f e c ) 的简单合并,即:f e c 纠错后, 若依然检测到错误,就抛弃接收分组,并请求重传。当发展到h s p a 和l t e 系统时, h a r q 技术不再是f e c 与a r q 的简单合并。h a r q 不仅能够获得f e c 所带来的编 码增益,还可以获得软合并带来的分集增益。在h s p a 和l t e 系统中,接收失败的 分组不会被立刻丢弃掉,而是最大比合并接收失败分组和重传分组,充分利用了各次 重传信号的软信息。 c h a s e 合并( c c ) 和增量冗余( 瓜) 是h a r q 技术的两种不同方案。在c h a s e 合并算 法中,各次重传分组完全相同,接收机最大比合并各次重传信号,从而获得分集增益, 改善链路质量。在取算法中,各次重传信号重传不同的冗余校验位,将各次重传信 号合并后,接收机就可以得到一个冗余更多,码率更低的码字,从而提高码字被正确 译码的概率,改善链路质量。为了避免首次传输时,系统位由于深度衰落而发生严重 错误,瓜算法可在重传时重传系统位,并在接收机对系统位进行最大比合并。 l t e 系统上下行链路采用的h a r q 方案并不完全相同。其中,上行链路采用了 非自适应的同步h a r q 方案,下行链路采用了自适应的异步h a r q 方案。自适应和 非自适应h a r q 的区别是:每次重传时的调制编码格式是否相同,重传所用的无线 资源是否相同。自适应h a r q 其实就是h a r q 与a m c 和自适应调度的结合。该方 案虽然会提升链路的性能。但流程复杂,信令开销大。非自适应a r q 就是各次重传 采用预先定义好的调制编码格式,因此信令开销小。l t e 采用的h a r q 是基于n 个 进程并行的停等式a r q 。若每个h a r q 进程的时域位置被限制在预先定义好的位置, 就是同步h a r q 。反之,则是异步h a r q 。同步h a r q 的每个进程不需要额外的进 程编号,通过子帧编号就可识别该h a r q 进程。异步h a r q 的每个进程需要额外的 信令开销,以指示其对应的进程编号。 1 3 本文的研究意义 目前3 g p p 协议中对l t e 系统所涉及的使用h a r q 技术的不同重传数据分组的 产生具有较为明确的规定,但是对不同重传数据分组在译码性能上的差别没有说明, 北京邮电大学硕士学位论文 对多次重传时所应该考虑对不同重传数据分组的选择和相应顺序没有做清晰的规定。 而结合l t e 系统所采用的t u r b o 编码这种信道编码的特点,即系统码比特和伴随码 比特在译码器端具有不对等的重要性,对不同重传数据分组在译码性能上的差异以及 多次重传时,不同重传数据分组的选择和发送顺序对整个系统的译码性能的影响,具 有很大的研究价值。 本文由浅入深,首先针对单个不同的重传数据分组在产生内容差异和对应译码性 能的不同进行分析研究,然后再深入到多次重传时,针对不同重传数据分组的选择和 发送顺序对译码性能的影响进行分析。最后将针对一个具体实例所获得的最优重传机 制进行一般性推广,并通过初始编码速率来判断最优重传顺序,以达到最佳的系统译 码性能。 9 北京邮电大学硕士学位论文 第二章对h a r q 技术的初步研究 在对l t e 系统中h a r q 技术的深入研究之前,我们先简要回顾下传统h a r q 技 术的类型和实现机制。通过对传统h a r q 技术的了解和分析,以帮助我们对h a r q 技术有更全面和深入的了解。 2 1 传统h a r q 技术简介 h a r q ( h y b d d a r q ) ,即混合自动重传请求,是在传统a r q 技术的基础上引 入前向纠错编码f e c ,通过f e c 的纠错能力来减少重传次数,从而提高系统性能。 2 1 1 传统h a r q 的类型 根据重传内容的不同,在3 g p p 标准和建议中主要有3 种混合自动重传请求机制, 包括h a r q i 、h a r q i i 和h a r q i i i 等【2 。 ( 1 ) h a r q i 型 h a r q i 即为传统h a r q 方案,它仅在a r q 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( c r c ) 比特并进行f e c 编码。收端对接收的数据进行 f e c 译码和c r c 校验,如果有错则放弃错误分组的数据,并向发送端反馈n a c k 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3 gl t e 系统中设 置的最大重传次数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h a r q 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,h a r q i 型的性能主要依赖于f e c 的纠错能力。 ( 2 ) h a r q - i i 型 h a r q i i 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 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 能与先前传的数据合并后才能被解码。 ( 3 ) h a r q - i i i 型 h a r q i i i 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,h a r q i i i 又可进一步分为两种:一 种是只具有一个冗余版本的h a r q i i i ,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 ( s n 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h a r q i i i ,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f e c 编码中的比特位,使译码信息变得更全面,更利于正确译码。 2 1 2 传统n a r q 的实现机制 h a r q 的可行性部分受限于发送端和接收端对分组的缓冲能力,因此选择合适的 h a r q 协议很重要。目前,共有三种h a r q 协议,分别为停等协议( s t o p a n d - w a i t , s a w ) 、回退n 步协议( g o b a c k - n ,g b n ) 和选择性重传协议( s e l e c t i v e r e p e a t , s r ) 。 ( 1 ) 停等式 这是最基本的重传方式,即发送端每发送一个数据分组包之后,等待接收端的确 认信息。当之前发送的数据包到达接收端时,接收端对其进行检错,若接收正确,返 回确认( a c k ) 信号,错误则返回不确认( n a c k ) 信号。当发端收到接收端的a c k 信号,才开始发送新的数据包,否则重新发送上次传输的数据包。而在等待确认信号 的过程当中,接收端不发送任何数据,信道是空闲的。这种方法由于收发双方在同一 时间内仅对同一个数据包进行操作,因此实现起来比较简单,相应的信令开销小,对 接收端的缓存容量要求也低。但是由于在等待确认信号的过程中不发送任何数据但却 占用信道,故信道吞吐率较低,尤其是当信道传输时延很大时,对信道资源的浪费极 其严重。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。图2 1 所示 是停等式a r q 的工作示例。 北京邮电大学硕士学位论文 重传重传 l223455 1 n 夕fn 乒夕n 夕f 弋夕f 弋 l22345 ( 2 ) 后退n 步式 a c k :确认n a c k :不确认 2 - 1 停等式a r q 协议的工作示例 图 这种方法是对停等式a r q 的改进。发送端发送一个数据分组之后,并不暂停等 待确认信息,而是继续发送若干个连续的数据分组信息。而接收端则将每个数据包相 应的a c k 或n a c k 信息连同对应的数据包分组号一起反馈回发送端。当发送端接收 到一个n a c k 信号时,就重新发送包括错误数据分组的连续n 个数据包,如图2 2 所示。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,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,相比较停等 式a r q ,采用该协议明显提高了系统的吞吐量,但同时增大了系统的信令开销;同 时,由于接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,造成信道资源的浪费,降低了信道利用率。 发送端 传输过程 接收端 重传 ( g o - b a c k7 ) 厂_ 、 重传 ( g o - b a c k7 ) 厂j 、 错误丢弃错误 丢弃 a c k n 表不接收到第n 1 号帧,期望收到第n 帧 a c k :确认 g o - b a c k :后退 图2 - 2 后退n 步a r q 协议的工作示例 ( 3 ) 选择重发式 为了提高信道的利用率,选择重发式a r q 只重传出现差错的数据包。因为差错 出现的随机性,所以收端不再能按序接收数据分组信息。于是,在收端则需要相当容 1 2 北京邮电大学硕士学位论文 功译码但还没能按序输出的分组。同时,收端在组合数据 ,序列号要和数据分别编码,而且序列号需要更可靠的编 据里的错误,这样就增加了对信令的开销。所以,相比之 下,选择重发式a r q 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。 选择重发a r q 协议的工作示例见图2 3 。 发送端 传输过程 接收端 错误错误 a c k :确认n a c k :不确认 图2 3 选择重发a r q 协议的工作示例 在3 gl t e 系统中采用停等式( s a w ) 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。为了避免这种不利,3 gl t e 系统采用了n 通道的停等式协议,即发送端在 信道上并行地运行n 套不同的停等式协议,即发送端在信道上并行地运行n 套不同 的停等式协议,利用不同信道间的间隙来交错地传递数据和信令,从而提高了信道利 用率。 以上主要介绍了h a r q 技术在m a c 层调度时的具体实现方式。由分析可知, l t e 系统中综合考虑接收机的缓存空间,所以采用了较为简单的停等式重传协议。那 么如果通过选择最佳的重传机制获得最好译码性能,则可以减少重传次数,从另一个 角度增大系统吞
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