CN1960235A - 一种基于正交频分复用的混合自动请求重传的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于正交频分复用的混合自动请求重传的方法,包括以下步骤:(1)发端将数据经过正交频分复用处理后发送给收端;(2)收端接收数据,进行信道估计、解调和解码,并向发端发送ACK或NACK及重传数据块的位置信息;(3)发端收到ACK时,继续发送新数据;(4)发端收到NACK时,根据位置信息,确定需要重传的数据块并累计该数据块的重传次数;如果没有超过最大重传次数,发端将需要重传的数据块重新发送,否则,发端丢弃该数据块而开始下一帧新数据的传输;(5)收端收到的重传的数据块后,结合之前收到的数据进行合并解码,向发端发送反馈信息,随后执行步骤(3)、(4)。应用本发明,可以提高重传效率、频率利用率和***吞吐量。
Description
技术领域
本发明涉及一种移动通信***中的混合自动请求重传的方法,尤其涉及一种移动通信***中基于正交频分复用的混合自动请求重传的方法。
背景技术
现代移动通信,数据传输将成为主要的业务类型。数据业务对传输的可靠性要求极高,但无线信道环境非常恶劣,信号能量不仅随着传输距离的增加迅速衰减,而且还会受到诸如多径衰落和多普勒频移等因素的影响,这些对数据传输,特别是高速数据传输提出了挑战。在提高数据传输可靠性方面,自动请求重传(Automatic-Repeat-reQuest,ARQ)技术发挥了巨大的作用。顾名思义,ARQ通过对发生错误的信息进行重传达到提高传输可靠性的目的。当接收端收到数据包后,首先检验数据包是否正确,如果正确,就通过反馈信道给发送端一个成功应答(Acknowdgment,ACK)信号,发送端收到该信号后,继续传输下面的数据包;如果不正确,则反馈给发送端一个失败应答(NegativeACK,NACK)信号,发送端接到该信号后,重传该数据包。这种重传将一直进行下去,直到发送端收到ACK信号为止。ARQ只对于检出错的帧进行重传控制,但是本身没有纠错的功能。人们就将前向纠错方式FEC(Forward Error Correction)与ARQ相结合,实现了检错纠错的功能,这就是通常所说的混合自动请求重传HARQ(Hybrid ARQ)。
人们对于差错重传控制技术,尤其是对于混合HARQ的研究,经历了多个阶段,取得了不少喜人的成果。一开始,就是单纯的将FEC和ARQ结合,对于收到的数据帧,先进行解码,纠错,若是能纠正其中的错误,能正确解码,则接受该数据帧;若是无法正确恢复该数据帧,则扔弃这个收到的数据帧,同时发一个NACK回发端,要求发端重传一个一模一样的数据帧。后来,考虑到对于传错的数据帧只是单纯的丢弃,没能充分利用其中有用的信息,于是后来对于收端解码这一环节,提出了合并(combining)的技术。也就是说,对于无法正确译码的数据帧,收端并不是像原来那样,简单的抛弃;而是先保留下来,待重传的数据帧收到后,和刚刚保留的那个错误译码的数据帧合并在一起,然后再进行译码。这样合并后的信号的信噪比将会比第一次收到的信号的信噪比高,因此正确解码的概率就大,解码效果肯定会比单纯的将重传后的码字进行解码的效果好。
合并的方式也在不断发展,由最初的只是简单重复发送的分集增益合并,到后来根据链路自适应技术LA(Link Adaptation)和自适应调制和编码AMC(Automatic Modulation Coding)等先进技术、可以发送不同的数据包,进行编码增益合并等。
前面提到的各种HARQ方式,都只是根据收端的反馈,确定收端不能正确译码后,重新进行发送。但是发端并不知道收端接收的数据具体哪部分出错、或哪一部分出错的概率较大。换言之,就是出错后,发端只是盲目地进行重传,具体是因为哪些数据块出错而导致收端无法正确译码,发端并不知道。
例如,发端发出了一个如图1所示的数据帧。假设由于恶劣的无线信道情况,对c和d部分不能正确接收,导致收端不能正确译码。现有的HARQ技术,是在不知道具体是因为哪些数据块出错而导致收端无法正确译码的情况下进行重传的。也就是说,现有的HARQ技术,不关心不能正确译码的原因是由c、d部分引起的(或错误主要发生在c、d部分),再重传的时候,也不能利用这一有效信息。
因此,需要一种为重传提供有效信息以提高重传效率的混合自动请求重传的方法
发明内容
本发明的目的可以通过下述基于正交频分复用的混合自动请求重传的方法来实现。该方法包括以下步骤:
(1)发端将发送数据经过正交频分复用处理后发送给收端;
(2)收端接收数据帧,进行信道估计、解调和解码,并向发端发送反馈信息;当收端正确解码时,收端向发端发送确认信息ACK;当收端不能正确解码时,收端发送非确认信息NACK,同时发送重传数据块的位置信息;
(3)发端收到确认信息ACK时,继续发送新数据;
(4)发端收到非确认信息NACK时,根据收端反馈的重传数据块的位置信息,确定需要重传的数据块并累计该数据块的重传次数;如果该数据块的重传次数没有超过约定的最大重传次数,发端然后将需要重传的数据块重新发送,否则,发端丢弃该数据块而开始下一帧新数据的传输;其中,最大重传次数可以自由约定,但是取值太大会影响数据传输效率;
(5)收端收到的重传的数据块后,结合之前收到的数据进行合并解码,向发端发送反馈信息,随后执行步骤(3)、(4)。
优选地,步骤(2)中所述的位置信息,根据***的要求可以基于频域、时域或频域时域中的某个点。
优选地,步骤(2)中所述的位置信息为信道条件差的子载波的分段信息。
优选地,步骤(4)中,发端根据收端反馈的重传数据块的位置信息,确定该位置信息对应的数据块或冗余数据块,对确定的数据块进行定位重传。
优选地,步骤(4)中,发端将需要重传的数据块重新发送时,如果是经过一次NACK反馈的,也只有一次的衰落数据块的位置信息反馈,如果经过多次NACK反馈,可能有多次衰落数据块的位置信息反馈;每次重传可以只考虑一次反馈的衰落数据块的位置信息或综合考虑多次反馈的位置信息。
优选地,步骤(5)收端进行合并解码方式可以是分集合并或递增冗余合并。
应用本发明的方法,可以提高重传效率、提高频率利用率,并提高***吞吐量。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。附图中:
图1为局部数据无法正确接收数据帧示意图;
图2为数据和子载波的对应关系示意图;
图3为频域衰落示意图;
图4为OFDM收发信机原理示意图;
图5为子载波频谱示意图;
图6为某时刻的子载波上对应的数据示意图;
图7为串并转换的帧结构示意图;
图8为收发端交互流程图;
图9为重传携带三帧的解码信息的情形;
图10为频域子载波分布图与对应在子载波上传输的数据列示意图;
图11为OFDM帧结构示意图;
图12为导频子载波分段示意图;
图13为重传定位示意图;
图14为没有重传的情形示意图:
图15为只有一帧A2出错反馈NACK的情形示意图;
图16为两帧都出错的情形示意图。
具体实施方式
作为多载波传输技术的代表,正交频分复用OFDM的基本原理是将高速的数据流,经过串并变换,分解成并行数据流,相应调制在若干个子载波上,形成一个能传输高速数据流的多个子载波的并行传输***。
图2示出了经OFDM传输的数据和子载波的对应关系。
本发明提出,当出现收端不能正确译码时,根据OFDM本身的特点(详见),利用现有的技术(例如信道估计),收端能知道某些频点在某个时刻产生了严重的衰落。
例如,图3示出了某个特定时刻在频点fc、fd处产生了严重的衰落。通过反馈,发端就能知道该时刻传输的对应数据块c、d是引起不能正确译码的主要原因。利用这一有效信息,发端在重传的时候,可以根据各种情况,设定合适的重传机制(例如只重传c、d部分的OFDM符号的信息;在重传中增加c、d的信息比重;重传c、d的冗余编码信息;等等)。现有的HARQ技术,diversity combining或code combining等都可以在这里继续使用;比起现有的HARQ技术,就是能知道引起误码的数据块的位置这一重要信息,重传的效率更高。
正交频分复用OFDM是一种多载波传输技术,其基本原理是将高速的数据流,经过串并变换,分解成并行数据流,相应调制在若干个子载波上,形成一个能传输高速数据流的多个子载波的并行传输***。OFDM中的收发信机结构图4所示。
如图5所示,任何一个子载波在时域上看,就是数据流在固定的子载波上传输。
如图6所示,任何一个时刻从频域上看,OFDM调制就是将高速数据流,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,且各个子载波并行传输。需要发送的数据块,对应着相应的子载波。
因此,OFDM调制是把在时间上一维的串行高速数据流,转化成频域、时域两维的并行传输***。如图7所示,一块为11*13个符号的串行数据流,可以转换成一个有11个子载波的OFDM帧。
收端接收到经过OFDM调制的数据帧后,会对信息进行解调还原。为了确保OFDM的性能,接收机需要通过估计方法估测信道的衰落特性。在无线通信中,信道估计的方法有很多,都可以应用在本发明方案中。当OFDM接收机估计出不同的子载波在不同的时刻经历不同的衰落特性时,也就意味着某个子载波上某个传输时刻的数据块经历了不同的衰落。如果不能正确解码,OFDM接收机需要记录接收到的数据帧中的衰落情况较为严重的数据块的位置信息,则将该信息反馈给发端。反馈需要重传的数据块的位置信息可以根据***的要求合理选择,可以是某个子载波上,可以是某个时刻,也可以是具体到某个子载波在某个时刻传输的数据块。
本发明利用OFDM由若干个正交子载波构成的并行传输结构,在频域和时域两维坐标上能准确定位出传输出错的数据块,发端利用这个重要的反馈信息,进行重传。本发明的方案实施在OFDM通信方式下的收端和发端之间。收发之间约定能允许的最多重传次数,没超过规定重传次数时执行重传;超过时丢弃该数据帧,开始下一帧新数据传输。图8示出了收端和发端交互的流程。
下面详细介绍本发明的技术方案:
1.发端发送数据
发端在发送数据的时候,经OFDM调制,将数据流分在各个子载波上依次并行传输。
发端在发送完数据后,保存没有收到确认信息的数据帧,等待收端的反馈信息。
当某一子载波在某个时刻的无线信道状况恶劣时,干扰、噪声、衰落对信号的影响也大,承载在其上的数据块必然容易出错。发端记录已知的数据块映射到子载波上的位置信息,当收到反馈的错误数据块位置信息时,将保存的相应位置的数据块重传。
2.收端解码、反馈
经过无线信道的OFDM调制信息,在收端进行OFDM解调,解码。
为了确保OFDM的性能,接收机需要通过估计方法估测信道的衰落特性。在无线通信中,信道估计的方法有很多。当OFDM接收机估计出不同的子载波在不同时刻经历不同的衰落特性时,也就意味着某个子载波上某个传输时刻的数据块经历了不同的衰落。
正确解码时,收端向发端发送反馈确认(ACK)信息,将数据帧送到上层。
无法正确解码时,如果超过最多重传的次数后,该数据帧还不能正确译码,丢弃该帧及其重传数据,同时发送非确认(NACK)信息,指示该数据帧传输失败,不再重传。继续等待接收下一个新的数据帧。
无法正确解码时,如果没有超过最多重传的次数,表明数据帧需要重传。收端在OFDM解调时,接收机通过估计方法预知信道的衰落特性,也就是信道估计,了解各个子载波在各个时刻的衰落情况,将衰落严重的相关数据块处在OFDM帧中的位置信息反馈给发端,同时发送非确认(NACK)信息,指示重传。根据***性能的要求,反馈需要重传的数据块的位置信息可以根据***的要求合理反馈,频域上的,时域上的,或频域时域中的某个点。例如反馈的是衰落严重的某个子载波,或衰落严重的某个时刻,或具体到某个子载波的某个传输时刻。
3.发端重传或发新数据
接收到收端反馈的ACK,发端将保留的已经成功发送的数据帧清除。发端发新的数据帧,并保存,等待收端新的反馈。
接收到收端反馈的NACK,根据收到该帧的相关衰落数据块的位置信息,选定重传的数据块。当某一子载波在某个时刻的无线信道状况恶劣时,干扰、噪声、衰落对信号的影响也大,承载在其上的数据块必然容易出错。发端已知数据块映射到子载波上的位置信息,当收到反馈的错误数据块位置信息时,将保存的相应的数据块重传或将其冗余数据重传。根据反馈的需要重传的数据块位置信息,根据***资源和***性能要求,发端对需要重传的数据块做出判定,选定重传的数据块。
如果是经过一次NACK反馈的,也只有一次的衰落数据块的位置信息反馈,如果经过多次NACK反馈,可能有多次衰落数据块的位置信息反馈;可以每次重传都只考虑一次反馈的衰落数据块的位置信息,也可以综合考虑多次反馈的位置信息。
根据***资源和***要求,重传的帧可以在收到反馈信息后的某个发射时刻进行发送。
重传的帧可以是针对之前一帧到多帧的反馈信息,即重传的帧由若干帧的若干个重传数据块构成。例如,图9表示的是发端连续发送了a、b、c三帧,收端都反馈了NACK及相应的衰落数据块的位置信息。在下次给收端传数据包i时,其中包含了对a、b、c三帧的重传信息,即将需要重传的a、b、c三帧的部分信息复合在一帧中重传。收端收到数据包i后,利用其中的信息,以及之前收到的内容,已经能对a、b、c三帧正确解码。这时,向发端反馈ACK,表明之前的a、b、c三帧已经正确译码。
当某个数据帧超过规定的最多重传次数后,发端将保存的数据帧清除。发端发新的数据帧。
4.收端合并解码、反馈
收到数据帧的重传信息,接收机将保留下来之前没能正确解码的信息和新收到的重传信息一块处理,对数据帧进行解码。目前HARQ的合并技术有很多,都可以在本发明方案中使用(实施例中会提到一种合并方式)。收端可以根据需要,选择不同的合并解码方式,可以是分集合并或递增冗余合并。之前收到的数据帧由于某些子载波上的某些数据块发生了严重的衰落而导致没能正确解码,收到的重传包中包含了需要纠正的数据块的信息,利用得到的所有信息,有利于最终的正确解码。
如果能正确解码,发送ACK信息;还不能正确解码,发送NACK信息及相关衰落数据块的位置信息,要求发端重传数据。
下面给出一个具体***中的实施例。
***的工作方式是时分双工下的移动通信***,发射周期为10毫秒,收、发的时间各约为5毫秒。***带宽为500KHz,500K带宽内分成64个子载波,其中有8个导频子信道,每两个导频子信道之间有8个业务信道子载波。导频子载波能完成信道估计的功能。导频子载上传的都是用于信道估计的已知符号。频域子载波分布图和对应在子载波上传输的数据列如图10所示,其中fp表示导频子载波,ft表示业务信道子载波。
在时域每个约5毫秒的发射帧,包含27个数据块。也就是每个dp,或dt包含了27个数据块。如下图11所示,其中黑色部分表示导频符号,其它表示数据。
由于只有导频子载波是用于信道估计的,因此收端对某个数据块是否经历严重的衰落是基于导频子载波的信道估计的结果,对衰落数据块的位置信息反馈也是以导频子载波的位置为参考的。
为了体现无线信道的时间选择性和频率选择性,对频域64个子载波依据导频子载波分8段;对时域27个符号平均分3段,则形成21个方格状的结构。将8个导频子载波分成24段,如上图12所示的编号,进行信道估计。
信道估计的算法很多,可以根据***的要求合理选择。为了简单起见,这里以对导频子载波采用频域信道估计进行说明,估计准则为LS(最小二乘)估计。
根据前面提到的帧结构和频域模型,一帧中第k个导频子载波的第l个符号在收端接收到频域符号表示为
Yl,k=Hl,kXl,k+ηl,k,k=1,...,8;l=1,...,27
其中Xl,k为发送的用于信道估计的导频符号,收端、发端都是已知的;Hl,k为信道的传输特性,ηl,k为噪声。利用已知的导频信号估计信道的传输特性:
假设在作信道估计之前收发端已经准确同步,利用现有的技术,能纠正频偏和相位噪声所带来的剩余相差,只考虑信道的幅度畸变。
采用如下原则判定子载波的信道性能:
对每个导频子载波的各段符号
其中k=1,...,8,i=0,1,2,j=1,...,9,(k表示导频子载波,i表示导频子载波的分段,j表示每段导频子载波中的导频符号)。如果有1/2的符号低于平均值,即对给定k和i有1/2以上的
则认为第k个导频子载波上的第i段的信道条件差,否则认为该段信道条件好。
接收端进行解调解码,如果能正确解码,反馈ACK;如果不能正确解码,反馈NACK,在反馈NACK的同时,将24段导频中信道条件差的反馈到发端。
发端收到收端反馈的信道条件差的子载波分段信息和NACK,采用如下方式定位重传:如果该频段信道条件差,将其周围的符号重传。例如,如果是帧边界的导频段,例如是图10中的9号频段,则重传的符号如图13中的A所示,如果是帧内的导频段,例如是18号,则重传的符号如下图13的B所示。
发端对需要重传的部分数据采取的方式是重传一个一模一样的数据块。收端合并解码方式为多次传输的能量合并解码。
下面给出基站BS给用户UT传输数据的实施方案。发端为基站BS,收端为用户终端UT。
一种典型的传输原则如下:
(1)基站BS根据调度算法得到的优先级给UT发送数据,假设根据调度算法,在没有发生重传的时候,终端UT的优先级排序如下:A、B、C、......;
其中,调度算法可以是任何的调度算法,只要能对各个用户给出先后顺序就可以。本发明是基于已有的先后顺序的基础上,对需要重传的数据所进行的重传策略。也就是,先后顺序,即调度算法,可以是多种多样的。
(2)收到反馈的NACK的终端UT具有最高优先级,重传将会在下一个调度时刻产生(但是不会抢占已经分配出去的服务时间)。
(3)基站BS每次给一个终端UT分配的服务时间为连续两帧。
(4)终端UT反馈NACK时,根据解码时做的信道估计,将信道条件差的子载波的分段信息向基站反馈。
(5)基站BS收到第2帧的反馈后,根据反馈决定是否给该用户重传。重传的内容根据每个NACK反馈的定位信息选定。采取简单的内容重发,例如,连续收到两个NACK,分别反馈的最差频段是第2段、第3段,第6段、第7段;则在一个或多个重传包中重传这4段频段对应的数据块。
(6)最大重传次数为3次,超过3次不能解码,丢弃收到的系列数据包。基站BS发新的数据包。
简单起见,设终端反馈的时延规定为3帧,重传在4帧后能发生。下面图14-16所示给出根据以上方案实现的典型可能事件:
I:图14示出了没有重传的情形。
II:图15示出了只有一帧A2出错,NACK反馈是2、3频段的情形。重传应该在4帧后、即C2时刻发生,由于时间已经分给用户C,根据不抢占和优先级最高原则,因此C传完后马上重传。由于需要重传的信息少,可以采取信息重复发送等措施。重传完成后再给优先级最高的用户传输,也就是D用户。
用户A在接收的两帧数据A1和A2,只有A2需要重传,在收到A2的重传信息后,用户A将第一次收到的消息A2和A2的部分重传消息进行能量合并解码。
III:图16示出两帧者出错的情形。
用户A收到的两帧信息都需要重传,在收到重传帧(即A1和A2的频段2、3、5、6合成为一个重传帧,也就是重传的一帧能提供A1和A2的解码信息)后,从中取出A1帧和A2帧相应的重传信息,和之前收到的对应数据包A1、A2进行能量合并解码。
总之,不同的OFDM通信***,有不同的信道估计方式,通过不同的手段了解信道特性。只要能判断出信道条件,又能基于OFDM帧的二维结构提供了定位信息,了解到对应所传输的数据块,就能利用本发明的思路,进行帧内选择重传,提高重传效率。
本发明的优点主要体现在以下几个方面:
(1)提高了重传效率。由于收端能反馈数据帧中具体出错数据块的位置,发端能高效地选择重传某些出错的数据块,不需要重传整帧的信息,提高了重传的效率。
(2)提高了频率利用率。重传的一帧可能包含了之前多帧的解码信息,即多个数据帧的重传解码信息复用在一帧上,提高了频率利用率。
(3)提高了***吞吐量。相对于原有的HARQ机制,在规定的时间内,重传效率更高,得到的***吞吐量也更大。
(4)利用了OFDM本身的特点,实现简单,对重传的效率大大提高。
(5)对于数据帧较长的通信***,在不适合减小帧长时(如为了兼容不改变SCDMA中TDD方式下的5ms帧),本发明的实现方案,能在充分利用频率资源的条件下正常工作,而不会降低效率。
(6)能灵活实现同步重传或异步重传,能根据***要求灵活设置传输方案。
Claims (10)
1.一种基于正交频分复用的混合自动请求重传的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)发端将发送数据经过正交频分复用处理后发送给收端;
(2)收端接收数据帧,进行信道估计、解调和解码,并向发端发送反馈信息;当收端正确解码时,收端向发端发送确认信息ACK;当收端不能正确解码时,收端发送非确认信息NACK,同时发送重传数据块的位置信息;
(3)发端收到确认信息ACK时,继续发送新数据;
(4)发端收到非确认信息NACK时,根据收端反馈的重传数据块的位置信息,确定需要重传的数据块并累计该数据块的重传次数;
如果该数据块的重传次数没有超过约定的最大重传次数,发端然后将需要重传的数据块重新发送,否则,发端丢弃该数据块而开始下一帧新数据的传输;
其中,最大重传次数可以自由约定,但是取值太大会影响数据传输效率;
(5)收端收到的重传的数据块后,结合之前收到的数据进行合并解码,向发端发送反馈信息,随后执行步骤(3)、(4)。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(2)中所述的位置信息,根据***的要求可以基于频域、时域或频域时域中的某个点。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤(2)中所述的位置信息为信道条件差的子载波的分段信息。
4.如权利要求2所述的方法,其特征在于,步骤(2)中所述的位置信息为信道条件差的子载波的分段信息。
5.如权利要求1-4之一所述的方法,其特征在于,步骤(2)中所述的信道估计是以导频子载波采用的频域信道估计,估计准则为最小二乘法,其具体包括:
首先,利用已知的导频信号估计信道的传输特性:
其中,一帧中第k个导频子载波的第l个符号在收端接收到频域符号为
Yl,k=Hl,kXl,k+ηl,k
k=1,...,m,m为频域子载波的分段数;l=1,...,n,n为时域符号分段数;Xl,k为发送的用于信道估计的导频符号,收端、发端都是已知的;Hl,k为信道的传输特性,ηl,k为噪声;
其次,在一帧内对信道的传输特性进行归一化,得到
然后,在每个导频子载波的各段符号
中,如果有1/2的符号低于平均值,即对给定k和i有1/2以上的
则认为第k个导频子载波上的第i段的信道条件差,否则认为该段信道条件好;其中i表示导频子载波的分段,j表示每段导频子载波中的导频符号。
6.如权利要求1-4之一所述的方法,其特征在于,还包括在作信道估计前纠正剩余相差的步骤。
7.如权利要求1-4之一所述的方法,其特征在于,步骤(4)中,发端根据收端反馈的重传数据块的位置信息,确定该位置信息对应的数据块或冗余数据块,对确定的数据块进行定位重传。
8.如权利要求7所述的方法,其特征在于,步骤(4)中,发端将需要重传的数据块重新发送时,如果是经过一次NACK反馈的,也只有一次的衰落数据块的位置信息反馈,如果经过多次NACK反馈,可能有多次衰落数据块的位置信息反馈;每次重传可以只考虑一次反馈的衰落数据块的位置信息或综合考虑多次反馈的位置信息。
9.如权利要求1-4之一所述的方法,其特征在于,步骤(5)收端进行合并解码方式可以是分集合并或递增冗余合并。
10.如权利要求8所述的方法,其特征在于,步骤(5)收端进行合并解码方式可以是分集合并或递增冗余合并。
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