CN1832391A - 多天线通信系统中的自适应重传方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多天线通信系统中的自适应重传方法，在接收端，所述方法包括步骤：检测接收到的子流中是否存在误码而需要重传；计算所述需要重传的子流经多入多出检测后的等效信号与干扰噪声比；将所述需要重传的子流的信号与干扰噪声比与预定阈值进行比较；如果所述需要重传的子流的信号与干扰噪声比小于预定的阈值，则对需要重传的子流执行全部重传；如果所述需要重传的子流的信号与干扰噪声比大于预定的阈值，则对需要重传的子流执行递增冗余重传处理。

Description

多天线通信系统中的自适应重传方法和设备

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，更具体地，涉及一种多天线通信系统中的自适应重传方法和设备。

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，多天线技术(MIMO)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技术可以显著地提高信道容量，从而提高信息传输速率。

图1所示为传统的MIMO结构示意。

在该结构中，发送端和接收端分别采用n_T和n_R个天线进行信号的发送和接收。在发送端，待发送的数据101首先经过解复接模块102分成n_T个数据子流，每个数据子流对应一个发送天线105。每个待发送的数据子流在发送之前，分别经过循环冗余校验(CRC)编码模块103进行CRC编码且经过信道编码与调制模块104进行信道编码与调制。CRC编码模块103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，在接收端通过CRC译码模块108执行译码操作，从而可以判断出接收到的每个数据子流中有没有误码。

在接收端，首先由n_R个接收天线106将空间全部信号接收下来，然后由信道估计模块110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)。接着，MIMO检测和重传合并模块107利用所得的矩阵H对各天线接收的信号进行检测，同时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译码单元108。

每个CRC译码器108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111发送回发送端。ACK和NAK分别表示当前数据子流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108所反馈回的信号进行判断，如果是ACK信号，则表示相应的数据子流已正确接收，则在下一个发送时刻在相应发送天线上可以发送新的数据子流；如果接收到的是NAK信号，则表示相应的数据子流中经接收处理后有误码，则发送端在下一个发送时刻将把原来的所有数据子流重新发送一遍。发送端在对某个数据子流重传时，可以仍采用原来的发送天线，亦可通过对解复接模块102的控制来变换其发送天线。另外，接收到的数据子流如果经CRC译码108后正确无误，CRC译码单元将会把在发送端CRC编码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，再将各数据子流经复接模块109合并为原始发送数据。

模块107中包含了两部分操作：MIMO检测和对重传数据子流的合并。具体实现时考虑两种情况：(1)接收数据中全部数据子流均为首次传输。此时107中仅仅对接收数据进行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。MIMO检测中首先用如上检测子流解出发送端各天线发送的数据子流，再对各子流进行解调和译码。(2)接收的数据中含有重传的数据子流，即相同的数据子流在先前已接收过，但是未能正确接收。此时107中除了对该接收数据进行MIMO检测操作之外，还需要对其中重传的数据子流进行合并处理。

这里一般采用的重传合并方法如下：不失一般性，比如此时接收信号中某个子流s已经是第N次传输。该子流经N次传输后信号经MIMO检测后分别表示为r₁，r₂，...r_N，其中r₁为第一次传输后经MIMO检测后信号，其余为重传后经MIMO检测后的信号。接收端在得到该子流第N次传输后的检测信号r_N后，便将其与先前N-1次接收得到的版本r₁，r₂，...r_N-1进行合并处理，得到合并后的信号r＝1/N*(r₁+r₂+...+r_N)，接下来再对r进行解调和译码。

传统的MIMO系统中，当出现某个数据子流经接收处理后仍然有错的情况时，一般是将该整个子流中的数据全部都重传一遍。这是因为在基于CRC检错的方法下，我们只能判断出各个子流中有无误码，而无法知晓误码的个数以及具体位置。但是，实际上在很多情况下该子流中误码的个数并不多，尤其是在信道特性比较好时。因此，这种传统的将子流中全部数据都重传一遍的方法势必会带来一定的系统吞吐性能的损失。

对于经接收处理后含有误码的数据子流，我们虽然无法确切的知晓该子流中包含的误码个数及误码位置，但是通过该子流经译码器后的软输出可以判断出其中每个信息比特的可靠度值。在每次重传中仅将可靠度最差的若干比特重传，这就是所谓的基于可靠度的重传方法。但是，这种方法在很多情况下难以适用，尤其是在信道特性比较差时。这是因为重传时需要由接收端向发送端反馈需要重传的信息比特在原来子流中所处的位置信息，此时由于需要重传比特数目较多，会给系统带来过大的反馈开销。

基于传统的重传方法中存在的上述问题，本发明中将给出如下的一种自适应重传方法，以达到进一步提高MIMO系统重传性能的目的。

发明内容

本发明的目的在于提出一种多天线通信系统中的自适应重传方法和设备，能够进一步提高多天线传输中的重传性能。

本发明的目的还在于提出一种多天线通信系统中的自适应重传方法和设备，能够根据当前需要重传子流的SINR来为其自适应地选取重传方法和重传参数。

本发明的目的还在于提出一种多天线通信系统中的自适应重传方法和设备，用于根据重传子流的信道特性，对其所采用的重传方法和重传参数进行自适应地选取，能够有效提高多天线传输系统的重传性能。

根据本发明，提出了一种多天线通信系统中的自适应重传方法，包括步骤：在接收端，检测接收到的子流中是否存在误码而需要重传；计算所述需要重传子流经多入多出检测后的等效信号与干扰噪声比；将所述需要重传子流的信号与干扰噪声比与预定阈值进行比较；如果所述需要重传子流的信号与干扰噪声比小于预定的阈值，则对需要重传子流执行全部重传；如果所述需要重传子流的信号与干扰噪声比大于预定的阈值，则对需要重传子流执行递增冗余重传处理。

优选地，所述递增冗余重传处理包括步骤：设置与信号与干扰噪声比相对应的重传比特数；根据所述需要重传子流的信号与干扰噪声比值，确定所述重传子流中需要重传的比特数；根据子流中各比特的接收可靠度和已确定的重传比特数，确定需要重传的比特位置；将包含已确定的需要重传的比特位置的反馈信息发送回发送端。

优选地，在发送端，包括步骤：接收并获取由接收端传送来的反馈信息中所包含的需要重传的比特位置；根据所述需要重传的比特位置，执行所述子流的递增冗余重传处理。

优选地，如果所述子流是第一次传输，则所述等效信号与干扰噪声比是经当前MIMO检测后的信号与干扰噪声比，如果所述子流是重传子流，则所述等效信号与干扰噪声比是经重传合并后的信号与干扰噪声比。

优选地，设置与信号与干扰噪声比相对应的重传比特数的步骤包括：将信号与干扰噪声比划分为多个信号与干扰噪声比区间，其中所述各个信号与干扰噪声比区间对应各自的重传信息比特数目，并且信号与干扰噪声比区间越高，需重传的信息比特数目越少。

优选地，根据子流中各比特的接收可靠度和已确定的重传比特数来确定需要重传的比特位置的步骤包括：直接取译码器软输出的绝对值作为需要重传子流的各比特的可靠度值，并且在整个子流中选取可靠度值最低的、数目等于所述已确定的重传比特数的信息比特位置。

根据本发明，还提出了一种多天线通信系统中执行自适应重传的接收端设备，包括：信道估计模块，执行信道估计；多输入多输出检测及重传合并模块，利用信道估计的结果对各天线接收的信号进行检测，同时对同一信号多次重传后的版本进行合并处理，并将结果信号送给CRC译码模块；CRC译码模块，检测接收到的子流中是否存在误码而需要重传；重传方法和重传参数确定模块，将所述需要重传子流的等效信号与干扰噪声比与预定阈值进行比较；如果所述需要重传子流的信号与干扰噪声比小于预定的阈值，则对需要重传子流执行全部重传；以及如果所述需要重传子流的信号与干扰噪声比大于预定的阈值，则对需要重传子流执行递增冗余重传处理。

优选地，所述重传方法和重传参数确定模块包括：确定模块，根据CRC译码模块的输出，确定当前需要重传的子流；计算模块，计算所述需要重传的子流经多入多出检测后的等效信号与干扰噪声比；重传方式选择模块，将所述需要重传子流的信号与干扰噪声比与预定阈值进行比较；如果所述需要重传的子流的信号与干扰噪声比小于预定的阈值，则对需要重传的子流执行全部重传；以及如果所述需要重传的子流的信号与干扰噪声比大于预定的阈值，则对需要重传的子流执行递增冗余重传处理。

优选地，所述接收端设备还包括：重传比特确定模块，用于根据所述需要重传的子流的信号与干扰噪声比值，确定所述重传子流中需要重传的比特数；根据子流中各比特的接收可靠度和已确定的重传比特数，确定需要重传的比特位置；以及将包含已确定的需要重传的比特位置的反馈信息发送回发送端。

优选地，所述重传比特确定模块直接取译码器软输出的绝对值作为需要重传子流的各比特的可靠度值，并且在整个子流中选取可靠度值最低的、数目等于所述已确定的重传比特数的信息比特位置。

附图说明

通过参考以下结合附图对所采用的优选实施例的详细描述，本发明的上述目的、优点和特征将变得显而易见，其中：

图1是示出了传统的MIMO系统结构示意图；

图2是示出了根据本发明实施例的MIMO系统结构的示意图；

图3是示出了根据本发明实施例的重传方式和参数选取模块的详细结构的示意图；

图4是示出了根据本发明实施例的自适应重传方法的处理的流程图；

图5是示出了本发明所采用的方法与传统方法的性能比较的曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图说明本发明的优选实施例。

图2是示出了根据本发明实施例的MIMO系统结构的示意图。

在图2中，发送端和接收端分别采用n_T和n_R个天线进行信号的发送和接收。在发送端，待发送的数据101首先经过解复接模块102变换成n_T个数据子流，每个数据子流对应一个发送天线105。每个待发送的数据子流在发送之前依次经过CRC编码模块103进行CRC编码且经过信道编码与调制模块104进行信道编码与调制。

在接收端，首先由n_R个接收天线106将空间全部信号接收下来，然后由信道估计模块110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。MIMO检测及重传合并模块107根据信道估计110的输出矩阵H对接收信号进行检测，并对同一信号重传后的多个版本进行合并处理。接下来，再将检测及重传合并模块107输出的各个数据子流传送到CRC译码模块108，以执行CRC译码，来判断经接收处理后的各个数据子流中是否存在误码，并根据CRC译码后的结果相应地返回ACK或NAK信号给发送端，用于对发送端的重传操作进行控制。

与图1中的传统MIMO系统结构相比，根据本发明实施例的MIMO系统的不同之处在于：在接收端增加了模块201，用于确定重传方式和重传参数。在本发明中，对于不同的重传子流来说，其重传方式和参数可能是不同的，这一点与传统的MIMO重传不同。本发明的重传方式包括两种：1)将该子流全部重传；2)递增冗余的重传。第一种重传方式同传统的MIMO系统中采用的重传方法一样，当某个子流中出现误码时，便将该整个子流全部重传一遍。第二种递增冗余的重传方式指的是当某个子流中出现误码时，每次仅将该子流中的部分比特进行重传。模块201除了为含有误码的子流选取重传方式之外，还需要选取重传参数。其中的重传参数指的是子流采用递增冗余重传时每次重传的信息比特数目以及具体重传哪些比特。模块201在对重传子流的重传方式和参数选取中，用到信道估计模块110的输出，即信道特性矩阵H。模块201为每个需要重传的子流选取完重传方式和重传参数之后，便将该其通过反馈信道发送回发送端，用于发送端在实际重传中的控制和操作。同时，模块201还需要将其送给模块107，用于下一时刻接收后的重传合并操作。本发明的方法中确定重传方式和重传参数模块201从实现结构上可以配置为如图3所示。

图3是示出了根据本发明实施例的重传方式和参数选取模块的详细结构的示意图。

其中，包括了模块301，302，303和304。在实现上，模块301首先根据当前MIMO检测107输出的各个子流在CRC译码108后的结果，确定出当前需要重传的子流集合S，S＝{S_k1，S_k2，..}。接下来，模块302根据信道估计的结果H来计算S中每个子流在当前MIMO检测和重传合并后的SINR值，即得到集合S_SINR＝{SINR_k1，SINR_k2，..}。模块303根据302的输出以及事先设定的某个SINR门限值，为S中每个子流选取重传方式。具体方式是：当SINR值低于给定SINR门限的子流时，采用第一种，即整个子流重传的方式；当SINR值高于给定SINR门限的子流时，采用第二种，即递增冗余的重传方式。这样的设计是出于以下考虑：对于SINR值较低的子流来说，其中包含的误码个数较多，如果采用递增冗余的重传方式，需要反馈很大的信息量来表示那些可靠度很低而需要重传的比特的位置信息，对于实际系统来说难以实现；而对于SINR值较高的子流来说，其中包含的误码个数较少，如果采用第一种，即整个子流重传的方式，将带来系统吞吐性能的浪费，而更加适合于采用递增冗余的重传方式。

对于确定为采用递增冗余重传方式的子流来说，模块304还需要为其选取具体进行重传的比特。在实现上，模块304首先根据该子流的SINR值为其确定重传的信息比特数目。在本发明的方法中，我们事先划分几个SINR区间，不同的SINR区间对应不同的重传比特数目。SINR值越高的区间对应的重传比特数目越少，SINR值越低的区间对应的重传比特数目越多。当重传的信息比特数目确定下来之后，再根据接收子流中各比特的可靠度来选取具体进行重传的比特。在实现上是首先估计该子流中各信息比特的可靠度，然后选取可靠度最低的，数目满足前面已确定数目的信息比特进行重传。

本发明中所采用的用于MIMO系统中的自适应重传技术可以用图4来描述。

图4所示为本发明所采用的自适应重传方法的流程图。

具体说来，该方法的实现主要包含以下两个步骤：

初始：MIMO系统发送端的天线数为n_T，接收天线数为n_R。当前发送的子流集合为S＝{S₁，S₂，...，S_nT}，其中子流S_k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在接收端完全知晓，H可以通过常规的MIMO信道估计方法获得。初始过程如步骤401。

第一步：为子流S_k选取重传方式，如步骤402和步骤403。

这里的重传方式包括两种：将该子流全部重传；递增冗余的重传。第二种递增冗余的重传方式指的是每次仅将该子流中的部分比特进行重传。为子流S_k选取重传方法的操作包含以下两个步骤：

(1)计算子流S_k经MIMO检测后的等效SINR，记做SINR_k，如步骤402。等效SINR的计算可以根据信道估计所得的H以及MIMO检测方法，从理论上进行计算，亦可以从实际检测后的信号中测量而得。如果子流S_k已非第一次传输，那么此时的等效SINR应是重传合并后的数值。

(2)根据SINR值为该子流选取重传方式，如步骤403。这里，我们将事先给定一个SINR门限值SINR_0。然后比较SINR_k与SINR_0，如果SINR_k低于SINR_0，则选择第一种，即将整个子流重传的方式，否则选取第二种，即递增冗余的重传方式。

第二步：为子流S_k选取重传参数，如步骤405，步骤406和步骤407。

这一步操作只针对S_k在步骤1中选取的重传方式为递增冗余的情况。若子流S_k在步骤1中选取的重传方式为全部重传时，则跳过这一步，直接结束。

为子流S_k选取重传参数的操作包含以下两个步骤：

(1)确定采用递增冗余重传方式时下次重传的信息比特数，如步骤406。此时，我们先人为地给定几个SINR区间，不同的SINR区间对应不同的重传信息比特数目。对子流S_k来说，其SINR值SINR_k落在哪个SINR区间内，便选取该SINR区间所对应的重传比特数目作为子流S_k下次重传的信息比特数目，这里记做NUM_k。比如，我们可以给定如下的SINR区间与重传比特数NUM的对应关系：

SINR区间(dB)	[5，8)	[8，10)	[10，12)	[12，∞]
					NUM	步骤40	30	20	10

表一SINR区间与NUM对应示意

(2)为子流S_k选取具体的重传比特，如步骤407。这一步从实现上包括以下两个子步骤：

(a)估计子流S_k中各信息比特在接收后的可靠度α_l，l＝1...L，其中α_l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。从理论上来说，某个信息比特的可靠度α可以表示成 $\mathrm{\α}=\left|\mathrm{LLR}\right|=\left|\ln \frac{p(b=1|r)}{p(b=0|r)}\right|,$ 即该比特的对数似然比(LLR)的绝对值。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。

(b)在子流S_k中选取可靠度最低的NUM_k个比特，在下一发送时刻，将对这NUM_k个比特进行重传。

经过这两步操作，含误码子流S_k的重传方式和具体重传的比特便确定下来了。对于下一个含误码的子流，再重复上述的操作便可。模块201在完成上述操作之后，需将所得到的重传方式和重传参数通过反馈信道发送回发送端，用于发送端在实际重传中的控制和操作。若是采用递增冗余的重传方式，该反馈信息中应包含需要重传的各个比特在原来数据子流中的位置信息。同时，模块201还需要这些参数送给模块107，用于下一时刻接收后的重传合并操作。

图5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，QPSK调制，仿真中一个数据子流包含了1000个调制符号，MIMO检测方法为ZF检测。仿真中区分重传方法的SINR门限为5dB，递增冗余重传中仅包含一种反馈步骤40比特的情况。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。

尽管以上已经结合本发明的优选实施例示出了本发明，但是本领域的技术人员将会理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改、替换和改变。因此，本发明不应由上述实施例来限定，而应由所附权利要求及其等价物来限定。

Claims (10)

1.一种多天线通信系统中的自适应重传方法，包括步骤：

在接收端，

检测接收到的子流中是否存在误码而需要重传；

计算所述需要重传的子流经多入多出检测后的等效信号与干扰噪声比；

将所述需要重传的子流的信号与干扰噪声比与预定阈值进行比较；

如果所述需要重传的子流的信号与干扰噪声比小于预定的阈值，则对需要重传的子流执行全部重传；

如果所述需要重传的子流的信号与干扰噪声比大于预定的阈值，则对需要重传的子流执行递增冗余重传处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述递增冗余重传处理包括步骤：

设置与信号与干扰噪声比相对应的重传比特数；

根据所述需要重传的子流的信号与干扰噪声比值，确定所述重传子流中需要重传的比特数；

根据子流中各比特的接收可靠度和已确定的重传比特数，确定需要重传的比特位置；

将包含已确定的需要重传的比特位置的反馈信息发送回发送端。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在发送端，包括步骤：

接收并获取由接收端传送来的反馈信息中所包含的需要重传的比特位置；

根据所述需要重传的比特位置，执行所述子流的递增冗余重传处理。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：如果所述子流是第一次传输，则所述等效信号与干扰噪声比是经当前MIMO检测后的信号与干扰噪声比，如果所述子流是重传子流，则所述等效信号与干扰噪声比是经重传合并后的信号与干扰噪声比。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：设置与信号与干扰噪声比相对应的重传比特数的步骤包括：将信号与干扰噪声比划分为多个信号与干扰噪声比区间，其中所述各个信号与干扰噪声比区间对应各自的重传信息比特数目，并且信号与干扰噪声比区间越高，需重传的信息比特数目越少。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：根据子流中各比特的接收可靠度和已确定的重传比特数来确定需要重传的比特位置的步骤包括：直接取译码器软输出的绝对值作为需要重传的子流的各比特的可靠度值，并且在整个子流中选取可靠度值最低的、数目等于所述已确定的重传比特数的信息比特位置。

7.一种多天线通信系统中执行自适应重传的接收端设备，包括：

信道估计模块，执行信道估计；

多输入多输出检测及重传合并模块，利用信道估计的结果对各天线接收的信号进行检测，同时对同一信号多次重传后的版本进行合并处理，并将结果信号送给CRC译码模块；

CRC译码模块，检测接收到的子流中是否存在误码而需要重传；

重传方式和重传参数确定模块，将所述需要重传的子流的等效信号与干扰噪声比与预定阈值进行比较；如果所述需要重传的子流的信号与干扰噪声比小于预定的阈值，则对需要重传的子流执行全部重传；以及如果所述需要重传的子流的信号与干扰噪声比大于预定的阈值，则对需要重传的子流执行递增冗余重传处理。

8.根据权利要求7所述的接收端设备，其特征在于所述重传方式和重传参数确定模块包括：

确定模块，根据CRC译码模块的输出，确定当前需要重传的子流；

计算模块，计算所述需要重传的子流经多入多出检测后的等效信号与干扰噪声比；

重传方式选择模块，将所述需要重传的子流的信号与干扰噪声比与预定阈值进行比较；如果所述需要重传的子流的信号与干扰噪声比小于预定的阈值，则对需要重传的子流执行全部重传；以及如果所述需要重传的子流的信号与干扰噪声比大于预定的阈值，则对需要重传的子流执行递增冗余重传处理。

9.根据权利要求8所述的接收端设备，其特征在于还包括：

重传比特确定模块，用于根据所述需要重传的子流的信号与干扰噪声比值，确定所述重传子流中需要重传的比特数；根据子流中各比特的接收可靠度和已确定的重传比特数，确定需要重传的比特位置；以及将包含已确定的需要重传的比特位置的反馈信息发送回发送端。

10.根据权利要求8所述的接收端设备，其特征在于所述重传比特确定模块直接取译码器软输出的绝对值作为需要重传的子流的各比特的可靠度值，并且在整个子流中选取可靠度值最低的、数目等于所述已确定的重传比特数的信息比特位置。

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