CN115051775B - 宽带自组网中的高效自动重传方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了宽带自组网中的高效自动重传方法，是一种可以提高系统有效带宽和效率的高效自动重传方法；该方法基于选择重传协议和III型HARQ协议，在发送方对MAC下发数据进行分段，由接收方根据当前业务类型、信道环境和分段CRC校验结果，判断是否需要重传当前错误分段，并向发送方回复ACK或NACK，发送方根据回复帧确定是否进行重传和具体重传哪些分段。该方法能避免重传一些不必要的数据，进而减少重传数据量和重传次数。

Description

宽带自组网中的高效自动重传方法

技术领域

本发明涉及通信网络技术领域，具体涉及一种宽带自组网中的高效自动重传方法。

背景技术

由于无线信道经常受到噪声和多径等因素的影响，通常存在较高的误码率，在常见的宽带高速系统如WIFI、4G、5G等中，为降低误码率，提高系统可靠性，多采用以MAC层协议帧为单位进行差错自动重传的方式。常见的MAC层差错控制协议主要包括自动重传请求(ARQ)，前向纠错编码(FEC)，以及将两者结合的混合自动重传请求(HARQ)。其中ARQ不具备纠错能力，在信噪比较低时重传次数多，导致效率低下；FEC为保证传输质量，需要较大的冗余信息，在信噪比较高时比较浪费；HARQ结合了二者的优点，克服了二者的缺点，是目前应用最广泛的技术。其中ARQ协议主要有停止-等待协议、后退N帧协议、选择重传协议三种；HARQ也主要包括I型HARQ、II型HARQ和III型HARQ三种类型。

(1)ARQ协议

停止-等待协议最为简单，即发送方发送一个帧后，必须接收到接收方回复的确认帧之后才能进行下一帧数据的发送，如果超时未接收到确认帧则重发上一帧。

在后退N帧协议中，发送方可以连续发送多个帧，接收方需要连续回复确认帧，如果某一帧丢失导致接收方失序，接收方会将之后收到的帧丢弃并继续回复上一帧的确认帧，发送方超时未收到丢失帧的确认帧后，会重发丢失帧及发送窗口内丢失帧之后的所有帧。

停等协议发送方每次只能发送一帧数据，且必须收到这一帧的回复帧后才能发送下一帧，效率比较低且带宽利用率低下。后退N帧协议在出现错误帧时需要重传之后的所有帧，在信道坏境比较恶劣的时候会导致大量数据帧(包括正确接收的数据帧)重传，进一步恶化网络环境，所以提出了选择重传协议。

在选择重传协议中，发送方连续发送多个帧，如果某个帧丢失，接收方在收到丢失帧之后的帧时也会回复确认帧，而不需要管其是否按序。接收方失序的帧会被缓存，发送方超时未收到丢失帧的确认帧后只重传丢失帧，接收方直到所有帧都被接收之后会将这一批帧按顺序交付给上层。

(2)HARQ协议

I型HARQ是ARQ技术和FEC技术的简单结合，主要工作原来为：接收方首先对数据包进行纠错，如果错误能完全纠正，则不需要进行重传；如果错误不能完全纠正，则丢弃错误数据包，并向发送方请求重传。

II型HARQ在I型HARQ的基础上，系统可以根据信道的实时状态自适应动态调整编码码率，同时出错的数据帧将被缓存在接收方，可以和重发帧合并成一个更加可靠的数据帧，重发数据帧内容一般和原数据帧不一致。II型HARQ可以提高译码的准确性，提高系统的可靠性。

III型HARQ在II型HARQ的基础上进行改进，II型HARQ系统的重传数据只包含冗余信息，不能单独译码，当第一次传输的数据被严重破坏后，再进行多少次重传也无法正确解码。III型HARQ接收方可以直接从重传帧中解码得到数据，也可以将重传帧与缓存帧进行合并后解码。

传统宽带自组网系统的差错控制协议主要存在以下几点不足：

在传统宽带自组网系统，如WIFI、4G、5G等中，CRC校验和差错自动重传都在MAC层进行。以802.11协议为例，MAC层业务数据会封装成MAC层协议数据单元MPDU，接收方MAC层对MPDU进行CRC校验，校验出错则会将其丢弃，并由发送方进行重传。在此类系统中，MAC层协议帧往往包含的数据量很大，且在当前协议帧出错时需要整个进行重传，因而需要重传的数据量也很大，比较浪费系统带宽。LTE协议中虽然会在PHY层对MAC层下发的数据帧分段并各自添加CRC校验位，但对接收方来说，只要检测到其中一个分段出错，就不管其他分段是否正确，直接触发整个MAC帧的重传，这对于其他正确的分段来说是不必要的，是对系统时频资源的极大浪费。

在传统的自动请求重传系统中，不会对传输帧的业务类型进行区分，出错时统一都进行重传。但这样其实会导致系统效率低下，因为不同业务数据需要的可靠性是不一致的。比如信令、文件等数据需要的可靠性高，不能出现丢帧错帧。而视频、音频等业务数据的可靠性低，并不需要完全正确就能得到良好传输效果。所以如果苛求视频、音频等业务数据完全正确而反复对其进行重传，反而会阻碍其他数据帧的传输，降低系统带宽，造成资源浪费。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种宽带自组网中的高效自动重传方法，该方法能避免重传一些不必要的数据，进而减少重传数据量和重传次数。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：宽带自组网中的高效自动重传方法，发送方和接收方均由MAC层和PHY层组成，自动重传方法包括如下步骤：

步骤1：在进行业务数据传输时，首先由发送方的MAC层根据业务类型进行组帧并下发到PHY层；PHY层对下发数据帧进行分段，并为每一分段插入CRC校验位，用于接收方对各个分段进行校验。

步骤2：编码后的数据经过调制、成帧以及上变频后，发送到无线信道中，每个分段的数据独立进行OFDM调制，便于之后对各个分段进行信噪比估计和重传分析；发送方编码码率和调制方式均根据接收方回复的ACK中的信道质量参数进行自适应调整。

步骤3：接收方接收数据帧后分段并行解码，并对每个分段解码后数据进行CRC校验，最后合并数据和每个分段的CRC校验结果。

同时，接收方会对数据帧进行信道质量估计，主要体现为当前信道信噪比估计值。由于采用OFDM的调制方式，每个分段的数据各自调制为一个OFDM符号，因此对每个分段单独进行信噪比估计；同时OFDM系统都会存在一个用于同步的前导序列，对前导序列进行信噪比估计；最后将数据，CRC统计结果以及信噪比SNR统计结果一起上传至接收方MAC层；若一个分段CRC校验出错后，接收方PHY层会将该出错分段的数据缓存下来，并在重传数据到达时与其进行软合并，一起进行解码和CRC校验。

步骤4：接收方MAC层会将当前数据帧中校验正确的分段保存下来，同时根据当前数据帧的业务类型、CRC统计结果和SNR估计值，综合判断当前数据帧的需要重传的分段，以此生成ACK或NACK并下发至PHY层，进而传输至发送方；。

步骤5：发送方根据接收方回复的ACK或NACK帧，决定是否对相应数据帧进行重传以及重传数据帧中的哪几个分段。

进一步地，PHY层对下发数据帧进行分段，所得每个分段的长度由物理层的编码调制方式和码率来确定。

进一步地，步骤2中调制包括QAM调制和OFDM调制。

进一步地，步骤4具体为：

接收方MAC层在收到数据帧后首先判断该数据帧是否为可靠性要求高的业务帧，如果是，则再查看当前帧各个分段CRC校验结果的统计值；将CRC校验正确的分段数据保留下来，CRC校验出错的分段则都需要进行重传，进而以此生成ACK或NACK；CRC校验未出错的分段直接生成ACK。

如果当前数据帧不是可靠性要求高的业务帧，则对分段CRC校验结果统计值进行分析；如果分段的错误率高于设定的错误率阈值，则CRC校验出错的分段都需要进行重传，以此生成ACK或NACK。

对于可靠性要求不高的业务帧，且分段错误率低，则对各个分段的信噪比估计值进行分析。

对于接收机来说，信噪比和误码率之间有着一一对应的曲线关系，根据各个分段的信噪比近似的确定当前分段的误码率，如果误码率在可以接受的范围内，则该分段不需要进行重传，直接保留，否则需要对该分段进行重传，进而以此生成ACK或者NACK。

在生成NACK时，同时携带当前信道质量参数；发送方在收到回复包，根据信道质量调整重传帧的编码码率和调制方式。

进一步地，可靠性要求高的业务帧为对误码率要求小于10^-6或者10^-7的业务。

进一步地，错误率阈值设定为1/2。

进一步地，对各个分段的信噪比估计值进行分析，具体为：MAC层从PHY层得到前导估计的信噪比以及各个分段各自估计的信噪比；以卡尔曼滤波的方式将前导估计的信噪比和各个分段独立估计的信噪比结合起来；对于分段N，其信噪比可以由前导以及分段1到分段N-1的信噪比进行预测，再由分段N独立估计出来的信噪比进行校正，以此得到平滑后的信噪比。

有益效果：

1、本发明提供的一种宽带自组网中的高效自动重传方法，是一种可以提高系统有效带宽和效率的高效自动重传方法；该方法基于选择重传协议和III型HARQ协议，在发送方对MAC下发数据进行分段，由接收方根据当前业务类型、信道环境和分段CRC校验结果，判断是否需要重传当前错误分段，并向发送方回复ACK或NACK，发送方根据回复帧确定是否进行重传和具体重传哪些分段。该方法能避免重传一些不必要的数据，进而减少重传数据量和重传次数。

2、本发明提供的一种宽带自组网中的高效自动重传方法，在数据帧出错时，不需要像现有技术一样对整个数据帧进行重传，只需要考虑对错误分段进行重传。同时对于可靠性要求低的业务数据帧，其误码率较低的错误分段不需要重传。这样可以大大减小出错重传的数据量和重传次数，使系统带宽更多地用于有效数据的传输，提高宽带自组网系统效率和吞吐量。

3、本发明提供的一种宽带自组网中的高效自动重传方法，在对各个分段进行信噪比估计时，采用卡尔曼滤波的方式，充分利用了前导和前面各分段的信噪比，平滑后的信噪比估计值能有更高精度，更加有利于各分段是否需要重传的判定。

4、本发明提供的宽带自组网中的高效自动重传方法，将信道质量回复给发送方后，发送方能更准确地实现速率自适应。

附图说明

图1为高效自动重传原理框图；

图2为MAC层判定流程。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的原理框图如图1所示，下面根据原理框图对本发明的具体实现方案进行详细阐述：

步骤1：在进行业务数据传输时，首先由发送方的(数据来自于发送方的上层引用)MAC层根据业务类型进行组帧并下发到PHY层(物理层)。PHY层对下发数据帧进行分段(所的每个分段的长度由物理层的编码调制方式和码率来确定)，并为每一分段插入CRC校验位，用于接收方对各个分段进行校验。分段后的数据可以并行编码，降低编码延时，提高吞吐量；

步骤2：编码后的数据经过调制(QAM+OFDM)、成帧、上变频等后(都是在发送方的物理层)，发送到无线信道中，每个分段的数据独立进行OFDM调制，便于之后对各个分段进行信噪比估计和重传分析。发送方编码码率和调制方式均可根据接收方回复的ACK中的(无线信道的)信道质量参数进行自适应调整；

步骤3：接收方接收数据帧后分段并行解码，并对每个分段解码后数据进行CRC校验，最后合并数据和每个分段的CRC校验结果。同时，接收方会对数据帧进行信道质量估计，主要体现为当前信道信噪比估计值。由于采用OFDM的调制方式，每个分段的数据各自调制为一个OFDM符号，因此可以对每个分段进行信噪比估计。同时常见的OFDM系统都会存在一个用于同步的前导序列，因此也能对前导序列进行信噪比估计。且由于前导序列可用于估计的长度较长，该信噪比估计值也会更加准确。最后将数据，CRC统计结果以及SNR统计结果一起上传至接收方MAC层。当某个分段CRC校验出错后，接收方PHY层会将该分段数据缓存下来，并在重传数据到达时与其进行软合并，一起进行解码和CRC校验。

步骤4：接收方MAC层会将当前数据帧中校验正确的分段保存下来，同时根据当前数据帧的业务类型、CRC统计结果和SNR估计值，综合决定当前数据帧的哪几个分段需要重传，以此生成ACK或NACK并下发至PHY层，进而传输至发送方。

步骤5：发送方根据接收方回复的ACK或NACK帧，决定是否对相应数据帧进行重传以及重传数据帧中的哪几个分段。

(2)重传流程

本发明的自动重传方式采用改进的选择重传协议，与选择重传协议相比，由于本发明对数据帧进行了分段校验，所以本发明在传输出错时，接收方可以确定出错包非虚警包，从而及时回复NACK信号，发送方也能及时响应并进行数据重传，不像传统选择重传协议一样需要等到超时后才能发起重传，因此效率更高。

(3)MAC层判定流程

本发明接收方MAC层判定数据帧各个分段是否重传的流程如图2所示：

下面对接收方MAC层判定数据帧各个分段是否重传的流程进行具体介绍：

接收方MAC层在收到数据帧后首先判断该数据帧是否为可靠性要求高的业务帧，如果是，则再查看当前帧各个分段CRC校验结果的统计值。将CRC校验正确的分段数据保留下来，CRC校验出错的分段则都需要进行重传，进而以此生成ACK或NACK(没有校验出错的分段即生成ACK)；其中ACK中的信息包括需要重传的分段的分段号、信道的信道质量参数。本发明实施例中对可靠性要求高的业务是指要求误码率低于设定阈值的业务，例如要求误码率小于10^-6或者10^-7的业务；例如信令和文件等均为可靠性要求高的业务。

如果当前数据帧不是可靠性要求高的业务帧(比如视频、音频等)，则对分段CRC校验结果统计值进行分析。如果分段的错误率较高，比如超过1/2，则认为当前信道质量不佳，即使信噪比较好，也可能存在着多径、同频干扰等影响信道质量的因素。因此CRC校验出错分段也都需要进行重传，以此生成ACK或NACK。

对于可靠性要求不高的业务帧，且分段错误率低，则需要对各个分段的信噪比估计值进行分析。MAC层可以从PHY层得到前导估计的信噪比以及各个分段各自估计的信噪比。由于信道环境可能是时变的，所以直接以前导估计的信噪比作为各个分段的信噪比不够准确。同时受限于导频数量的不足，各个分段独立估计出来的信噪比误差较大。所以可以以卡尔曼滤波的方式将前导估计的信噪比和各个分段独立估计的信噪比结合起来。对于分段N，其信噪比可以由前导以及分段1到分段N-1的信噪比进行预测，再由分段N独立估计出来的信噪比进行校正，以此平滑得到的信噪比既能符合信道的时变特性又能足够准确。

对于接收机来说，信噪比和误码率之间有着一一对应的曲线关系。因此，我们可以根据卡尔曼滤波后各个分段的信噪比近似的确定当前分段的误码率，如果误码率在可以接受的范围内，则该分段不需要进行重传，可以直接保留，否则需要对该分段进行重传，进而以此生成ACK或者NACK。

在生成NACK时，可以同时携带当前信道质量参数。发送方在收到回复包，可以根据信道质量调整重传帧的编码码率和调制方式，即如果当前信道质量较差，可以设置重传包以更低的码率或者更低阶的调制方式进行发送。并且发送方在对新的数据帧进行传输时也可以参考信道质量，实现速率自适应，同时也能减少接收方的出错概率，减少重传次数。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.宽带自组网中的高效自动重传方法，其特征在于，发送方和接收方均由MAC层和PHY层组成，自动重传方法包括如下步骤：

步骤1：进行业务数据传输，由发送方的MAC层根据业务类型进行组帧并下发到PHY层；PHY层对下发数据帧进行分段，每一分段插入CRC校验位；

步骤2：编码后的数据经过调制、成帧以及上变频后，发送到无线信道中，每个分段的数据独立进行OFDM调制，便于之后对各个分段进行信噪比估计和重传分析；发送方编码码率和调制方式均根据接收方回复的ACK中的信道质量参数进行自适应调整；

步骤3：接收方接收数据帧后分段并行解码，并对每个分段解码后数据进行CRC校验，最后合并数据和每个分段的CRC校验结果；

步骤4：接收方MAC层保存当前数据帧中校验正确的分段，同时根据当前数据帧的业务类型、CRC统计结果和SNR估计值，综合判断当前数据帧的需要重传的分段，生成ACK或NACK并下发至PHY层，传输至发送方；步骤4具体为：

接收方MAC层在收到数据帧后首先判断该数据帧是否为可靠性要求高的业务帧，如果是，则再查看当前帧各个分段CRC校验结果的统计值；将CRC校验正确的分段数据保留下来，CRC校验出错的分段则都需要进行重传，进而以此生成ACK或NACK；CRC校验未出错的分段直接生成ACK；

如果当前数据帧不是可靠性要求高的业务帧，则对分段CRC校验结果统计值进行分析；如果分段的错误率高于设定的错误率阈值，则CRC校验出错的分段都需要进行重传，以此生成ACK或NACK；

对于可靠性要求不高的业务帧，且分段错误率低，则对各个分段的信噪比估计值进行分析；

对可靠性要求高的业务是指要求误码率低于设定阈值的业务；

对于接收机来说，信噪比和误码率之间有着一一对应的曲线关系，根据各个分段的信噪比确定当前分段的误码率，如果误码率在可以接受的范围内，则该分段不需要进行重传，直接保留，否则需要对该分段进行重传，进而以此生成ACK或者NACK；

在生成NACK时，同时携带当前信道质量参数；发送方在收到回复包，根据信道质量调整重传帧的编码码率和调制方式；

步骤5：发送方根据接收方回复的ACK或NACK帧，决定对相应数据帧进行重传，确定重传数据帧中的分段。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述PHY层对下发数据帧进行分段，所得每个分段的长度由物理层的编码调制方式和码率来确定。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，同时，接收方会对数据帧进行信道质量估计，体现为当前信道信噪比估计值；由于采用OFDM的调制方式，每个分段的数据各自调制为一个OFDM符号，因此对每个分段单独进行信噪比估计；同时OFDM系统都会存在一个用于同步的前导序列，对前导序列进行信噪比估计；最后将数据，CRC统计结果以及信噪比SNR统计结果一起上传至接收方MAC层；若一个分段CRC校验出错后，接收方PHY层会将该出错分段的数据缓存下来，并在重传数据到达时与其进行软合并，一起进行解码和CRC校验。

4.如权利要求1～3任一所述的方法，其特征在于，所述可靠性要求高的业务帧为对误码率要求小于10^-6或者10^-7的业务。

5.如权利要求1～3任一所述的方法，其特征在于，所述错误率阈值设定为1/2。

6.如权利要求1～4任一所述的方法，其特征在于，所述对各个分段的信噪比估计值进行分析，具体为：

MAC层从PHY层得到前导估计的信噪比以及各个分段各自估计的信噪比；以卡尔曼滤波的方式将前导估计的信噪比和各个分段独立估计的信噪比结合起来；对于分段N，其信噪比由前导以及分段1到分段N-1的信噪比进行预测，再由分段N独立估计出来的信噪比进行校正，以此得到平滑后的信噪比。

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