CN102437906B

CN102437906B - 应用于sc-fde基带系统harq通信方式的设计方法

Info

Publication number: CN102437906B
Application number: CN2012100197805A
Authority: CN
Inventors: 马天鸣; 施玉松; 李凤荣; 徐立洲; 高丹; 王营冠; 张唯易
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai new Micro Technology Development Co., Ltd.
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2032-01-20
Also published as: CN102437906A

Abstract

本发明涉及一种单载波频率均衡基带系统混合自动重传请求通信方式的设计方法，其特征在于在普通单载波频率均衡基带系统前向纠错通信方式的前提下，分析了它的不足之处，接着结合HARQ相关的技术原理，以一个超帧作为一个单位，将每一帧数据信息传至接收端的信道解码处加以判断，如果出现纠不了的错误，则在下一个时刻执行重传刚才数据的指令，否则不必重传数据，继续进行下一帧的传输。实际表明，这种SC-FDE结合HARQ技术的系统设计方案以适量降低系统吞吐量作为代价，换取了系统的更低的误码率，使得接收到的数据变得更为准确。

Description

应用于SC-FDE基带系统HARQ通信方式的设计方法

技术领域

本发明涉及一种在HARQ(Hybrid automatic repeat-request，混合自动重传请求)通信方式下单载波频率均衡基带系统的工作原理的设计方案；更确切地说本发明涉及一种应用于单载波频率均衡(Single Carrier Frequency-DomainEqualization，SC-FDE)基带系统HARQ通信方式的设计方法。

背景技术

未来通信系统是一个高速率、大容量系统，如何在无线衰落信道下可靠地传输高速业务，这对无线传输链路技术提出了很大的挑战，这种挑战使得人们努力开发高效的编码调制以及信号处理技术来提高无线频率的使用效率。

在对抗多径衰落方面，基本的传输技术可以分为多载波和单载波两大类。在多载波传输技术中，最具代表性的是正交频分复用(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing，OFDM)技术，它通过快速傅里叶逆变换(InverseFast-Fourier-Transformation，IFFT)将原始的数据符号调制到正交的子载波上；在单载波技术中，需要在接收端采用均衡器来补偿码间串扰，均衡可以采用传统的时域滤波器，也可以在频域进行，相应的系统分别称为单载波时域均衡系统(Single Carrier Time-Domain Equalization，SC-TDE)和单载波频域均衡。单载波频域均衡系统结合了OFDM系统和单载波时域均衡系统的优点，在复杂度和系能折中方面优于后两者。因此近年来，单载波频域均衡的研究越来越多，并且在IEEE 802.16无线城域网中，将基于单载波频域均衡的传输方案纳入标准。

在信道编解码的过程中，通常有前向纠错(Forward Error Correction，FEC)和自动重传请求(Automatic Repeat-request，ARQ)两种基本的差错控制方法。前者的有效性好但编码效率低，后者可靠性好但实时性较差，两者各有千秋。当前的高速图传单载波频域均衡系统采用的是里所(Reed-solomon，RS)码和卷积码级联的信道编解码的FEC通信方式，具有较高的数据吞吐量，同时接收端在误码不多的情况下可以做到自行纠错。但在实际应用中信道情况是会随着天气以及周围环境而发生变化的，一旦传输信道变得恶劣时，当前的系统在接收端往往会出现较多的误码，这样必然使得信道解码部分无法正确纠错的概率大大增加，从而导致通信质量受到严重影响。因此有必要对原来的系统使用新的通信方式来进一步提高系统的误码率性能。

由于在ARQ系统中引入了FEC以后就形成了HARQ，它是一种结合FEC与ARQ两种方法优点的一种纠错技术，国外一些学者对此已有研究[Gang Wu，Mitsuhiko Mizuno，Kazumasa Taira，et al.A mixed channel access andhybrid ARQ method for wireless communication networks[C].InternationalConference on Universal Personal Communications，1995：707-712.][AdrishBanerjee，Daniel J.Costello Jr.，Thomas E.Fuja.Performance of hybrid ARQschemes using turbo trellis coded modulation for wireless channels[C].WirelessCommunications and Networking Confernce，2000：1025-1029.]。在HARQ中，发送端会发送具有一定冗余信息的数据，不仅能够检错，还具有一定的纠错能力。接收端译码器收到码字后，首先检查错误情况，如果在码的纠错能力以内，则自动进行纠错，这样就可以减少重传的频率，提高系统的吞吐量；如果检测出了不常见的错误且超出了码的纠错能力，则接收端给发送端一个判决信号，要求发送端重传信息而不是将这个不可靠的译码消息递交给用户，因此提高了系统的可靠性。目前的HARQ按性能可以分为三种：Type-IHARQ(又称为传统HARQ)、Type-II HARQ(又称为增加全部冗余HARQ)、Type-IIIHARQ(又称为增加部分冗余HARQ)。

HARQ的优势在于它避免了FEC方式需要复杂的译码设备和ARQ方式信息迟滞性的缺点，在可靠性和吞吐量方面都比ARQ要好，能使整个系统误码率很低，同时又能达到较高的传输效率。但HARQ也存在着它的不足之处：由于在发送端发送的数据要具备ARQ中所没有的一定的纠错能力，从而需要更多的校验位，这样便增加了每次传送甚至重传的开销。因此当信道差错率低时，采用HARQ(尤其是Type-I HARQ)获得的数据吞吐量会比相应的ARQ略微低些。本申请视图提供一种在HARQ通信方式下，将原先的FEC基带系统改进成为一种在HARQ通信方式下SC-FDE的基带系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于SC-FDE基带系统的HARQ通信方式的设计方法，亦即本发明结合HARQ的技术原理，将原来的FEC单载波频域均衡系统改进成为一个应用HARQ单载波频率均衡基带系统，给出了它的设计方案和工作原理。该系统进一步地改善了目前单载波频域均衡基带系统的误码率，以数据吞吐量的适量减少作为代价来换取系统更低的误码率性能。

所述的单载波频率均衡HARQ方式基带系统的设计方法，其大致包括以下两个方面：

1)通信方式和时隙的改变：这一步是本发明的基础。原来的系统采用的是单向传输FEC的单工通信方式，时隙结构为一个超帧(166.67ms)，其中包括32个小帧(每帧为5.08ms)和1个保护帧(0.94ms)；每个小帧的结构为“帧头+4×(1个导频符号+8个数据符号)+帧尾”，如图1所示。其中帧头是一串具有很强自相关特性的数组，具有很好的抗干扰作用，它是为接收端的同步模块服务的；中间的4个部分结构相同，其中导频符号是一组已知的数据，它是为接收端信道估计模块服务的，数据符号是系统所要传输的数据信息；帧尾是小帧之间的间隔。

现在为了将其改为HARQ的形式，必须要有反向链路专门用来回传信息，而实际系统中信道又只有一个，所以只能将系统的通信方式由单向通信修改为半双工通信，分为上行信道和下行信道，上行信道对应着1时隙，为一帧数据的正常传输时间，而下行信道对应着0时隙，为接收端发送回传请求信息的时间。所以相应的时隙结构也要修改成“一个短帧(0.78ms)+一个长帧(7.22ms)”的超帧形式，其结构如图2所示。长帧对应着上行信道时刻，在这一时刻，主要是数据处理端向用户端发送数据；短帧对应着下行信道时刻，在这一时刻，主要是用户端向数据处理端发送数据。这里长帧的结构与原来的小帧类似，只是在帧尾多增加了2.14ms的等待时间，因为每一帧必须等到信道解码全部完成了以后才能判断是否需要进行重传。

2)依HARQ在本系统中的工作原理：改变单载波频域均衡系统这是本发明的主体。图3给出了本发明所用的单载波频率均衡基带系统HARQ通信方式原理结构图。由图可见，单载波频域均衡系统和OFDM系统非常的类似，唯一的区别就在于将发射端的IFFT模块“搬移”到接收端FFT模块之后了。因此数据信息以频域的形式而不是时域的形式出现在信道中。这样处理有效地避免了OFDM系统频偏敏感和峰均比高这两大缺陷。

基带发射端发射一帧数据给接收端，接收端经过信道解码以后判断是否需要重传刚才的一帧信息，如果需要则在下行信道时刻向发射端发送重传请求指令，否则在下行信道时刻接收端不发送重传请求指令；而下行信道时刻发射端收到重传请求指令以后在上行信道时刻重发刚才一帧数据信息，否则发送下一帧的数据信息。

本发明涉及一种单载波频率均衡基带系统混合自动重传请求通信方式的设计方法，其特征在于在普通单载波频率均衡基带系统前向纠错通信方式的前提下，分析了它的不足之处，接着结合相关的技术原理，以一个超帧作为一个单位，将每一帧数据信息传至接收端的信道解码处加以判断，如果出现纠不了的错误，则在下一个时刻执行重传刚才数据的指令，否则不必重传数据，继续进行下一帧的传输。实际表明，这种结合技术的系统设计方案以适量降低系统吞吐量作为代价，换取了系统的更低的误码率，使得接收到的数据变得更为准确。

附图说明

图1是原来单载波频域均衡基带系统每个小帧的结构原理图。

图2是HARQ方式单载波频域均衡基带系统的一个超帧的结构原理图。

图3是单载波频率均衡HARQ方式基带系统的结构原理图。

图4是单载波频率均衡HARQ方式基带系统的工作原理图。

具体实施方式

HARQ方式单载波频域均衡基带系统是通过重传数据信息以及将发射端“组帧”部分和接收端“卸帧”部分的工作方式进行改变以及等增益合并来达到获得比原来系统更低的误码率性能的。

发射端组帧部分建立两个RAM，分别称为RAM I和RAM II，在组帧时，将该帧数据的前两个“1个导频符号+8个数据符号”保存在RAM I中，后两个“1个导频符号+8个数据符号”保存在RAM II中。同理，接收端卸帧部分同样建立两个RAM，分别为RAMIII和RAMIV，在卸帧时，将该帧数据前两个“1个导频符号+8个数据符号”保存在RAMIII中，后两个“1个导频符号+8个数据符号”保存在RAMIV中。

这里设置RAMI～RAMIV的目的是将一帧信息保存下来，以便后面需要重传时取出并采用另外的组合和还原方式。由于在执行重传帧信息时将原来的帧信息的组合方式进行了改变，这样经过D/A转换之后进入信道中，噪声和干扰对它的影响将会转移到与原来不同的位置，这样的话在接收端卸帧复原之后进行等增益合并就可以抵消部分原来一帧信息中某些严重干扰的数据信息，使得信道解码时变得可以正确纠错。

下面结合图3和图4来说明HARQ单载波频域均衡系统的工作原理：在下行信道时刻，基带发射端判断是否收到了接收端传来的重传请求信息？

1)如果没收到重传请求信息，则说明刚才传输的一帧信息不需要进行重传，因此这时发射端在上行信道时刻传输下一帧数据信息。此时发射端的“组帧”部分存入RAM I和RAM II的数据信息之后再按照顺序的方式进行组合(也就是I II的顺序)，接收端的“卸帧”部分将一帧信息按照顺序的方式进行还原后保存在RAMIII和RAMIV中，再进行后面的操作。

2)如果收到了重传请求信息，则说明刚才传输的一帧信息需要进行重传，因此这时发射端在上行信道时刻传输刚才的一帧数据信息。此时发射端的“组帧”部分将刚才存入RAM I和RAM II的数据信息按照逆序的方式进行组合(也就是II I的顺序)，接收端的“卸帧”部分将一帧信息按照逆序的方式进行还原，并且和刚才保存在RAMIII和RAMIV中的数据信息进行等增益合并，再进行后面的操作。

3)这里接收端在下行信道时刻是否需要向发射端发送重传请求信息的依据是接收端的信道解码时是否存在不可纠的误码。如果存在，则发送重传请求信息，否则就不必发送重传请求信息。但是有时在信道状况会极其恶劣时，即使采取重传刚才的一帧数据以后进行等增益合并的方式也不能消除信道解码之后的不可纠误码，此时如果继续发送重传请求信息，不但严重影响了数据的传输效率，而且还一直重复着传送原来的数据，很容易使得系统进入死循环。因此在判断出存在不可纠的误码之后，再继续判断该帧数据信息是否已经传送过了？如果已经传送过了，就直接将有误码的数据信息送至信宿，否则执行发送重传请求。这样的话每一帧的数据信息最多只重传一次，也就是最多只传送两次，就可以避免在信道较为恶劣时由于一帧数据重传次数过多而导致影响了系统的传输效率。

Claims

1.一种应用于SC-FDE基带系统HARQ通信方式的设计方法，其特征在于：

A.改变通信方式和时隙的改变

由反向链路用来回传信息，将系统的通信方式由单向通信修改为半双工通信，分为上行信道和下行信道，上行信道对应着1时隙，为一帧数据的正常传输时间，而下行信道对应着0时隙，为接收端发送回传请求信息的时间；相应的时隙结构修改成“一个短帧+一个长帧”的超帧形式；长帧对应着上行信道时刻，短帧对应着下行信道时刻；

B.单载波频域均衡系统的改变

所述的单载波频域均衡系统和OFDM系统相比，只是将发射端的IFFT模块移到接收端FFT模块之后，使数据信息以频域的形式而不是时域的形式出现在信道中；

C.所述的设计方法是以一个超帧作为一个单位，将每一帧数据信息传至接收端的信道解码处加以判断，如果出现纠不了的错误，则在下一个时刻执行重传刚才数据的指令，否则不必重传数据，继续进行下一帧的传输；

其中，SC-FDE中文意为单载波频率均衡；

OFDM中文意为正交频分复用；

HARQ中文意为混合自动重传请求。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于超帧形式中短帧时间为0.78ms，长帧时间为7.22ms。

3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于长帧这一时刻是数据处理端向用户端发送数据；短帧这一时刻是用户端向数据处理端发送数据。

4.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的长帧结构与原单载波频域均衡基带系统的小帧结构相比，只是在帧尾多增加了2.14ms的等待时间。

5.按权利要求1所述的方法，其特征在于基带发射端发射一帧数据给接收端，接收端经过信道解码以后判断是否需要重传刚才的一帧信息，如果需要则在下行信道时刻向发射端发送重传请求指令，否则在下行信道时刻接收端不发送重传请求指令；而下行信道时刻发射端收到重传请求指令以后在上行信道时刻重发刚才一帧数据信息，否则发送下一帧的数据信息。

6.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述的HARQ方式单载波频域均衡基带系统是通过重传数据信息以及将发射端“组帧”部分和接收端“卸帧”部分的工作方式进行改变以及等增益合并来达到获得比原来系统更低的误码率性能的。

7.按权利要求6所述的方法，其特征在于：

①发射端“组帧”部分建立两个RAM，分别为RAM Ⅰ和RAM Ⅱ，在组帧时，将该帧数据的前两个“1个导频符号+8个数据符号”保存在RAM Ⅰ中，后两个“1个导频符号+8个数据符号”保存在RAM Ⅱ中；

②接收端“卸帧”部分同样建立两个RAM，分别为RAM Ⅲ和RAM Ⅳ，在卸帧时，将该帧数据前两个“1个导频符号+8个数据符号”保存在RAM Ⅲ中，后两个“1个导频符号+8个数据符号”保存在RAM Ⅳ中；

设置RAM Ⅰ～RAM Ⅳ是将一帧信息保存下来，以便后面需要重传时取出并采用另外的组合和还原方式，在执行重传帧信息时将原来的帧信息的组合方式进行了改变，再经过D/A转换之后进入信道中，噪声和干扰对它的影响将会转移到与原来不同的位置，在接收端卸帧复原之后进行等增益合并就可以抵消部分原来一帧信息中某些严重干扰的数据信息，使得信道解码时变得可以正确纠错。

8.按权利要求1或7所述的方法，其特征在于：

a)如果没收到接收端传来的重传请求信息，则说明刚才传输的一帧信息不需要进行重传，因此这时发射端在上行信道时刻传输下一帧数据信息；此时发射端的“组帧”部分存入RAM Ⅰ和RAM Ⅱ的数据信息之后再按照RAM Ⅰ和RAM Ⅱ的顺序的方式进行组合，接收端的“卸帧”部分将一帧信息按照顺序的方式进行还原后保存在RAM Ⅲ和RAM Ⅳ中，再进行后面的操作；

b)在下行信道时刻如果收到了接收端传来的重传请求信息，则说明刚才传输的一帧信息需要进行重传，因此这时发射端在上行信道时刻传输刚才的一帧数据信息；此时发射端的“组帧”部分将刚才存入RAM Ⅰ和RAM Ⅱ的数据信息按照RAM Ⅰ和RAM Ⅱ的逆序的方式进行组合，接收端的“卸帧”部分将一帧信息按照逆序的方式进行还原，并且和刚才（a）保存在RAM Ⅲ和RAM Ⅳ中的数据信息进行等增益合并，再进行后面的操作；

c)接收端在下行信道时刻是否需要向发射端发送重传请求信息的依据是接收端的信道解码时是否存在不可纠的误码；如果存在，则发送重传请求信息，否则就不必发送重传请求信息，但是有时在信道状况会极其恶劣时，即使采取重传刚才的一帧数据以后进行等增益合并的方式也不能消除信道解码之后的不可纠误码，此时如果继续发送重传请求信息，不但严重影响了数据的传输效率，而且还一直重复着传送原来的数据，很容易使得系统进入死循环；因此在判断出存在不可纠的误码之后，再继续判断该帧数据信息是否已经传送过；如果已经传送过，就直接将有误码的数据信息送至信宿，否则执行发送重传请求。

9.按权利要求8所述的方法，其特征在于每一帧的数据信息最多只重传一次，也就是最多只传送两次，避免在信道较为恶劣时由于一帧数据重传次数过多而导致影响了系统的传输效率。