CN1428026A

CN1428026A - 利用混合自动重复请求技术的数据传输中的信道质量测量

Info

Publication number: CN1428026A
Application number: CN01808951A
Authority: CN
Inventors: 亚历山大·戈利奇克; 艾科·塞德尔
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Corp of America
Priority date: 2001-01-17
Filing date: 2001-01-17
Publication date: 2003-07-02
Anticipated expiration: 2021-01-17
Also published as: KR20020080496A; EP1258095B1; US20060062167A1; JP3629263B2; EP1258095A1; WO2002058314A1; US7583614B2; CN100409605C; CN1639196A; US7002923B2; CN100467491C; US20030185175A1; JP2004517585A

Abstract

本发明提供了一种在通信系统中的无线信道上把数据单元发送到接收器的混合ARQ技术。在利用编码参数把数据单元编码成码字序列之后，发送第一个码字，和从接收器接收ACK或NAK。如果接收到NAK，发送该序列的下一个码字。根据本发明，通过计数NAK消息和/或评估编码参数，确定指示当前信道条件的测量值。最好，测量值是总编码率、每数据单元平均重新发送次数、和每码字平均重新发送次数。在优选实施例中，发送器包括NAK计数器。除了改进的发送测量之外，本发明还把该测量用于自适应。

Description

利用混合自动重复请求技术的数据传输中的信道质量测量

本发明一般涉及用于数据传输的混合ARQ(自动重复请求)技术，尤其涉及对发送器进行操作，以便在通信系统中的无线信道上把数据单元发送到接收器的II/III型混合ARQ方法。本发明还涉及相应的发送器和通信系统。本发明可以应用在移动通信系统中，特别可应用于蜂窝式系统。尤其是，本发明可以应用在通用移动电信系统UMTS中。

UMTS是用于下一代移动通信系统的候选技术之一，图1描绘了它的结构。UMTS包括通过接口1u与无线访问网络UTRAN 110(UMTS地面无线访问网络)连接的核心网络CN 100。另一方面，UTRAN 110通过接口Uu与用户设备UE 120连接。

从图2可以看出，UTRAN 110包括通过接口1u与核心网络CN 100连接的一组无线网络子系统RNS 200。每个RNS 200都包括无线网络控制器RNC210，无线网络控制器RNC 210负责需要向用户设备UE 120发信号的越区切换判定。并且，无线网络子系统RNS 200还包括基站(节点B)220，基站220通过接口1ub与无线网络控制器RNC 210连接。在UTRAN 110内部，无线网络子系统RNS 200的无线网络控制器RNC 210以通过另外的接口1ur互连。接口1u和1ur是逻辑接口。1ur可以在无线网络控制器RNC 210之间的直接物理连接上或利用任何适当传输网络的虚拟网络之间的直接物理连接上传送。

用户设备UE 120和UTRAN 110之间的层3的控制面信令由无线资源控制RRC层管理。除了传送广播信息，建立无线载体，和控制无线资源之外，RRC还负责用户设备UE测量报告和报告的控制。用户设备UE 120执行的测量由RRC层以测量什么、什么时候测量、和如何测量的方式进行控制，包括UMTS空中接口和其它系统在内。RRC层还执行从用户设备UE 120到网络的测量报告。

在数据通信系统中，与自动重复请求(ARQ)结合在一起的差错检测广泛用于差错控制。用于非实时服务的差错检测的最普通技术是基于把ARQ和前向纠错(FEC)组合在一起的混合ARQ方案。

FEC把冗余引入一块长度为k的信息位中，以便在发送之前形成长度为n的编码块。冗余有助于在接收器上清除差错。

图3更详细地描绘了执行前向纠错的发送器。首先把要发送的输入数据缓存在缓冲器300中。当在缓冲器300中存在数据和把用于发送的物理信道指定给发送器时，数据在FEC编码器310中被编码，从而生成母码。然后，把母码或母码的所有码字(码段)转发给调制器330和扩展器340(在码分多址CDMA系统中)，由RF(射频)电路350频移到射频RF，并且通过天线360发送出去。如果使用II/III型ARQ(如下所述)，那么，由于在重新发送时发送不同的码字，发送器还包括码字缓冲器320。

现在转到ARQ技术，在移动通信中最常用的方案是停止-等待(SAW)和选择性-重复(SR)连续ARQ方案。如果通过循环冗余检验(CRC)检测到差错，那么，接收器请求发送器发送附加位。无线链路控制RLC层的重新发送单元被称为协议数据单元PDU。

图4描绘了为了能按照ARQ方案对其进行操作而安排的发送器。由于发送器必须能够接收来自接收器的请求，发送器包括便于利用一副天线360进行发送和接收的双工器400。当发送器接收信号时，它利用RF电路410把信号频移到基带，在解扩器420中解扩信号，把解扩信号转发给解调器430，并且从解调数据中提取ACK/NAK信号。ACK消息告知发送器接收器能够成功解码发送的PDU。NAK消息告知发送器解码出错。取决于发送器接收到ACK还是NAK，ACK/NAK提取器440为了重新发送，就访问码字缓冲器320，或者，如果已经接收到ACK，将释放存储器。

现在参照图5，该流程图更详细地显示了接收器进行的处理。在步骤500中，接收器接收以后在步骤510中存储的码字。当以前已经发送了码字时，在步骤520中，可以将接收和存储的码字与以前发送的同一数据单元的码字组合在一起。然后，在步骤530中判定是否可以成功地解码PDU。如果是，那么，把肯定确认消息ACK发送回到发送器，并且释放那个PDU的所有存储码字(步骤540)。否则，发送否定确认消息NAK(步骤550)，以便请求重新发送。

取决于重新发送的位，可以区分成三种不同类型的ARQ：

I型：放弃错误的PDU，独立地重新发送和解码PDU的新副本。不把该PDU的较早和较晚版本组合在一起。

II型：不放弃需要重新发送的错误PDU，但将其与发送器提供的一些增量冗余位组合在一起，供随后解码用。重新发送的PDU有时具有较高的编码率，并且在接收器上与存储值组合在一起。因此，在每次重新发送时只加入少量的冗余。

III型：这种类型ARQ与II型QRQ不同之处只在于，每个重新发送的PDU现在是可自解码的。这意味着，即使没有与以前的PDU形成组合，PDU也是可解码的。当一些PDU损坏得很严重，以致于几乎没有信息可再使用时，这是有用的。

由于II和III方案具有使编码率适应变化的无线环境和再使用以前发送的PDU的冗余的能力，因此，它们更加智能些，并且显示出一些性能增益。这样的II/III型ARQ方案在下文中将被称为“增量冗余法”。在物理层中不同地编码PDU的独立版本，以提高组合处理的编码增益。整个码的这些不同部分将被称为码块或码字。

由于II和III型ARQ方案对存储器大小提出严格要求以存储供随后组合用的软判定值，人们已经提出来引入非常快速的反馈信道。反馈信道用于把ACK和NAK信息从接收器发送到发送器。通常，由于这种信息被收集在状态报告中，因此，在可以发送ACK或NAK之前，牵涉到一些往返延迟。因此，不涉及到诸如无线链路控制RLC之类的较高层，直接通过物理层非常快地发送反馈看来是有益的。如果已经接收到NAK，发送器就可以用最小延迟发送下一个码块。因此，必须存储的码字的数量保持在非常小的程度上，缩短了总延迟。

由于有限的频谱资源，未来的移动通信系统将自适应于无线环境。诸如调制、数据速率、扩展因子、和扩展码数量之类的发送参数将基于当前信道条件。

但是，在频分双工FDD系统中，发送器通常只知道一点接收器经历的信道条件。如果在反向链路上存在一些从接收器到发送器的业务，那么，由于对这种业务的测量是在不同频率上进行的，因此，它们是不可靠的。还存在着可以在发送器中进行的测量。这样的测量之一，例如，对节点B的测量是与到某个用户设备UE 120的发送功率的相对应的发送码功率。由于发送功率是通过UE功率控制命令控制的，因此，它随信道条件而变，并且试图补偿诸如路径损耗和衰落之类的信道衰减。不过，在某些状况下，这样的发送器测量可能是没有意义的。

现有的自适应技术往往基于必须从接收器发送到发送器的测量报告。无线资源控制RRC可以构造这种以后从UE 120发送到无线网络控制器RNC 210的测量报告。这些测量报告引入了必须在空中发送的附加信令开销。由于连续测量报告引入了太多对反向链路的影响，因此，它对自适应来说是不利的。另一方面，如果不连续地进行报告，那么，在发送器上将存在延迟，致使不能根据当前信道条件精确地执行自适应。

在简单ARQ系统中的另一种现有自适应技术基于已经适用于发送器的ACK/NAK发送。如果接收到大量NAK消息，那么，发送器可以，例如，降低编码率。但是，在利用增量冗余法的系统中，由于II/III型混合ARQ固有地牵涉到大量重新发送，即大量NAK消息，因此，这是不利的。

尽管增量冗余法已经被认为是自适应编码方案，但是，仍然需要进一步自适应。下面给出一个为什么仍然需要进一步自适应的例子。

对于不使用增量冗余法的移动通信系统，编码率通常在1/2和1/3左右。II/III型方案把较低的编码率用于第一码块。与增量冗余法有关的现有系统正把固定编码率用于每个码块。例如，每个码块可以具有1的固定编码率。假设没有确认，总编码率(在随后的组合之后)对于每次重新发送将降低成r＝1、1/2、1/3、1/4等。

因此，与I型ARQ相比，由于在II/III型方案中每码块附加的冗余(对于每次重新发送)较少，因此，增量冗余方案需要更多的重新发送。对于好的自适应颗粒度(编码率与信道条件之比)，单个码块的编码率应该较高。重新发送的次数将增加，但是，在这个特定时刻，总编码率将接近最佳编码值。

存在着几个由这样的设计准则所致的问题：

首先，必须在反馈信道上请求的重新发送的总次数大，导致反馈信道上信令开销增加。并且，对于每次重新发送，直到成功解码整个PDU为止的延迟增加了往返延迟RTD时间。并且，存储器需求随着与存储单个码块所需的时间成正比的重新发送次数增加而增加。此外，如果对于第一个码块采用了高编码率，例如，r＝1，那么，由于这个数据速率是为好的信道条件设计的，在差的信道条件下，几乎100％要重新发送。另一方面，如果对于第一个码块采用了低编码率，例如，r＝1/2，那么，存在较少的重新发送，但是，与I型混合ARQ相比，增益就相对较小。

除了增量冗余法之外，还有其它已知的自适应编码技术。但是，这些现有自适应编码方案不考虑代码可以分解成多个码块的II/III型ARQ方案的行为。由于存在着来自多个码块的时间分集的增益，I型混合ARQ方案所需的编码率将不同于II/III型混合ARQ方案所需的编码率。

为了克服现有系统的上述问题，本发明的目的是提供一种在反向链路上无需发送测量报告的信号就可以允许发送器中的附加测量，从而降低额外开销的混合ARQ技术。

这个目的通过如独立权利要求所阐述的发明来达到。

本发明的优点在于，利用已经可在发送器上使用的信息，提供具有增加冗余的自适应编码方案。因此，本发明提供了克服现有方案的许多缺点的发送器测量。

优选实施例在从属权利要求中得到明确表示。

如上所述增量冗余方案在反馈信道上固有地接收ACK/NAK信息。这样，由于对于好的自适应，不得不接收到大量NAK消息，这不是非常令人满意的。在优选实施例中，本发明提供了导出确认前PDU所需的总编码率的技术。这种信息可以通过累加用相应PDU的相应编码率重新发送的次数导出。这使得，例如，无需从接收器到发送器的任何附加测量报告，就可以确定所需FEC参数的估计值。

除了新的发送器测量之外，在一个实施例中，本发明还把这种测量用于自适应。取决于信道条件，解码PDU所需的重新发送的次数将发生变化。对于增量冗余，如果在第一次发送时存在NAK消息的某个部分(例如，大于50％)，那么，与I型ARQ相比，性能增益反而大。对于好的信道条件，编码率接近1(即，没有冗余)也许是合适的，而在非常差的状况(例如，衰落、遮蔽)下，甚至1/3的编码率也只有让一些分组得到正确解码。

本发明还对独立码块的编码率提供了自适应编码。特别是，在几种信道条件下，可以把第一码块的编码率调整成重新发送的某种目标比率。

现在参照附图更详细地描述本发明，在附图中：

图1显示了UMTS结构；

图2显示了UTRAN结构；

图3是显示能够FEC编码要发送的数据的发送器的方块图；

图4是显示适合采用FEC/ARQ方案的发送器的方块图；

图5显示了根据ARQ技术工作的接收器的操作的流程图；

图6是显示根据本发明第一优选实施例的发送器的方块图；

图7是显示对根据图6的发送器进行操作的过程的流程图；

图8是显示根据本发明第二优选实施例的发送器的方块图；和

图9是显示对根据图8的发送器进行操作的过程的流程图。

现在参照附图更详细地描述本发明。

编码率r是信息位数k与发送编码位数n之比。利用诸如RCPT和RCPC码之类的速率兼容收缩码可以容易地生成不同的编码率和码字。码字从公共母码收缩而成。母码应该具有低编码率，以便可以从中生成几个高编码率码字。对于请求重新发送和需要发送新码字的情况，PDU或母码都需要存储在发送器中。在本领域的普通技术人员明白本发明不限于如后所述的特定实施例的同时，现在假设整个母码(即，所有码字)存储在发送器中供重新发送用。这样降低了编码的复杂性，但在发送器中需要更多的存储空间。

现在参照图6，图6显示了根据本发明的发送器的第一优选实施例。这种配置与图4的配置不同之处在于，配备了NAK计数器600和测量单元610。现在参照图7更详细地说明发送器的操作。

当FEC编码器310在步骤700中编码PDU之后，把码字缓存在码字缓冲器320(步骤710)中。然后，在步骤720中发送第一个码字。如果接收器不能解码数据，那么，它就发送NAK消息，请求发送器发送下一个新码字，把更多冗余加入接收数据中。在这种情况下，发送器在步骤730中接收NAK消息，并且在步骤740中从码字缓冲器320中选择下一个码字。该下一个码字列队等待发送。在接收之后，接收器把这个新码字与已经接收的码字组合在一起，以便在接收器中的总编码率是

r_{tot} = k / (n_{{cw}_{1}} + n_{{cw}_{2}})

。因此，加入了冗余，和可以解码分组的可能性更大。

如果发送器在步骤730中接收到ACK消息，那么，在步骤760中可以清除各个PDU的所有码字。

如流程图所示，每当接收到NAK消息时，就在步骤750中把NAK计数器600加1。因此，在已经确认PDU之前，计数器600将计数PDU的所有NAK消息。随着每个码字的编码率得到确认，每个PDU重新发送的次数NNAK可以用在测量单元610中，计算总PDU编码率、每PDU平均重新发送次数、或每码字平均重新发送次数。如果码字的编码率是固定的，那么，测量单元610最好包含存储每个码字的编码率的存储器。正如下面更详细描述的那样，可以在数个PDU上或在某个时间上对测量求平均。为此，测量单元610最好配有过滤函数。最好根据在可以重新发送之前的往返延迟和根据信道条件变化有多快进行求平均。在过滤函数中，还可以在测量单元610中进行加权，使当前测量比以前测量具有更大的权重。

在优选实施例中，测量单元610向更高层单元或其它实体报告测量值。最好，向基站(节点B)220或无线网络控制器RNC 210报告测量值。可以在请求时，定期或根据某些阈值进行报告。

现在更详细地描述由发送器在步骤770中，无需任何附加测量，就可以根据重新发送次数计算的测量值的例子。应该认识到，由于II/III型混合ARQ的固有行为，导出成功解码PDU所需的总编码率是可能的。对无线环境的任何自适应可以基于这样的测量值。

计算测量值的第一个例子是计算总编码率。为此，发送器计数每PDU重新发送次数N_NAK，和如果不能显式导出，还计算每个码块的编码速率。现在，可以根据如下公式计算总PDU编码率r_tot：

r_{tot} = \frac{k}{n_{{cw}_{1}} + n_{{cw}_{2}} + . . . + n_{{cw}_{N_{NAK}}}} = \frac{k}{Σ_{i = 1}^{N_{NAK}} n_{{cw}_{i}}} = \frac{1}{Σ_{i = 1}^{N_{NAK}} \frac{1}{r_{{cw}_{i}}}}

此处，

是码字i的编码位数。取决于移动信道的精度和时间方差，可以对编码率求平均：

\overset{&OverBar;}{r_{tot}} = \frac{1}{N_{PDU}} \cdot Σ_{i = 1}^{N_{PDU}} r_{{tot}_{i}}

此处N_PDU是用于求平均的分组数。在优选实施例中，根据已经用于以前发送的PDU的平均编码率修改第一码块的编码率。

计算测量值的另一个例子是计算每PDU平均重新发送次数。对于每个PDU，成功解码所需的重新发送次数是

。然后，可以根据如下公式计算平均值：

\overset{&OverBar;}{N_{NAK}} = \frac{1}{N_{PDU}} \cdot Σ_{i = 1}^{N_{PDU}} N_{{NAK}_{i}}

当没有重新发送时，这个值是0。在优选实施例中，根据每个PDU所需的重新发送次数，修改第一码块的编码率。与I型ARQ自适应编码方案相比，编码将适用于没有重新发送的(即，N_NAK＝0)，但是，将保证接收到特定的平均重新发送次数。最好，平均次数大约是1，或甚至更大。

计算测量值的还有一个例子是计算每码字平均重新发送次数。可以根据如下公式计算在N_PDU上求平均的每码字x平均重新发送次数(等于所有NAK消息)：

\overset{&OverBar;}{N_{{NAK}_{cwx}}} = \frac{1}{N_{PDU}} \cdot Σ_{i = 1}^{N_{PDU}} N_{{MAK}_{{CWX}_{I}}}

虽然在上面的讨论中，已经更详细地描述了本发明的发送器测量，但是，如下的讨论将集中在把这种测量用在自适应上。这方面将针对与图6的配置不同之处在于所示的FEC控制单元800的图8加以介绍。图8的发送器执行用于在FEC编码器310中编码数据的FEC参数的自适应。

在图8中，由FEC控制单元800实现自适应。根据测量单元610提供的测量，FEC控制单元800修改FEC参数。一旦实现了自适应，就向测量单元610报告码字的新编码率。执行自适应的过程显示在图9中。

在步骤900中确定的初始FEC值最好基于在发送之前已经作出的测量。在另一个优选实施例中，把初始参数设置成高编码率。在发送期间，FEC参数将自适应于环境。为此，必须监视用作自适应准则的某些参数。这可以是，例如，每PDU总重新发送次数、每码字重新发送次数、或总编码率(参见上面)。但是，本领域的普通技术人员应该认识到，自适应也可以基于在发送器中测量的或从接收器接收的任何其它参数。

在图9描绘的自适应过程中，在步骤920确定阈值。可以允许一些偏差，以避免在不同FEC参数组之间切换得太频繁。然后，在步骤930和950中把在步骤910中监视的参数与阈值相比较。如果比如每码字平均重新发送次数的监视参数大于阈值，则降低编码率。另一方面，如果监视参数小于阈值，则提高编码率。

在优选实施例中，自适应过程限于码字的一些或仅一个。如果只使第一个码字自适应，那么，后面码字的编码率(或FEC参数)可以固定在较高的编码率上。这样就能保证总编码的小颗粒度和总编码率接近最佳。可选地，后面码字的编码率可以从第一个码块的编码率中显式地导出。由于接收器可以从第一个码块的编码率中导出随后码块的编码率，因此，这减少了信令开销。

在另一个优选实施例中，把码块的编码率修改成允许每次重新发送只正确解码某个百分比的PDU。这个百分比最好是25％。

回头参照图8，代替编码参数的自适应，或除了编码参数的自适应之外，在本发明进一步的优选实施例中，使发送参数自适应。在一个优选实施例中，修改调制格式。为此，控制单元800拥有到调制器330的附加通路(在图8中未示出)。在另一个优选实施例中，自适应的发送参数是扩展因子或扩展码个数。因此，控制单元800拥有到扩展器340的附加通路(在图8中未示出)。

Claims

1.一种对发送器进行操作，以便在通信系统中的无线信道上把数据单元发送到接收器的混合ARQ方法，该方法包括如下步骤：

利用至少一个编码参数把数据单元编码(700)成至少两个码字的序列；

发送(720)第一个码字；

从所述接收器接收(730)指示该接收器是否能够解码数据单元的肯定(ACK)或否定(NAK)确认消息；和

如果接收到否定确认消息，发送(740，720)该序列的下一个码字和继续执行接收步骤；

其特征在于，

该方法还包括如下步骤：通过计数(750)否定确认消息和/或评估至少一个编码参数，确定(770)指示当前信道条件的测量值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量值是接收到肯定确认消息之前接收到的否定确认消息的个数(

)。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量值是从接收到肯定确认消息之前，已经发送的每个码字的编码率(

)中确定的总编码率(r_tot)。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量值是每码字(x)否定确认消息的个数( )。

5.根据权利要求1到4之一所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：将测量值对数据单元的个数(N_PDU)求平均或应用对以前数据单元给予较小权重的加权过滤函数。

6.根据权利要求1到5之一所述的方法，其特征在于，至少一个编码数据是FEC编码率。

7.根据权利要求1到6之一所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：使至少一个编码参数自适应于所述测量值。

8.根据权利要求1到7之一所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：使至少一个发送参数自适应于所述测量值。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，发送参数是调制格式。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，发送参数是扩展因子。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，发送参数是扩展码个数。

12.根据权利要求1到11之一所述的方法，其特征在于，至少一个编码参数是码字的编码率，和该方法还包括把编码率初始化(900)成高值的步骤。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述第一个码字之后的码字的编码率是从该第一个码字的编码率中导出的。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：只把所述第一个码字的编码率当作信号发送给接收器。

15.一种在通信系统中的无线信道上把数据单元发送到接收器的混合ARQ发送器，包括：

编码器(310)，用于利用至少一个编码参数把数据单元编码成至少两个码字的序列；

发送单元(330，340，350，400，360)，用于发送第一个码字；

接收单元(360，400，410，420，430)，用于从所述接收器接收指示该接收器是否能够解码所述数据单元的肯定(ACK)或否定(NAK)确认消息；和

操作装置(440，320)，如果接收到否定确认消息，对发送单元进行操作，以便发送该序列的下一个码字；

其特征在于，

还包括测量单元(600，610)，用于通过计数否定确认消息和/或评估至少一个编码参数，确定指示当前信道条件的测量值。

16.根据权利要求15所述的发送器，该发送器被配置成执行根据权利要求1到14之一所述的方法。

17.根据权利要求15或16所述的发送器，该发送器是基站(220)。

18.根据权利要求17所述的发送器，其特征在于，还包括在请求时把测量值发送到无线网络控制器(210)的装置。

19.根据权利要求17或18所述的发送器，其特征在于，还包括定期把测量值发送到无线网络控制器(210)的装置。

20.根据权利要求17到19之一所述的发送器，其特征在于，还包括在事件触发时把测量值发送到无线网络控制器(210)的装置。

21.一种包括根据权利要求15到20之一所述的发送器和接收器的系统。