CN101505213A - 一种具有新型编译码器结构的自适应harq方案 - Google Patents

Abstract

公开了一种具有新型编译码器结构的自适应混合自动重传请求(HARQ)方法。该编码器利用两路递归卷积码编码器实现了卷积码和Turbo码的可选前向纠错码编码功能，该译码器则由两路最大后验概率(MAP)卷积码译码器实现了自适应译码功能。本方法可根据业务对时延敏感性的要求和反馈信息，自适应选择卷积码和Turbo码等编码方式以及不同的打孔方式，简化了自适应编码和译码的处理，由于编译码器的结构特点，节约了硬件资源和译码时间。

Description

一种具有新型编译码器结构的自适应HARQ方案

技术领域

本发明涉及无线通信系统的混合自动重传请求(HARQ：Hybrid AutomaticRepeat-reQuest)方案。

背景技术

无线通信系统的飞速发展对数据的传输速率与可靠性提出了更高的要求，下一代无线通信要求高速分组数据业务要求误码率达到10^-6或更低，因此具有一定纠错能力的纠错码被用来提供一定范围内的差错保护。

从GSM系统、基于IS-95的窄带CDMA系统到W-CDMA系统，卷积编码一直作为一种有效的前向纠错码得到广泛的应用。1988年Joachim Hagenauer首次提出了码率匹配打孔卷积码(RCPC码)的概念。所谓RCPC码就是将卷积码编码后的码字经过一个删除矩阵，得到需要的码率。删除矩阵的不同，能够得到不同码率的码字。这样，就能够实现调整码率的要求。RCPC码很好地解决了码率可变的问题。不过由于卷积码本身的纠错能力不强，在卷积码基础上删除的RCPC码并没有得到大规模的应用。

直到1993年，法国人C.Berrou等人提出了Turbo码的并行级联卷积码具有接近Shannon极限优异性能，但是其级联方式使得Turbo码的码率降低，这对于带宽资源紧张的无线通信系统来说不合适。为了使Turbo码能够更好的适用于无线通信中，人们利用RCPC码的思想，改造Turbo码形成了码率匹配截短Turbo码(RCPT码)，使它也能够根据信道状况调整码率。RCPT码在Turbo码的基础上，增加了一个删除矩阵。这个删除矩阵能够根据需要而变化，产生不同码率的码字。这样，RCPT码既能够得到比较好的纠错能力，也能够调整码率适应信道的变化，因此，RCPT码在无线通信中的应用越来越广泛。RCPC码和RCPT在结构上有相似之处，但是在编码器结构，译码方式还有很大的区别。

Turbo码由两路循环递归系统卷积码编码器通过一个交织器并行级联而成，其译码采用基于符号错误概率最小准则的最大后验概率算法(MAP)。其译码器由两个相互级联并带有反馈结构的软输入/软输出子译码器组成，交织器与编码器中的交织器相同。两级译码器间由交织或解交织结构相互隔离，可多次迭代在两级译码器间相互传递有效信息流，不断增大MAP算法的判决可靠性。当迭代循环到一定程度时即可进行解码硬判输出。而卷积码的译码之需要一路的MAP译码即可。

RCPT码虽然有很好的抗误码性能，但是也可能因为删除的比特太多或信道条件由于深衰落、多径干扰而恶化而使误码率达不到要求，因而必须引入有效的差错控制技术，以实现高速数据的可靠通信，进而保证服务质量的要求。因此，结合了前向纠错编码(FEC)和自动重复请求(ARQ)机制的混合自动重传请求(HARQ)技术引起了大家的关注。目前，HARQ技术在WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA等第三代移动通信系统中被广泛采用。

HARQ与传统ARQ技术区别是接收端译码错误时并不丢弃错误数据块，而是与重传数据进行合并译码，从而获得更高的译码可靠性和系统通过率。3GPP建议了3种基本的HARQ类型：I型HARQ中，发射机重传时发送相同的数据块，所需的接收端缓存较小，采用Chase合并多次重传数据帧；II型HARQ中，重传时，发送端将只发送新的校验比特，通常我们也称这种方案为全递增冗余(IR)方案；III型HARQ中，重传时既发送信息比特，也发送校验比特，重传数据帧能进行自解码。II型，III型HARQ都可以通过使用RCPC码或RCPT码很方便地实现。

发明内容

本发明提出一种具有新型编译码器结构的自适应HARQ方案。本方案可根据业务对时延敏感性的要求和反馈信息，自适应选择不同的打孔方式和编码方式，由于混合编译码器的结构特点，实现自适应编译码过程简单。此发明在保证通信系统吞吐量的前提下，节约了硬件实现的资源，降低了成本。

该发明根据时延敏感性，发送新帧采取两种不同的机制：

如果针对非时延敏感系统，则本发明发送新帧的传输模式为未编码模式。发送端采用本发明提出的编码器进行编码，该编码器可以支持未编码，卷积码和Turbo码。首先发送端以未编码方式发送，在接收端接收数据后解调出软信息，因为这时是未编码的信息，所以软信息可以直接判决。判决后的信息通过CRC检测，若检测无误，则发送ACK，发送端继续发送新帧；若检测有误，则发送端编码器的第一路递归卷积码编码器工作，发送端以递增冗余的方式发送卷积编码后的部分校验位，接收端译码器的第一路MAP卷积码译码器工作，如果检测正确，则发送端发送新帧。如果检测仍有误，则发送端继续发送卷积码的校验位。若卷积码的校验位发送完毕，接收端仍然得不到正确的数据帧信息，则编码器的第二路编码器工作，仍以递增冗余的方式发送Turbo码译码所需的另一路校验位，接收端将接收到的此路校验信息和之前发送的第一路校验信息合并起来，译码器的两路MAP译码器同时工作，实现Turbo码的串行迭代MAP译码器译码。如果Turbo码的校验位发送完毕仍然无法正确译码，那么发送端以III型HARQ的方式发送卷积码或Turbo码，如果仍然不能正确译码，那么发送方式以上述的递增冗余卷积码或Turbo码的方式发送。

如果针对时延敏感的系统，新帧的第一次传输模式由发送前的若干数据帧的平均传输模式总数对应的传输方式来决定，后续操作过程与非时延敏感系统相同。

本发明的有益效果在于，编码器和译码器分别由两路递归卷积码编码器和两路MAP卷积码编码器构成，其资源与一套Turbo编译码器相当，但同时实现了卷积码和Turbo码的功能，从而节约了自适应编码器硬件所需的资源，降低了成本。在本发明的自适应编译码方案中，若选择Turbo码，发送端只需让第二路卷积码工作，发送相应的校验位，接收端也只需将接收的第二路校验位和先前接收到第一路校验位合并即可做Turbo码译码，从而减少了卷积码分量编译码器工作量，也就是简化了自适应编码和译码的处理。本发明所提出的这种HARQ机制可以很好的适用于时延敏感和不敏感的数据业务传输，在时延敏感的系统中可以利用先前传送的数据帧的平均传输模式值估计信道信息，自适应选择此次的传输模式值降低了重传次数与时延；在时延不敏感的系统中第一次传输总是选择最小的传输模式值可以最大化吞吐量，减少冗余信息的传输。

附图说明

图1示出了本发明提出的新型编码器结构图。

图2示出了本发明提出的新型译码器结构图。

图3示出了本发明提出的自适应HARQ方案的系统框图。

图4示出了本发明提出的自适应HARQ方案的流程图。

图5示出了本发明编码的冗余传输方式图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进行详细阐述。

图1示出了本发明提出的新型编码器结构图。该编码器可以同时支持未编码，卷积码和Turbo码。在本发明中，Step代表传输模式，Step＝1表示未编码模式，Step＝2～N(这里我们设N＝4)表示卷积码模式，Step＝5～M(这里我们设M＝8)表示Turbo码模式。

如果发送新帧，由当前的Step控制编码方式，删除矩阵为 $P=P_1+{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^i$ P_i(i表示当前的传输模式值，P_l代表传输模式为l的删除矩阵，见图5)。如果当前模式Step＝1，那么编码控制器则直接控制X_i进入第一路，将X_i直接传递给复用器，实现未编码模式；如果当前模式Step＝2～N，那么编码控制器就控制X_i进入第一，第二路，在第二路实现递归系统卷积码编码，编码后的卷积码经过删除矩阵P实现RCPC码，然后删除后的第二路编码产生的校验位Y_i送入复用器，实现所需的卷积码方式；如果当前Step＝5～M，那么编码控制器就控制X_i进入第一，第二，第三路，在第二路实现递归系统卷积码编码，在第三路先进行交织后再进行递归系统卷积码编码，经过删除矩阵P实现RCPT码，这样三路数据X_i，Y_i，Z_i进入复用器进行复用。

如果重传数据帧，由于接收端已经有了信息位或部分校验位，那么发送方就不需要进行完整的编码了，只需要根据Step的控制完成相应的编码和删除就可以实现要求的编码方式，卷积码或Turbo码，所以编码控制器的控制方式与发送新帧不同。如果当前Step＝2～N时，编码控制器则控制X_i进入第二路递归系统卷积码编码，然后将编码后的校验位Y_i按此时的传输模式值对应的删除矩阵删除后送入复用器，复用器将校验位送入发射机以全递增冗余的方式发送；如果当前Step＝5～M时，编码控制器则控制X_i进入第三路先交织在送入递归系统卷积码编码，然后将编码后的校验位Z_i按此时的传输模式值对应的删除矩阵的删除后送入复用器，复用器将校验位送入发射机以递增冗余的方式发送。

这里，X_i对应信息比特，Y_i对应第二路卷积码编码后的校验位，Z_i对应第三路交织后的卷积码编码后的校验位。

图2示出了本发明提出的新型译码器结构图。与我们设计的新型编码器结构对应，如果是未编码，则直接输出；如果是卷积编码就输入第一路MAP译码器译码；如果是Turbo编码，就按照传统Turbo译码的两路MAP译码器进行迭代译码。

图3示出了本发明提出的自适应HARQ方案的系统框图。该发明系统以单天线为例，多普勒频移为90Hz，调制方式为BPSK。系统对时延敏感性的要求有两种不同的机制，如果针对时延敏感的系统，则本发明发送新帧的传输模式为新帧传输前的相干时间内数据帧数的平均传输模式数，如果针对非时延敏感系统，则本发明发送新帧以Step＝1的方式发送。

发送数据首先经过CRC编码，编码后的数据再经过本发明提出的新型编码器，该编码器可以支持未编码，卷积码和Turbo码，发送端由传输模式值Step决定的编码方式进行编码，编码后的数据先存储在存储器中以备重传时使用，然后，将发送数据经过调制后送往发射机，设定发送天线数和接收天线数都为1。本发明也可以运用到多天线系统中。

接收端接收信号后先解调得到软信息，软信息根据当前Step的值选择相适应的解码方式，如果Step＝1，采用的是未编码的系统，那么软信息可以直接判决；如果Step＝2～N，采用的是卷积码的系统，那么软信息就进入一路MAP译码器，进行卷积码译码；如果Step＝5～M，采用的是Turbo码系统，那么软信息就进入Turbo码的串行迭代MAP译码器，进行迭代译码。译码后的信息通过CRC检测，如检测无误，则发送ACK，发送端继续发送新帧，如检测有误，则更新传输模式(即Step增大一个)，向发送端发送NACK。发送端根据反馈的信息，相应更新Step值，选择相对应的编码方式，并以全递增冗余的方式发送编码后的部分校验位，接收端接收到部分校验位与先前接收的校验位合并后以Turbo码的串行迭代MAP译码器译码，如果检测正确，则发送端发送新帧，如果检测有误，则发送端则继续更新传输模式(即Step增大一个)发送校验位直到该编码方式的校验位发送完毕，如仍然检测有误，则发送端本发明提出的新型编码器则更新后的Step决定的编码，仍以全递增冗余的方式发送校验位，接收端接收到这部分校验位与先前接收的校验位合并后以Turbo码的串行迭代MAP译码器译码。如果所有的校验位发送完毕仍然无法正确译码，那么发送端以III型HARQ的方式发送1/2的卷积码或Turbo码，如果仍然不能正确译码，那么发送方式以上述的递增冗余卷积码或Turbo码的方式发送。

图4示出了本发明提出的自适应HARQ方案的流程图。该流程说明本发明的具体实施过程，从301开始，发送端开始发送新数据，在303中判断是否属于时延敏感系统，本发明对时延敏感和不敏感系统有不同的应对方式，如果针对时延敏感系统，那么在305中发送新帧的Step值，L设为前P帧的平均Step值(P的值大致接近相干时间内中可以发送的数据帧数)，这样可以有效地调整当前帧的编码方式，减少因重传引起的时延；如果针对非时延敏感系统，那么在307发送新帧是以Step值设为1，即为未编码方式发送。发送端采用本发明提出的新型编码器，该编码器可以支持未编码，卷积码和Turbo码，接收端接收信号后解调出软信息值，在309中判断Step值。如果编码方式是未编码，那么在315对解调后的软信息直接判决，如果编码方式是卷积码，那么在317卷积译码器中对解调后的软信息进行MAP译码；如果编码方式是Turbo编码，那么在313Turbo译码器中对解调后的软信息进行迭代MAP译码。译码后的数据在319通过CRC检测，如检测无误，则发送ACK，发送端从303开始继续发送新帧，如检测有误，则根据设定在321中判断所有的校验比特是否都已经被重传(Step<M表示所有的校验比特还没有重传完毕，反之则表示所有的校验比特都已经重传完毕了)。如果校验比特没有传输完，那么在323中就设定需要重传的校验比特，以全递增冗余的方式进行重传，在327中合并重传的校验比特，降低了码速率后可以提高码的纠错能力；如果校验比特已经传输完毕，那么在329中重传的方式变为以可以自解码的III型HARQ的方式重传，重传的信息包括信息位和校验位，接收端在331中将接收端存储的数据信息和重传的数据信息作Chase合并后再译码。

图5示出了本发明的删除矩阵示意图。本发明所设置的冗余传输方式中，N＝4，M＝8，不同的Step对应不同的编码方式和删除方式。图中的删除矩阵是以3个比特为单位，以12个比特 $(X_i^1,Y_i^1,Z_i^1,X_i^2,Y_i^2,Z_i^2,X_i^3,Y_i^3{,Z}_i^3,X_i^4,Y_i^4,Z_i^4)$ 为周期，1代表保留该位，0代表删除该位。如图，Step＝1时表示保留

映射为未编码系统，不包含校验位，Step＝2～4时表示对新型编码器第二路的校验位进行删除和保留，Step＝5～8表示对新型编码器第三路的校验位进行删除和保留，其对应的编码速率也如图所示。图中的冗余传输方式在发送新帧和重传是有区别的，如果是传输新帧，删除矩阵就是 $P=P_1+{\mathrm{\&Sigma;}}_{l=1}^i{P}_l$ (P_l为Stepl对应的删除矩阵)，如Step＝3时，对应的删除矩阵为(110110110100)，表示保留的是

即为4/7的卷积码；如果是重传，那么Step控制编码器的方式如图1的说明，Step＝2～4，只对第二路编码后的校验位进行删除，接收端合并后实现了不同速率的卷积码，Step＝5～8，对第三路编码后的校验位进行删除，接收端合并后实现了不同速率的Turbo码。

Claims (6)

1、一种具有新型编译码器结构的自适应HARQ方案，其特征在于，根据当前双向信道的反馈信息和业务对时延敏感的要求，发射机仅利用一套编码器自适应选择卷积码和Turbo码等编码方式以及打孔方式，而接收机也仅利用一套译码器实现了相应码率的译码功能。

2、根据权利要求1所述的自适应HARQ方案的编码器，其特征在于，其编码器由两路递归卷积码编码器组成，实现了卷积码和Turbo码作为可选前向纠错码。

3、根据权利要求1所述的自适应HARQ方案的译码器，其特征在于，其译码器由两路MAP译码器组成，可以支持卷积码译码和Turbo码译码，卷积码系统只需要译码器中第一路分量MAP译码器译码，Turbo码系统则利用两路MAP译码器进行串行迭代译码。

4、根据权利要求1所述的自适应HARQ方案，其特征在于，如果发射机接收到肯定应答(ACK)信号，则继续发送新帧；如果发射机接收到否定应答(NACK)信号，则先以全递增冗余方式重传，直到所有的校验比特传输完毕，若仍然不能正确译码，则以III型HARQ方式重传直到超过重传门限为止。

5、根据权利要求4所述的全递增冗余重传方式，其特征在于，发射机首先重传的是卷积码的校验比特，如果不能纠错，则继续重传Turbo码需要的校验比特，而且每增加一次重传次数，传输模式数(Step)增加一个，发射机记录当前的传输模式数。

6、根据权利要求4所述的发送新帧方案，其特征在于，根据数据业务是否对时延敏感，发射机采取不同方式发送新帧：如果对时延不敏感，那么新帧的传输方式是以未编码方式发送；如果对时延敏感，那么新帧的传输模式是在该帧传输前的若干发送数据帧的平均传输模式数。

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