CN101978639A - 无线中继网络中使用逐跳办法进行自动重复请求(arq)的技术 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例提供一种装置，包括：收发机，适于在逐跳(HbH)中继网络中使用并且配置成通过在该HbH中继网络的每一跳中偶联HARQ和ARQ反馈信令来实现快速纠错并减少ARQ开销。
Description
背景
比如传输连接协议(TCP)和网际协议语音(VoIP(IP电话))等典型的因特网应用的性能经受着不可靠的无线通信的不利影响。业已表明，通过提高物理层(PHY)和链路层的通信可靠性能实现显著的性能增益。
自动重复请求(ARQ)是广泛使用的确保端对端通信可靠性的媒体接入控制(MAC)层协议。典型的实现包括诸如停等(Stop-and-Wait)以及回退N帧(Go-Back-N)ARQ之类的设计。
ARQ在其中不可靠的无线信道可能经常导致分组传输差错的无线网络中尤其有用。对于诸如TCP等流行的传输协议，一些差错或分组丢失若未得到纠正并传递到上面的传输层则将导致非常差的端对端性能。例如，在移动WiMAX系统(基于IEEE802.16e标准)中，在MAC层定义基于滑动窗的ARQ协议，以：
·确保可靠的分组递送；
·实现可任选的按序分组递送；以及
·防止任何物理层(PHY)反馈差错。
在下一代宽带无线网络中，中继网络是增强蜂窝小区覆盖和网络容量的有前景的解决方案。尽管效益显著，但是中继网络在网络协议设计方面提出了新的挑战。对于ARQ而言，重要的问题是ARQ应当实现为端对端(E2E)协议还是逐跳(HbH)协议。
本发明提出了对以上所阐述问题的解决方案以及对此问题的答案。
附图简述
本发明的主题内容在说明书的结论部分中特别指出并清楚地要求保护。然而，本发明关于组织和操作方法两者连同其目标、特征和优点一起可通过参考随附图阅读的以下详细描述来最好地理解，在附图中：
图1示出本发明的实施例的基于滑动窗的ARQ操作的示例；
图2示出本发明的实施例的ARQ滑动窗操作；
图3示出本发明的实施例的基础设施性中继网络中的端对端(E2E)和逐跳(HbH)ARQ；
图4示出本发明的实施例的在由HARQ生成的ACK之后ARQ处用于校正HARQ反馈差错的额外缓冲；
图5描绘了本发明的实施例的用于实现HARQ/ARQ偶联和中继部署的经修改ARQ(发射机)状态机；
图6示出本发明的实施例的HbH ARQ操作；
图7示出本发明的实施例的当在每一跳实现按序递送时，ARQ反馈延迟定时器和ARQ重试超时定时器在每一跳皆相同；
图8示出本发明的实施例的不进行每跳重排序的HbH ARQ；以及
图9示出本发明的实施例的按序递送的混合情形，其中在到达此选项为ON(开)的跳跃时定时器被复位成小值。
将领会，出于简单和清楚例示的目的，附图中示出的要素不一定按比例绘制。例如，一些要素的尺寸出于清楚的目的相对于其他要素被放大。进一步，在认为恰适之处，附图标记在诸附图当中被重复以指示对应或相似的要素。
详细描述
在以下详细描述中，将阐述众多特定细节来提供对本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，没有这些具体细节也可实践本发明。在其他情形中，众所周知的方法、程序、组件和/或电路并未进行详细描述以免混淆本发明。
本发明的实施例可用在各种各样的应用中。本发明的一些实施例可联合各种设备和系统来使用，例如发射机、接收机、收发机、发射机-接收机、无线通信站、无线通信设备、无线接入点(AP)、调制解调器、无线调制解调器、个人计算机(PC)、台式计算机、移动计算机、膝上型计算机、笔记本计算机、平板计算机、服务器计算机、手持计算机、手持设备、个人数字助理(PDA)设备或手持PDA设备。
虽然本发明的各实施例在此方面不受限，但是利用比如“处理”、“计算”、“运算”、“确定”、“建立”、“分析”、“检查”或类似术语的讨论可指计算机、计算平台、计算系统、或其他电子计算设备的一个或多个操作和/或过程，其将计算机寄存器和/或存储器内的表示为物理(例如电子)量的数据处理和/或转换为计算机寄存器和/或存储器或可存储用以执行操作和/或过程的指令的其他信息存储介质内的类似地表示为物理量的其他数据。
虽然本发明的各实施例在此方面不受限，但是如本文中使用的术语“复数”和“多个”可包括例如“多重”或“两个或更多”。术语“复数”或者“多个”可贯穿整个说明书被用来描述两个或更多个组件、设备、元件、单元、参数、或类似物。例如，“多个站”可包括两个或更多个站。
混合自动重复请求(ARQ)即HARQ是通信系统PHY层要增强纠错和频谱效率所“必不可少的”。另一方面，ARQ仍要保留在任何通信系统中且不能被HARQ取代。在设计无线网络时必须考虑它们的交互。
作为有前景的部署模型，无线中继提供许多效益，诸如更好的覆盖、更高的容量以及迅速的部署。电子电气工程师协会(IEEE)802.16m SRD将中继作为一个关键选项。在本上下文中，应如何设计ARQ连同HARQ在以下每个方面对于系统性能都是至关紧要的：链路可靠性、频谱效率、分组延迟和移交性能等。
本发明的实施例提供了在HbH ARQ设计中允许HARQ-ARQ偶联的非常重要的特征。这提供了最快的差错恢复并且使ARQ反馈开销最小化。此外，在本发明的一些实施例中提供了所有现有研究中都缺失的ARQ关键功能之一即“按序分组递送”。本发明的实施例还提供了最完整且最高技术水平的ARQ状态机，其不仅覆盖HbH ARQ，且还覆盖中继网络中的HARQ-ARQ偶联和潜在可能的移交。
现在转到图1，100处为本发明的实施例的操作示图，其中在105进行ARQ传送并且在110进行ARQ接收。ARQ反馈延迟115是接收机(RX)110侧在发送反馈之前等待的时间。该定时器需要容纳若干传输的延迟(用于减少反馈开销)加上由于调度造成的延迟波动。ARQ重试超时120是若未曾接收到反馈则在发射机(TX)105侧触发自动重传的定时器。该定时器需要比ARQ反馈延迟115大几倍以容纳往返延迟的波动。
现在转到图2，200处为本发明的实施例的示出分片/重组以及按序递送的ARQ滑动窗操作的例示，其中ARQ按固定大小的块来管理其窗口。210示出窗口开始，205是预期的，而215是最后接收到的。因此，来自较高层的IP分组，也称为服务数据单元(SDU)，可被分片并在不同时间传送。例如，MAC分组#1、#2和#3可来自相同的SDU。只有当所有块(#1、#2和#3中的那些块)都被正确递送时，该SDU才会被传递到较高层。
ARQ也可启用按序递送选项，其中ARQ的滑动窗不递送成功接收的MAC分组，除非该滑动窗中所有的先前分组已被递送。
如上所述，在下一代宽带无线网络中，中继网络是增强蜂窝小区覆盖和网络容量的有前景的解决方案。尽管效益显著，但是中继网络在网络协议设计方面提出了新的挑战。对于ARQ而言，引起关注的问题是ARQ应当实现为端对端(E2E)协议还是逐跳(HbH)协议。
现在看图3，其为本发明的实施例的基础设施性中继网络中的端对端(E2E)ARQ 305和逐跳(HbH)ARQ 310的例示。如图3中所示，中继站(RS)对于E2E ARQ 305而言是透明的。所有ARQ状态都在基站(BS)和移动站(MS)处维护。任何信令和重传也将例如以E2E方式发生在基站(BS)与移动站(MS)之间。在310处示出选项2：HbH ARQ。
现在看图4，在400处示出了本发明的实施例的在由HARQ生成的ACK之后ARQ处用于校正HARQ反馈差错的额外缓冲405，额外缓冲405在窗口开始412、预期的415和最后接收到的420之前。本发明的实施例可包含以下要素：
·偶联的HbH ARQ-HARQ操作；
·经修改的HbH ARQ状态机和协议设计；
·用于HbH ARQ的优化配置；
·偶联HbH ARQ-HARQ操作；以及
·在HbH ARQ实现的情况下维持E2E可靠性。
本申请的发明人先前已提供了用于在常规802.16WiMAX网络中偶联ARQ/HARQ操作的机制。偶联HARQ将处置大部分纠错，而ARQ将处置残留HARQ差错、HARQ反馈差错以及按序分组递送。本发明的实施例可在中继网络中使用该相同的技术。在中继网络中，每一跳被当作常规网络中的等效“链路”。在物理层(PHY)，每一跳独立于其他各跳地执行HARQ。除HARQ之外，ARQ可与每跳HARQ偶联并为该跳提供额外的可靠性、HARQ反馈差错保护以及可任选的按序递送。
在偶联HbH ARQ-HARQ时，有至少两项直接效益。第一项效益是ARQ反馈开销减少，就像在常规网络中那样。ARQ反馈不是必需的，除非检测到HARQ反馈差错。第二项效益是纠错更快。只要检测到由于最大数目次重传之后的残留差错或由于HARQ反馈差错造成的PHY层HARQ差错，就能立即触发ARQ反馈。在非偶联HARQ/ARQ的情形中，ARQ反馈是由定时器触发的，该定时器的值被保守地设置成容纳由于HARQ重传造成的延迟波动。由于非偶联操作造成的额外延迟可能很大，在其中HARQ重传间隔取决于调度而非固定的异步HARQ实现中尤其如此。这些效益存在于常规网络中并且在中继网络中甚至更显著。
注意，需要维护如图4中所示的“接着清除(next-to purge)”410那样的新指针。在HARQ/ARQ偶联之后，ARQ将继续保持缓冲得到确认的数据达一定时间，以防最后的HARQ ACK(以及后续隐含的ARQ ACK)实为差错。此额外缓冲时间允许检测到此类差错的ARQ RX生成也被称为E2E ARQ反馈的(真正)ARQ反馈并确保该分组被重传。注意，此额外缓冲将不超过非偶联情形的缓冲要求。
转到图5，其提供了本发明的实施例的用于实现HARQ/ARQ偶联和中继部署的经修改ARQ(发射机)状态机的描绘。图5描绘了以下状态：未发送510、未决515、丢弃525、等待重传520、被缓冲505和完成500。所提议的对现有单跳ARQ的改变可以如下：
·当块被局部地确认(ACK)时(有或无HARQ偶联的情况下)，增加新的“被缓冲”状态；
·区别不同的ACK(NACK)。HbH局部ARQ ACK或者由HARQ生成的ACK将导向“被缓冲”状态；
·在“被缓冲”状态，若有ARQ NACK(外部HbH ARQ NACK或E2EARQ NACK)到来，则此块回到“重传”状态；
·只有E2E ARQ ACK(直接来自端点接收方并传播回发送方)或针对“被缓冲”块触发的ARQ块清除才导向“完成”状态。ARQ块清除可以是从最小的端对端往返延迟到ARQ块寿命的任何范围。其最小值还应当确保，在有E2E ARQ NACK抵达的情形中，例如HO期间，所有相关ARQ状态仍存在且能被成功转移。
注意，HbH ARQ不要求HARQ/ARQ偶联。若未指定，则假定后续无HARQ/ARQ偶联。
在本发明的实施例中，ARQ窗应跨所有各跳维持一致，这意味着块序列号在任何给定跳跃将携带相同的含义(指向相同的数据块)。这是实现E2E可靠性的最简单实现，且本发明在这方面不受限定。因此，E2E ARQ反馈在任何给定跳跃都能被理解。在没有附加的资源重新映射的情况下，维护HbH ARQ状态的每一跳可根据ARQ活动来更新其状态机。否则，便要求每一跳维护关于活跃窗中所有块的映射，这在理论上可行但引起一定程度的额外复杂度。HbH ARQ要求每一跳，即BS-RS、RS-RS或RS-MS都维护ARQ状态并在需要的情况下执行重传。在HbH ARQ中有恰当的状态维护的情况下，E2E可靠性不仅不会被损害反而会增强。由于在HbH ARQ中所有各跳现在都能进行ARQ重传，因此E2E ARQ实际上是HbH ARQ的最差情形，其中所有中间各跳选择仅简单地将重传请求转发回原始TX。
看图6，600处为本发明的实施例的HbH ARQ操作的例示。如图6中所示，当数据传输或反馈出错时(610)，将经由局部重传来实现纠错。与E2E ARQ相比，重传延迟将大致为m，其中m为网络中的跳数，这比HbH ARQ要大几倍。
类似地，若考虑发生差错时的重传开销，则可以表明HbH的重传开销也比E2E ARQ要少。假定差错发生在最后一跳RS-MS——其通常是最不可靠的链路，且该差错能由一次重传来校正，则HbH ARQ的重传开销仅为E2E ARQ中的重传开销的1/m。若校正该差错要n次重传，则从HbH节省的开销将非常显著。
若没有HARQ/ARQ偶联，则反馈开销620将是相当大的。HbH ARQ在每一跳都有反馈。E2E ARQ具有通过跨所有各跳进行中继的一次反馈。然而，具有HARQ/ARQ偶联的HbH ARQ将显著减少反馈开销，其中仅在HARQ反馈出错时才需要ARQ反馈传输，这发生的概率非常小。反馈开销节省在100(l-p)％的数量级，即HARQ反馈信道越可靠，HbH ARQ的反馈开销上节省得就越多。
现在转到图7，700处示出本发明的实施例的当在每一跳实现按序递送时，ARQ反馈延迟定时器和ARQ重试超时定时器在每一跳皆相同。
HbH ARQ要求恰当的配置才能在中继网络中恰当且高效率地工作。
按序分组递送：在有可能发生HARQ重传的情况下，抵达每一跳的分组可能是乱序的。例如，若分组#1、#2、...、#i在时间1在HARQ阵发1中传送但出错并被重传了几次，且终于在时间k被正确地接收。同时，分组#i、#i+1、...#k在时间2在HARQ阵发2中传送。则接收机处的接收次序将为#i+1、...、#k、#1、#2、...#i。按序分组递送将扣留分组#i+1、...、#k而不将它们递送到下一跳或较高层，直至所有先前分组也都被接收到。
当按序分组递送必需时，HbH ARQ有三个选项可用。在每一跳启用按序分组递送；或是仅在最后一跳启用按序分组递送；或是在所选各跳启用有序分组递送的混合办法。这些选项都是可行的且在不同情景下各有利弊。
·每跳按序递送。由于较晚的分组将等待所有先前分组，因此启用此选项将增大平均端对端分组延迟。幸运的是，由于i)大多数BS-RS链路通常良好并且出错概率很小，即HARQ重传较少；以及ii)少数HARQ重传大多数情况下仍比调度/发送下一个HARQ阵发更快，因此根据模拟，平均延迟的增大是微乎其微的。另一方面，每跳重排序有助于消除分组抵达延迟抖动并且往往在端对端分组延迟上呈现较小的方差。较小方差有时是高层协议期望的性质。注意，在每跳按序递送情况下，所有ARQ相关定时器跨所有各跳可在相同的数量级，因为它们只需要处置1跳的延迟波动。
图8在800处一般性地示出本发明的实施例的不进行每跳重排序的HbHARQ。仅在最后接收机处启用最后一跳按序递送，例如在下行链路中该最后接收机为MS，而在上行链路中该最后接收机为BS。此办法使平均端对端延迟最小化，因为在不同时间传送的分组不必等待彼此。然而，此办法造成端对端分组延迟上有很大方差，因为每一跳的波动累加在一起。还需要审慎地设计ARQ重试超时和ARQ反馈延迟以避免过早的重传/反馈。沿着路线在给定跳跃i处，这些定时器必须足够大以处置从第1跳直至第i跳的平均延迟和集总延迟方差。结果，第i跳的ARQ定时器将大致为第1跳的ARQ定时器的i倍。与E2E ARQ相比，这仍将呈现较小的重传延迟，尤其是对于中间链路上的差错而言。
图9在900处一般性地示出本发明的实施例的按序递送的混合情形，其中在到达此选项为ON(开)的跳跃时定时器被复位成小值。在必要的情况下，可以选择在所选各跳启用这种按序递送的混和情形。合理的办法是在最后一跳(BS和MS)以及服务MS的最后RS处启用此按序递送的混和情形。因此，BS-最后RS和最后RS-MS两者都将具有按序分组递送。由于BS-RS链路通常有良好的质量，因此该办法对于平衡平均延迟和延迟方差而不损害快速差错恢复是有意义的。在这种情形中，沿着该路线，在开启按序分组递送的每一跳处，定时器设置将被减小回到小值。这种设置还允许在BS与RS之间的无线主干，诸如BS-RS之间的连接聚集上实现MAC效率协议以减少MAC开销。
ARQ外部反馈：如所述的，在HARQ反馈差错或HARQ残留分组差错的情况下，需要实际ARQ反馈(并非从HARQ反馈生成的隐式ARQ反馈)。在大多数时候，此类差错可被局部地校正，且因此这些“外部”ARQ反馈默认仅在局部跳跃上传送，且将不会传播到该路线下游的其他各跳，因为这将引起额外的开销。
在一些情形中，外部ARQ反馈可沿该路线传播到所有各跳。在外部ARQACK传播的情形中，它能沿着该路线一路释放不必要的缓冲直至回到原始TX。可能有不同的原因要求传播外部ARQ NACK。一个示例是在其局部跳跃处不能重传或校正的分组差错，这可能是由于局部TX过早地清除了缓冲。能重传相应数据的最早跳跃或原始TX发起重传并尝试校正该差错。所有下游各跳将相应地更新其ARQ状态。当中间跳跃触发此重传时，取决于实现来确定此外部ARQ NACK是否将继续在上游朝原始TX传播。另一示例是在(两个中继站或两个不同蜂窝小区之间的)移交期间，传播的ARQ NACK使得能在服务和目标RS或BS之间进行ARQ上下文转移。若移交发生在共享共同的根RS的两个RS之间，则HbH ARQ允许此类上下文转移在牵涉最小数目的RS的情况下发生。这对于在HO期间在不损害数据E2E可靠性的情况下减少系统开销而言是尤其有用的。
尽管本发明的某些特征已在本文中示出并描述，但本领域技术人员可想出许多修改、替换、改变和等效。因此将理解，所附权利要求旨在涵盖落入本发明的真实精神内的所有这些修改和改变。
Claims (20)
1.一种装置，包括：
收发机，适于在逐跳(HbH)中继网络中使用并且配置成通过在所述HbH中继网络的每一跳中偶联HARQ和ARQ反馈信令来减少ARQ开销。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，每一跳被当作常规网络中的等效链路。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在物理层(PHY)，每一跳独立于其他各跳地执行HARQ。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，除HARQ之外，ARQ与每跳HARQ偶联从而为该跳提供额外的可靠性、HARQ反馈差错保护以及可任选的按序递送。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括以“接着清除”的形式维护的指针，其中在HARQ/ARQ偶联之后，ARQ将继续保持缓冲得到确认的数据达一段时间以防最后HARQ ACK和后续隐含的ARQ ACK实为差错，且其中所述额外的缓冲时间允许检测到此类差错的ARQ接收机生成ARQ反馈并使分组被重传。
6.一种装置，包括：
收发机，其配置成在无线中继网络中使用逐跳办法来进行自动重复请求(ARQ)，其中所述收发机在块被局部地确认时使用被缓冲状态，并且其中不同的ACK/NACK被区别开来以使得逐跳(HbH)局部ARQ ACK或由HARQ生成的ACK将导向所述被缓冲状态，且在所述被缓冲状态中，若有ARQ NACK到来，则此传输中的块回到重传状态。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，只有直接来自端点接收方并传播回到发送方的端对端(E2E)ARQ ACK或针对被缓冲块触发的ARQ块清除才导向“完成”状态。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，ARQ块清除是从最小端对端往返延迟到ARQ块寿命的任何范围。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，跨所有各跳维持ARQ窗口一致。
10.一种装置，包括：
收发机，其配置成在无线中继网络中使用逐跳办法来进行自动重复请求(ARQ)，其中所述配置要求按序分组递送、最后一跳按序递送、或者按序分组递送或最后一跳按序递送与ARQ外部反馈的混合。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，还包括至少一个定时器，所述定时器大到足以处置从第一跳至最后一跳的平均延迟和集总延迟方差。
12.一种方法，包括：
通过在逐跳(HbH)中继网络的每一跳中偶联HARQ和ARQ反馈信令来减少所述HbH中继网络中的ARQ开销。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括将每一跳当作常规网络中的等效链路。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，在物理层(PHY)，每一跳独立于其他各跳地执行HARQ。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，除HARQ之外，ARQ与每跳HARQ偶联从而为该跳提供额外的可靠性、HARQ反馈差错保护以及可任选的按序递送。
16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括使用以“接着清除”形式维护的指针，其中在所述HARQ/ARQ偶联之后，所述ARQ将继续保持缓冲得到确认的数据达一段时间以防最后HARQ ACK和后续隐含的ARQACK实为差错，且其中所述额外的缓冲时间允许检测到此类差错的ARQ接收机生成ARQ反馈并使分组被重传。
17.一种方法，包括：
将收发机配置成在无线中继网络中使用逐跳办法来进行自动重复请求(ARQ)，其中所述收发机在块被局部地确认时使用被缓冲状态，并且其中不同的ACK/NACK被区分开来以使得逐跳(HbH)局部ARQ ACK或由HARQ生成的ACK将导向所述被缓冲状态，且在所述被缓冲状态中，若有ARQ NACK到来，则此传输中的块回到重传状态。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，只有直接来自端点接收方并传播回到发送方的端对端(E2E)ARQ ACK或针对被缓冲块触发的ARQ块清除才导向“完成”状态。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，ARQ块清除是从最小端对端往返延迟到ARQ块寿命的任何范围。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括跨所有各跳维持ARQ窗一致。
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