CN103354489A

CN103354489A - 非正交全分集协作混合自动重传请求控制系统和方法

Info

Publication number: CN103354489A
Application number: CN2013102447250A
Authority: CN
Inventors: 葛建华; 胡秘; 高明; 师晓晔; 丁维浩
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2013-10-16

Abstract

本发明公开了一种非正交全分集协作混合自动重传请求控制系统和方法，主要解决现有HARQ技术中重传效率较低引起吞吐量不高的问题。本发明包括用户端和基站端两部分，其工作原理是，（1）用户发送数据；（2）基站和协作用户接收数据；（3）基站判断是否成功接收用户数据并反馈应答信号，若基站接收数据成功，执行步骤（4），反之，执行步骤（5），进入重传过程；（4）用户判断传输是否结束，若结束，则完成传输，反之，返回步骤（1）；（5）用户判断是否成功接收协作用户的数据并反馈应答信号；（6）用户根据本地校验信号和反馈信号确定重传状态，并根据重传状态确定重传数据信息，进行重传。本发明具有高准确性，高实时性和高吞吐量的优点，适用于非正交全分集协作系统中的HARQ控制。

Description

非正交全分集协作混合自动重传请求控制系统和方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，更进一步涉及一种非正交全分集协作FDC混合自动重传请求HARQ控制系统和方法，可用于下一代宽带无线协作通信系统中，实现对非正交全分集协作混合自动重传请求HARQ流程的控制。

背景技术

随着无线通信事业蓬勃发展，特别是3G技术的出现推动了移动通信网数据类业务的发展，能够承载高吞吐量，高速率的多媒体业务和数据业务成为未来无线通信系统所必须具备的能力，因此，采用什么样的传输和重传方案能够在提高系统资源利用率的同时提高数据传输的吞吐量将成为一个新的问题。在3GPP长期演进LTE网络以及3GPP长期演进的进一步演进LTE-A网络中，多个用户协作发送和接收对于提高系统的性能而言是非常有竞争力的选择方案。在传统正交协作分集系统中，各用户分别在自己的正交子信道时间和频带等资源上转发伙伴的数据。而在直接传输系统中，这部分资源可用来发送用户自己的数据，因此协作分集增益实际是以牺牲系统的频谱效率为代价的。相比于传统正交接入协作系统，FDC系统则不需要占用更多的资源，具有频率效率高的优点。同时，HARQ技术则通过数据的重传来处理数据传输出错的问题，它可以有效的提高系统的吞吐量性能，但是，传统的HARQ技术存在重传效率不高的问题，因此，非正交全分集协作HARQ控制方法能被广泛地应用于实际系统中。

S.Ahmed等学者在“IET Signal Processing,2008,2(4):361-368”上发表文章“Cooperative transmission protocol with full diversity and iterative detection”,提出了一种三节点的全分集系统协作通信方案，提高了系统的性能。该方案的实现步骤是：第一步，用户1广播数据信息，基站和协作用户2接收数据；第二步，用户2广播数据信息，基站和协作用户1接收数据；第三步，用户1和用户2同时发送其之前接收到的协作用户的信息；第四步，基站利用MMSE均衡器和迭代算法做联合信号检测，接收数据。

该方法存在的不足之处是：未考虑协作用户之间以及基站与用户之间数据的重传情况，也没有对重传时机做选择，导致重传的效率不高，不能满足下一代无线通信系统的高效性和高吞吐量的需求。

Reza Hoshyar等学者在“IEEE International Conference on Communications,14-18June2009,Dresden,Germany.”上发表文章“Performance evaluation of HARQ schemesfor cooperative regenerative relaying”，提出了一种采用DF中继协议的cooperation-hybrid automatic repeat request（C-HARQ）方案，并分析了所提方案的吞吐量性能。该方案的实现步骤是：第一步，目标用户向中继和基站发送数据；第二步，基站检测接收到的数据并进行循环冗余校验CRC，若成功则重复第一步的过程，反之转入下一步重传；第三步，目标用户和中继配置一帧重传帧，重传该帧数据；第四步，基站再一次检测上述过程中接受的数据并做CRC校验，若成功则目标用户开始新的一帧传输，若失败则重复第三步，重传的次数超过最大重传限制时就丢弃该帧，开始新数据的传输。

该方法虽然考虑用户与中继之间的协作，但却未涉及用户之间的协作，未对接收数据进行校验，且目标用户在两个时隙均要发送信息，不能满足下一代宽带无线通信系统的高效性和高吞吐量的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，针对非正交全分集协作系统，提出一种非正交全分集协作的混合自动重传请求控制系统和方法，以提高重传效率和系统吞吐量，满足下一代宽带无线通信系统对实时性，高效性和高吞吐量需求。

实现本发明目的的技术思路是：通过增加多个反馈信号来选择合适的重传时机，提高重传效率；在重传时，根据反馈信号确定重传的数据信息，提高传输的准确性，同时改善吞吐量性能；利用可变帧长的重传帧，降低重传时延，提高系统的实时性。

本发明的技术方案是这样实现的：

一．本发明的系统包括用户端和基站端两部分。

所述用户端包括：

用户数据接收模块，用于接收来自于协作伙伴的数据；

用户数据缓存模块，用于缓存用户的本地数据以及接收的来自于协作伙伴的数据；

编码模块，用于对本地即将要发送的数据以及接收协作用户校验成功后的数据进行编码处理；

调制模块，用于对即将要发送的信息进行调制处理，使其变成适合在无线信道中传输的数据；

所述基站端包括：

基站数据接收模块，用于接收来自于用户端的数据，以参与基站端联合解调；

基站数据缓存模块，用于缓存接收来自于用户端的数据，以参与基站端联合解调；

解调模块，用于对接收到用户端的数据进行解调处理；

译码模块，用于对解调后的数据进行译码处理，获取接收数据；

基站数据校验模块，用于校验基站接收到的用户数据，如果数据接收正确将校验指示置为1，如果数据接收错误则将校验指示置为0，并将校验指示信号反馈给用户端；

其特征在于：用户端增设有以下模块：

用户数据校验模块，用于校验用户接收到的协作伙伴数据，如果数据接收正确将校验指示置为1，如果数据接收错误则将校验指示置为0，并将校验指示信号反馈给其协作用户端；

重传信号控制模块，用于生成重传控制信号，以控制重传所需发送数据帧的信息；

本地数据缓存器，用于存储用户当前发送的一帧数据，以在需要重传时读取数据，在传输成功时丢弃数据；

重传缓存器，用于存储待重传的一帧数据，以在需要重传时读取数据，在传输成功时丢弃数据。

二．本发明的协作混合自动重传请求控制方法，包括如下步骤：

（1）发送数据步骤：

用户将本地数据先进行编码和调制，再将编码后的一帧数据存储在本地数据缓存器模块中，并对调制后的数据进行广播；

（2）接收数据步骤：

2a)基站接收用户发送的数据，将接收到的数据存入基站数据缓存模块，再从基站数据缓存模块种读取该数据，依次进行解调和译码；

2b)用户在协作伙伴的同向信道上接收协作伙伴发送的数据，将接收到的数据存入用户数据缓存模块，再从用户数据缓存模块读取该数据，依次进行解调和译码；

（3）基站反馈应答信号步骤：

3a)基站数据校验模块对译码后的数据采用循环冗余校验CRC译码的方法进行校验；

3b)根据校验结果生成应答信号：

若校验结果为数据接收成功，生成正确应答信号，由基站端向用户反馈该应答信号，执行步骤（4）；

若校验结果为数据接收失败，生成错误应答信号，由基站端向用户反馈该应答信号，用户判断重传次数是否超过限制，若超过最大重传次数，执行步骤（4），反之，执行步骤（5），进入重传过程；

（4）传输结束判断步骤：

用户判断本地数据是否传输结束，如果传输未结束，则用户继续执行步骤（1），反之，结束整个传输过程；

（5）用户反馈应答信号步骤：

5a)用户数据校验模块对各自接收的译码数据采用循环冗余校验CRC译码的方法进行校验；

5b)根据校验结果生成应答信号：

若校验结果为数据接收成功，则生成正确应答信号，由用户向协作伙伴反馈该应答信号，并在接收到的数据上通过循环冗余校验CRC编码添加校验信息，然后对添加过校验信息的数据进行编码，将编码后的数据存入重传缓存器中；

若校验结果为数据接收失败，则生成错误应答信号，由用户向协作伙伴反馈该应答信号，并将接收到的数据丢弃以避免错误的数据被传播；

（6）确定重传状态步骤：

用户端接收来自协作用户的应答信号，与用户本地校验信号和基站应答信号共同送入重传控制模块生成重传控制信号，确定重传状态；

（7）数据重传步骤：

7a)当用户均成功接收协作伙伴的数据时，用户协作传输重传缓存器中的一帧数据，返回步骤（2）；

7b)当有用户未成功接收协作伙伴的数据时，用户协作传输本地数据缓存器中的一帧数据，返回步骤（2）。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

第一，由于本发明在数据传输时，对传输中出现错误的数据进行重传，克服了现有技术中不考虑重传导致传输差错较大的问题，提高了本系统传输的准确性。

第二，由于本发明在数据重传时，用户根据多个反馈信号来生成重传控制信号，确定重传状态，克服了现有技术中重传效率不高的问题，同时，用户的重传控制信号不区分用户本身和协作用户是否单独接收成功，即不考虑用户单独重传，提高了系统的吞吐量。

第三，由于本发明在数据重传时，根据重传状态控制重传数据，用户端本地缓存器中待重传的数据和重传缓存器中待重传的数据帧长不同，克服了现有技术中重传帧长固定导致的时延较大的问题，提高了传输的实时性。

附图说明

下面结合附图对本发明的上述特征和优点做进一步说明：

图1为本发明系统的示意图；

图2为本发明方法的流程图；

图3为本发明与现有方法的中断概率对比图；

图4为本发明与现有方法的用户吞吐量对比图；

图5为本发明与现有协作HARQ方法的用户吞吐量对比图。

具体实施方式

参照图1，发明的系统包括用户端1和基站端2两部分。其中：

用户端，包括用户数据接收模块11、用户数据缓存模块12、用户数据校验模块13、编码模块14、本地数据缓存器15、重传缓存器16、重传信号控制模块17和调制模块18。用户数据接收模块11，用于接收来自于协作伙伴的数据，并将该数据送入用户数据缓存模块12；用户数据缓存模12，缓存用户的本地数据以及接收来自于协作伙伴的数据；用户数据校验模13在需要时从用户数据缓存模块读取数据，采用循环冗余校验CRC译码的方法校验接收到协作伙伴的数据正确与否，如果校验结果为接收数据成功，并将成功接收的数据送入编码模块14，进行编码处理；如果校验结果为接收数据错误，则将其丢弃以避免错误的数据被传播；编码模块14，用于对即将发送的数据进行编码，将编码后的数据送入缓存器中；本地数据缓存器15，用于存储用户当前发送的一帧数据，以在需要重传时读取数据，在传输成功时丢弃数据；重传缓存器16，用于存储待重传的一帧数据，以在需要重传时读取数据，在传输成功时丢弃数据；重传信号控制模块17，根据本地校验信号和反馈信号生成重传控制信号，在重传时控制本地数据缓存器15和重传缓存器16，选择所需发送数据帧；在数据需要传输时，调制模块18，从缓存器中读取数据，对其进行调制处理，使其变成适合在无线信道中传输的数据。

基站端，包括基站数据接收模块21、基站数据缓存模块22、解调模块23、译码模块24和基站数据校验模块25。基站数据接收模块21，用于接收来自于用户端的数据，并将该数据送入基站数据缓存模22；基站数据缓存模块22，用于缓存接收来自于用户端的数据，以参与联合解调；解调模块23，从基站数据缓存模块22中读取数据进行解调处理，将解调后的数据送入译码模块24；译码模块24，按照与编码相对应的规则对解调后的数据进行译码处理，获取译码后的数据；基站数据校验模块25，采用循环冗余校验CRC译码的方法校验基站译码后的数据正确与否，如果校验结果为接收数据成功，则继续传输新一帧数据；如果校验结果为接收数据错误，判断重传次数是否超过限制，若超过最大重传次数，继续发送新的一帧数据，反之，进入重传过程。

参照图2，对于本发明的控制方法，其实现步骤如下：

步骤1，发送数据。

用户将本地数据先进行编码和调制，再将编码后的数据存储在本地数据缓存器模块中，并对调制后的数据进行广播。

所述的编码有很多方法可选用，例如，线性分组码方法，卷积码方法，Turbo码方法，低密度校验码LDPC码，非编码方式等。

步骤2，接收数据。

2a)基站接收用户广播的数据，并将接收到的数据存入基站数据缓存模块中，再从基站数据缓存模块种读取该数据，依次进行解调和译码；

2b)用户在协作伙伴的同向信道上接收协作伙伴广播的数据，并将接收到的数据存入用户数据缓存模块中，再从用户数据缓存模块读取该数据，依次进行解调和译码。

步骤3，基站反馈应答信号。

3b)根据校验结果生成应答信号：

若校验结果为数据接收失败，生成错误应答信号，由基站端向用户反馈该应答信号，用户判断重传次数是否超过限制，如果超过最大重传次数，执行步骤（4），重新发送新的一帧数据，反之，执行步骤（5），进入重传过程。

步骤4，传输结束判断。

用户判断本地数据是否传输结束，如果传输未结束，则用户继续执行步骤（1），重新发送新的一帧数据，反之，结束整个传输过程。

步骤5，用户反馈应答信号。

5b)根据校验结果生成应答信号：

若校验结果为数据接收失败，则生成错误应答信号，由用户向协作伙伴反馈该应答信号，并将接收到的数据丢弃以避免错误的数据被传播。

步骤6，确定重传状态。

用户端接收来自协作伙伴的应答信号，与本地校验信号和基站反馈信号共同形成重传控制信号，确定重传状态。

步骤7，数据重传。

7a)当用户均成功接收协作伙伴的数据时，用户之间相互协作传输重传缓存器中的上一帧数据，然后返回步骤（2）；

7b)当有用户未成功接收协作伙伴的数据时，用户各自传输本地数据缓存器中的上一帧数据，然后返回步骤（2）。

本发明效果可通过以下仿真进一步说明。

1.仿真条件：

采用图1中典型的双用户协作系统模型，信道采用瑞利慢衰落信道，目标数据速率R＝1bps/Hz，每帧时间为1s，信道A→B和B→A的平均信噪比

分别考虑了信道AD和BD为对称信道和一般信道的情况。

仿真中对本发明方法和现有方法进行了对比，现有方法有两种，现有方法1为无混合自动重传请求HARQ方法；现有方法2为现有的混合自动重传请求HARQ方法。

2.仿真内容：

仿真1，用本发明方法与现有方法1和现有方法2在典型的双用户协作系统中仿真中断概率性能，结果如图3所示。其中：

横轴为传输链路的信噪比，纵轴为用户的中断概率；

带正三角形标识的曲线为现有方法1的用户中断概率性能曲线；

带加号标识的曲线为最大重传次数为1时的现有方法2的用户中断概率性能曲线；

带圆形标识的曲线为本发明方法在最大重传次数为2时的用户中断概率性能曲线；

带倒三角形标识的曲线为本发明方法在最大重传次数为3时的用户中断概率性能曲线；

带正方形标识的曲线为本发明方法在最大重传次数为4时的用户中断概率性能曲线。

仿真2，在信道对称的条件下，用本发明方法与现有方法1和现有方法2在典型的双用户协作系统中仿真用户吞吐量性能，结果如图4所示。其中：

横轴为传输链路的信噪比，纵轴为用户的吞吐量；

实线为现有方法1的用户吞吐量性能曲线；

虚线为现有方法2的用户吞吐量性能曲线；

点线为本发明方法的用户吞吐量性能曲线。

仿真3，在一般信道条件下，用本发明方法和现有方法2在典型的双用户协作系统中仿真用户吞吐量性能，结果如图5所示。其中：

图5为三维空间关系图，水平面的两个轴分别为传输链路AD和传输链路BD的信噪比，纵轴为用户的吞吐量；

白色曲面为现有方法2的用户吞吐量性能曲面；

黑色曲面为本发明方法的用户吞吐量性能曲面。

3.仿真结果和分析：

从图3中可以看出，本发明方法和现有方法2的中断概率性能均明显优于现有方法1，说明重传能够使基站更有效地接收信号。另外还可以看出，本发明方法中，随着最大重传次数的增加，系统中断概率逐渐减小。

从图4中可以看出，本发明方法在用户吞吐量方面有着明显的优势，尤其是在大信噪比下，与现有方法1和现有方法2相比，在传输链路的信噪比为10dB时约有40%的吞吐量增益，而在20dB时则有近50%的吞吐量增益。

从图5中可以看出，当传输链路的信噪比都有较大时，本发明的用户吞吐量可以达到极限值3R/2＝1.5，比现有方法2的极限值R＝1有比较明显的优势。

Claims

1.一种非正交全分集协作混合自动重传请求控制系统，包括用户端和基站端；

所述用户端包括：

用户数据接收模块，用于接收来自于协作伙伴的数据；

用户数据缓存模块，用于缓存用户的本地数据以及接收来自于协作伙伴的数据；

编码模块，用于对本地即将要发送的数据以及接收协作用户校验后的数据进行编码处理；

所述基站端包括：

解调模块，用于对接收到用户端的数据进行解调处理；

其特征在于：用户端增设有以下模块：

2.一种利用权利要求1的非正交全分集协作混合自动重传请求控制方法，包括：

（1）发送数据步骤：

（2）接收数据步骤：

（3）基站反馈应答信号步骤：

3b)根据校验结果生成应答信号：

（4）传输结束判断步骤：

（5）用户反馈应答信号步骤：

5b)根据校验结果生成应答信号：

（6）确定重传状态步骤：

（7）数据重传步骤：

3.根据权利要求2所述的非正交全分集协作混合自动重传请求控制方法，其特征在于：步骤（1）所述的编码，选用线性分组码、卷积码、Turbo码、低密度校验码LDPC码和非编码方式中的任意一种方式完成。

4.根据权利要求2所述的非正交全分集协作混合自动重传请求控制方法，其特征在于：步骤3a）所述的基站数据校验模块对译码后的数据采用循环冗余校验CRC译码的方法进行校验，是根据基站循环冗余校验CRC译码后得到的错误图样确定的：若错误图样为0，则认为数据接收成功，反之，则认为数据接收失败。

5.根据权利要求2所述的非正交全分集协作混合自动重传请求控制方法，其特征在于：步骤5a）所述的用户数据校验模块对译码后的数据采用循环冗余校验CRC译码的方法进行校验，是根据用户循环冗余校验CRC译码后得到的错误图样确定的：若错误图样为0，则认为数据接收成功，反之，则认为数据接收失败。