CN1832390A - 用于多天线自适应传输中基于可靠度估计的重传方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于多天线自适应传输中基于可靠度估计的重传方法,包括步骤:接收来自发送端的天线的信号,所述信号包括多个由信息比特组成的子流的数据块,并对各个子流进行译码,以输出相应的软输出;基于所述软输出估计各个子流的可靠度;根据可靠度从所述多个子流中确定要重传的子流;为所述要重传的子流选择相应的重传天线,以及在选择的天线上重传所述要重传的子流。本技术方案中有效消除了对已正确子流的重复传输,从而可以提高多天线传输系统重传中的吞吐性能。

Description

用于多天线自适应传输中基于可靠度估计的重传方法
技术领域
本发明涉及多天线无线通信系统中的自动重传技术,具体涉及一种基于可靠度估计的重传方法,其能够有效提高MIMO系统的吞吐性能。
背景技术
越来越高的信息传输速率是未来无线通信系统所面临的主要问题之一。为了在有限的频谱资源上实现这一目标,多入多出(MIMO)技术已成为未来无线通信中所采用的必不可少的手段之一。在MIMO系统中,发送端利用多根天线进行信号的发送,接收端利用多根天线进行空间信号的接收。研究表明,相比于传统的单天线传输方法,MIMO技术可以显著的提高信道容量,从而提高信息传输速率。
除了MIMO技术之外,自适应调制编码(AMC)技术以及自动重传请求(ARQ)或混合ARQ(HARQ)技术亦成为未来通信系统中的重要关键技术。AMC技术的基本思想是根据当前的信道特性自适应的变化发送时所采用的调制和编码参数,通过在信道条件好时多传一些信息,在信道条件差时少传一些信息来提高系统的平均吞吐能力,即平均频谱利用率。当接收到的数据包有错时,需要进行ARQ或HARQ操作,即由收端通过反馈信道向发端返回信息,请求将该数据包重传。请求重传(重发)的操作将持续进行,直至该数据包正确接收,或者请求重传的次数达到最大限制数时。
图1所示为传统的MIMO结构示意。
在该结构中,发端和收端分别采用nT和nR个天线进行信号的发送和接收。在发送端,待发送的数据从数据资源模块101提供给块形成模块102,在块形成模块102形成每个传输数据块,然后在CRC编码模块103为每个数据块进行循环冗余校验(CRC)编码。CRC编码的操作是在每个发送数据块之后添加若干位的CRC比特,用作对当前发送数据块的校验。这样,在收端的CRC译码模块109进行CRC译码的操作时就可以判断出接收到的每个数据块中有没有误码。发端CRC编码模块103的输出经解复接模块104后,一路数据分成多路,形成多个数据子流,每个数据子流在AMC模块105分别进行AMC操作之后,从其对应的发送天线106上发送出去。这里,各个数据子流在AMC模块105操作时所需的调制与编码参数均来自于接收端通过反馈信道110进行的反馈。另外,该反馈参数还对块形成模块102中每个发送数据块的长度,以及解复接模块104中输出每个数据子流的长度进行控制。
在接收端,首先由nR个接收天线107将空间全部信号接收下来,然后由信道估计模块111根据该接收信号中的导频信号或采用其他方法进行信道估计,估计出当前的信道特性矩阵H(对于MIMO系统来说,其信道特性可以用一个矩阵来描述)。然后,AMC参数估计模块112根据信道特性矩阵H以及所采用的MIMO检测方法来确定发端每个数据子流所采用的调制和编码参数,并将选好的各数据子流的调制与编码参数通过反馈信道发送回发送端(为了降低反馈开销,一般只返回各调制与编码参数对应的序号)。AMC参数在发送回发端的同时,还需要送给收端的MIMO检测及重传合并模块108,用于下一个时刻对采用该相应参数的数据子流进行检测、解调和译码。MIMO检测及重传合并模块108除了对各天线接收的信号进行MIMO检测之外,同时还对同一信号多次重传后的版本进行合并处理,并将最后所得的信号送给CRC译码模块109。
CRC译码模块109在每一次CRC译码之后都会产生一个确认(ACK)或不确认(NAK)信号,并将其通过反馈信道110发送回发端。ACK和NAK分别表示该数据块中没有误码和存在误码这两种情况。发送端对接收到的CRC译码所反馈回的信号进行判断,如果是ACK信号,则表示该数据块已正确接收,则在下一个发送时刻可以发送新的数据块;如果接收到的是NAK信号,则表示该数据块经接收处理后有误码,则发端在下一个发送时刻将把原来的数据块重新发送一遍。另外,接收到的数据块如果经CRC译码模块109的译码后正确无误,则CRC译码模块109将会把在CRC编码模块103中加在信息比特之后的CRC比特去掉,从而得到原始的信息流。
MIMO检测及重传合并模块108执行两部分操作:MIMO检测和对重传数据块的合并。具体实现时考虑两种情况:(1)该接收数据块首次传输。此时MIMO检测及重传合并模块108中仅仅对该数据块进行MIMO检测操作。这里,MIMO检测可以采用多种方法,比如常用的迫零(ZF)、最小均方误差(MMSE)、串行干扰抵消(SIC)或者其他方法。在MIMO检测中,首先用如上检测子解出发端各天线发送的信号,再根据当前数据块中每个子流所采用的编码调制参数对各子流进行解调和译码。(2)该接收数据是重传的数据,即相同的数据块在先前已接收过,但是未能正确接收。此时在MIMO检测及重传合并模块108中除了对该数据块进行MIMO检测操作之外,还需要对该数据块先前接收的所有版本和当前接收的版本进行合并处理。
这里一般采用的重传合并方法如下:比如此时接收到的信号为数据块s的第N次传输。全部N次传输后的接收信号分别表示为r1,r2,…rN,其中r1为第一次传输后的接收信号,其余为重传后的接收信号。接收端在收到第N次传输后的信号rN后,首先对其进行MIMO检测,从而解出此时发端各天线发送的信号sN=(sN,1,sN,2,...,sN,nT),其中si,j表示信号s第i次传输后经MIMO检测所得第j个天线上的发送信号。接下来将sN与先前N-1个接收信号r1,r2,...rN-1经MIMO检测后的输出s1,s2,...sN-1相加合并,经合并后发端每个天线上的发送信号为s0=1/N*(s1,1+s2,1+...+sN,1,s1,2+s2,2+...+sN,2,...,s1,nT+s2,nT+...+sN,nT),接下来再对s0中每个天线上的子流按照其相应的AMC参数进行自适应解调与译码。
前面提到,在图1所示的MIMO系统中,发端在CRC编码模块103对每个数据块进行一次CRC编码,然后再由解复接模块104解复接成多个数据子流,分别进行AMC之后,用其各自对应的发送天线发送出去。在接收端,当发现某个数据块经CRC译码后有误码,需要将这个数据块全部重传。然而,我们通过研究表明,在图1的MIMO系统中,当出现某个数据块需要重传的情况时,该数据块中往往只有1个数据子流中有误码,如图2所示。
图2所示为当某数据块含误码时,其中含误码的子流个数的概率分布。
其中,采用的发送天线和接收天线数均为4,采用的自适应调制参数为:不传、BPSK、QPSK、8PSK和16QAM,目标误码率(BER)为10-3,仿真中一个数据块包含了4000个符号,MIMO检测方法为ZF检测。
由图2可见,当出现某数据块含误码的情况时,绝大多数的情况是该数据块所包含的全部子流中只有极少的子流,例如1个或者2个子流有错,而其余子流皆正确。也就是说,传统的重传方法中,当数据块出错时便将其包含的全部子流都重传一遍的方法是没有必要的。如果能判断出该数据块中哪个或哪些子流有错,仅将有错的子流进行重传,而在其余天线上发送新的数据,势必可以有效提高MIMO系统的吞吐性能。然而,目前通过对数据块的CRC编码和译码的方法,我们只能判断出该数据块中有无误码,而无法知晓该误码出现在该数据块所包含的哪个子流上。
为此,我们将给出以下的基于子流可靠度估计的重传方法。该方法中,根据对每个子流可靠度的估计来选取最有可能含有误码的子流,并将其重传,而在其他天线位置上发送新的数据。与传统的整块重传方法相比,该方法可以有效提高MIMO系统的吞吐性能。
发明内容
本发明的目的在于进一步提高多天线重传中的吞吐性能。
该方法中,在每次重传时根据各子流译码后的软输出来估计各子流接收后的可靠度,并将认为最不可靠的若干子流重传。在对这些子流进行重传时,可以采用原先的发送天线,亦可以为其重新选取发送天线,并在其余天线上发送新的数据。本技术方案中有效消除了对已正确子流的重复传输,从而可以提高多天线传输系统重传中的吞吐性能。
根据本发明的一个方面,提供了一种用于多天线自适应传输中基于可靠度估计的重传方法,包括步骤:接收来自发送端的天线的信号,所述信号包括多个由信息比特组成的子流的数据块,并对各个子流进行译码,以输出相应的软输出;基于所述软输出估计各个子流的可靠度;从所述多个子流中确定要重传的子流;为所述要重传的子流选择相应的重传天线,以及在选择的天线上重传所述要重传的子流。
根据本发明的另一方面,提供了一种用于多天线自适应传输中的接收设备,包括:多个天线,用于接收来自发送端的天线的信号,所述信号包括多个由信息比特组成的子流的数据块;信道估计装置,用于从由天线接收的信号中估计当前信道的信道特性矩阵;多入多出检测及重传合并装置,用于对由天线接收的信号进行多入多出检测,并输出检测的结果信号;自适应调制编码参数估计装置,用于根据信道特性矩阵以及所采用的多入多出检测方法来确定发送每个数据子流所采用的调制和编码参数,并将确定的各数据子流的调制与编码参数通过反馈信道发送回发送端;循环冗余校验译码装置,用于对多入多出检测及重传合并装置输出的结果信号进行循环冗余校验译码,确定当前的数据块中是否存在误码;以及确定装置,用于在循环冗余校验译码装置确定当前的数据块中存在误码时,根据当前数据块中包括的子流的可靠度确定要重传的子流,并为要重传的子流选择要重传的天线。
利用上述的方法和结构,有效消除了对已正确子流的重复传输,从而可以提高多天线传输系统重传中的吞吐性能
附图说明
图1为传统的MIMO系统结构示意;
图2为当某数据块含误码时,其中含误码的子流个数的概率分布;
图3为采用本发明技术的MIMO系统结构示意;
图4为确定重传子流及重传天线模块结构示意;
图5为本发明所采用的重传方法;
图6为本发明所采用的方法与传统方法的性能比较。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体实施方式。
图3所示为采用本发明技术的MIMO系统结构示意。
其中,发端和收端分别采用nT和nR个天线进行信号的发送和接收。在发送端,待发送的数据从数据资源模块101提供给块形成模块102,在其中形成数据块,然后在CRC编码模块103进行CRC编码,再经过解复接模块104接复接成nT个数据子流,每个数据子流在AMC模块105独立进行AMC操作之后,从其相应的发送天线106上发送出去。
在接收端,首先由nR个接收天线107将空间全部信号接收下来,然后由信道估计模块111根据该接收信号中的导频信号或采用其他方法进行信道估计,估计出当前的信道特性矩阵H。AMC参数估计模块112根据信道特性矩阵H确定下一时刻各子流发送时所采用的AMC参数,并将其通过反馈信道110发送回发端用于实际的AMC控制操作。同时,MIMO检测及重传合并模块108根据信道估计模块111输出信道特性矩阵H对接收信号进行检测,并对同一信号重传后的接收信号进行合并处理。
接下来,在CRC译码模块109对MIMO检测及重传合并模块108输出的包含各个数据子流的数据块进行CRC译码,来判断经接收处理后的数据块中是否存在误码。当发现该接收数据块中存在误码时,则由确定模块201来确定下一时刻需要重传的子流以及重传所采用的发送天线,并将该结果通知发端和MIMO检测及重传合并模块108。
与图1中的传统MIMO系统结构相比,采用本发明技术的MIMO系统的不同之处在于:在收端增加了确定模块201,用于确定下一时刻需要重传的子流以及重传所采用的发送天线。
我们前面提到,传统的MIMO系统中仅仅通过对数据块的CRC编码和译码的方法,来判断该数据块中有无误码。当出现某数据块中含误码的情况时,无法知晓误码出现在该数据块所包含的哪个子流上,而只得将包含了全部子流的整个数据块重传。然而,从图2的结果可见,实际的出现数据块有误码的情况时,往往其中只有1个子流中有误码。由此,在本发明方法中,在收端加入了确定模块201,用于确定下一时刻需要重传的子流。这样,发端在重传时就无需将包含了全部子流的整个数据块重传,而只需将确定模块201确定的子流重传,并在其他天线上发送新的数据,从而提高系统的吞吐性能。为了进一步提高系统性能,确定模块201中还可以对下一时刻需要重传的子流选择重传时所采用的发送天线。本发明方法中确定重传子流及重传天线模块201从实现结构上可以细化为图4所示的结构框图。
图4所示为确定重传子流及重传天线模块结构示意。
在确定模块中,包括了可靠度估计单元301、重传子流确定单元302和重传天线选择单元303。在实现上,当CRC译码模块109发现当前数据块中含有误码时,整个确定模块201操作启动。首先由可靠度估计单元301估计来自MIMO检测及重传合并模块108的当前数据中所包含各子流的可靠度,其中,可靠度越高则该子流中含有误码的可能性越低,可靠度越低则该子流中含有误码的可能性越高。在可靠度估计单元301中,各子流接收后的可靠度由其各自译码后的软输出来确定。
然后,重传子流确定单元302在全部子流中选取若干个可靠度最低的子流,将其确定为下一时刻进行重传的子流。
接下来,重传天线选择单元303为该需要重传的子流选取重传时所采用的发送天线。作为选择重传天线的例子,一种方法是选择原先的天线传送该需要重传的子流,另一种方法是根据信道估计模块111所估计的信道特性矩阵,选择信道特性最差的天线,作为传送该子流的天线。最后,该重传天线选择单元303还将确定所得的结果,即要重传的子流编号和相应重传天线的编号,反馈给发端,同时送给收端的MIMO检测及重传合并模块108,用于发端进行重传时的实际操作,以及收端对重传子流的合并操作。
本发明中所采用的基于可靠度估计的重传方法,可以用图5来描述。
图5所示为本发明所采用的重传方法。
在本方法中,将每次CRC译码有错后进行重传的子流数目设定为n,1≤n≤nT。n的数值可由系统初始时设定。这里,我们首先考虑n=1的情况,即每次CRC译码有错后将最有可能出错的一个子流重传。此时,该方法的实现主要包含以下步骤:
初始步骤S401:MIMO系统发端的天线数为nT,接收天线数为nR,当前发送的数据块S中包含了nT个数据子流表示成S={S1,S2,...,SnT},每个数据子流对应一个发送天线。而且,数据块S在接收后经CRC译码发现其中含误码。假设MIMO信道特性矩阵H在收端完全知晓,H可以通过常规的MIMO信道估计方法获得。
可靠度估计步骤S402:估计数据块S中包含全部子流{S1,S2,...,SnT}在接收后的可靠度。
对于任一子流来说,其在接收后的可靠度可以有两种评估方法:
( 1 ) - - - μ = 1 L Σ l = 1 L α l , 其中αl表示该子流中第l个信息比特在接收后的可靠度,L表示该子流中信息比特的长度;
( 2 ) - - - μ = length ( arg l = 1 . . . L { α l > β } ) , 指的是该子流中可靠度大于β的信息比特的数目,β为某个事先设定的门限值。
从理论上来说,某个信息比特b的可靠度α可以表示成
α = | LLR | = | ln p ( b = 1 | r ) p ( b = 0 | r ) | , 即该比特的对数似然比(LLR)的绝对值,其中r是接收信号,p(b=1|r)和p(b=0|r)分别表示在接收信号已知的条件下信息比特b等于1和等于0的概率。在实际中,可以直接选取译码器的软输出的绝对值作为每个比特的可靠度α值。
重传子流确定步骤S403:在该接收数据块S中选取认为最不可靠的子流,记做Sk1,。在第一步里已经得到S中全部子流{S1,S2,...,SnT}的可靠度值,表示成{μ1,μ2,...},这里在其中选取数值最小的一个子流,认为该子流最不可靠,并将该子流记做Sk1
重传天线选择步骤S404:为子流Sk1选取重传时采用的天线。这里,对于重传天线的选择有两种方法,一种是仍采用原先的天线发送,另一种是选取重传时刻信道特性(信道增益值)最差的一根天线发送。也就是根据信道估计模块111估计的信道特性矩阵来选择信道增益值最小的天线来进行发送。同时,在其余的天线上发送新的数据。
这里,选取最差的一根天线进行重传出于这样的考虑:在MIMO的自适应传输中,每次传输中已对各子流上的编码调制参数进行了自适应的选取,以满足一定的目标BER的要求。在此前提下,需要重传的子流其本身BER性能亦不会太坏,也就说,在下次重传时只要再传输一点信息,在接收端经合并后就会无误的接收。这里将差的发送天线用于重传,从而可以将好的天线用于发送新的数据,以达到进一步提高系统吞吐性能的目的。
经过上述步骤的操作,收端可以确定下一时刻重传的子流以及该子流重传时所采用的发送天线。接下来,收端便将确定所得的结果反馈给发端,同时送给收端的MIMO检测和重传合并模块108,用于发端进行重传时的实际控制操作,以及收端对重传子流的合并操作。
前面给出了n=1时本方法的具体实施过程,对于n>1的情况来说,其实施方法稍有不同。首先:在重传子流确定步骤中,选取可靠度值最低的n个而非1个子流,将其表示成Sk1,Sk2,...,Skn。然后,在重传天线选择步骤中,也是为这n个子流Sk1,Sk2,...,Skn选取重传时所采用的发送天线Ak1,Ak2,...,Akn。同样,重传天线的选择仍有两种方法,一种是仍采用各自原先的天线发送,另一种是选取重传时刻信道特性最好的n根天线发送,并且,n个重传子流中,可靠度最差的子流采用其中信道特性最好的天线重传,可靠度次差的子流采用其中信道特性次好的天线重传,依此类推。
图6所示为本发明所采用的方法与传统方法的性能比较。
其中,仿真中采用的发送天线和接收天线数均为4。信道采用了平坦衰落信道,采用的自适应调制参数为:不传、BPSK、QPSK、8PSK和16QAM,目标BER为10-5,仿真中一个传输数据块包含了4000个符号,MIMO检测方法为ZF检测,且n=1。由图5的结果可见,与传统方法相比,采用本发明申请中提出的方法可以获得更好的频谱利用率性能。此外,在重传时如果采用第二种选择天线方法(即选择最差天线进行重传)会获得进一步的性能提高。
本发明还可以有一些变化,例如,可以重传低于预定的可靠度阈值的所有子流,而不是如上所述的选择预定数目的最差子流,使得能够提高重传的准确率。
以上虽然参照具体实施例描述了本发明,但是本发明并不局限于上述内容。本领域的普通技术人员可以对本发明进行修改,而不脱离本发明的思想和实质。因此,本发明的范围由所附的权利要求来限定。

Claims (25)

1、一种用于多天线自适应传输中基于可靠度估计的重传方法,包括步骤:
接收来自发送端的天线的信号,所述信号包括多个由信息比特组成的子流的数据块,并对各个子流进行译码,以输出相应的软输出;
基于所述软输出估计各个子流的可靠度;
根据可靠度从所述多个子流中确定要重传的子流;
为所述要重传的子流选择相应的重传天线,以及
在选择的天线上重传所述要重传的子流。
2、如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述基于所述软输出估计各个子流的可靠度的步骤包括:将子流中每个信息比特的可靠度的平均值作为子流的可靠度,其中信息比特的可靠度是信息比特对数似然比的绝对值。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述基于所述软输出估计各个子流的可靠度的步骤包括:将子流中信息比特的可靠度大于预定门限值的信息比特的数目作为该子流的可靠度,其中信息比特的可靠度是信息比特对数似然比的绝对值。
4.如权利要求1~3之一所述的方法,其特征在于,所述从所述多个子流中确定要重传的子流的步骤包括:选择可靠度最差的一个子流,作为要重传的子流。
5.如权利要求1~3之一所述的方法,其特征在于,所述从所述多个子流中确定要重传的子流的步骤包括:选择可靠度最差的多个子流,作为要重传的子流。
6.如权利要求1~3之一所述的方法,其特征在于,所述从所述多个子流中确定要重传的子流的步骤包括:选择可靠度低于预定的可靠度阈值的子流,作为要重传的子流。
7.如权利要求4所述的方法,其特征在于,所述为要重传的子流选择重传天线的步骤包括:根据信道特性矩阵选择信道特性最差的一个天线,作为重传天线。
8.如权利要求5所述的方法,其特征在于,所述为要重传的子流选择重传天线的步骤包括:根据信道特性矩阵选择信道特性最差的多个天线,作为重传天线。
9.如权利要求6所述的方法,其特征在于,所述为要重传的子流选择重传天线的步骤包括:根据信道特性矩阵选择与选择的子流的数目相对应的数目的信道特性最差的天线,作为重传天线。
10、如权利要求4所述的方法,其特征在于,所述为要重传的子流选择重传天线的步骤包括:选择原先发送要重传的子流的天线,作为重传天线。
11、如权利要求5所述的方法,其特征在于,所述为要重传的子流选择重传天线的步骤包括:选择原先发送要重传的子流的天线,作为重传天线。
12、如权利要求6所述的方法,其特征在于,所述为要重传的子流选择重传天线的步骤包括:选择原先发送要重传的子流的天线,作为重传天线。
13、一种用于多天线自适应传输中的接收设备,包括:
多个天线,用于接收来自发送端的天线的信号,所述信号包括多个由信息比特组成的子流的数据块;
信道估计装置,用于从由天线接收的信号中估计当前信道的信道特性矩阵;
多入多出检测及重传合并装置,用于对由天线接收的信号进行多入多出检测,并输出检测的结果信号;
自适应调制编码参数估计装置,用于根据信道特性矩阵以及所采用的多入多出检测方法来确定发送每个数据子流所采用的调制和编码参数,并将确定的各数据子流的调制与编码参数通过反馈信道发送回发送端;
循环冗余校验译码装置,用于对多入多出检测及重传合并装置输出的结果信号进行循环冗余校验译码,确定当前的数据块中是否存在误码;以及
确定装置,用于在循环冗余校验译码装置确定当前的数据块中存在误码时,根据当前数据块中包括的子流的可靠度确定要重传的子流,并为要重传的子流选择要重传的天线。
14.如权利要求13所述的接收设备,其特征在于,所述确定装置包括:
可靠度估计单元,估计来自多入多出检测及重传合并装置的当前数据块中所包含各子流的可靠度;
重传子流确定单元,在当前数据块的全部子流中选取要重传的子流;和
重传天线选择单元,用于为要重传的子流选取重传时所采用的发送天线。
15、如权利要求14所述的接收设备,其特征在于,所述可靠度估计单元将子流中每个信息比特的可靠度的平均值作为子流的可靠度,其中信息比特的可靠度是信息比特对数似然比的绝对值。
16、如权利要求14所述的接收设备,其特征在于,所述可靠度估计单元将子流中信息比特的可靠度大于预定门限值的信息比特的数目作为该子流的可靠度,其中信息比特的可靠度是信息比特对数似然比的绝对值。
17、如权利要求14~16之一所述的接收设备,其特征在于,所述重传子流确定单元将当前数据块中可靠度最差的一个子流确定为要重传的子流。
18、如权利要求17所述的接收设备,其特征在于,所述重传天线选择单元选择信道特性最差的一个天线,作为重传天线。
19、如权利要求17所述的接收设备,其特征在于,所述重传天线选择单元选择原先发送要重传的子流的天线,作为重传天线。
20、如权利要求14~16之一所述的接收设备,其特征在于,所述重传子流确定单元将当前数据块中可靠度最差的多个子流确定为要重传的子流。
21、如权利要求20所述的接收设备,其特征在于,所述重传天线选择单元选择信道特性最差的多个天线,作为重传天线。
22、如权利要求20所述的接收设备,其特征在于,所述重传天线选择单元选择原先发送要重传的子流的天线,作为重传天线。
23、如权利要求14~16之一所述的接收设备,其特征在于,所述重传子流确定单元选择可靠度低于预定的可靠度阈值的子流,作为要重传的子流。
24、如权利要求23所述的接收设备,其特征在于,所述重传天线选择单元根据信道特性矩阵选择与选择的子流的数目相对应的数目的信道特性最差的天线,作为重传天线。
25、如权利要求23所述的接收设备,其特征在于,所述重传天线选择单元选择原先发送要重传的子流的天线,作为重传天线。
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