CN102684843B

CN102684843B - Type-II型HARQ重传系统中最优生成多项式的获取方法及应用该方法的重传系统

Info

Publication number: CN102684843B
Application number: CN201210185567.1A
Authority: CN
Inventors: 于启月; 杨堃; 孟维晓; 于洪涛; 陈雷
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2012-06-07
Filing date: 2012-06-07
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2032-06-07
Also published as: CN102684843A

Abstract

Type-II型HARQ重传系统中最优生成多项式的获取方法及应用该方法的重传系统，涉及Type-II型HARQ重传系统中最优生成多项式的获取方法及应用该方法的重传系统。它为了解决现有的HARQ重传系统抗干扰能力差问题。本发明的重传系统接收端接收到的码字在给定编码器约束长度下具有最大的自由距离，使用维特比译码时就用自由距离作为衡量码本抗干扰能力强弱的依据，当接收端采用维特比译码时，卷积码纠错能力是由其最大的最小自由距离决定的；在Type-II型HARQ系统中，每一次重传在接收端都会和原来码字合并成具有新码率的码字，相当于在发射端一次性发射具有新码率的码字。本发明适用于差错控制技术领域。

Description

Type-II型HARQ重传系统中最优生成多项式的获取方法及应用该方法的重传系统

技术领域

本发明涉及数字通信领域。

背景技术

随着无线通信蓬勃的发展，人们已经不再满足通过手持终端进行简单的语音通话，而是希望系统提供更加丰富多彩的多媒体业务，比如宽带游戏、网络电视、远程医疗、视频会议等。这些多媒体业务，对服务质量(Quality of Service,QoS)也提出了更高的要求。然而信息在信道传输过程中，不可避免受到信道(有线或无线)的影响而产生错误，降低了服务质量。因此如何降低差错概率、改善QoS，一直是人们关心的问题。

差错控制技术则为这一问题提供了基本的解决方法。目前，在数字通信系统中，利用纠错码或检错码进行差错控制的方式大致有以下几类：重传反馈方式(ARQ)，前向纠错方式(FEC)和混合自动重传技术(HARQ)。目前用于差错控制重传机制的HARQ常见的有三种，Type-I型HARQ，Type-II型HARQ和Type-III型HARQ。

Type-I型HARQ同时使用检错码和纠错码，接收端首先用信道译码来对接收到的信息数据包进行处理，如果信息数据包存在的错误图样在信道译码的纠错能力之内，信息数据包能够被正确译码。然后将正确译码之后的数据传送给高层，并通过反馈信道向发送端发送确认字符(Acknowledgement，ACK)，以指示发送端进行下一次传输。如果信息数据包中存在的错误图样超出了信道编码的纠错能力，那么信息数据包译码失败，接收端丢弃该信息数据包并向发送端发送否定应答信号(Negative Acknowledgement，NACK),要求重传。发送端发送相同的信息数据包，接收端收到信息数据包之后进行与上次同样的译码过程，直到信息数据包被正确译码。一般的，接收端会设置最大允许传输次数，如果在达到上限前接收端仍然无法正确译码，这时接收端将做丢包处理。Type-I型HARQ的主要问题是，由于传输的冗余码长度固定，不能很好地适应信道变化。当信道条件好时，此时的信道传输通畅，不需要或者只需要很少的冗余码就可以用来实现纠错，所以固定的冗余码将会降低信道传输效率；而信道噪声或干扰很大时，固定的冗余码很可能使得信道的纠错能力不足，造成重传次数的增加，增加了系统时延和开销。

针对Type-I型HARQ的缺点，Type-II型HARQ系统不再以恒定的码率传输，而是根据信道当前的具体情况自适应调整码速率，并且在接收端利用数据合并的方式提高译码的准确性。目前主要有两种Type-II型HARQ，分别为CHASEType-II型HARQ和IRType-II型HARQ。CHASEType-II型HARQ，是指当信息数据包存在的错误图样超出信道译码的纠错能力时，接收端并不丢弃该信息数据包，而是将其缓存在接收端，并向发送端发送重传请求。然后发送端发送同样的信息数据包。每次发送的码字都是按同一固定值R的编码速率进行编码，若接收端收到N个均是由于重传请求而发送的数据包，这些数据包将被合并起来组成一个新码字，则这包数据的编码速率降到R/N。另一种为IR Type-II型HARQ，即发送端第一次发送的信息位中加入较少的冗余位，若接收端不能顺利纠错，第二次仅发送信道的冗余码信息，以增大冗余度降低编码速率，接收端将两次接收到的数据比特合并译码，可增大纠错能力。但需要注意，IR并不是每次重传都传同一个编码速率的数据包，而是根据前一次译码的结果决定下一次发送的码字的编码效率的，它的码率根据不同的规则而不同。但上述重传系统均无法有效的提高系统的抗干扰能力。

发明内容

本发明为了解决现有的现有的HARQ重传系统的抗干扰能力差的问题，从而提出了Type-II型HARQ重传系统中最优生成多项式的获取方法Type-II型HARQ重传系统中最优生成多项式的获取方法及应用该方法的重传系统。

本发明所述的Type-II型HARQ重传系统中最优生成多项式的获取方法为：

步骤一、发送端接收到信源，发送端的信源编码器将信源进行编码得到信息序列u(D)；

步骤二、发送端的信道编码器将信息序列u(D)与信道编码器卷积码G_i(D)进行卷积得到码本集合c_i(D),

步骤三、逐一计算码本集合c_i(D)中每个码字的码重，取该码本集合中的最小码重，根据该最小码重对应的卷积码G_i(D)生成多项式的自由距离；

步骤四、取卷积码G_i(D)生成多项式的自由距离中具有最大的最小自由距离对应的一个或多个卷积码生成多项式G_i；

步骤五、逐一判断步骤四获得的生成多项式G_i是否为非恶性卷积码，判断为是，则该生成多项式G_i为最优生成多项式，每个最优生成多项式对应一个c_i(D)；判断为否，则该生成多项式G_i为恶性卷积码，

其中，D表示信源编码器中移存器的一个存储单元的单位时延；G_i(D)表示卷积码(n,k,m)生成的多项式；卷积码(n,k,m)表示信道编辑器输入的k个信息元经过m个寄存单元输出n个信息元；c_i(D)＝u(D)*G_i(D)，i＝0,1,…,n，

在相同约束长度下，在上一次传输生成多项式固定的条件下，重传的生成多项式和已传输的生成多项式结合成具有最优的最大的最小自由距离的生成多项式。

基于Type-II型HARQ重传系统中最优生成多项式的获取方法的Type-II型HARQ重传系统，在Type-II型HARQ系统中，第一次传输发送端使用Type-II型HARQ重传系统中最优生成多项式的获取方法得到具有最优的最大的最小自由距离的生成多项式，发送端将第一次传输的具有最优的最大的最小自由距离的生成多项式与信息序列进行卷积得到的码字通过信道发送至接收端，接收端的信道译码器采用维特比对第一次接收到的码字进行译码，接收端允许发送端重传信源的次数为N，接收端判断接收码字存在的错误图样是否在信道译码纠错能力范围之内，如果该码字存在的错误图样在信道译码纠错能力范围之内，码字能够被正确译码，接收端通过反馈信道向发送端发送确认字符ACK，接收端发送下一段信息序列；如果该码字存在的错误图样超出信道译码纠错能力范围，接收端译码失败，接收端通过反馈信道向发送端发送否定应答信号NACK,发送端则选择当前传输使用的生成多项式，使得其能和已传输的生成多项式结合成具有最优的最大的最小自由距离的生成多项式，发送端将该生成多项式与信息序列进行卷积得到码字，并通过信道重新发送至接收端，接收端将接收到的码字和此前接收到的码字合并为一个码字并进行译码，直到接收端重传信源的次数为N时，接收端无法正确译码，接收端放弃接受该段信息序列，其中，N为整数，N>0。

本发明的接收端的接收到的码字在给定编码器约束长度下具有最大的自由距离。而自由距离表征了卷积码生成所有序列间的差异程度，自由距离越大，抗干扰能力越大。

附图说明

图1为Type-II型HARQ重传系统中最优生成多项式的获取方法的方法流程图；图2为理论曲线和实际系统仿真性能曲线对比图，图中实线表示为理论曲线，虚线表示为仿真曲线，标示有▽的曲线表示第一次传输，标示有+的曲线表示第二次传输，标示有﹡的曲线表示第三次传输，标示有○的曲线表示第四次传输；图3为图2的局部放大图；图4为最优码非最优码性能仿真性能曲线对比图，图中实线表示为使用非最优码本传输，虚线表示使用最优码本传输，标示有▽的曲线表示第一次传输，标示有+的曲线表示第二次传输，标示有﹡的曲线表示第三次传输，标示有○的曲线表示第四次传输；图5为图4的局部放大图；图6为基于Type-II型HARQ重传系统中最优生成多项式的获取方法的Type-II型HARQ重传系统的工作原理图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的Type-II型HARQ重传系统中最优生成多项式的获取方法为：

步骤五、逐一判断步骤四获得的生成多项式G_i是否为非恶性卷积码，判断为是，则该生成多项式G_i为最优生成多项式，每个最优生成多项式对应一个c_i(D)；判断为否，则该生成多项式G_i为恶性卷积码，使用该码系统将会有很差的性能，发射端将不会采用这种卷积码生成多项式发送信息，

其中，D表示信源编码器中移存器的一个存储单元的单位时延；G_i(D)表示卷积码(n,k,m)生成的多项式；卷积码(n,k,m)表示信道编辑器输入的k个信息元经过m个寄存单元输出n个信息元；c_i(D)＝u(D)*G_i(D)，i＝0,1,…,n

具体实施方式二、本实施方式与具体实施方式一所述的Type-II型HARQ重传系统中最优生成多项式的获取方法的区别在于，步骤二中的发送端的信道编码器将信息序列u(D)与信道编码器卷积码G_i(D)进行卷积的具体步骤为：

信息序列u(D)的最大长度为l_max，信道编码器的卷积码(n,k,m)生成的多项式共有2^n(m+1)种，该序列第一位规定为1，则序列是从[10……0]到[11……1]共2^lmax-1种，对于每个生成多项式构成的信道编码器结构，将2^lmax-1种不同的信息序列u(D)依次输入信道编码器得到2^lmax-1个输出序列，即码本集合c_i(D)。

具体实施方式三、本实施方式与具体实施方式二所述的Type-II型HARQ重传系统中最优生成多项式的获取方法的区别在于，步骤五中逐一判断步骤四获得的生成多项式G_i是否为非恶性卷积码的具体步骤为：判断生成多项式G_i的状态图中的非零序列编码是否在图中出现环路、且编码输出全为零的情况，如果为是则对应的卷积码为恶性卷积码，如果为否则对应的卷积码为非恶性卷积码。

具体实施方式四、结合图6具体说明本实施方式，本实施方式所述的是基于具体实施方式一所述的Type-II型HARQ重传系统中最优生成多项式的获取方法的Type-II型HARQ重传系统，在Type-II型HARQ系统中，第一次传输发送端使用Type-II型HARQ重传系统中最优生成多项式的获取方法得到具有最优的最大的最小自由距离的生成多项式，发送端将第一次传输的具有最优的最大的最小自由距离的生成多项式与信息序列进行卷积得到的码字通过信道发送至接收端，接收端的信道译码器采用维特比对第一次接收到的码字进行译码，接收端允许发送端重传信源的次数为N，接收端判断接收码字存在的错误图样是否在信道译码纠错能力范围之内，如果该码字存在的错误图样在信道译码纠错能力范围之内，码字能够被正确译码，接收端通过反馈信道向发送端发送确认字符ACK，接收端发送下一段信息序列；如果该码字存在的错误图样超出信道译码纠错能力范围，接收端译码失败，接收端通过反馈信道向发送端发送否定应答信号NACK,发送端则选择当前传输使用的生成多项式，使得其能和已传输的生成多项式结合成具有最优的最大的最小自由距离的生成多项式，发送端将该生成多项式与信息序列进行卷积得到码字，并通过信道重新发送至接收端，接收端将接收到的码字和此前接收到的码字合并为一个码字并进行译码，直到接收端重传信源的次数为N时，接收端无法正确译码，接收端放弃接受该段信息序列，其中，N为整数，N>0。

当接收端采用维特比译码时，卷积码纠错能力是由其最大的最小自由距离决定的；与此同时，在Type-II型HARQ系统中，每一次重传在接收端都会和原来的码字合并成具有新码率的码字，相当于在发射端一次性发射具有新码率的码字。

本实施方式的码字集合具有以下特性：在相同约束长度下，第一次传输的生成多项式产生的码本具有最优的最大的最小自由距离。在上一次传输生成多项式固定的条件下，重传的生成多项式能和已传输的生成多项式结合成具有最优的最大的最小自由距离的生成多项式。

基于恶性码在状态图中的特性的判断恶性卷积码的基本算法为：

a、根据卷积码(n,k,m)组成的多项式构造一个状态矩阵，用来完全描述该卷积码编码结构：寄存器个数为m，则该状态矩阵包含寄存器2^m个状态，该状态矩阵对应每一状态对应的信息包括：输入为0时寄存器的下一状态、输入为0时编码器的编码输出、输入为1时寄存器的下一状态和输入为1时编码器的编码输出；

b、构造一个新的状态转移矩阵，追踪编码器全零输出时的状态转移情况；就是查找状态图中有没有零码重输出的环路。有的话是恶性码，要排除。

查找步骤a得到的状态矩阵中以下两项所对应的值：输入为0时编码器的编码输出和输入为1时编码器的编码输出，若其中任意一项编码输出为0，则将该项所对应寄存器的当前状态和下一状态作为一组记录存入新的状态转移矩阵中，其中状态0的自环除外，当上述查找过程结束时，状态转移矩阵也相应构造完毕，该矩阵包含若干组当前状态和对应的下一状态，且在状态转移的过程中编码输出为全0。

c、确定编码器的全零输出路径在状态图中是否能构成自环，其具体步骤为：

状态转移矩阵中每组转移信息包含全零输出的当前状态和下一状态，将每一组信息的当前状态作为全零路径的起点，对该组信息的下一状态进行如下操作：

1、查看是否和本组信息的当前状态相同，如果相同，构成非0状态的自环全零路径，此生成多项式对应的编码结构为恶性卷积码；如果不同，执行步骤2；

2、查看是否与其他组的当前状态相同，如果都不相同，则当前组不是构成环路的转移路径，可以从矩阵中删除，并对转移矩阵中下一组信息重新进行步骤2；如果其他组的当前状态与当前组的下一状态相同，执行步骤3；

3、步骤2得到的两组信息描述的状态转移构成一个全零路径，查看其是否构成自环，如果构成自环，则生成多项式对应的编码结构为恶性卷积码；如果不是自环，对此全零路径的末状态重新进行步骤1，直到该全零路径无法再扩展为止，若全零路径在扩展过程始终不构成环路，则该全零路径中包含的组均不是构成环路的转移路径，从矩阵中删除并对转移矩阵中剩余组信息重新进行步骤四1；

4、若对转移矩阵中每一组信息进行步骤四3过程中均没有构成环路，则此生成多项式G_i对应的编码结构为非恶性卷积码。

非恶性卷积码的获取方法的伪码描述如下述过程：

以接受端允许重传次数为四次，以发送端编码器结构为(n,1,m)卷积码为例，Type-II型HARQ重传系统的最优码本查找算法为：

e、确定第一次信道传输的最优码本；由卷积码(n,k,m)生成的多项式可知共有2^n(m+1)种可能，信息元u(D)序列的最大长度为l_max，该序列第一位规定为1，则序列是从[10……0]到[11……1]种可能，根据每个生成多项式构成的编码器结构，将上述序列依次输入编码器得到个输出序列，分别计算这个输出序列的码重，并取最小值G^J，即为对应该生成多项式的最大的最小自由距离；由所有生成多项式组合，可以得到对应的2^n(m+1)个自由距离，取其最大值，就是(n,1,m)卷积码的最大的最小自由距离。所对应的非恶性卷积码生成多项即为第一次传输的最优生成多项式。

f、确定第二次传输的最优码本。假设步骤e中找到的首次传输最优生成多项式为G^J。假设第二次传输所用的生成多项式为G^K。则在第二次传输后，对于接收端等效发送端一次发送生成多项式为[G^J G^K]的卷积码。同理对[G^J G^K]卷积码进行第一步操作，由于第一次传输的生成多项式G^J已经给定，则[G^J G^K]卷积码结构有2^m+1种可能性，从而得到对应的2^m+1个自由距离，取其最大值，就是在给定G^J条件下[G^J G^K]卷积码的最大的最小自由距离。所对应的非恶性卷积码生成多项中G^K即为第二次传输的最优生成多项式。

g、确定第三次传输的最优码本。假设上述步骤中找到的第一、二次传输最优生成多项式分别为G^J、G^K。假设第三次传输所用的生成多项式为G^L。则在第三次传输后，对于接收端等效发送端一次发送生成多项式为[G^J G^K G^L]的卷积码。同理对[G^J G^K G^L]卷积码进行第一步操作，由于第一、二次传输的生成多项式G^J、G^K已经给定，则[G^J G^K G^L]卷积码结构有2^m+1种可能性，从而得到对应的2^m+1个自由距离，取其最大值，就是在给定G^J、G^K条件下[G^J G^K G^L]卷积码的最大的最小自由距离。所对应的非恶性卷积码生成多项中G^L即为第三次传输的最优生成多项式。

h、确定第四次传输的最优码本。假设上述步骤中找到的第一、二、三次传输最优生成多项式分别为G^J、G^K、G^L。假设第四次传输所用的生成多项式为G^M。则在第四次传输后，对于接收端等效发送端一次发送生成多项式为[G^J G^K G^L G^M]的卷积码。同理对[G^JG^K G^L G^M]卷积码进行第一步操作，由于第一、二、三次传输的生成多项式G^J、G^K、G^L已经给定，则[G^J G^K G^L G^M]卷积码结构有2^m+1种可能性，从而得到对应的2^m+1个自由距离，取其最大值，就是在给定G^J、G^K、G^L条件下[G^J G^K G^L G^M]卷积码的最大的最小自由距离。所对应的非恶性卷积码生成多项中G^M即为第四次传输的最优生成多项式。

经过上述步骤，即可确定Type-II型HARQ重传系统的最优码本[G^J G^K G^L G^M]。

Type-II型HARQ重传系统的最优码本的伪码描述上述过程为：

最优生成多项式组合,根据上述算法，下面将以码率为1/2和1/3在特定约束长度K(K＝3,4,5)下Type-II型HARQ重传系统为例，给出最优生成多项式组合。这里，约束长度K表示编码过程中相互约束的码元个数。

表中生成多项式用八进制位表示，例如表1中生成多项式[57]，对用二进制位[101；111]，矩阵行数表示单位比特输出的输出编码行数，这里为2。矩阵每一行对应了编码器的抽头系数，即当前码元和各个寄存器的权值，也是D函数x次数从低到高的系数，此时g₁(D)＝1+D²；g₂(D)＝1+D+D²。

表1 约束长度K＝3，首次传输码率1/2时，最优生成多项式组合

表2 约束长度K＝4时，首次传输码率1/2时，最优生成多项式组合

表3 约束长度K＝3时，首次传输码率1/3时，最优生成多项式组合

表4 约束长度K＝4时，首次传输码率1/3时，最优生成多项式组合

表5 约束长度K＝5时，首次传输码率1/2时，最优生成多项式组合

为了检验发明效果，使用MATLAB软件对得到的码本进行仿真，并对比理论曲线。选择表2中的第25个码本，约束长度K＝4，仿真参数如下设置：

表6 理论曲线和实际系统仿真曲线对比参数设置

由上述分析可以知道，采用上述方式需找的码本是具有最大的最小自由距离的，使用不在上述码本的码在相同的约束长度、首次发送码率和信道条件下性能会达不到最优。为对比两者性能差异，采用MATLAB仿真，仿真参数如下：

表7 理论曲线和实际系统仿真曲线对比参数设置

仿真结果如下图4所示。

由图5可知，当重传次数相同时，采用本专利提出的Type-II型HARQ重传系统的最优码本其性能相比非最优码本具有明显优势。甚至当最优码本第二次传输时，就已经优于非最优码本四次传输的解码性能。因而可以得出结论，采用本专利提出的Type-II型HARQ重传系统的最优码本将会给系统带来可观的性能增益。

Claims

1.Type-II型HARQ重传系统中最优生成多项式的获取方法，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的Type-II型HARQ重传系统中最优生成多项式的获取方法，其特征在于：步骤二中的发送端的信道编码器将信息序列u(D)与信道编码器卷积码G_i(D)进行卷积的具体步骤为：

3.根据权利要求1所述的Type-II型HARQ重传系统中最优生成多项式的获取方法，其特征在于：步骤五中逐一判断步骤四获得的生成多项式G_i是否为非恶性卷积码的具体步骤为：判断生成多项式G_i的状态图中的非零序列编码是否在图中出现环路、且编码输出全为零的情况，如果为是则对应的卷积码为恶性卷积码，如果为否则对应的卷积码为非恶性卷积码。

4.基于权利要求1所述的Type-II型HARQ重传系统中最优生成多项式的获取方法的Type-II型HARQ重传系统，其特征在于，在Type-II型HARQ系统中，第一次传输发送端使用Type-II型HARQ重传系统中最优生成多项式的获取方法得到具有最优的最大的最小自由距离的生成多项式，发送端将第一次传输的具有最优的最大的最小自由距离的生成多项式与信息序列进行卷积得到的码字通过信道发送至接收端，接收端的信道译码器采用维特比对第一次接收到的码字进行译码，接收端允许发送端重传信源的次数为N，接收端判断接收码字存在的错误图样是否在信道译码纠错能力范围之内，如果该码字存在的错误图样在信道译码纠错能力范围之内，码字能够被正确译码，接收端通过反馈信道向发送端发送确认字符ACK，接收端发送下一段信息序列；如果该码字存在的错误图样超出信道译码纠错能力范围，接收端译码失败，接收端通过反馈信道向发送端发送否定应答信号NACK,发送端则选择当前传输使用的生成多项式，使得其能和已传输的生成多项式结合成具有最优的最大的最小自由距离的生成多项式，发送端将该生成多项式与信息序列进行卷积得到码字，并通过信道重新发送至接收端，接收端将接收到的码字和此前接收到的码字合并为一个码字并进行译码，直到接收端重传信源的次数为N时，接收端无法正确译码，接收端放弃接受该段信息序列，其中，N为整数，N>0。