（應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)論文）下一代移動通信系統(tǒng)中的混合自動重傳請求技術(shù)研究.pdf

北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文 下一代移動通信系統(tǒng)中的混合自動重傳請求技術(shù)研究 下一代移動通信系統(tǒng)中的混合自動重傳請求技術(shù)研究 摘要 由于移動信道的時變和多徑傳輸特性，常導(dǎo)致系統(tǒng)有較高的誤碼 率，而單純的f e c ( 前向糾錯碼) 或a r q ( 自動重傳請求) 機制往 往無法提供所希望的系統(tǒng)性能。因此為了提高數(shù)據(jù)及圖像傳輸?shù)目煽?性，人們提出了采用a r q 與f e c 相結(jié)合的混合a r q ( h y b r i d a r q ) 差錯控制方案。該技術(shù)于上世紀六十年代初期首次提出，并在過去幾 十年里得到了較為全面的研究。3 g p p 已把它作為第三代移動通信后 期高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)之一。本論文正是在此背景下，對混合 a r q 技術(shù)從理論和實際應(yīng)用上進行了深入細致地研究。 本文首先簡單介紹了傳統(tǒng)及現(xiàn)有的混合a r q 所具有的優(yōu)勢與劣 勢。并分析了其在下一代移動通信系統(tǒng)中的發(fā)展。隨后以t u r b o 碼譯 碼、分集接收和打孔截斷作為切入點，研究了多種改進方案。結(jié)合 t u r b o 碼與a r q 機制的優(yōu)勢，本文提出了兩種新的混合自動重傳請 求機制：接近恒定傳輸時延的混合a r q 方案與具有混合編碼器結(jié)構(gòu) 的混合a r q 方案。本文完成的主要工作及創(chuàng)新點為： 1 本文中闡述了v b l a s t 系統(tǒng)，t u r b o 碼的編碼和譯碼算法的基 本原理及優(yōu)勢，并且通過仿真給出了多天線系統(tǒng)的性能優(yōu)勢和 v b l a s t 系統(tǒng)中以t u r b o 碼編碼的不同類型混合a r q 的性能比較。 2 提出了接近恒定傳輸時延的混合自動重傳請求方案。該新方法 在傳統(tǒng)的自動重傳請求的基礎(chǔ)上采用了r c p t ( 碼率匹配截短t u r b o ) 的編碼器和解碼器，并可以根據(jù)需求調(diào)整新信息的編碼速率來匹配不 同的傳輸模式。因此減少甚至可以消除因為重傳引起傳輸時延。 3 提出了一種具有混合編碼器結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)混合a r q 。該方案 的基本原理是利用t u r b o 碼是由兩個卷積碼編碼器構(gòu)成的特點，根據(jù) 先前接收機反饋信息估計時變衰落信道當前狀態(tài)選擇不編碼，可調(diào)速 率的卷積碼和可調(diào)速率的t u r b o 碼作為前向糾錯碼。該方案實現(xiàn)了卷 積碼和t u r b o 碼聯(lián)合作為前向糾錯碼的自適應(yīng)h a r q 系統(tǒng)，在保證 系統(tǒng)性能的前提下，減小了硬件實現(xiàn)中所需的資源，節(jié)約了成本。 關(guān)鍵詞，混合a r qt u r b o 碼r c p t 碼下一代移動通信中的a r q 北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文下一代移動通信系統(tǒng)中的混合自動重傳請求技術(shù)研究 t h er e s e a r c ho fh y b r i da r qp r o t o c o li n n e x tg 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 n a b s t r a c t o nt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，af o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ( f e c ) o ra u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ( a r q ) s c h e m em a yb ei n s u f f i c i e n tt o a c h i e v et h ed e s i r e dp e r f o r m a n c ed u et ot h et i m e - v a r y i n gn a t u r eo ft h e c h a n n e l t h e r e f o r e ，t h er e l i a b i l i t yo fd a t aa n di m a g et r a n s m i s s i o ni s u s u a l l yi m p r o v e du s i n gh y b r i da r q e r r o rc o n t r o ls c h e m ew h i c hi s c o m b i n e db ya r qa n df e c h y b r i da r q t e c h n i q u ew a sf i r s td e s i g n e di n t h ee a r l yo f19 6 0 sa n dg a i n sc o m p r e h e n s i v er e s e a r c hd u r i n gt h el a t e s t f o u rd e c a d e s r e c e n t l y ，3 g p ph a sp r o p o s e di ta so n eo f t h em o s tp i v o t a l t e c h n i q u e sf o rt h eh i g hs p e e dp a c k e tt r a n s m i s s i o n i nt h i sp a p e r ，r e s e a r c ha c t u a l i t ya n df u t u r ep r o g r e s so fh y b r i da r q a r ef i r s ti n t r o d u c e d t h ea u t h o rt r yt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fh y b r i d a r qb a s e do nt u r b od e c o d i n gp r i n c i p l e 、d i v e r s i t ya n dp u n c t u r e t e c h n i q u e s m o r e o v e r ，t h ep a p e rp r o p o s et w on e wh y b r i da r qp r o t o c o l ： n e a ri n v 耐a b l et r a n s f e rd e l a yh y b r i da r q p r o t o c o la n da n o v e lh y b r i d a r qp r o t o c o lw i t ham i xe n c x ) d e r i nt h i st h e s i s ，t h ea u t h o rm a k e st h e f o l l o w i n gc o n t r i b u t i o n s ： 1 i n t r o d u c et h eh y b r i da r q p r o t o c o lw i t ht u r b oc o d ei nv - b l a s t s y s t e m , a n dt h et u r b oe n c o d ea n dd e c o d ea l g o r i t h mi s a l s ol i s t e d m o r e o v e rt h ea u t h o r g i v e s t h es i m u l a t i o nr e s u l to fp e r f o r m a n c e c o m p a r i s o no fd i f f e r e n tt y p e so fh y b r i da r q w i t ht u r b oc o d e ri n v - b l a s t s y s t e m 2 p r o p o s en e a ri n v a r i a b l et r a n s f e rd e l a yh y b r i da r qp r o t o c 0 1 t h e n e wp r o t o c o lu s i n gr c p t ( r a t ec o m p a t i b l ep u n c t u r e dt u r b o ) e n c o d e r a n dd e c o d e ri nt h et r a d i t i o n a lh y b r i da r q a n dt h es y s t e mc o u l da d j u s t t h et r a n s f e rc o d er a t et om a t hd i f f e r e n tt r a n s f e rm o d e l sa c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n t m i m os y s t e mw i t hn r t r a n s m i ta n t e n n a sa n dn r e c e i v e a n t e n n a si sa d o p t e di nt h ep r o t o c o l ，w h i c hc a ni m p r o v et h ef r e q u e n c y b a n da v a i l a b i l i t yw i t ht h ei n c r e a s i n go f a n t e n n am n o u n t i l l 北京郵電大學(xué)硬士學(xué)位論文 下一代移動通信系統(tǒng)申豹混合自動重傳請求技術(shù)研究 3 p r o p o s ean o v e lh y b r i da r qp r o t o c o lw i t ham i xe n c o d e rt o r e d u c eh a r d w a r el o s sa n dd e c o d i n gd e l a y t h em i xe n c o d e rt a k e st h e a d v a n t a g eo f t h et u r b oe n e o d e rs t r u c t u r ec o n s t i t u t e do f t w oc o n v o l u t i o n a l e n c o d e r s t h es y s t e mc o u l dc h o o s eo n eo fu n c o d e r c p co rr c p tc o d e a sf e cw i t ht h ef e e d b a c ki n f o r m a t i o nt h r o u g hf e e d b a c kc h a n n e l t h e p r o t o c o lu s e do n l yap a i ro ft u r b oe n c o d e ra n dd e c o d e rt oa c c o m p l i s h c o m b i n e df e c w h i c hc o u l dr e d u c eh a r d w a r el o s sa n dc o s t k e y w o r d ：h y b r i da r q ，t u r b oc o d e ，r c p tc o d e ，a r qi nt h en e x t g e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o n i v 北京弗電大學(xué)碩士學(xué)位論文下一代移動通信系統(tǒng)中的混合自動重傳請求技術(shù)研究 圖表索引 圖2 1 自動重傳請求基本組成框圖 圖2 2 停止等待式自動重傳示意圖。 圖2 3 退回n 步自動重傳請求示意圖8 圖2 4 選擇性自動重傳請求示意圖9 圖2 5 混合i i 型i l l 型自動重傳請求的協(xié)議棧1 5 圖3 1t u r b o 編碼的v - b l a s t 系統(tǒng)中的自動重傳請求機制1 9 圖3 2t u r b o 碼編碼器結(jié)構(gòu)2 0 圖3 3 不同天線數(shù)的v - b l a s t 系統(tǒng)中的誤比特率比較一2 3 圈3 4v - b l a s t 系統(tǒng)中卷積碼與1 2 ，t 3 的t u r b o 碼的誤比特率比較2 4 圖3 5 不同編碼方式，不同合并方式下混合a r q 的吞吐量比較2 5 圖4 1 接近恒定傳輸時延的自動重傳請求的系統(tǒng)框圖3 0 圖4 2 不同傳輸模式下的幀結(jié)構(gòu)圖3 l 圖4 3 接近恒定速率的自動重傳請求機制的流程圖3 2 圖4 4 每包含l o 個幀，重傳門限為1 的條件下，本方法的機制和t u r b o 編碼的混合自 動重傳請求機制的中斷率性能3 5 圖4 5 每包含5 0 個幀，重傳門限為l 的條件下，本方法的機制和t u r b o 編碼的混合 自動重傳請求機制的中斷率性能比較3 5 圖4 6 每包含1 0 0 個幀，重傳門限為l 的條件下，本方法的機制和t u r b o 編碼的混合 自動重傳請求機制的中斷率性能比較3 6 圖4 7 每包含l o 個幀，重傳門限為2 的條件下，本方法的機制和t u r b o 編碼的混合自 動重傳請求機制的中斷率性能比較3 6 圖4 8 每包含5 0 個幀，重傳門限為2 的條件下，本方法的機制和t u r b o 編碼的混合 自動重傳請求機制的中斷率性能比較。3 7 圖4 9 每包含1 0 0 個幀，重傳門限為2 的條件下，本方法的機制和t u r b o 編碼的混合 自動重傳請求機制的中斷率性能比較3 7 圖4 1 0 三種模式的平均步長的性能比較：本方法所提出的重傳門限為1 ，重傳門限為 2 的模式和全i rt y p ei i 模式3 8 圖4 1 l 傳統(tǒng)的全遞增冗余的h a r q 和本方法中重傳門限為l ，重傳門限為2 吞吐量的 性能比較3 9 圖5 1 新方法提出的具有混合編碼器結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)i i a r q 方案的系統(tǒng)框圖4 5 圖5 2 新方法提出的具有混合編碼器結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)h a r q 方案中的混合編碼器結(jié)構(gòu)圖 圖5 3 具有混合編碼器結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)h a r q 方案的流程圖4 7 圖5 4 具有混合編碼器結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)i i a l c q 方案的冗余傳輸方式圖4 8 圖5 5 在a w g n 信道中本方法和遞增冗余t u r b o 碼編碼h a r q 的吞吐量的比較4 9 圖5 6 在a w g n 信道中本方法和遞增冗余t u r b o 碼編碼h a r q 的每幀平均迭代次數(shù)的比 j 受5 l 圖5 7 在衰落信道中本方法和遞增冗余t u r b o 碼編碼h a r q 的吞吐量的比較5 2 圖5 8 在衰落信道中本方法和遞增冗余t u r b o 碼編碼h a r q 的每幀平均迭代次數(shù)的比較 5 2 北京郵電大學(xué)硬士學(xué)位論文下一代移動通信系統(tǒng)中的混合自動重傳請求技術(shù)研究 獨創(chuàng)性( 或創(chuàng)新性) 聲明 本人聲明所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究 成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不 包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京郵電大學(xué)或其他 教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任 何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 申請學(xué)位論文與資料若有不實之處，本人承擔一切相關(guān)責任。 本人簽名：隧日期：絲1 2 ：! ：! ! 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 學(xué)位論文作者完全了解北京郵電大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即： 研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬北京郵電大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保 留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許學(xué)位論文被查閱和借 閱：學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它 復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文( 保密的學(xué)位論文在解密后遵守此規(guī)定) 保密論文注釋：本學(xué)位論文屬于保密在一年解密后適用本授權(quán)書。非保密論 文注釋：本學(xué)位論文不屬于保密范圍，適用本授權(quán)書。 本人簽名：堊亟至 導(dǎo)師簽名： 日期：蘭：1 2 ：! ：! e t | 1 1 1 ：蘭：丑! ：! ! 北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文下一代移動通信系統(tǒng)中的混合自動重傳請求技術(shù)研究 第一章緒論 蜂窩移動通信系統(tǒng)自2 0 世紀7 0 年代問世以來獲得了極大的進步，經(jīng)歷從 單基站大功率系統(tǒng)到多基站小功率系統(tǒng)，從單一覆蓋模式到蜂窩和復(fù)蜂窩覆蓋模 式，從模擬到數(shù)字，從多個不同的國家標準到區(qū)域性國際標準，從單一語音業(yè)務(wù) 到可提供語音和中低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等一系列的變化。這些變化使得移動通信系統(tǒng)在 傳輸能力和傳輸質(zhì)量方面獲得了極大的進步，成為人們在交流和獲取信息中不可 或缺的重要工具。但是，相對于有線通信技術(shù)的傳輸能力，相對于人們對通信需 求的不斷提高，移動通信技術(shù)還有待得到更多的研究和開發(fā)。未來的個人移動通 信系統(tǒng)的目標是使任何人在任何地點、任何時間、以任何方式與任何人進行通信， 而且將是語音、數(shù)據(jù)、圖像等多種業(yè)務(wù)并存的多媒體通信。 1 1 研究背景 第一代模擬移動通信系統(tǒng)是隨著頻率復(fù)用、小區(qū)切換技術(shù)的方法而得以發(fā)展 起來的，其典型代表為a m p s 、t a c s 等。由于模擬調(diào)制的頻譜利用率低，抗 干擾性能差，因而系統(tǒng)容量有限、保密性能差、不同系統(tǒng)不能兼容、業(yè)務(wù)質(zhì)量遠 遜于有線通信系統(tǒng)。由此促使人們研制出以歐洲的g s m 系統(tǒng)、美國i s - 9 5 ，日 本p d c 等系統(tǒng)為代表的第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)。第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)基 本采用了當時通信和信號處理領(lǐng)域的最新技術(shù)，能提供語音通信，以及電路交換 的低速或中速率的數(shù)據(jù)通信，改善了第一代系統(tǒng)存在的不足同時，在接口規(guī)范 上充分考慮了國際漫游的需要，形成了統(tǒng)一的區(qū)域性國際標準【1 】 由于第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)在很多方面仍然沒實現(xiàn)人們最初的目標，比如 統(tǒng)一的全球標準；同時也由于人們對于系統(tǒng)傳輸能力的要求越來越高，幾千比特 每秒的數(shù)據(jù)傳輸能力已經(jīng)不能滿足某些用戶對于高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。在此?況下，人們把目光轉(zhuǎn)向了第三代移動通信系統(tǒng)( 3 g ) 。 第三代移動通信系統(tǒng)多址方式的主流為寬帶c d m a 技術(shù)；在核心網(wǎng)上使用 了電信網(wǎng)絡(luò)和計算機網(wǎng)絡(luò)的最新技術(shù)：a t m 和移動口，實現(xiàn)了語音、電路交換 和分組交換數(shù)據(jù)的多媒體傳輸，使移動用戶可以方便靈活地接入電信網(wǎng)和 i n t e r n e t ；在終端和無線接入網(wǎng)綜合應(yīng)用了信息領(lǐng)域最新發(fā)展的技術(shù)：多用戶檢 測、快速功控、t t t r b o 編碼、智能天線等技術(shù)。這些新技術(shù)的使用使第三代移動 通信系統(tǒng)可以在復(fù)雜的傳輸環(huán)境中提供比第二代移動通信系統(tǒng)更大的系統(tǒng)容量 和更高的服務(wù)質(zhì)量【l 】。 北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文下一代移動通信系統(tǒng)中的混合自動重傳請求技術(shù)研究 第三代無線數(shù)據(jù)傳輸速率在移動環(huán)境中應(yīng)達到1 4 4 k b p s ，在步行條件下達 到3 8 4 k b p s ，在室內(nèi)靜止環(huán)境下為2 m b p s 。上述數(shù)據(jù)傳輸速率能夠支持包括視 頻點播和i n t e r n e t 高速接入等業(yè)務(wù)，因此是真正的移動多媒體。2 0 0 1 年l o 月 日本n t fd o c o m o 開始提供3 g 商用業(yè)務(wù)，一些國家和地區(qū)也陸續(xù)開始部署 3 g 網(wǎng)絡(luò)。 但是，移動通信技術(shù)不會，也不可能因為今天的成就而停止不前。在最近剛 剛寫入3 g p p 技術(shù)規(guī)范的高速下行分組接入( h s d p a ) 技術(shù)報告中，可以實現(xiàn) 1 0 8 m b p s 峰值速率的高速下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，其中有很多令人矚目的技術(shù)很可能就在 未來的系統(tǒng)中得到應(yīng)用。 1 2 下一代移動通信中的新技術(shù) 1 自適應(yīng)調(diào)制和編碼 1 1 1 2 】( a m c ，a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ) ： 根據(jù)信道的情況確定當前信道的容量，根據(jù)容量確定合適的編碼、調(diào)制方式， 以便最大限度地發(fā)送信息。h s d p a 中的a m c 共有7 級調(diào)制編碼方案，以適 配不同用戶的信道質(zhì)量，可提供高速率傳輸和高的頻譜利用率。 2 混合a r q 協(xié)議【l 】【2 】( 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 ) ： a r q 和f e c 相結(jié)合的差錯控制方法，與f e c 共同完成無差錯傳輸保護。 混合a r q 的通信鏈路是閉環(huán)鏈路，存在一個反饋應(yīng)答信號( a c k n a c k ) 。 3 t d d 雙工方式 1 】【2 】： 3 g 和后3 g 業(yè)務(wù)中，很大部分業(yè)務(wù)將是不對稱的口型業(yè)務(wù)。而在支持不對 稱業(yè)務(wù)方面，t d d 雙工方式具有先天的優(yōu)勢。 4 多輸入多輸出天線【l 】 2 】( m i m o ，m u l t i - i n p u tm u l f i d g u t p u t ) ： m i m o 可以成倍地提高衰落信道的信道容量。假定發(fā)送天線數(shù)m ，接收天線 數(shù)n ，s n r 是每個接收天線的信噪比。在每個天線發(fā)送信號能夠被分離的情況下， 信道容量公式如下： 一 、 c = m l 0 9 2 ln _ _ s n rl ( 櫛肌) f n 由此可知，對于多天線陣發(fā)送和接收的系統(tǒng)，在理想情況下信道容量將隨著 m 線性增加，從而提供了目前其它技術(shù)無法達到的容量潛力。此外，由于多天線 陣發(fā)送和接收技術(shù)本質(zhì)上是空間分集與時間分集技術(shù)的結(jié)合，有很好的抗干擾能 力，可以極大地提高通信系統(tǒng)的性能。 2 北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文下一代移動通信系統(tǒng)中的混合自動重傳請求技術(shù)研究 1 3 數(shù)字通信中的差錯控制方法 任何一種通信方式，無論是光纖通信還是移動通信，無論是計算機通信還是 衛(wèi)星通信，都存在一個關(guān)鍵的問題：如何有效地控制由于噪音和干擾而導(dǎo)致的傳 輸錯誤，以保證數(shù)據(jù)正確地到達接收方。差錯控制技術(shù)則為這一問題提供了解決 的方案，它主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)鏈路層和物理層中，以提高數(shù)據(jù)傳輸速率和增大吞吐 量為目的。本文的主要工作就是對數(shù)字通信中的差錯控制方法作為深入的研究與 創(chuàng)新。 在數(shù)字通信系統(tǒng)中，基本的差錯控制方法有以下兩種： 1 、自動重傳請求( a r q ，a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) 法 接收端在收到的碼元中檢測出錯碼時，即設(shè)法通知發(fā)送端重發(fā)。直到正確 接收為止。所謂檢測出錯碼，是指在若干接收碼元中知道有一個或一些是錯的， 但不一定知道錯碼的準確位置。 ， a r q 方式的主要優(yōu)點有【3 】：( 1 ) 只需要少量的多余碼元( 一般為總碼元的 5 * 一2 0 ) 就能獲得極低的輸出誤碼率，可靠性高；( 2 ) 要求使用的檢錯碼基本 上與信道的差錯統(tǒng)計特性無關(guān)，也就是說，對各種信道的不同差錯特性，有一定 自適應(yīng)能力；( 3 ) 其檢錯譯碼器與前向糾錯法中的糾錯譯碼器相比，成本和復(fù)雜 性均低得多。這種方法的主要缺點是：( 1 ) 由于需要反向信道，故不能用于單向 傳輸系統(tǒng)，也難以用于廣播( 一發(fā)多收) 系統(tǒng)，并且實現(xiàn)重發(fā)控制比較復(fù)雜；( 2 ) 當信道干擾增大時，整個系統(tǒng)可能處于重發(fā)循環(huán)中，因而通信效率降低，甚至不 可通信；( 3 ) 不適宜提供實時服務(wù)。 2 、前向糾錯( f e c ，f o r w a r de l l o rc o r r e c t i o n ) 法 接收端不僅能在收到的碼元中發(fā)現(xiàn)有錯碼，還能夠糾正錯碼。對于二進制 系統(tǒng)而言，如果知道錯碼的位置，就能夠糾正它。f e e 碼在早期主要分為線性 分組碼和卷積碼兩類。上世紀9 0 年代，隨著t u r b o 碼、l d p c ( l o wd e n s i t y p a r i t y c h e e k ) 碼的問世，f e c 碼的研究進入了一個新的階段。 f e c 通信系統(tǒng)的優(yōu)點是：( 1 ) 不需要反向信道( 傳遞重發(fā)指令) 和重發(fā)控 制系統(tǒng)；( 2 ) 系統(tǒng)的傳輸效率高，等于碼速率；( 3 ) 不存在由于反復(fù)重發(fā)而延誤 時間，實時性好。但它的缺點在于：( 1 ) 為了獲得高的系統(tǒng)可靠性，必須選用糾 錯能力強的碼組，這使得譯碼電路復(fù)雜化，造價提高；( 2 ) 依賴檢錯和譯碼的準 確性，難以保障系統(tǒng)的高可靠性。 由此可見，f e c 和a r q 兩種技術(shù)各有利避。為了進一步提高性能，將檢 錯和糾錯結(jié)合使用。當出現(xiàn)少量錯碼并在接收端能夠糾正時，即用f e c 法糾正； 當錯碼較多超過糾正能力但尚能檢測時，就用a r q 法。我們稱這一方法為混合 3 燮皇大學(xué)碩士學(xué)位論文 下一代移動通信系統(tǒng)中的混合自動重傳請求技術(shù)研究 a r q 法。這一方法在一定程度上降低了f e c 方式的譯碼復(fù)雜性，又避免了 a r q 方式的信息傳送連貫性差的特點，并且能達到較低的誤碼率。它主要應(yīng)用 于實時性要求不是太高的業(yè)務(wù)。 應(yīng)該指出，發(fā)展到今天，我們通常意義上所說的差錯重傳控制系統(tǒng)，并不僅 僅指差錯重傳的控制機制方面的問題，同時也包括了收發(fā)端使用的編解碼方法的 選擇，編碼速率的控制，甚至還有調(diào)制方式的變換等等。 1 4 本文所做的工作及論文結(jié)構(gòu) 本文主要完成了以下四方面的工作： 1 按作者的理解對現(xiàn)有的混合自動重傳請求機制作出詳細的闡述，主要包 括不同的重傳機制與不同的合并方式。同時闡述了在現(xiàn)行的移動通信環(huán)境中廣泛 采用的重傳方式，在文中也給出了未來移動通信系統(tǒng)中混合自動重傳請求的發(fā) 展。 2 闡述在v b l a s t 系統(tǒng)中以t u r b o 作為信道編碼的混合自動重傳請求機制 的性能分析。在文中先闡述了v - b l a s t 系統(tǒng)的系統(tǒng)分析，性能比較，以及在移 動通信中的優(yōu)勢；也包括 t u r b o 碼的編碼和譯碼算法，分析了t u r b o 碼的編譯碼 優(yōu)勢。在文中通過仿真比較給出了v b l a s t 系統(tǒng)中以t u r b o 碼編碼的混合自動重 傳請求的性能比較。 3 提出了一種解決重傳延時的新的自動重傳方法，命名為接近恒定傳輸時 延的混合自動重傳請求方案。該新方法在傳統(tǒng)的自動重傳請求的基礎(chǔ)上在發(fā)送端 和接收端采用了r c p t ( 碼率匹配截短t u r b o ) 的編碼器和解碼器，我們可以根據(jù) 需求調(diào)整新信息的編碼速率來匹配不同的傳輸模式。在重傳信息的同時保證新信 息比特的傳輸，以達到恒定的傳輸時延。同時該方法采用的是，l r 個發(fā)送天線和萬， 個接收天線的多天線系統(tǒng)。多天線空時編碼系統(tǒng)可以使頻帶利用率隨著天線數(shù)線 性增加，可以提高系統(tǒng)的傳輸速率，提高傳輸質(zhì)量。 4 提出了一種減少硬件損耗，譯碼延遲的新的混合自動重傳請求機制，命 名為具有混合編碼器結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)混合a r q 。該方案的基本原理是利用t u r b o 碼是由兩個卷積碼編碼器構(gòu)成的特點，根據(jù)先前接收機反饋信息估計時變衰落信 道當前狀態(tài)選擇不編碼，可調(diào)速率的卷積碼和可調(diào)速率的t u r b o 碼作為前向糾錯 碼。該方案只利用了一套t u r b o 編碼器和譯碼器的資源，實現(xiàn)了卷積碼和t u r b o 碼聯(lián)合作為前向糾錯碼的自適應(yīng)h a r q 系統(tǒng)，在保證系統(tǒng)性能的前提下，減小 了硬件實現(xiàn)中所需的資源，節(jié)約了成本，而且該方案根據(jù)反饋信息選擇不同打孔 方式和不同編碼方式，易于實現(xiàn)自適應(yīng)編碼。 論文共分為六章，結(jié)構(gòu)安捧如下： 4 北京郵電大學(xué)硬士學(xué)位論文下一代移動通信系統(tǒng)中的混合自動重傳請求拄術(shù)研兜 第二章給出了混合自動重傳請求得研究現(xiàn)狀與發(fā)展，本章介紹了傳統(tǒng)自動 請求技術(shù)，現(xiàn)行混合自動重傳請求技術(shù)。同時也介紹了混合自動重傳請求的實際 應(yīng)用與最新的發(fā)展。 第三章v - b l a s t 系統(tǒng)中基于t u r b o 碼的混合自動重傳請求技術(shù)，分析了 v - b l a s t 系統(tǒng)的系統(tǒng)性能與t u r b o 碼的編譯碼特性。同時本章給出了v 書l a s t 系統(tǒng)和t u r b o 碼相結(jié)合下的混合自動重傳請求的性能分析。 第四章提出一種接近恒定傳輸時延的混合自動重傳請求技術(shù)。該方法可以 減少因為重傳產(chǎn)生的延時，在信道條件差的情況下減少重傳的次數(shù)，在信道條件 好的情況可以保證恒定傳輸延時。 第五章提出了一種具有混合編碼器結(jié)構(gòu)的混合自動重傳請求技術(shù)。該方法 可以減少硬件損耗和功耗，也減少因為重傳的t u r b o 碼的譯碼時延。該方法主要 利用的是r c p t 碼的特性。以一種編碼器機構(gòu)實現(xiàn)未編碼，卷積碼和t t a , b o 三種不 同的碼字。 第六章總結(jié)全文的研究工作并對今后的研究方向進行了展望。 1 5 參考文獻 【l 】胡捍英、楊峰義，“第三代移動通信系統(tǒng)”，人民郵電出版社，2 0 0 1 8 ，第 一版 【2 】3 g p pt r 2 5 8 4 8 , “p h y 醞c 日ll a y e ra s p e c t so fu t r ah i 曲s p e e dd o w n l i n k p a c k e t a c c e s s ( r e l e a s e4 1 ”，2 0 0 1 0 3 【3 】樊昌信、詹道庸、徐炳祥、吳成柯，“通信原理”，國防工業(yè)出版杜，1 9 9 5 1 0 ， 第四版。 1 4 3 g p p t r 2 5 8 3 5 ，。r e p o r t o n h y b r i d a r q t y p e i i i l l s j ” t s 】“h 如r i da r qm e t h o d sf o rf d d i nr e l e a s e2 0 0 0 r ，t s g r i ( # 1 4 ) - 0 0 - 0 8 6 9 ”， n o k i a + 【叼楊大成等，“c d m a 2 0 0 0l x 移動通信系統(tǒng)”，機械工業(yè)出版社，2 0 0 3 年1 月， 第一版 啊付琳、周亮，。3 g p pn a r q 簡述”成都信息工程學(xué)院學(xué)報，s u mn o 6 1 ， n o 22 0 0 2 。 【8 張平等，“第三代蜂窩移動通信系統(tǒng)w c d m a ”，北京郵電大學(xué)出版社， 2 0 0 0 年1 1 月，第一版 【9 】吳江，“w c d m a 系統(tǒng)t u r b o 碼譯碼技術(shù)的研究與實現(xiàn)( 東南大學(xué)碩士學(xué)位 論文) ”，2 0 0 2 3 北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文下代移動通信系統(tǒng)中的混合自動重傳請求技術(shù)研究 第二章自動重傳請求技術(shù)的基本原理及研究現(xiàn)狀 第三代移動通信系統(tǒng)中，高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)要求誤碼率達到1 0 ?；蚋汀Ｈ?而，無線移動信道具有時變和多徑導(dǎo)致的衰落特點，有較高的誤碼率。當信道條 件由于深衰落、多徑干擾而惡化時，即使性能優(yōu)異的l 3 碼率t u r b o 碼也會譯 碼失敗，因而必須引入有效的差錯重傳控制技術(shù)，以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的可靠通信， 進而保證服務(wù)質(zhì)量( q o s ) 【l 】【2 】。 近年來，人們對于差錯重傳控制技術(shù)，尤其是對于混合a r q 技術(shù)的研究， 取得了不少喜人的成果，這一方面的研究也正成為頗受矚目的熱點。目前，3 g p p 的無線接入工作組( t s g r a n ) 對3 g 采用的混合a r q 方法進行大量的性能分 析和機制討論，形成多份技術(shù)報告( t r ) 和技術(shù)規(guī)范( t s ) ( 參見文獻【2 】【3 】) 。 在h s d p a ( 下行高速數(shù)據(jù)分組接入) 中，混合a r q 技術(shù)得到了充分應(yīng)用，并 顯著提高了系統(tǒng)的吞吐量【2 】。 本章首先介紹了傳統(tǒng)的a r q 技術(shù)，然后對混合a r q 的三種類型分別做了詳 細說明，并給出了混合a r q 在第三代移動通信中的實際應(yīng)用方案，最后簡單介 紹了混合a r q 技術(shù)的最新發(fā)展。 2 1 傳統(tǒng)的a r q 技術(shù) 自動重傳請求系統(tǒng)即a r q 系統(tǒng)，其組成原理框圖如圖2 1 所示【1 】。在發(fā)送 端，輸入的信息碼元在編碼器中被分組編碼( 加入監(jiān)督碼元) 后，除立即發(fā)送外， 尚暫存于緩存器中。接收端收到通過信道傳來的碼元后，由譯碼器根據(jù)該碼的編 碼規(guī)則，判決收到的碼元序列有無錯誤。若未檢出錯誤，經(jīng)反饋信道發(fā)出不需重 發(fā)指令。發(fā)送端收到該指令后，繼續(xù)發(fā)送下一碼組，發(fā)送端的緩存器中的內(nèi)容也 隨之更新。若檢出錯誤，則由譯碼器控制產(chǎn)生一重發(fā)指令給原發(fā)送端。這時，發(fā) 送端重發(fā)控制器控制緩存器重發(fā)一次。僅當譯碼器認為信息碼元正確時，才將信 碼送給收信者，否則在輸出緩存器中刪除掉。 6 北京郵電大學(xué)硬士學(xué)位論文下一代移動通信系統(tǒng)中的混合自動重傳請求技術(shù)研究 圖2 1 自動重傳請求基本組成框圖 這就是最早的a r q 技術(shù)，體現(xiàn)了最初差錯控制的思想，僅僅只是由收端簡 單地根據(jù)收到的數(shù)據(jù)幀是否正確來控制重傳。若是收到錯幀，則發(fā)出否定確認信 號( n a c k ，n e g a t i v ea c k n o w l e d g e ) ，要求發(fā)端重傳上一個數(shù)據(jù)幀，并等待這個 數(shù)據(jù)幀的重傳；若是重傳仍有錯，則繼續(xù)重傳，直到重傳的次數(shù)超過系統(tǒng)事先設(shè) 定的最大重傳次數(shù)，收端放棄這個數(shù)據(jù)幀，繼續(xù)下一個數(shù)據(jù)幀的傳送。 a r q 技術(shù)僅僅是在重傳機制方面起到了作用，對于收端和發(fā)端的很多環(huán)節(jié) 都沒有改進。而且由于沒有將f e c 引入a r q 中，使得原始的a r q 并沒有糾錯 的功能，只有檢錯的功能。 根據(jù)a r q 具體實現(xiàn)方式的不同，大致可分為以下基本的三類 1 】 2 】【3 】： l 、停止等待式a l 吣( s t o pa n dw a i t a r q ，簡稱s w - a r q ) 停止等待式a r q ( 如圖2 2 所示) 是指發(fā)送端每發(fā)出一幀數(shù)據(jù)后，就等待接 收端的確認；發(fā)送端收到n a c k 后，進行重發(fā)。 空闈時閫重發(fā)重發(fā) 發(fā)送端 接收端 圖2 2 停止等待式自動重傳示意圖 停止等待式a r q 最簡單也最易實現(xiàn)，但由于每發(fā)出一個數(shù)據(jù)幀后都要停下 來等待應(yīng)答，所以信道利用率很低。此外這種方案要能具體使用，還需解決下面 兩個問題： 7 北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文下一代移動通信系統(tǒng)中的混合自動重傳請求技術(shù)研究 ( 1 ) 丟幀之后的系統(tǒng)恢復(fù) 某些偶然性的干擾可能會破壞數(shù)據(jù)幀的完整性，使接收端無法確認是否收到 一數(shù)據(jù)幀，因而也就不會發(fā)出響應(yīng)信號。另一種情況是接收端已正確收到數(shù)據(jù)幀， 也發(fā)出響應(yīng)信號，但響應(yīng)在傳輸過程中因破壞而丟失了。這樣造成發(fā)送端遲遲收 不到響應(yīng)信號，整個系統(tǒng)一直處于等待狀態(tài)中。解決這個問題的辦法是設(shè)定一最 長等待時間，一旦超過這個時間還沒收到某幀的確認信號的話，發(fā)送端就重發(fā)該 數(shù)據(jù)幀。 ( 2 ) 防止重復(fù)幀 若接收端發(fā)送的a c k 丟失了，發(fā)端仍重發(fā)原來幀，接收端就會收到兩個相 同的數(shù)據(jù)幀，即出現(xiàn)重幀現(xiàn)象。解決這個問題的辦法是對數(shù)據(jù)幀進行編號。 2 、退回n 步a r q ( g o - b a c k - n a r q ，簡稱g b n a r q ) g b n - a r q ( 如圖2 3 所示) 是發(fā)端連續(xù)按序發(fā)送碼字并且把它們存儲下來 等待接收每個碼字的a c k n a c k 信號。每個碼字的應(yīng)答信號要等到一個周期 延時后收到( 一個周期延時定義為發(fā)送一個碼字到收到該碼字的應(yīng)答信號的時間 間隔) 。在這個周期內(nèi)，又發(fā)送了其它的n 一1 個碼字。只要接收到某個碼字i 的 n a c k 信號，就停止發(fā)送新的碼字，重新發(fā)送碼字i 和它后面的一個周期內(nèi)的其 它連續(xù)的n 1 個碼字。接收端拋棄了碼字i 和它后面無論錯誤與否的一1 個碼 字，如此重發(fā)直到收到碼字珀qa c k 為止。 發(fā)送端 接收端 l23 4 563 4 56 78 9 67891 0 圖2 3 退回n 步自動重傳請求示意圖 與s w - a r q 相比，g b n a r q 效率要高得多。它的缺點是某個碼字出錯后， 接收端就拋棄該碼字和它后面的一1 個碼字，即使它們中有些是正確的，這就 使系統(tǒng)的吞吐量隨著一個周期延時增大而急劇惡化。因此它在高速率和延時周期 大的系統(tǒng)中不適用。 3 、選擇重傳a r q ( 簡稱s r - a r q ) 在g b n a r q 基礎(chǔ)上，當某一幀有錯時，設(shè)法只重傳有錯的這一幀，其余 一1 個正確幀被接收端存儲起來。發(fā)送端不再需要重傳錯幀后一1 個數(shù)據(jù)幀， 省下的時間用來傳送新的幀。這就是s r - a r q ，其原理如圖2 4 所示。 北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文下一代移動通信系統(tǒng)中的混合自動重傳請求技術(shù)研究 發(fā)送端 接收端 圖2 4 選擇性自動重傳請求示意圖 很顯然，s r - a r q 的吞吐量要大于g b n - a r q 的。但由于要存儲那些被檢測 出錯誤的數(shù)據(jù)幀后的其它正確數(shù)據(jù)幀，s r - a r q 的接收端必須提供一個足夠大 容量的存儲器，以保證不會有溢出。s r - a r q 方式的收端可以接收亂序幀，而 g b n - a r q 方式的手段只能接收順序幀。 綜上所述，這三種基本的a r q 控制機制中，s w - a r q 最簡單，對用戶端存 儲容量的要求也最小。但由于不能及時得到確認信息，發(fā)端必須在發(fā)送下一個數(shù) 據(jù)分組前等待上一個數(shù)據(jù)分組的確認信息。在等待期間，信道閑置而浪費系統(tǒng)容 量。它是無法用于高速大容量的系統(tǒng)中的。 g b n - a r q 和s r - a r q 的效率都優(yōu)于s w - a r q 。當然，相比之下s r - a r q 的發(fā)送效率更高些，但這是以s r - a r q 更為復(fù)雜的實現(xiàn)作為代價的。s r - a r q 在 等待響應(yīng)的時候，為了充分利用信道容量，發(fā)端要發(fā)送大量數(shù)據(jù)分組。接收端可 能要組合那些分隔重傳的信息。為此必須要用序列號識別數(shù)據(jù)分組。序列號和數(shù) 據(jù)分別編碼，且序列號需用更可靠的編碼以克服任何時候出現(xiàn)在數(shù)據(jù)里的錯誤，這樣 就增加了對信令要求的帶寬。 現(xiàn)在，3 g 的h s d p a 信道采用n 信道停等協(xié)議，希望能結(jié)合s w - a r q 最 小復(fù)雜度和s r - a r q 有效通過率的特點，通過設(shè)置并行停等協(xié)議的信道數(shù)n 來 提高通過率。 2 2 混合a r q ( h y b r i d a r q ) 技術(shù) 混合a r q ( h - a r q ) 可看成是在a r q 系統(tǒng)中引入一個f e c 子系統(tǒng)，用 f e c 來糾正經(jīng)常出現(xiàn)的錯誤圖樣，以減少重發(fā)的次數(shù)，從而既提高系統(tǒng)可靠性 又提高了系統(tǒng)的傳輸效率。h - a r q 最早由j m w o z e n c r a f l 和m h o r s t e i n 于 1 9 6 1 年提出。2 0 世紀8 0 年代和9 0 年代出現(xiàn)了研究h a r q 的熱潮。s k a l l d 、 l k r a s m u s s e n 、m d r i c e 、s b w i c k a 等人也發(fā)表了多篇h - a r q 方面的文章。 9 北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文 下一代移動通信系統(tǒng)中的混合自動重傳請求技術(shù)研究 近年來將混合a r q 和物理層相結(jié)合的研究課題也具有廣闊的發(fā)展空間。 基于不同的檢錯和糾錯編碼技術(shù)，3 g p p 將h a r q 分為三類：混合i 型 a r q 、混合型a r q 和混合型a r q 【4 5 1 。 2 2 1 混合i 型a r q 混合i 型a r q 是為了區(qū)別后來出現(xiàn)的改進的h - a r q 而命名的，它實際上 就是單純的將f e c 和a r q 結(jié)合。當收端發(fā)現(xiàn)收到的數(shù)據(jù)幀檢驗有錯時，首先 試圖進行糾錯。當錯誤數(shù)目在糾錯范圍內(nèi)時，錯誤將被糾正，并將解碼信息直接 傳送給用戶或?qū)⑵浔４嬖诰彺嫫髦械却脩粜枰?；當錯誤模式無法識別即錯誤無 法被糾正時，則丟棄這幀，同時要求發(fā)端重傳一個相同的數(shù)據(jù)幀。當重發(fā)幀收到 有誤時，仍是開始試圖糾錯。無法糾錯時將重發(fā)幀丟棄，再要求重發(fā)。如此周而 復(fù)始，直到發(fā)送碼組被成功接收。 與基本a r q 相比，在較高誤碼率信道中，混合i 型a r q 具有較好的性能， 原因在于其糾錯能力大大減少了重發(fā)次數(shù)。但在低誤碼率信道中，其優(yōu)勢并不明 顯，同時由于加入了更多的校驗碼元以使碼組同時具有檢錯與糾錯能力，增加了 傳輸?shù)娜哂喽取?一般來說，混合i 型a r q 比較適用于噪聲基本恒定不變和干擾可預(yù)計的信 道中。在這類信道條件下，足夠的錯碼糾正能夠大大降低重發(fā)次數(shù)，從而較好地 提高了系統(tǒng)性能。然而，對于一個誤碼率不斷變化的時變信道，混合i 型a r q 同樣存在缺點。 對于誤碼率較低的信道( 例如好天氣下的衛(wèi)星信道) ，傳輸非常穩(wěn)定，幾乎 不需要或需要很少糾錯，因此大量的糾錯碼元就成了大大的浪費。而當信道噪聲 非常大時，糾錯能力就會覺得不夠，常常需要重發(fā)，從而降低系統(tǒng)的傳輸效率。 在混合i 型a r q 中，由于不用保留傳錯的數(shù)據(jù)幀，所以無論收端、發(fā)端均 不需要很多的存儲器，這樣實現(xiàn)起來相對比較簡單?；旌蟟 型a r q 可以與不同 的編碼方式相結(jié)合使用，例如：分組碼、卷積碼、t u _ i b o 碼和級聯(lián)碼。 2 2 2 混合i i 型a r q 混合i i 型a r q 的設(shè)計初衷是為了克服混合i 型a r q 的缺點，系統(tǒng)不以恒 定的碼速率傳輸，而是根據(jù)信道當前的具體情況自適應(yīng)調(diào)整碼速率。從而讓它在 信道好時多傳點信息，信道差時少傳點信息。這點從信道容量的角度很容易理解。 混合型a r q 重發(fā)請求的產(chǎn)生與混合i 型相同；但錯幀不被丟棄而是存儲 在接收端，并與重發(fā)幀合并起來形成一個更可靠的數(shù)據(jù)幀，合并的方法有碼字合 i o 北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文下一代移動通信系統(tǒng)中的混合自動重傳