CN107276730A - 一种基于空间耦合的ldpc码harq重传机制 - Google Patents

一种基于空间耦合的ldpc码harq重传机制 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于空间耦合的LDPC码HARQ重传机制，属于差错控制技术领域。接收端将传输失败的旧码序列储存在缓存器中，发送端构造耦合基础矩阵并生成耦合扩展校验矩阵，将传输失败的旧信息序列和即将传输的新信息序列拼接后进行编码得到新码字序列，再将新码字序列除去旧信息序列和新信息序列打孔位后存入缓存器，然后选择一定长度的码序列通过信道传输，接收端利用耦合扩展校验矩阵和旧译码校验矩阵，对接收到的码序列和缓存器中的旧码序列一起进行译码。本发明利用新传序列的纠错性能及重传机会修复传统IR‑HARQ机制下传输失败的序列，在提升通信系统可靠性的同时，能降低ARQ重传概率和系统时延，提升系统的吞吐量。

Description

一种基于空间耦合的LDPC码HARQ重传机制
技术领域
本发明涉及一种LDPC码HARQ重传机制，特别涉及一种基于空间耦合的LDPC码HARQ重传机制，属于差错控制技术领域。
背景技术
在无线通信中，最常用的两种差错控制方式为前向纠错(Forward ErrorCorrection,FEC)编码和自动重传请求(Automatic Repeat reQuest,ARQ)。FEC可以有效发现并纠正错误信息，但信息冗余度大，编码效率较低；ARQ技术编译码简单，易于实现，但信道条件差的情况下信息传送的连贯性较差。因此，大多数无线通信系统都将FEC和ARQ混合使用，即混合自动重传请求(Hybird Automatic Repeat reQuest,HARQ)。在HARQ机制中，码字可以在一定范围内自动纠错，若超出了纠错能力范围，则要求发送端进行数据重传。
LTE中的HARQ技术主要有软合并(Chase Combing,CC)和增量冗余(IncrementalRedundancy,IR)两种实现方式。CC-HARQ中发送端重传的数据包与首传数据包完全相同，接收端先将原数据包与重传数据包进行软合并处理再进行译码；IR-HARQ中重传数据包含首传数据包所没有的增量冗余信息，接收端将增量冗余信息附加到原数据后再进行合并译码。5G同样要求支持这两种HARQ方式，且以IR-HARQ为主。
相比LTE，5G对可靠性和实时性提出了更高的要求。5G要求支持0.1～1Gbps的用户体验速率、毫秒级的端到端时延以及<10-5的分组丢失率(某些极端场景下甚至要求<10-9)，追求人与人之间极致的通信质量。作为5G的三大应用场景之一，增强移动宽带(enhancedMobile BroadBand,eMBB)场景以LDPC码为业务数据信道编码方案，更是要求实现高数据传输速率、高可靠性、高系统容量以及高频谱效率等众多目标。
尽管传统的IR-HARQ机制提高了码字的纠错能力，增加了系统吞吐量，但还是会存在多次重传后仍译码失败的情况。传统机制中若达到最大重传次数时仍未通过CRC校验，则判定该数据包丢失，需进行ARQ重发，会导致时延明显增加，影响用户体验速率。本发明的目的是致力于克服上述传统IR-HARQ机制无法在最大重传次数内完成正确译码时对系统可靠性和时延造成的影响，提出一种基于空间耦合的LDPC码HARQ重传机制。
发明内容
本发明针对上述传统IR-HARQ机制中存在的问题，提出了一种基于空间耦合的LDPC码HARQ重传机制。
本发明应用于传统IR-HARQ机制失败的情况下，利用耦合扩展校验矩阵对传输失败的码块和即将传输的码块进行编译码，完成丢失数据包的修复工作，可以减少ARQ重发的次数，降低传输时延，提高系统的吞吐量和可靠性。
一种基于空间耦合的LDPC码HARQ重传机制，通过以下步骤实现：
步骤1、接收端将达到最大重传次数但未通过CRC校验的码字序列的信息存储在缓存器中，并向发送端发送NACK；
其中，码字序列包括信息位和所有的校验位；若系统采用硬判决，则储存在缓存器中的信息为码字序列；若系统采用软判决，则储存在缓存器中的信息为码字序列的软信息序列；
步骤2、发送端根据添加CRC校验信息后的新信息序列长度确定扩展因子的大小，并根据扩展因子的大小确定传输失败的旧信息序列对应的耦合子基础矩阵的列数；
步骤3、发送端构造耦合子基础矩阵，并将耦合子基础矩阵与新信息序列对应的基础矩阵进行合并，得到编码所需的耦合基础矩阵，并利用扩展因子对其扩展，得到耦合扩展校验矩阵；
其中，新信息序列是指步骤2中添加CRC校验信息后的新信息序列；
步骤4、发送端将旧信息序列和新信息序列拼接起来，利用耦合扩展校验矩阵对其进行编码得到新码字序列；
其中，旧信息序列指步骤1中传输失败的旧信息序列；编码可以是LDPC编码，也可以是其他类型的编码；其中，新码字序列包括旧信息序列、新信息序列和新校验序列；
其中，新校验序列是对旧信息序列和新信息序列进行LDPC编码产生的校验序列；
步骤5、发送端将旧信息序列和对应于基础矩阵前两列的新信息序列作为打孔位处理，将剩余的码字序列存入缓存器中；
其中，基础矩阵指步骤3中的新信息序列对应的基础矩阵；剩余的码字序列指的是步骤4编码得到的新码字序列除去旧信息序列和对应于基础矩阵前两列的新信息序列；
步骤6、发送端根据信道条件和码率要求选择缓存器中一定长度的新码字序列，再进行交织、调制、映射为主的操作后通过信道传输；
步骤7、接收端对接收到的信息进行解映射、解调、解交织为主的操作，再进行判决及序列拼接操作，输出判决拼接后的新码字序列，具体为：
7.1若为硬判决操作，则经硬判决恢复出步骤6发送的新码字序列，并从缓存器中读取旧码字序列拼接于新码字序列之前，得出判决拼接后的新码字序列，跳至步骤8；
7.2若为软判决操作，则经软判决恢复出步骤6发送的新码字序列的软信息序列，并从缓存器中读取旧码字序列的软信息序列拼接于新码字序列的软信息序列之前，得出判决拼接后的新码字序列，跳至步骤8；
步骤8、接收端将步骤7输出的新码字序列对应的耦合扩展校验矩阵部分和步骤1中传输失败的旧信息序列在译码时使用的译码校验矩阵进行适当的裁剪、拼接和补零处理，得到新译码校验矩阵并进行译码，输出译码后的新信息序列及旧信息序列；
其中，译码方式和步骤4中的编码方式对应，可以是LDPC译码，也可以是其他类型编码的译码；
步骤9、接收端经过步骤8译码后，对输出的新信息序列和旧信息序列分别进行CRC校验，
若通过校验则输出校验结果并给发送端发送ACK应答；
若未通过校验则根据步骤7中的判决方式，将相应序列存储于缓存器中并发送NACK以返回步骤6，原理同IR-HARQ；
其中，相应序列在硬判决时为7.1中恢复出的新码字序列；在软判决时为7.2中恢复出的新码字序列的软信息序列；
至此，经过步骤1到步骤9，实现了基于空间耦合的LDPC码HARQ重传机制。
有益效果
本发明提出的一种基于空间耦合的LDPC码HARQ重传机制，与传统IR-HARQ机制相比，具有如下有益效果：
1.本发明在传统IR-HARQ的基础上为传输失败的码块提供了额外的“补救”机会，提升了通信系统的可靠性；
2.本发明利用新传输码块的纠错性能及重传机会，对传输失败的码块进行修复，可以降低ARQ重传概率和系统传输时延，提升系统吞吐量；
3.本发明提出的机制仅在传统IR-HARQ机制失败时启用，若接收端可以在最大重传次数内成功译码，则不启用此机制。故此机制对现有系统的改动较小，发明的实用性较强。
附图说明
图1是本发明及实施例1中基于空间耦合的LDPC码HARQ重传机制的流程图；
图2是本发明及实施例1中耦合扩展校验矩阵生成过程的示意图；
图3是本发明及实施例1中新译码校验矩阵的示意图；
其中，图1中实线框代表发送端进行的操作，虚线框代表接收端进行的操作；
图3中粗实线框为新译码校验矩阵，虚线框为相应的耦合扩展校验矩阵。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明和详细描述。
实施例1
本实施例详细阐述了本发明提出的基于空间耦合的LDPC码HARQ重传机制在未能成功传输长度为800比特的信息序列u1的情况下具体实施时的过程。设定新传的信息序列u2长度为800比特，u1和u2中均包含20比特的CRC校验信息，初传码率为2/3，基础矩阵的大小为40×50，LDPC译码方式为最小和译码算法，HARQ最大重传次数为4。其具体操作步骤如下：
步骤A、接收端将重传四次但仍未通过CRC校验、长度为4000的码字序列c1对应的软信息序列y1＝[yu1yp1]储存在缓存器中，其中yu1代表码字序列信息位u1对应的软信息，yp1代表其校验位p1对应的软信息，并向发送端发送NACK；
步骤B、发送端根据新传信息序列u2的长度得到扩展因子z＝800/(50－40)＝80，根据z得旧信息序列u1对应的耦合子基础矩阵的列数kb1＝800/80＝10；
步骤C、构造大小为kb1×mb2＝40×10的耦合子基础矩阵，并将其与大小为nb2×mb2＝40×50的新基础矩阵合并，得到如图2左上所示的耦合基础矩阵Hb-cp，再利用如图2右上所示的80×80的置换矩阵P得到耦合扩展校验矩阵Hcp，图2下为Hcp的示意图。可以看出(40*80)×(10*80)的耦合子矩阵对应于u1，(40*80)×(50*80)的新扩展校验矩阵的前10*80＝800列对应于u2，后40*80＝3200列对应于新校验位p2；
步骤D、利用耦合扩展校验矩阵Hcp对拼接的信息序列u＝[u1u2]进行编码，得到新码字序列c2＝[u1u2p2]；
步骤E、将u1的所有比特位和u2的前2*80＝160比特位作为打孔位，将剩余的码字序列存入缓存器中；
步骤F、根据初传码率2/3，选择缓存器中长度为800/(2/3)＝1200的比特序列(包含u2的后640位比特及p2的前560位比特)，在完成交织、调制、映射等操作后通过信道传输；
步骤G、接收端对接收到的信息进行相应的解映射、解调、解交织等操作，得到软信息序列y2，再从缓存器中读取序列y1，拼接得到序列y＝[y1y2]；
步骤H、将y2对应的耦合扩展校验矩阵Hcp的前560行、前800+800+560＝2160列与y1先前译码时使用的旧译码矩阵Hdo进行裁剪、拼接和补零处理，得到新译码校验矩阵Hdn，并利用最小和译码算法进行译码。图3为Hdn的示意图，由图3可见，Hdo的前800列和Hcp的前800列对应于旧信息序列u1，Hdo的后3200列对应于旧校验序列p1，Hcp的800～1600列对应于新信息序列u2，Hcp的后560列对应于校验序列p2的前560位；
步骤I、完成译码后对新旧序列分别进行CRC校验，若通过校验则输出译码结果并发送ACK，若未通过校验则将序列y2储存于缓存器中并发送NACK以返回步骤F重新选择传输的比特序列，原理同IR-HARQ。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于空间耦合的LDPC码HARQ重传机制，其特征在于：利用耦合扩展校验矩阵对传输失败的码块和即将传输的码块进行编译码，完成丢失数据包的修复工作，可以减少ARQ重发的次数，降低传输时延，提高系统的吞吐量和可靠性；通过以下步骤实现：
步骤1、接收端将达到最大重传次数但未通过CRC校验的码字序列的信息存储在缓存器中，并向发送端发送NACK；
步骤2、发送端根据添加CRC校验信息后的新信息序列长度确定扩展因子的大小，并根据扩展因子的大小确定传输失败的旧信息序列对应的耦合子基础矩阵的列数；
步骤3、发送端构造耦合子基础矩阵，并将耦合子基础矩阵与新信息序列对应的基础矩阵进行合并，得到编码所需的耦合基础矩阵，并利用扩展因子对其扩展，得到耦合扩展校验矩阵；
步骤4、发送端将旧信息序列和新信息序列拼接起来，利用耦合扩展校验矩阵对其进行编码得到新码字序列；
步骤5、发送端将旧信息序列和对应于基础矩阵前两列的新信息序列作为打孔位处理，将剩余的码字序列存入缓存器中；
步骤6、发送端根据信道条件和码率要求选择缓存器中一定长度的新码字序列，再进行交织、调制、映射为主的操作后通过信道传输；
步骤7、接收端对接收到的信息进行解映射、解调、解交织为主的操作，再进行判决及序列拼接操作，输出判决拼接后的新码字序列；
步骤8、接收端将步骤7输出的新码字序列对应的耦合扩展校验矩阵部分和步骤1中传输失败的旧信息序列在译码时使用的译码校验矩阵进行适当的裁剪、拼接和补零处理，得到新译码校验矩阵并进行译码，输出译码后的新信息序列及旧信息序列；
步骤9、接收端经过步骤8译码后，对输出的新信息序列和旧信息序列分别进行CRC校验；若通过校验则输出校验结果并给发送端发送ACK应答；若未通过校验则根据步骤7中的判决方式，将相应序列存储于缓存器中并发送NACK以返回步骤6，原理同IR-HARQ；
至此，经过步骤1到步骤9，实现了基于空间耦合的LDPC码HARQ重传机制。
2.根据权利要求1所述的一种基于空间耦合的LDPC码HARQ重传机制，其特征在于：步骤1中，码字序列包括信息位和所有的校验位；若系统采用硬判决，则储存在缓存器中的信息为码字序列；若系统采用软判决，则储存在缓存器中的信息为码字序列的软信息序列。
3.根据权利要求1所述的一种基于空间耦合的LDPC码HARQ重传机制，其特征在于：步骤3中，新信息序列是指步骤2中添加CRC校验信息后的新信息序列。
4.根据权利要求1所述的一种基于空间耦合的LDPC码HARQ重传机制，其特征在于：步骤4中，旧信息序列指步骤1中传输失败的旧信息序列；编码可以是LDPC编码，也可以是其他类型的编码；其中，新码字序列包括旧信息序列、新信息序列和新校验序列；
其中，新校验序列是对旧信息序列和新信息序列进行LDPC编码产生的校验序列。
5.根据权利要求1所述的一种基于空间耦合的LDPC码HARQ重传机制，其特征在于：步骤5中，基础矩阵指步骤3中的新信息序列对应的基础矩阵；剩余的码字序列指的是步骤4编码得到的新码字序列除去旧信息序列和对应于基础矩阵前两列的新信息序列。
6.根据权利要求1所述的一种基于空间耦合的LDPC码HARQ重传机制，其特征在于：步骤7，具体为：
7.1若为硬判决操作，则经硬判决恢复出步骤6发送的新码字序列，并从缓存器中读取旧码字序列拼接于新码字序列之前，得出判决拼接后的新码字序列，跳至步骤8；
7.2若为软判决操作，则经软判决恢复出步骤6发送的新码字序列的软信息序列，并从缓存器中读取旧码字序列的软信息序列拼接于新码字序列的软信息序列之前，得出判决拼接后的新码字序列，跳至步骤8。
7.根据权利要求1所述的一种基于空间耦合的LDPC码HARQ重传机制，其特征在于：步骤8中，译码方式和步骤4中的编码方式对应，可以是LDPC译码，也可以是其他类型编码的译码。
8.根据权利要求1所述的一种基于空间耦合的LDPC码HARQ重传机制，其特征在于：步骤9中，相应序列在硬判决时为7.1中恢复出的新码字序列；在软判决时为7.2中恢复出的新码字序列的软信息序列。
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