CN1567761A - 正交频分复用系统中混合自动重传请求的合并方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种正交频分复用(OFDM)系统中混合自动重传请求(HARQ)的合并方法，该方法采用通过信噪比和信噪比方差加权的改进的蔡斯合并方法来实现正交频分复用(OFDM)系统中混合自动重传请求(HARQ)合并。采用该方法不仅提高了系统总处理能力和时间延迟的性能，特别在信噪比较低的情况下效果更加明显，而且该方法不会增加系统的复杂性。

Description

正交频分复用系统中混合自动重传请求的合并方法
                              技术领域
本发明涉及移动通信系统，尤其涉及正交频分复用(OFDM)系统中混合自动重传请求(HARQ)的合并方法
                              背景技术
现有的简单合并技术采用的是通过信噪比(SNR)加权的蔡斯合并方法来实现混合自动重传请求(HARQ)合并，这里信噪比(SNR)是一个在一定时间内(如一个数据帧)的平均值。
在信噪比(SNR)相对较低的环境下，有两种情况：1)在同一段时间的信噪比(SNR)方差可能较高；2)在同一段时间的信噪比(SNR)方差也可能较低。第一种情况表明信号受到的时间选择性衰落严重。如果我们采用简单的仅通过信噪比(SNR)加权的蔡斯合并方法来实现混合自动重传请求(HARQ)合并，就会忽视时域中的快衰落的影响，并降低接收机端的混合自动重复请求(HARQ)合并的性能。
                              发明内容
本发明的目的在于提供一种正交频分复用(OFDM)系统中混合自动重传请求(HARQ)的合并方法，该方法解决了现有技术所存在的缺陷，并改善了系统的吞吐量和时间延迟，同时减少了系统的重传次数。
本发明的正交频分复用系统中混合自动重传请求的合并方法包含以下步骤：
a、发射机将数据以帧为单位发射到接收机，接收机利用接收到的数据的信噪比(SNR)和SNR方差对接收到的数据进行加权，并将加权后的数据作为最后数据保存在HARQ合并单元的缓存器中，随后接收机对保存后的最后数据进行处理，判别接收到的数据帧是否正确；
b、若数据帧正确，接收机则输出最后数据，并分别反馈一个肯定应答(ACK)指示给接收机的HARQ合并单元和发射机，若数据帧不正确，接收机则分别反馈一个否定应答(NACK)指示给接收机的HARQ合并单元和发射机；
c、当接收机的HARQ合并单元和发射机获得ACK指示时，返回步骤a，直至所有数据传送完毕为止；
d、当接收机的HARQ合并单元和发射机获得NACK指示时，发射机将原数据重新发送到接收机，而接收机的HARQ合并单元则利用接收到的重传的数据的SNR和SNR方差对重传的数据进行加权，并将加权后的重传的数据与HARQ合并单元的缓存器中的数据进行合并，同时将合并后的数据作为最后数据保存在HARQ合并单元的缓存器中，随后接收机对合并后的最后数据进行处理，判别合并后的数据帧是否正确，返回步骤b。
步骤a中发射机将数据以帧为单位发射到接收机前，需要对数据进行处理，依次包含循环冗余校验位(CRC)添加、编码以及OFDM调制，同时将经过CRC添加但未经过编码的数据作为最后数据保存在发射机(TX)缓存器中以便可能的重传；步骤a中接收机利用接收到的数据的SNR和SNR方差对接收到的数据进行加权之前，接收机需对接收到的数据进行OFDM解调；步骤a中接收机对保存后的最后数据进行处理依次包含软译码和CRC校验，通过CRC校验判别接收到的数据帧是否正确，得到ACK指示或NACK指示。
步骤b中反馈给发射机的ACK指示或NACK指示接入TX缓存器，当所述TX缓存器获得ACK指示时，所述TX缓存器取新数据作为最后数据保存其中，当所述TX缓存器获得NACK指示时，所述TX缓存器保持原有的最后数据不变。
步骤d中接收机的HARQ合并单元利用接收到的重传的数据的SNR和SNR方差对重传的数据进行加权前，接收机需对接收到的重传的数据进行OFDM解调；步骤d中所述重传的数据的SNR和SNR方差是接收机对OFDM解调后的重传的数据进行信噪比估计得到的；步骤d中接收机对合并后的最后数据进行处理依次包含软译码和CRC校验，通过CRC校验判别合并后的数据帧是否正确，得到ACK指示或NACK指示。
接收机对接收到的数据加权，以及所述对重传的数据加权合并，是按照下述公式实现的：
Figure A0314144800061
其中i表示第i次重传，i≥0，Nretrans表示传送块的重传次数，1≤Nretrans≤Nmax，Nmax是传送块的最大重传次数，R(i)表示第i次合并后的数据，S(i)表示第i次合并前的数据，SNR_est(i)表示第i次估计的信噪比值，SNRthreshold表示信噪比阈值，σSNR(i)表示第i次估计的信噪比方差值，σthreshold表示信噪比方差阈值。
本发明的正交频分复用(OFDM)系统中的接收机包含：
信噪比估计单元，用于对解调后的数据进行信噪比估计处理，得到估算的信噪比和信噪比方差，并输出；
HARQ合并单元，用于接收信噪比估计单元的输出并通过输入的信噪比和信噪比方差对输入的解调后的数据进行加权，并将加权后的数据作为最后数据保存在所述HARQ合并单元的缓存器中，随后根据接收到的数据帧是否正确的判断结果，决定是否进行合并操作，若接收到的数据帧正确，则不进行合并操作，若接收到的数据帧不正确，则通过输入的重传数据的信噪比和信噪比方差对输入的解调后的重传数据进行加权，将加权后的重传数据与所述HARQ合并单元的缓存器中数据合并，并将合并后的数据作为最后数据保存在所述HARQ合并单元的缓存器中。
本发明采用通过信噪比和信噪比方差加权的改进的蔡斯合并方法来实现正交频分复用(OFDM)系统中混合自动重传请求(HARQ)合并，该方法提高了系统吞吐量和时间延迟的性能，特别在信噪比较低的情况下效果更加明显，而且该方法不会增加系统的复杂性。
                              附图说明
图1是在正交频分复用系统中实现本发明混合自动重传请求(HARQ)合并方法的发射机、接收机中相关结构的示意图；
图2是本发明与普通蔡斯合并方法、没有加权的数据合并方法进行对比的信噪比-误比特率的仿真曲线图；
图3是本发明与普通蔡斯合并方法、没有加权的数据合并方法进行对比的信噪比-系统吞吐量的仿真曲线图；
图4是本发明与普通蔡斯合并方法、没有加权的数据合并方法进行对比的信噪比-时间延迟的仿真曲线图。
                               具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图1显示的是在正交频分复用系统中实现本发明混合自动重传请求(HARQ)合并方法的发射机、接收机中相关结构的示意图。如图1所示，在发射机10端，首先，发射机10的循环冗余校验位(CRC)添加单元11对输入的以帧为单位的用户数据进行CRC添加，并将添加有循环冗余校验位的用户数据作为最后的用户数据保存在发射机(TX)缓存器12中。接着，TX缓存器12将保存后的用户数据传送到编码器13中，编码器13对输入的用户数据进行编码后输出到正交频分复用(OFDM)调制单元14中。随后，OFDM调制单元14将经过OFDM调制的用户数据经发射机10的发送单元(图中未示出)发送到无线信道(图中未示出)中。
在接收机20端，首先，接收机20的接收单元(图中未示出)从无线信道(图中未示出)中接收发射机10发出的用户数据之后，由OFDM解调单元21对接收到的用户数据进行OFDM解调得到用户数据S(0)，并将用户数据S(0)分别输入到HARQ合并单元23和信噪比估计单元22中，其中信噪比估计单元22对用户数据S(0)进行信噪比估计，得到该用户数据S(0)的信噪比估算值SNR_est(0)和信噪比方差估算值σSNR(0)。接着信噪比估计单元22将估算出的信噪比SNR_est(0)和信噪比方差σSNR(0)这两个数据同时输入到HARQ合并单元23中。HARQ合并单元23通过估算出的用户数据S(0)的信噪比SNR_est(0)和信噪比方差σSNR(0)对用户数据S(0)进行加权得到用户数据R(0)，并将加权后的用户数据R(0)作为最后的用户数据保存在HARQ合并单元23的缓存器中。随后，HARQ合并单元23将用户数据R(0)输入到软译码器24中，由软译码器24对输入的用户数据R(0)进行软译码处理后输出到CRC校验单元25中，由CRC校验单元25判别接收机20接收到的用户数据帧是否正确，得到肯定应答(ACK)指示或否定应答(NACK)指示。
若CRC校验单元25判别后得出接收机20接收到的用户数据帧正确，那么接收机20的CRC校验单元25则输出CRC校验后的用户数据，并发出一个ACK指示，分别反馈给接收机20的HARQ合并单元23和发射机10的TX缓存器12。由于接收机20的HARQ合并单元23和发射机10的TX缓存器12在分别获得ACK指示时应该有一定的时间延时，因此，接收机20的CRC校验单元25发出的ACK指示需经过接收机20的时间延迟单元26的时间延迟处理后，才能分别反馈给接收机20的HARQ合并单元23和发射机10的TX缓存器12；
当发射机10的TX缓存器12和接收机20的HARQ合并单元23获得ACK指示时，重复上述发射机发送用户数据和接收机接收用户数据的操作过程，即发射机10的TX缓存器12获取新的经过CRC添加处理的用户数据(以帧为单位)，并将其作为最后的用户数据保存，随后发射机10依次对保存后的用户数据进行编码、OFDM调制处理后，经由发射单元(图中未示出)发送到无线信道(图中未示出)中。接收机20从无线信道(图中未示出)中接收发射机10发出的新用户数据，并对接收到的新用户数据依次进行OFDM解调、信噪比估计、加权处理，同时将加权后的新用户数据作为最后的用户数据保存在HARQ合并单元23的缓存器中，随后对保存后的新用户数据进行软译码、CRC校验处理，判别接收到的新用户数据帧是否正确。若接收到的新用户数据帧正确，接收机20输出该CRC校验后的用户数据，同时分别反馈一个ACK指示接收机20的HARQ合并单元23和发射机10的TX缓存器12，由此构成一个循环。
若CRC校验单元25判别后得出接收到的用户数据帧不正确，那么接收机20的CRC校验单元25则发出一个NACK指示，同理，该NACK指示也需经过接收机20的时间延迟单元26的时间延迟处理后，才能分别反馈给接收机20的HARQ合并单元23和发射机10的TX缓存器12。
当发射机10的TX缓存器12和接收机20的HARQ合并单元23获得NACK指示时，发射机10的TX缓存器12则不获取新的用户数据，而是将其保存的最后的用户数据重新传送到编码器13和OFDM调制单元14中进行编码和OFDM调制处理后，经由发射单元(图中未示出)发送到无线信道(图中未示出)中。接收机20从无线信道(图中未示出)中接收发射机10发出的重传用户数据后，对接收到的重传用户数据进行OFDM解调得到重传数据S(1)，并将重传数据S(1)输入到信噪比估计单元22和HARQ合并单元23中。信噪比估计单元22则对重传数据S(1)进行信噪比估计得到信噪比SNR_est(1)和信噪比方差σSNR(1)，并将估算出的SNR_est(1)和σSNR(1)这两个数据同时输入到HARQ合并单元23中。而HARQ合并单元23则通过输入的重传数据S(1)的SNR_est(1)和σSNR(1)对输入的重传数据S(1)进行加权，并将加权后的重传数据与HARQ合并单元23的缓存器中的最后的用户数据S(0)合并得到用户数据R(1)，同时将合并后的用户数据R(1)作为最后的用户数据保存在HARQ合并单元23的缓存器中。
接着，HARQ合并单元23将合并后的用户数据R(1)输入到软译码器24中，进行软译码处理后输出到CRC校验单元25中，由CRC校验单元25判别接收到的重传的用户数据是否正确，若接收到的重传用户数据不正确，接收机20分别反馈一个NACK指示接收机20的HARQ合并单元23和发射机10的TX缓存器12。当发射机10的TX缓存器12和接收机20的HARQ合并单元23获得NACK指示时，重复上述发射机重传用户数据和接收机接收重传用户数据的操作过程，即发射机10对TX缓存器12中的最后的用户数据进行编码和OFDM调制处理后，经由发射单元(图中未示出)重发到无线信道(图中未示出)中。接收机20从无线信道(图中未示出)中接收发射机10发出的重传用户数据后，对其进行OFDM解调得到重传数据S(2)，并对重传数据S(2)进行信噪比估计得到SNR_est(2)和σSNR(2)，由HARQ合并单元23通过输入的SNR_est(2)和σSNR(2)对输入的重传数据S(2)进行加权，并将加权后的重传数据与HARQ合并单元23的缓存器中的最后的用户数据S(1)合并得到用户数据R(2)，同时将R(2)作为最后的用户数据保存在HARQ合并单元23的缓存器中。接着接收机20对R(2)进行软译码、CRC校验处理，判别接收到的重传新用户数据是否正确。若接收到的重传用户数据不正确，接收机20分别反馈一个NACK指示接收机20的HARQ合并单元23和发射机10的TX缓存器12，由此构成一个循环，直到判别得出接收到的重传新用户数据正确为止，接收机20输出该重传用户数据，同时分别反馈一个ACK指示接收机20的HARQ合并单元23和发射机10的TX缓存器12。
以上加权合并的过程可以用下述公式来实现：
在上述公式中，i表示第i次重传，且i≥0，Nretrans表示传送块的重传次数，1≤Nretrans≤Nmax，Nmax是传送块的最大重传次数，R(i)表示第i次合并后的数据，S(i)表示第i次合并前的数据，SNR_est(i)表示第i次估计的信噪比值，SNRthreshold表示信噪比阈值，σSNR(i)表示第i次估计的信噪比方差值，σthreshold表示信噪比方差阈值。
根据上述对实施例的具体说明，本发明的正交频分复用(OFDM)系统中混合自动重传请求(HARQ)的合并方法可以归纳为以下几个步骤：
a、发射机将数据以帧为单位发射到接收机，接收机利用接收到的数据的信噪比(SNR)和SNR方差对接收到的数据进行加权，并将加权后的数据作为最后数据保存在HARQ合并单元的缓存器中，随后接收机对保存后的最后数据进行处理，判别接收到的数据帧是否正确；
b、若数据帧正确，接收机则输出最后数据，并分别反馈一个肯定应答(ACK)指示给接收机的HARQ合并单元和发射机，若数据帧不正确，接收机则分别反馈一个否定应答(NACK)指示给接收机的HARQ合并单元和发射机；
c、当接收机的HARQ合并单元和发射机获得ACK指示时，返回步骤a，直至所有数据传送完毕为止；
d、当接收机的HARQ合并单元和发射机获得NACK指示时，发射机将原数据重新发送到接收机，而接收机的HARQ合并单元则利用接收到的重传的数据的SNR和SNR方差对重传的数据进行加权，并将加权后的重传的数据与HARQ合并单元的缓存器中的数据进行合并，同时将合并后的数据作为最后数据保存在HARQ合并单元的缓存器中，随后接收机对合并后的最后数据进行处理，判别合并后的数据帧是否正确，返回步骤b。
同时，我们也可以从上述实施例中得到，本发明的正交频分复用(OFDM)系统中的接收机包含：
信噪比估计单元，用于对解调后的数据进行信噪比估计处理，得到估算的信噪比和信噪比方差，并输出；
HARQ合并单元，用于接收信噪比估计单元的输出并通过输入的信噪比和信噪比方差对输入的解调后的数据进行加权，并将加权后的数据作为最后数据保存在所述HARQ合并单元的缓存器中，随后根据接收到的数据帧是否正确的判断结果，决定是否进行合并操作，若接收到的数据帧正确，则不进行合并操作，若接收到的数据帧不正确，则通过输入的重传数据的信噪比和信噪比方差对输入的解调后的重传数据进行加权，将加权后的重传数据与所述HARQ合并单元的缓存器中数据合并，并将合并后的数据作为最后数据保存在所述HARQ合并单元的缓存器中。
正交频分复用(OFDM)系统中的接收机的其他功能模块和发射机均为现有技术，故省略。
其中，在本发明的方法和接收机中，HARQ合并单元通过接收到的数据的信噪比(SNR)和SNR方差对接收到的数据进行加权，以及通过重传的数据的信噪比(SNR)和SNR方差对重传的数据进行加权合并，是按照下述公式实现的：
Figure A0314144800121
其中i表示第i次重传，i≥0，Nretrans表示传送块的重传次数，1≤Nretrans≤Nmax，Nmax是传送块的最大重传次数，R(i)表示第i次合并后的数据，S(i)表示第i次合并前的数据，SNR_est(i)表示第i次估计的信噪比值，SNRthreshold表示信噪比阈值，σSNR(i)表示第i次估计的信噪比方差值，σthreshold表示信噪比方差阈值。
图2、图3、图4分别显示的是本发明的对比例的信噪比-误比特率的仿真曲线图、本发明的对比例的信噪比-吞吐量的仿真曲线图、本发明的对比例的信噪比-时间延迟的仿真曲线图。如图2、图3、图4所示，曲线a1、a2、a3均表示采用没有加权的数据合并方法的仿真试验曲线，曲线b1、b2、b3均表示采用普通的仅通过信噪比价加权的蔡斯合并方法的仿真试验曲线，曲线c1、c2、c3均表示采用本发明的通过信噪比和信噪比方差加权的改进的蔡斯合并方法的仿真试验曲线。
图2、图3、图4分别显示的仿真试验曲线均是在下述仿真环境下测得的，即在正交频分复用(OFDM)系统下；载波频率为3.2GHz；信道为AWGN+UMTS室外多径信道A；移动速率为120km/h；编码方式为1/3Turbo编码方式；调制方式为16QAM；循环冗余校验位(CRC)为24比特；信道估计为理想信道估计，SNR估计也为理想信噪比估计；仿真点在10240*150；最大重传次数为5次。由图2、图3、图4可知，本发明的通过信噪比和信噪比方差加权的改进的蔡斯合并方法，不仅能使误比特率性能有所改善，而且还可以提高系统的吞吐量和时间延迟的性能，而且在信噪比(SNR)相对较低的情况下(低于11dB)，本发明的方法对系统的吞吐量和时间延迟的性能的改进比较显著。因此采用本发明的通过信噪比和信噪比方差加权的改进的蔡斯合并方法，特别是在低SNR的环境中可以获得更多的好处，因为低SNR的环境是移动通信系统中普遍的情况。

Claims (11)

1、一种正交频分复用(OFDM)系统中混合自动重传请求(HARQ)的合并方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：
a、发射机将数据以帧为单位发射到接收机，接收机利用接收到的数据的信噪比(SNR)和SNR方差对接收到的数据进行加权，并将加权后的数据作为最后数据保存在HARQ合并单元的缓存器中，随后接收机对保存后的最后数据进行处理，判别接收到的数据帧是否正确；
b、若数据帧正确，接收机则输出最后数据，并分别反馈一个肯定应答(ACK)指示给接收机的HARQ合并单元和发射机，若数据帧不正确，接收机则分别反馈一个否定应答(NACK)指示给接收机的HARQ合并单元和发射机；
c、当接收机的HARQ合并单元和发射机获得ACK指示时，返回步骤a，直至所有数据传送完毕为止；
d、当接收机的HARQ合并单元和发射机获得NACK指示时，发射机将原数据重新发送到接收机，而接收机的HARQ合并单元则利用接收到的重传的数据的SNR和SNR方差对重传的数据进行加权，并将加权后的重传的数据与HARQ合并单元的缓存器中的数据进行合并，同时将合并后的数据作为最后数据保存在HARQ合并单元的缓存器中，随后接收机对合并后的最后数据进行处理，判别合并后的数据帧是否正确，返回步骤b。
2、如权利要求1所述的混合自动重传请求(HARQ)的合并方法，其进一步特征在于，所述步骤a中发射机将数据以帧为单位发射到接收机前，需要对数据进行处理，依次包含循环冗余校验位(CRC)添加、编码以及OFDM调制，同时将经过CRC添加但未经过编码的数据作为最后数据保存在发射机(TX)缓存器中以便可能的重传。
3、如权利要求2所述的混合自动重传请求(HARQ)的合并方法，其进一步特征在于，所述步骤a中接收机利用接收到的数据的信噪比(SNR)和SNR方差对接收到的数据进行加权之前，接收机需对接收到的数据进行OFDM解调。
4、如权利要求3所述的混合自动重传请求(HARQ)的合并方法，其进一步特征在于，所述步骤a中接收机对保存后的最后数据进行处理依次包含软解码和CRC校验，通过CRC校验判别接收到的数据帧是否正确，得到ACK指示或NACK指示。
5、如权利要求1所述的混合自动重传请求(HARQ)的合并方法，其进一步特征在于，所述步骤b中反馈给发射机的肯定应答(ACK)指示或否定应答(NACK)指示接入发射机(TX)缓存器，当所述TX缓存器获得ACK指示时，所述TX缓存器取新数据作为最后数据保存其中，当所述TX缓存器获得NACK指示时，所述TX缓存器保持原有的最后数据不变。
6、如权利要求4所述的混合自动重传请求(HARQ)的合并方法，其进一步特征在于，所述步骤d中接收机的HARQ合并单元利用接收到的重传的数据的SNR和SNR方差对重传的数据进行加权前，接收机需对接收到的重传的数据进行OFDM解调。
7、如权利要求6所述的混合自动重传请求(HARQ)的合并方法，其进一步特征在于，所述步骤d中所述重传的数据的信噪比(SNR)和SNR方差是接收机对OFDM解调后的重传的数据进行信噪比估计得到的。
8、如权利要求7所述的混合自动重传请求(HARQ)的合并方法，其进一步特征在于，所述步骤d中接收机对合并后的最后数据进行处理依次包含软译码和CRC校验，通过CRC校验判别合并后的数据帧是否正确，得到ACK指示或NACK指示。
9、如权利要求1所述的混合自动重传请求(HARQ)的合并方法，其进一步特征在于，所述接收机对接收到的数据加权，以及所述对重传的数据加权合并，是按照下述公式实现的：
Figure A031414480003C1
其中i表示第i次重传，i≥0，Nretrans表示传送块的重传次数，1≤Nretrans≤Nmax，Nmax是传送块的最大重传次数，R(i)表示第i次合并后的数据，S(i)表示第i次合并前的数据，SNR_est(i)表示第i次信噪比估计值，SNRthreshold表示信噪比阈值，σSNR(i)表示第i次信噪比方差估计值，σthreshold表示信噪比方差阈值。
10、一种正交频分复用(OFDM)系统中的接收机，其特征在于，所述接收机包含：
信噪比估计单元，用于对解调后的数据进行信噪比估计处理，得到估算的信噪比和信噪比方差，并输出；
HARQ合并单元，用于接收信噪比估计单元的输出并通过输入的信噪比和信噪比方差对输入的解调后的数据进行加权，并将加权后的数据作为最后数据保存在所述HARQ合并单元的缓存器中，随后根据接收到的数据帧是否正确的判断结果，决定是否进行合并操作，若接收到的数据帧正确，则不进行合并操作，若接收到的数据帧不正确，则通过输入的重传数据的信噪比和信噪比方差对输入的解调后的重传数据进行加权，将加权后的重传数据与所述HARQ合并单元的缓存器中数据合并，并将合并后的数据作为最后数据保存在所述HARQ合并单元的缓存器中。
11、如权利要求10所述的接收机，其进一步特征在于，所述对输入的解调后的数据进行加权，以及所述对输入的解调后的重传数据进行加权合并，是按照下述公式实现的：
Figure A031414480004C1
其中i表示第i次重传，i≥0，Nretrans表示传送块的重传次数，1≤Nretrans≤Nmax，Nmax是传送块的最大重传次数，R(i)表示第i次合并后的数据，S(i)表示第i次合并前的数据，SNR_est(i)表示第i次信噪比估计值，SNRthreshold表示信噪比阈值，σSNR(i)表示第i次信噪比方差估计值，σthreshold表示信噪比方差阈值。
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