CN101001136A - 循环移位的子载波映射的设备和方法 - Google Patents

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CN101001136A CNA2006100016039A CN200610001603A CN101001136A CN 101001136 A CN101001136 A CN 101001136A CN A2006100016039 A CNA2006100016039 A CN A2006100016039A CN 200610001603 A CN200610001603 A CN 200610001603A CN 101001136 A CN101001136 A CN 101001136A
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李小强
张玉建
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Abstract

一种在发送端循环移位的子载波映射方法，包括步骤：顺序将输入的几位数据比特与调制符号集合中的某一符号相对应，输出相应的调制符号；发送重传数据包时，通过将上一次传输所采用的调制符号与子载波映射关系循环移位得到本次传输应采用的调制符号与子载波映射关系；将调制符号调制到各个子载波上发送。本发明通过采用循环移位的子载波映射方法，可以实现同一HARQ过程的各次传输中的相同比特在不同的子载波上传输，获得频率分集的增益，降低因为某些比特始终在经历深度衰落的子载波上传输而导致HARQ传输失败的几率。从而可以减少HARQ的平均重传次数，缩短平均传输时延，进而达到增大系统吞吐量的目标。

Description

循环移位的子载波映射的设备和方法
技术领域
本发明涉及无线通信系统中数据传输的技术领域，特别涉及循环移位的子载波映射的设备和方法。
背景技术
与目前的3G系统相比，下一代演进的移动通信系统将提供更短的传输时延(包括接入，空口传输，网络处理与网络传输所占用的时间)、更高的用户上、下行数据传输速率、更高的频谱利用率、更大的系统覆盖范围，并同时尽可能降低网络运营商的建网成本和运营维护的成本。为满足上述需求，AMC，HARQ，OFDM(A)多址(包括局部OFDM(LocalizedOFDM)和分布式OFDM(Distributed OFDM))、SC-FDMA是目前下一代移动通信系统正在评估并有可能采用的技术方案。对于上、下行数据业务采用混合自动重传请求(HARQ)的传输机制，利用重复的数据传输，可以得到时间分集与合并增益，从而有效地增加系统的吞吐速率。
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用技术)是一种特殊的多载波调制/复用技术。其发射机/接收机框图如图1所示。单个用户的信息流被串/并变换为多个低速率的码流在一组频谱相互重叠但保持正交的子载波上同时发送。OFDM技术具有以下优点：
1)抗频率选择性衰落和窄带干扰的能力强。在单载波系统中，单个衰落或者干扰可能导致整条链路不可用，但对于多载波系统，只会有一小部分载波受影响。OFDM把用户信息流串/并转换为多个低速率的信息流在多个子载波上同时发送，每个子载波上的信号时间比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，使OFDM对窄带干扰和信道快衰落的抵抗力更强。同时，通过子载波的联合编码，达到了子信道间的频率分集的作用，增强了对窄带干扰和信道快衰的抵抗力。
2)频率利用率高。OFDM采用相互重叠但保持正交的子载波作为子信道，而不是传统的利用保护频带分离子信道的方式，提高了频率利用效率。
3)适合高速数据传输。OFDM自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪音背景的不同使用不同的调制方式。当信道条件好的时候，采用效率高的调制方式。当信道条件差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。再有，OFDM加载算法的采用，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。因此，OFDM技术非常适合高速数据传输。
4)抗码间干扰(ISI)能力强。码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，OFDM由于采用了循环前缀，对抗码间干扰的能力很强。
OFDM增强了抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力。在单载波系统中，单个衰落或者干扰可能导致整条链路不可用，但在多载波系统中，只会有一小部分载波受影响。
5)OFDM技术调制/解调可通过基带IFFT/FFT变换实现，而IFFT/FFT有成熟的快速计算方法，可以方便的在DSP芯片和硬件结构中实现。
OFDM在具有上述优点的同时，还存在以下缺点：
1)对频偏和相位噪声比较敏感，容易带来衰耗；
2)峰值平均功率的比值(PAPR)较大，会导致射频放大器的功率效率比较低；
由于多载波系统的功率峰均比(Peak Average Power Ratio，PAPR)较高，考虑到移动终端的发射功率、体积、待机时间和小区覆盖等问题，下一代移动通信系统的上行接入很有可能采用单载波频分多址技术(SC-FDMA)。SC-FDMA仍采用多个子载波发送信号，但SC-FDMA与多载波系统所不同的是：在多载波系统中每个子载波传输一个单一的调制符号；在SC-FDMA中，每个子载波上传输全部调制符号的信息。可通过时域方式或频域方式产生SC-FDMA信号。其发射机/接收机(频域实现方式)结构如图2所示，QAM调制后，对调制符号序列做FFT变换，将发送信号的频谱在指定的子载波上传输。
HARQ(Hybrid Automatic Retransmission reQuest，混合自动重传请求)是一种链路自适应技术，将前向纠错编码(FEC)和自动重传请求(ARQ)相结合。FEC提高了传输的可靠性，但当信道情况较好时，由于过多纠错比特，反而降低了吞吐量。ARQ在误码率不是很高的情况下可以得到理想的吞吐量，但会引入额外的重传延时，考虑将FEC和ARQ相结合就形成了混合ARQ。在发送的每个数据包中含有纠错和检错的校验比特。如果接收包中的出错比特数目在纠错能力之内，则错误被自行纠正；当差错严重，已超出FEC的纠错能力时，则让发端重发。HARQ能够自动地适应信道条件的变化，根据信道条件对数据速率进行较精细的调整。
为充分利用系统资源并减小信令和缓存的开销，系统将采用N等 停HARQ传输机制，其原理如图3所示。N等&停HARQ在一个信道上连续传输N个HARQ过程的数据包，当前向链路传输某个HARQ过程的数据包时，反向链路用于传输其他HARQ过程的应答信息。通过采用N等&停HARQ，前向数据链路能够连续传输数据，系统资源被充分利用，但要求接收端缓存能够存储N个数据包的信息。
N-通道等&停HARQ(N-Channel Stop&Wait HARQ)分为两种：
1) N-通道等&停同步HARQ：HARQ过程只能在指定的时刻发起重传
t＝m+k×N(k＝1，2，…，nmax)    (1)
其中，t为重传TTI；m为初始传输的TTI；nmax为HARQ的最大重传次数；N为HARQ过程的数目。
2)N等&停异步HARQ：HARQ过程可在接收该HARQ过程的上一数据包的应答信息后的任一时刻(TTI)发起重传。
t≥m+N    (2)
其中：t为重传TTI；m为传输上一数据包的TTI；N为HARQ过程的数目。
为满足时延的要求，下一代移动通信系统将采用更短的传输时间间隔(Transmission Time Interval，简称TTI)。三种可能的TTI长度分别是0.5ms、0.625ms和0.667ms。N等&停HARQ以TTI为基本时间间隔。对于N等&停同步HARQ，同一数据包的重传间隔为N·TTI，对于N等&停异步HARQ，同一数据包的重传间隔为k·N·TTI(1＜k＜nmax)，其中nmax为HARQ过程的最大重传次数。当N·TTI小于信道的相干时间，一个HARQ过程的重传数据包和N个TTI时间前该HARQ过程传输的数据包所经历的信道衰落是相似的。虽然增大N可以使得N·TTI大于信道的相干时间，但由于下一代移动通信系统所采用的TTI较短，这种做法是不适宜的。因为N的增大将导致接收缓存的增大(N个HARQ过程对应N个用于软合并的缓存)。同时N的增大将导致平均时延的加大(平均时延＝HARQ平均重传次数×N×TTI)。综上所述，下一代移动通信系统采用HARQ传输机制时存在的一个问题是：一个HARQ过程的重传数据包和N个TTI时间前该HARQ过程传输的数据包所经历的信道衰落是相似的，即一个HARQ过程所采用的某些子载波在一次传输中经历深度衰落，在重传过程中这些子载波仍将经历深度衰落。如果HARQ过程传输数据包的某些比特始终在经历深度衰落的子载波上传输将导致HARQ传输失败。
针对上述问题，现有的一种解决方法是：在发送端和接收端分别采用可变的比特(调制符号)交织器，使得同一HARQ过程的各次传输中相同的比特在不同的子载波上传输，从而获得频率分集的增益以弥补时间分集的不足，降低因为某些比特始终在经历深度衰落的子载波上传输而导致HARQ传输失败的几率。
下行信号传输对发送信号的PAPR不作严格要求，通过在发送端和接收端引入可变的比特(调制符号)交织器可以获得频率分集的增益。但对于上行信息传输，由于采用传统OFDM调制的信号PAPR较高，考虑到移动终端的发射功率、体积、待机时间和小区覆盖等问题，很有可能采用SC-FDMA。在采用SC-FDMA系统中，如果在用户设备发送端采用可变的比特(调制符号)交织器将导致传输信号PAPR的显著增加。此时传输信号的PAPR已接近于传统OFDM信号的PAPR，SC-FDMA低PAPR的特性将完全丧失。因此，考虑到对PAPR的显著影响，可变比特(调制符号)交织器不适用于上行信息传输。
发明内容
本发明的目的是提供一种在数据传输过程中(包括初始传输和重传)循环移位的子载波映射方法。
按照本发明的一方面，一种在发送端循环移位的子载波映射方法，包括步骤：
顺序将输入的几位数据比特与调制符号集合中的某一符号相对应，输出相应的调制符号；
发送重传数据包时，通过将上一次传输所采用的调制符号与子载波映射关系循环移位得到本次传输应采用的调制符号与子载波映射关系；
将调制符号调制到各个子载波上发送。
按照本发明的另一方面，一种在接收端循环移位的子载波映射方法，包括步骤：
接收重传数据包时，通过将上一次接收所采用的调制符号与子载波映射关系循环移位得到本次接收应采用的调制符号与子载波映射关系；
从相应子载波位置顺序提取调制符号；
对调制符号进行解调。
按照本发明的另一方面，一种OFDMA循环移位子载波映射的发送设备，包括：
HARQ模块，根据接收方反馈的应答信息，输出各次传输的数据比特；
调制模块，完成对数据比特的调制，输出调制符号；
循环移位子载波映射模块，将上一次传输所采用的调制符号与子载波映射关系循环移位得到本次传输应采用的调制符号与子载波映射关系；
发射装置，通过空中接口发送无线信号。
按照本发明的另一方面，一种OFDMA循环移位子载波映射的接收设备，包括：
接收装置，通过空中接口接收发射设备发送的无线信号；
循环移位子载波映射模块，将上一次传输所采用的调制符号与子载波映射关系循环移位得到本次传输应采用的调制符号与子载波映射关系；
调制符号加权合并模块，根据同一调制符号在循环移位前后所采用子载波信道估计准确度及衰落情况，加权合并；
解调模块，完成对调制符号的解调，输出数据比特；
HARQ模块，对各次传输的数据包进行软合并和译码，根据译码结果产生应答信息。
按照本发明的另一方面，一种SC-FDMA循环移位子载波映射的发送设备，包括：
HARQ模块，根据接收方反馈的应答信息，输出各次传输的数据比特；
调制模块，完成对数据比特的调制，输出调制符号；
Pre-FFT模块，对输入信号进行FFT变换；
循环移位子载波映射模块，将上一次传输所采用的调制符号与子载波映射关系循环移位得到本次传输应采用的调制符号与子载波映射关系；
发射装置，通过空中接口发送无线信号。
按照本发明的另一方面，一种SC-FDMA循环移位子载波映射的接收设备，包括：
接收装置，通过空中接口接收发射设备发送的无线信号；
循环移位子载波映射模块，将上一次传输所采用的调制符号与子载波映射关系循环移位得到本次传输应采用的调制符号与子载波映射关系；
Post-IFFT模块，对输入信号进行IFFT变换；
解调模块，完成对调制符号的解调，输出数据比特；
HARQ模块对各次传输的数据包进行软合并和译码，根据译码结果产生应答信息。
本发明通过采用循环移位的子载波映射方法，可以实现同一HARQ过程的各次传输中的相同比特在不同的子载波上传输，获得频率分集的增益，降低因为某些比特始终在经历深度衰落的子载波上传输而导致HARQ传输失败的几率。从而可以减少HARQ的平均重传次数，缩短平均传输时延，进而达到增大系统吞吐量的目标。同时，采用循环移位的子载波映射方法不对发送信号的PAPR产生影响，不改变SC-FDMA低PAPR的特性。循环移位的子载波映射方法即适用于上行信息传输也适用于下行信息传输。
附图说明
图1是OFDM发射机/接收机框图；
图2是SC-FDMA发射机/接收机(频域实现)框图；
图是3N等&停HARQ原理示意图，其中，
301 HARQ过程1
302 HARQ过程2
303 HARQ过程3
304 HARQ过程4
305 HARQ过程1，TrI m传输数据的应答信息
306 HARQ过程2，TTI m+1传输数据的应答信息
307 HARQ过程3，TTI m+2传输数据的应答信息
308 HARQ过程4，TTI m+3传输数据的应答信息
309 HARQ过程1，TTI m+4传输数据的应答信息；
图4是发送端(接收端)设定调制符号与子载波的映射关系，其中，
401 调制符号序号
402 子载波序号
403 一次重传采用的循环移位距离
404 二次重传采用的循环移位距离；
图5是OFDMA采用循环移位子载波映射的发射设备；
图6是OFDMA采用循环移位子载波映射的接收设备；
图7是SC-FDMA采用循环移位子载波映射的发射设备；
图8是SC-FDMA采用循环移位子载波映射的接收设备；
图9是发送端所采用的子载波连续分布，固定循环移位距离，其中，
901 未分配给发送端的子载波
902 发送端所采用的子载波(连续分布)
903 未分配给发送端的子载波
904 一次重传采用的循环移位距离
905 二次重传采用的循环移位距离；
图10是发送端所采用的子载波离散分布，可变循环移位距离，其中，
1001 分配给发送端的子载波
1002 未分配给发送端的子载波
1003 一次重传采用的循环移位距离
1004 二次重传采用的循环移位距离。
具体实施方式
本发明针对采用HARQ的多载波通信系统，提出了一种循环移位的子载波映射方法。通过采用该方法，将同一HARQ过程的各次传输中的相同比特映射到不同的子载波上传输，从而获得频率分集的增益，减小因为某些比特始终在经历深度衰落的子载波上传输而导致HARQ传输失败的几率。
本发明给出了如下方案：发送端采用循环移位的方法确定同一HARQ过程的每次传输所采用的调制符号与子载波的映射关系，将指定数目的调制符号调制到各个子载波上发送。接收端采用循环移位的方法确定同一HARQ过程的每次传输所采用的调制符号与子载波的映射关系，从相应的子载波位置顺序提取调制符号。
发送端采用以下步骤：
一、符号调制
发送端顺序将输入的几位数据比特与调制符号集合中的某一符号相对应，输出相应的调制符号。
二、调制符号与子载波映射关系的设定
发送端发送数据时，对同一HARQ过程的每次传输采用不同的调制符号与子载波映射关系。
发送端传输新数据包时，采用初始的调制符号与子载波映射关系，如图4(a)所示。初始的调制符号与子载波映射关系可以是固定的，也可以是系统可配置的。
发送端重传数据包时，通过将上一次传输所采用的调制符号与子载波映射关系循环移位得到本次传输应采用的调制符号与子载波映射关系，如图4(b)、4(c)所示(一次重传的循环移位距离为k，二次重传的循环移位距离为m)。
发送端每次发送重传数据包所采用的循环移位距离可以是相同的，也可以是可变的；在这两种情况下，即可以是系统固定不变的，也可以是系统通过半静态或动态的方法配置的。
三、子载波调制
发送端根据每次传输所采用的调制符号与子载波映射关系，将指定数目(与子载波数目相同)的调制符号调制到各个子载波上发送。
接收端采用以下步骤：
一、调制符号与子载波的映射关系的设定
接收端接收数据时，对同一HARQ过程的每次接收采用不同的调制符号与子载波映射关系。
接收端接收新数据包时，采用初始的调制符号与子载波映射关系，如图4(a)所示。初始的调制符号与子载波映射关系可以是固定的，也可以是系统可配置的。
接收端接收重传数据包时，通过将上一次接收数据包所采用的调制符号与子载波映射关系循环移位得到本次接收应采用的调制符号与子载波映射关系，如图4(b)、4(c)所示(一次重传的循环移位距离为k，二次重传的循环移位距离为m)。
接收端每次接收重传数据包所采用的循环移位距离可以是相同的，也可以是可变的；在这两种情况下，即可以是系统固定不变的，也可以是系统通过半静态或动态的方法配置的。
二、子载波解调
接收端根据每次接收所采用的调制符号与子载波映射关系，从相应的子载波位置顺序提取调制符号。
三、符号解调
接收端对输入的调制符号进行解调。
本发明针对OFDMA和SC-FDMA分别给出了循环移位子载波映射的发送设备和接收设备：
1)OFDMA循环移位子载波映射的发送设备
如图5所示，该设备由下述功能模块组成：HARQ、调制、循环移位子载波映射、发射装置。其中：HARQ模块根据接收方反馈的应答信息，输出各次传输的数据比特。调制模块完成对数据比特的调制，输出调制符号。循环移位子载波映射模块将上一次传输所采用的调制符号与子载波映射关系循环移位得到本次传输应采用的调制符号与子载波映射关系。发射装置通过空中接口发送无线信号。
2)OFDMA循环移位子载波映射的接收设备
如图6所示，该设备由下述功能模块组成：接收装置、循环移位子载波映射、调制符号加权合并、解调、HARQ。接收装置通过空中接口接收发射设备发送的无线信号。循环移位子载波映射模块将上一次传输所采用的调制符号与子载波映射关系循环移位得到本次传输应采用的调制符号与子载波映射关系。调制符号加权合并模块根据同一调制符号在循环移位前后所采用子载波信道估计准确度及衰落情况，加权合并。解调模块完成对调制符号的解调，输出数据比特；
HARQ模块对各次传输的数据包进行软合并和译码，根据译码结果产生应答信息。
3)SC-FDMA循环移位子载波映射的发送设备
如图7所示，该设备由下述功能模块组成：HARQ、调制、Pre-FFT、循环移位子载波映射、发射装置。HARQ模块根据接收方反馈的应答信息，输出各次传输的数据比特。调制模块完成对数据比特的调制，输出调制符号。Pre-FFT模块对输入信号进行FFT变换。循环移位子载波映射模块将上一次传输所采用的调制符号与子载波映射关系循环移位得到本次传输应采用的调制符号与子载波映射关系。发射装置通过空中接口发送无线信号。
4)SC-FDMA循环移位子载波映射的接收设备
如图8所示，该设备由下述功能模块组成：接收装置、循环子载波映射、调制符号加权合并、Post-IFFT、解调、HARQ。接收装置通过空中接口接收发射设备发送的无线信号。循环移位子载波映射模块将上一次传输所采用的调制符号与子载波映射关系循环移位得到本次传输应采用的调制符号与子载波映射关系。Post-IFFT模块对输入信号进行IFFT变换。解调模块完成对调制符号的解调，输出数据比特。
HARQ模块对各次传输的数据包进行软合并和译码，根据译码结果产生应答信息。
实施例
实施例1.发送端所采用的子载波连续分布，固定循环移位距离
如图9所示，发送端发送数据所采用的子载波连续分布(64个子载波)，HARQ的最大重传次数为3。子载波序号1～64为发送端所采用子载波的顺序编号，调制符号序号1～64为发送端调制符号的顺序编号。通过将初始传输时的映射关系向下循环移位20个子载波得到一次重传时的调制符号与子载波映射关系。通过将一次重传时的映射关系向下循环移位20个子载波得到二次重传时调制符号与子载波的映射关系。
实施例2.发送端发送数据所采用的子载波离散分布，可变循环移动距离
如图10所示，发送端发送数据所采用的子载波离散分布(128个子载波)，HARQ的最大重传次数为3。子载波序号1～128为发送端所采用子载波的顺序编号，调制符号序号1～128为发送端调制符号的顺序编号。通过将初始传输的映射关系向下循环移位40个子载波得到一次重传时的调制符号与子载波映射关系。通过将一次重传时的映射关系向下循环移位30个子载波得到二次重传时调制符号与子载波的映射关系。
本发明具有下述效果：
1)初始传输所采用的调制符号与子载波映射关系及每次传输所采用的循环移位距离是基站和用户终端默认的，无需引入额外的信令开销，不会因为物理层信令传输错误而降低发明所引入的性能增益。
2)HARQ传输过程中相同的调制符号在不同的子载波上发送，从而获得频率分集的增益。降低了因为某些调制符号始终在经历深度衰落的子载波上发送而导致HARQ传输失败的几率。能够减小HARQ的平均传输次数，降低平均时延，增大系统的吞吐量。
3)采用循环移位的子载波映射方法在获得频率分集增益的同时，不对发送信号功率的峰均比产生影响。
4)接收端根据同一调制符号在循环移位前后所采用子载波信道估计的准确度及衰落情况对各次接收的调制符号进行加权合并，减小信道估计误差和子载波深度衰落的影响。
5)本发明有较广的应用范围，可应用于子载波连续划分、离散划分或跳变的SC-FDMA，OFDMA。

Claims (12)

1.一种在发送端循环移位的子载波映射方法，包括步骤：
顺序将输入的几位数据比特与调制符号集合中的某一符号相对应，输出相应的调制符号；
发送重传数据包时，通过将上一次传输所采用的调制符号与子载波映射关系循环移位得到本次传输应采用的调制符号与子载波映射关系；
将调制符号调制到各个子载波上发送。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括：
对同一HARQ过程的每次传输采用不同的调制符号与子载波映射关系。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述子载波在频域上可以是连续分布、离散分布或者部分连续部分离散分布。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述混合自动重传请求的各次传输采用相同的或可变的循环移位距离。
5.一种在接收端循环移位的子载波映射方法，包括步骤：
接收重传数据包时，通过将上一次接收所采用的调制符号与子载波映射关系循环移位得到本次接收应采用的调制符号与子载波映射关系；
从相应子载波位置顺序提取调制符号；
对调制符号进行解调。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于还包括：
对同一HARQ过程的每次接收采用不同的调制符号与子载波映射关系。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述子载波在频域上可以是连续分布、离散分布或者部分连续部分离散分布。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述混合自动重传请求的各次接收采用相同的或可变的循环移位距离。
9.一种OFDMA循环移位子载波映射的发送设备，包括：
HARQ模块，根据接收方反馈的应答信息，输出各次传输的数据比特；
调制模块，完成对数据比特的调制，输出调制符号；
循环移位子载波映射模块，将上一次传输所采用的调制符号与子载波映射关系循环移位得到本次传输应采用的调制符号与子载波映射关系；
发射装置，通过空中接口发送无线信号。
10.一种OFDMA循环移位子载波映射的接收设备，包括：
接收装置，通过空中接口接收发射设备发送的无线信号；
循环移位子载波映射模块，将上一次传输所采用的调制符号与子载波映射关系循环移位得到本次传输应采用的调制符号与子载波映射关系；
调制符号加权合并模块，根据同一调制符号在循环移位前后所采
用子载波信道估计准确度及衰落情况，加权合并；
解调模块，完成对调制符号的解调，输出数据比特；
HARQ模块，对各次传输的数据包进行软合并和译码，根据译码结果产生应答信息。
11.一种SC-FDMA循环移位子载波映射的发送设备，包括：
HARQ模块，根据接收方反馈的应答信息，输出各次传输的数据比特；
调制模块，完成对数据比特的调制，输出调制符号；
Pre-FFT模块，对输入信号进行FFT变换；
循环移位子载波映射模块，将上一次传输所采用的调制符号与子载波映射关系循环移位得到本次传输应采用的调制符号与子载波映射关系；
发射装置，通过空中接口发送无线信号。
12.一种SC-FDMA循环移位子载波映射的接收设备，包括：
接收装置，通过空中接口接收发射设备发送的无线信号；
循环移位子载波映射模块，将上一次传输所采用的调制符号与子载波映射关系循环移位得到本次传输应采用的调制符号与子载波映射关系；
Post-IFFT模块，对输入信号进行IFFT变换；
解调模块，完成对调制符号的解调，输出数据比特；
HARQ模块对各次传输的数据包进行软合并和译码，根据译码结果产生应答信息。
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