CN101019360B - 正交频分复用多输入多输出系统的自动重传请求控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于MIMO-OFDM通信系统中的自动重传请求控制系统。该系统中，接收装置的ACK/NACK输出单元(320)，根据循环冗余校验的结果将肯定应答或否定应答的反馈信息发送给发送装置。发送装置的差错数据流检测单元(310)根据反馈信息确定需要重传的数据流，重传模式选择单元(312)从以下的重传模式中选择重传模式：(a)使用与上一次发送相同的天线来发送要重传的数据，同时使用未被请求重传的天线来发送新的数据的模式；(b)使用未被请求重传的天线来发送要重传的数据，同时使用其它天线发送新的数据的模式；(c)使用未被请求重传的天线，且使用STBC进行数据重传的模式；以及(d)使用所有可使用的天线，且使用STBC进行数据重传的模式。

Description

正交频分复用多输入多输出系统的自动重传请求控制系统及方法
技术领域
本发明涉及一种用于使用正交频分复用(OFDM)的多输入多输出(MIMO)通信系统中的自动重传请求(ARQ)控制系统以及重传方法。
背景技术
在使用多根(NT)发送天线和多根(NR)接收天线的MIMO通信系统中进行多个数据流的同时发送。根据利用的方式，MIMO系统通过空间分集能够实现性能的提高，以及通过空间复用能够实现系统容量的提高。由于无线通信系统中存在随机的衰落和多径延迟扩散，使上述改善成为可能。
一般而言，存在于发送天线和接收天线之间的多个通信信道随时发生变化而处于彼此不同的链接状态。具有反馈功能的MIMO系统将信道状态信息(CSI)提供给发送装置，为了提供更高水平的性能，使链路自适应技术(linkadaptation)和注水法(water filling)等方法的使用成为可能。
非专利文献1对通过空间复用提高数据速率的公知技术进行了论述。
通过提供分集的最大优点的空间-时间块编码，来实现空间分集。有关空间-时间块编码，例如在非专利文献2中有记载。
MIMO技术原来是假设窄带无线系统，即平坦衰落信道而设计出的。所以，在频率选择性信道中难以得到良好的效果。因此，为了克服无线环境提出的频率选择性信道的问题，将OFDM与MIMO系统联合使用。
通过使用快速傅立叶逆变换(IFFT)，OFDM能够将频率选择性信道变换为独立且平行的特定频率(频率平坦)的多个子信道的组。由于这些子信道各自的频率正交而且互相重叠，所以提高频谱效率并使载波间干扰最小化。通过对OFDM码元附加循环前缀(Cyclic Prefix)，能够进一步地降低多径的影响。
今后的技术转移需要满足频谱效率、系统的用户容纳能力、端到端延迟时间(End-to-End Latency)、QoS(Quality-of-Service，服务质量)管理等的要求条件，以便适应提高了IP依赖度的高速数据服务。MIMO-OFDM系统能够满足上述条件标准的一部分，而ARQ技术也在切实地进行高速且可靠性高的分配中起到重要的作用。
ARQ是一种用于在接收到的分组数据中检测出差错时发送对所接收的分组数据的重传请求的技术。在大量的高速数据转发中，一般使用效率较高的ARQ技术，以便减少重传请求的次数。
混合ARQ(HARQ)技术包括追踪合并(Chase Combining)和增量冗余(Incremental Redundancy)，并且通过减少ARQ开销来提高效率。HARQ技术基本上是以单一天线的发送装置及接收装置为前提设计的。
非专利文献1：″V-BLAST：an architecture for realising very high data ratesover the rich-scattering wireless channel″by P W Wolniansky et al in thepublished papers of the 1998 URSI International Symposium on Signals，Systemsand Electronics，Pisa，Italy，Sep.29 to Oct.2，1998.
非专利文献2：Tarokh，V.，Jafarkhani，H.，Calderbank，A.R.：Space-TimeBlock Codes from Orthogonal Designs，IEEE Transactions on information theory，Vol.45，pp.1456-1467，July 1999，and in WO 99/15871.
发明内容
然而，将HARQ应用于MIMO-OFDM系统的技术，以往没有被提出。
本发明的发明人考虑上述事实，作出了本发明，因此本发明旨在提供一种自动重传请求控制系统及重传方法，该自动重传请求控制系统及重传方法在将HARQ应用于MIMO-OFDM系统时，能够根据各种各样的系统要求对重传方法进行控制。而且，本发明旨在通过提高信号的重传准确性和减少重传请求次数，由此提高数据吞吐量性能。
本发明的用于MIMO-OFDM系统的自动重传请求控制系统及重传方法包括以下结构或步骤。
发送装置的ARQ控制单元模块判定是否需要重传信号。当需要重传信号时，该模块进一步控制所使用的方式的类型。ARQ模块根据来自接收装置的ARQ反馈信息进行判定。系统是否允许发生差错、系统是否允许延迟等的系统要求也在判定过程中起到重要的作用。
本发明的系统中，接收装置对每个天线链进行循环冗余校验(cyclicredundancy check，CRC)，发送装置根据来自接收装置的、基于CRC结果的肯定应答(ACK)或否定应答(NACK)的反馈信息，对每根发送天线判定是否需要重传数据。
需要重传时，根据本发明提出的四种重传方式中的一种方式进行重传。根据延迟时间(latency)和性能水平等各种各样的系统要求条件标准，选择最佳重传方式。
本发明假设接收ACK的天线的可靠性高于接收NACK的天线。由可靠性高的天线发送的数据，被正确复原的可能性更高。
本发明的一个实施例中，使用与上一次发送相同的天线来发送要重传的数据，同时使用未被请求重传的天线发送新的数据。该方法的优点在于能降低源于数据重传的复杂性和提高效率。
本发明的另一个实施例中，使用可靠性高的天线(即，未被请求重传的天线)来发送要重传的数据，并使用其它天线来发送新的数据。该方法具有能够减少对某个差错分组所需的重传次数的优点，也具有会提高复杂性的缺点。
本发明的另一个实施例中，使用可靠性高的天线，使用空间分集技术的STBC进行数据的重传。即使在不允许发生差错的系统中，该方法也能够满足对要求较少延迟的准确的重传方式的要求。
本发明的另一个实施例中，同样使用STBC进行数据分组的重传，而且，不仅使用可靠性高的天线，还使用所有可使用的天线进行重传。该方法作为准确性最高的重传方式来使用，适合用于不允许发生差错但是可以允许延迟的系统。
作为使用STBC进行重传的实施例的变形，使用更高阶的调制以便提高重传效率。
上述实施例的变形中包括使用增量冗余(Incremental Redundancy，IR)型ARQ以及使用交织模式的多种组合的重传，以便提高系统的性能。
上述实施例的另一个变形包括使用了较长期间的ARQ统计信息的链路自适应技术。此时不需进行信道状态信息(CSI)的反馈和复杂的处理。
根据本发明，在将HARQ应用于MIMO-OFDM系统时，能够根据各种各样的系统要求对重传方法进行控制。而且，根据本发明，通过进一步提高信号重传的准确性和减少重传请求次数，有可能实现数据吞吐量性能的提高。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于使用正交频分复用的多输入多输出通信系统中的自动重传请求的重传方法，包括：在接收装置中，对于发送装置的每根发送天线，对从所述发送装置接收到的数据进行循环冗余校验的循环冗余校验步骤；以及根据所述循环冗余校验的结果，将肯定应答或否定应答的反馈信息发送给所述发送装置的反馈步骤；在所述发送装置中，根据所述反馈信息确定需要重传的数据流的数据流确定步骤；以及选择用于重传否定应答的反馈信息的数据的重传模式的重传模式选择步骤；其中，在所述重传模式选择步骤中，从以下的重传模式中选择重传模式：(a)使用与上一次发送相同的天线来发送要重传的数据，同时使用未被请求数据重传的天线来发送新的数据的模式；(b)使用未被请求数据重传的天线来发送要重传的数据，同时使用其它天线来发送新的数据的模式；(c)使用未被请求数据重传的天线，且使用空间分集技术的空间-时间块编码进行数据重传的模式；以及(d)使用所有可使用的天线，且使用空间-时间块编码进行数据重传的模式。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于使用正交频分复用的多输入多输出通信系统中的自动重传请求控制系统，包括接收装置和发送装置：接收装置具有：循环冗余校验处理单元，对于发送装置的每根发送天线，对从所述发送装置接收到的数据进行循环冗余校验；以及肯定应答/否定应答输出单元，根据所述循环冗余校验的结果，将肯定应答或否定应答的反馈信息发送给所述发送装置；所述发送装置具有：差错数据流检测单元，根据所述反馈信息确定需要重传的数据流；以及重传模式选择单元，选择用于重传否定应答的反馈信息的数据的重传模式；其中，所述重传模式选择单元从以下的重传模式中选择重传模式：(a)使用与上一次发送相同的天线来发送要重传的数据，同时使用未被请求数据重传的天线来发送新的数据的模式；(b)使用未被请求数据重传的天线来发送要重传的数据，同时使用其它天线来发送新的数据的模式；(c)使用未被请求数据重传的天线，且使用空间分集技术的空间-时间块编码进行数据重传的模式；以及(d)使用所有可使用的天线，且使用空间-时间块编码进行数据重传的模式。
附图说明
图1是MIMO-OFDM通信系统的发送装置的方框图；
图2是MIMO-OFDM通信系统的接收装置的方框图；
图3是本发明的发送ARQ控制单元和接收ARQ控制单元的功能方框图；
图4是表示根据本发明的重传方法的数据分组的重传设定方案(scenario)的例子的图；
图5是表示根据本发明的重传方法的数据分组的重传设定方案的例子的图；
图6是表示根据本发明的重传方法的数据分组的重传设定方案的例子的图；以及
图7是表示根据本发明的重传方法的数据分组的重传设定方案的例子的图。
具体实施方式
以下，参照附图详细地说明本发明的实施例。
图1是使用正交频分复用的多输入多输出通信系统(即，MIMO-OFDM系统)的发送装置100的方框图。图2是该系统的接收装置200的方框图。两幅图中表示使用两根发送天线和两根接收天线的系统，但是，本发明可以扩展到使用多根(NT)发送天线和多根(NR)接收天线的系统。
发送装置100中，对每个天线链进行数据处理。由每根发送天线发送互相不同的独立数据的流。输入数据首先通过CRC附加单元102附加循环冗余校验(CRC)码。然后，通过编码单元104进行卷积编码、Turbo编码等信道编码处理。继而，经编码的数据通过交织单元106进行交织，以便减少数据中的突发差错。通过映射单元108对经交织的数据进行多阶调制星座码元映射处理。通过导频插入单元110对经映射的信号插入导频信号。通过插入导频信号，在接收装置能够容易进行信道评估。
在进行OFDM调制之前，通过S/P变换单元112将串行数据流变换成并行数据流。IFFT单元114使生成的副载波互相正交。通过P/S变换单元116将并行数据变换成串行数据之后，通过CP附加单元118对OFDM码元附加用于降低多径影响的循环前缀(cyclic prefix，CP)。在进行发送之前，通过D/A变换单元120将数字信号变换成模拟信号。经过各个发送装置链的各种处理之后，每个信号成为可通过各自所分配的发送天线122发送的状态。
接收装置200中，对来自接收天线202的接收信号进行与上述处理相反的处理，即，从模拟到数字的变换(A/D变换单元204)、循环前缀的去除(CP去除单元206)、串行并行变换(S/P变换单元208)、高速傅立叶变换(FFT单元210)以及并行串行变换(P/S变换单元212)等处理。由于接收信号由来自多根发送天线的信号重叠而成，所以需要将该信号分离为各个独立的流。此时，为了实现该功能使用V-BLAST解码单元214，该V-BLAST解码单元使用迫零(zero forcing，ZF)或最小均方差(minimum mean square error，MMSE)等技术。
继而，在进行解映射(解映射单元216)、解交织(解交织单元218)以及解码(解码单元220)等处理之后，对每个分组进行循环冗余校验(CRC处理单元222)处理，由此确定该数据是否准确。如果判定检测出的分组没有差错，则将肯定应答(ACK)发送给发送装置，发送装置不进行该分组的重传。如果存在差错，则将否定应答(NACK)发送给发送装置100，以请求重传。
图3是本发明的发送ARQ控制单元和接收ARQ控制单元的功能方框图。
如图3所示，各个天线链分别具有专用的CRC附加单元302。因此，接收装置的ARQ控制单元316中，通过CRC处理单元318对每个独立的接收天线链的任何数据分组进行用于检错的CRC处理。继而，接收装置的ACK/NACK输出单元320，经由高速ARQ反馈信道322，将有关每个数据流的ARQ信息反馈给发送装置的ARQ控制单元306中的多个ACK/NACK接收单元308。上述结构的优点在于：检测出差错时不需由所有天线重传数据。仅有损坏的数据流需要重传。由于所有的数据流都出错的可能性很低，因此，该发送方法提高数据吞吐量。
差错数据流检测单元310根据通过ACK/NACK接收单元308得到的ARQ信息，确定需要重传的数据流。进而，差错数据流检测单元310存储较长期间进行的ARQ的统计，即在特定的发送天线发生的重传的平均次数。该信息用于AMC单元304的多阶调制和编码处理。例如，在较长期间内的ARQ统计中，如果某根发送天线的重传次数比其它发送天线相对少，则对该发送天线设定高阶的调制。与此相对，对重传次数多于其它天线的天线，设定低阶的调制。
需要重传时，重传模式选择单元312执行决定过程，以选择应使用于数据重传的适当的方式。继而，根据该决定更新发送缓冲单元314。
图4至图7是表示根据本发明中提出的四种不同的重传方法的设定方案的例子。下面详细地说明各种方法。每种方法适合于互不相同的系统要求的组合中的一种。因此，所执行的方法是根据用户要求使系统性能最优化的可能性最大的方法。
图4和图5表示方法I和方法II的上一次的发送状态和当前的重传设定的例子。上述两种方法仅对损坏的流进行数据的重传，同时使用未用于重传的天线来发送新的数据。这些方法的优点在于：即使进行重传时也能不间断地发送新的数据。因此，能够保持恒定水平的数据速率而不需牺牲对准确性的要求。
如图4所示，本发明的一个实施例通过每根发送天线分别发送分组1至4。根据来自接收装置的ACK和NACK信息，判定出分组2和分组4有差错。根据方法I进行重传时，使用与上一次发送相同的天线来发送要重传的数据，即分组2和分组4。使用未被请求重传的天线发送新的数据。
根据方法II进行重传时，不使用与上一次发送相同的天线，而使用在上一次发送中没有出错的天线来发送要重传的数据。使用被视为可靠性高的天线来发送要重传的数据，所以能够进一步提高重传的数据不出错的可能性，由此能够提高数据的准确性。尤其在衰落缓慢或者处于静态的稳定环境中，能够采用这样的假设：如果通过特定的天线接收到ACK的话，则该天线的可靠性较高。
上述两种方法的区别在于天线的分配。根据不进行分配的方法I，由于数据的处理限于最小程度，所以降低了复杂度。因此，此时的处理延迟会较短。根据方法II，由于数据的设定发生变化，所以要对发送端和接收端双方的缓冲单元加以考虑。发送装置需要将与前一次发送和本次发送的设定上的差异通知给接收装置，以便准确地更新缓冲单元。另外，由上层规定该装置间的通知。该方法II中谋取提高重传的准确性，以便减少数据帧所需的重传次数。
方法I和方法II适合于允许发生差错的系统。这样的系统中，在短时间内发送大量数据的要求优先于正确性。作为这种用途的几个例子，可以举出视频流(streaming)和传真。另外，与方法I相比，方法II更适合于不允许延迟的系统。
另一方面，系统不允许发生差错时，方法III和方法IV更为合适。此时，获得妥当的准确性被视为最优先。作为这样的用途，可以举出电子商务、网页的阅览、电子邮件接收以及即时消息发送(Instant Messaging)等其它对话式服务。
图6和图7表示方法III和方法IV的上一次的发送状态和当前的重传设定的例子。使用空间分集技术的空间-时间块编码(STBC)进行数据的重传，以便提高重传数据的准确性。在这两种方法中，新的数据的发送不与数据的重传同时发生。天线被请求重传时，仅用于该目的。
本发明的另一个实施例中，如图6所示，使用可靠性高的天线(有关上一次发送中接收到ACK的天线)根据方法III进行数据分组的重传。其它天线不进行发送。
根据方法IV的另一个实施例中，使用所有可使用的天线，且使用STBC发送要重传的数据。因此，接收装置端发生差错的可能性会大大降低。
根据这两种方法III和IV，在需要重传两个数据分组的本实施例中，在第一时隙重传分组2，而在下一时隙重传分组4。作为提高效率的方法之一是使用更高阶的调制，以使重传数据速率的提高成为可能。如果采用上述解决方法，能够在相同的瞬间中发送更多的重传数据。
与方法IV不同，方法III旨在缩短接收装置中的处理的所需时间。由于使用更少的发送天线，能够使STBC的解码处理变得简单且加快STBC的解码处理。进而，方法III通过使用可靠性高的天线进行重传，谋求复杂性和准确性之间的平衡。方法IV虽然更复杂且需要更多的处理时间，但是与方法III相比能够得到更高的重传准确性，因此适合于不允许发生差错但是可以允许延迟的系统。
本发明的一个特征为能够根据已进行的重传来改变所选择的方法。其原因为有时系统要求会在将相同的分组发送了一定次数之后出现变化。例如，假设允许发生差错的系统选择方法I或方法II用于重传。但是，经过几次的重传之后，相同的分组依然出错。于是，重传模式选择单元312可以决定为更准确的方法III或方法IV，以便提高该分组的准确性。另外，由上层规定重传方法的切换指令。
作为上述实施例的变形，可以采用使用增量冗余来代替单纯的追踪合并的ARQ。将增量冗余的信息包含在重传的分组中并发送出去，以便在解码处理中进一步提高性能。
作为上述实施例的另一个变形，可以改变用于重传的交织模式。每个OFDM副载波有可能遇到不同的衰落。存在信道状态信息(CSI)时，可以进行比特加载(bit loading)处理。在发送装置端得不到CSI时，本发明采用等效比特加载(equal bit loading)处理。在每次重传中改变交织模式来使衰落的影响保持平衡，以便利用副载波间的衰落差。
作为上述实施例的另一个变形，可以与本发明组合使用自适应调制、编码以及功率控制。由较长期间的ARQ统计得到的信息有助于确定可靠性高的天线。平均重传率较低的天线可以被视为可靠性较高。对这样的天线可以使用更高阶的调制或更高的编码率。与此相对，可以给其它天线提供更高的功率，以便提高信号强度。由于决定链路质量的差异的处理不很复杂而且不需要很长时间，所以在链路自适应技术中使用ARQ的统计来代替以往的CSI的方法是很有效的。
尽管以上说明可以视为本发明的优选实施例示，但是本发明并不限于所提出的上述实施例，而可以以各种各样的实施方式和实施例来实现，因此，本发明的范围应参照所附权利要求及其等价物来决定。
工业实用性
本发明适合用于使用正交频分复用(OFDM)的多输入多输出(MIMO)通信系统中。

Claims (7)

1.一种用于使用正交频分复用的多输入多输出通信系统中的自动重传请求的重传方法，包括：
在接收装置中，
对于发送装置的每根发送天线，对从所述发送装置接收到的数据进行循环冗余校验的循环冗余校验步骤；以及
根据所述循环冗余校验的结果，将肯定应答或否定应答的反馈信息发送给所述发送装置的反馈步骤；
在所述发送装置中，
根据所述反馈信息确定需要重传的数据流的数据流确定步骤；以及
选择用于重传否定应答的反馈信息的数据的重传模式的重传模式选择步骤；其中，
在所述重传模式选择步骤中，从以下的重传模式中选择重传模式：
(a)使用与上一次发送相同的天线来发送要重传的数据，同时使用未被请求数据重传的天线来发送新的数据的模式；
(b)使用未被请求数据重传的天线来发送要重传的数据，同时使用其它天线来发送新的数据的模式；
(c)使用未被请求数据重传的天线，且使用空间分集技术的空间-时间块编码进行数据重传的模式；以及
(d)使用所有可使用的天线，且使用空间-时间块编码进行数据重传的模式。
2.如权利要求1所述的重传方法，其中，在所述数据流确定步骤中，还包括：
对每个发送天线存储较长期间的自动重传请求统计，并使用所述较长期间的自动重传请求统计信息进行链路自适应技术的决定。
3.如权利要求2所述的重传方法，其中，所述链路自适应技术包括自适应调制、编码、以及功率控制。
4.如权利要求1所述的重传方法，其中，重传时采用更高阶的调制，以便提高重传数据速率。
5.如权利要求1所述的重传方法，其中，在重传中使用不同的交织模式的组合来使正交频分复用副载波间的衰落差以及随机性的效果平衡。
6.一种用于使用正交频分复用的多输入多输出通信系统中的自动重传请求控制系统，包括接收装置和发送装置：
接收装置具有：
循环冗余校验处理单元，对于发送装置的每根发送天线，对从所述发送装置接收到的数据进行循环冗余校验；以及
肯定应答/否定应答输出单元，根据所述循环冗余校验的结果，将肯定应答或否定应答的反馈信息发送给所述发送装置；
所述发送装置具有：
差错数据流检测单元，根据所述反馈信息确定需要重传的数据流；以及
重传模式选择单元，选择用于重传否定应答的反馈信息的数据的重传模式；其中，
所述重传模式选择单元从以下的重传模式中选择重传模式：
(a)使用与上一次发送相同的天线来发送要重传的数据，同时使用未被请求数据重传的天线来发送新的数据的模式；
(b)使用未被请求数据重传的天线来发送要重传的数据，同时使用其它天线来发送新的数据的模式；
(c)使用未被请求数据重传的天线，且使用空间分集技术的空间-时间块编码进行数据重传的模式；以及
(d)使用所有可使用的天线，且使用空间-时间块编码进行数据重传的模式。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述发送装置还包括：
肯定应答/否定应答接收单元，接收从接收装置反馈的自动重传请求信息；以及
差错数据流检测单元，收集对由所述肯定应答/否定应答接收单元得到的自动重传请求进行的较长期间的统计。
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