CN1951042A - 具有自动重复请求(arq)的多载波通信系统的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

在多载波通信系统中，采用混合ARQ，以便通过利用时间/频率/空间分集、并通过组合在物理层和MAC层的ARQ功能来进行错误包的重发，从而使得该多载波系统在高的包误差环境中更加鲁棒。

Description

具有自动重复请求(ARQ)的多载波通信系统的方法和设备
相关申请的交叉索引
本申请要求于2004年2月7日提交的美国临时专利申请No.60/542,317的权益。本申请还涉及于2005年1月27日提交的PCT申请NO.PCT/US2005/003518，标题为”Methods and Apparatus for OverlayingMulti-Carrier and Direct Sequence Spread Spectrum Signals in a BroadbandWireless Communication System”，该PCT申请要求于2004年1月29日提交的美国临时申请No.60/540,032以及于2004年1月30日提交的美国临时申请No.60/540,586的权益。
背景技术
自动重复请求(ARQ)方案经常用于包通信系统中，用来改善传输可靠性。混合ARQ是一种将FEC(前向纠错)和ARQ二者组合的方法，其中，先前不成功的传输以FEC解码来使用而不是被丢弃。混合ARQ增强了FEC解码的有效性，并且允许在高误差率工作点发送FEC块(S.B.Wicker，Error Control Systems for Digital Communication and Storage，Prentice-Hall，Inc.，1995)。
混合ARQ的一种形式是“Chase”组合，其中，发射机重发同一编码数据包(D.Chase，“Code Combing：A maximum-likelihood decodingapproach for combining an arbitrary number of noisy packets，”IEEE Trans，on Commun.，第33卷、第593-607页，1985年5月)。接收机处的解码器以某种方式来组合这个被发射包的多个拷贝。另一种形式称作增量冗余，其中，替代发送编码数据包的简单重复，在包的每一后续发射中发送渐进奇偶包(progressive parity packet)。然后，解码器以适当的方式来组合具有增量信息的包，并且因此以较低的码率来对该包进行解码。
混合AQR一般说来涉及物理层的功能性，并且使用用于控制信令的嵌入式物理层快速反馈信道来控制FEC编码和FEC解码功能。有时，物理层混合ARQ-FEC块可重发最大次数而不成功。因此，它不可单独提供无误差的数据递送，但是允许以较低的信号与噪声干扰比(SINR)来操作。
媒体接入控制(MAC)ARQ是一种误差控制特征，其以灵活的方式来重发错误的MAC包数据单元(PDU)，以便实现无误差的数据递送。MAC-ARQ重发可在初始发射之后很久才发生，并且该重发可分段，并使用所限定的ARQ块大小的粒度在其它MAC PDU上驮载。
附图说明
图1示出由子载波构成的频域中的多载波信号的基本结构。
图2示出在频域和时域二者中分割成小单元的无线资源：子信道和时隙。
图3示出单个ARQ过程，其中，包的首次发射失败导致NACK反馈，并且包(可以或不可为相同的大小)的二次发射成功导致ACK反馈。
图4描述了一个保留至少一个子信道用于包重发的系统。
图5描述了这样的情况，其中，来自于同一用户的包p和q在帧k中发射。包p失败而包q成功。包p在帧k+m中在原定用于包q的子信道上重发。
图6描述了这样的情况，其中，来自于同一用户的包p和q在帧k中发射。包p失败并且在帧k+m中在同一子信道上重发。
具体实施方式
在此描述了系统。具体而言，方法和设备设计成利用时间/频率/空间分集来执行错误包的重发。另外，分层ARQ方案设计成将物理层和MAC层的ARQ功能组合，从而使得多载波系统在高的包误差环境中更加鲁棒。
这里提及的多载波系统可以是诸如OFDM、或多载波码分多址(MC-CDMA)的任何格式。所提出的方法还可应用到下行链路、上行链路、或二者，其中，双工技术是时分双工(TDD)或频分双工(FDD)。
以下说明提供了用于完全理解各个实施例以及用于本领域的技术人员实施的特定细节。然而，本领域的技术人员应该理解，无需这样的细节亦可实践本发明。在一些实例中，为了避免不必要地混淆对实施例的描述，没有详细示出或描述公知的结构和功能。
除非上下文清楚地要求，否则，贯穿本说明和权利要求，用语“包括”、“包含”等应以包含性的意义来解释而不是排他性或穷尽性的意义，即，其含义为“包括，但不限于”。在本详细描述部分中，使用单数或复数的用语也分别包括复数或单数。此外，在用于本申请中时，用语“在此”、“以上”、“以下”及类似意义的用语指的是作为整体的本申请而不是本申请任何特定部分。当权利要求使用用语“或”来引用两个或更多项时，此用语覆盖以下所有对该用语的解释：序列中的任何项、序列中的所有项和序列中项的任何组合。
多载波通信系统
在多载波通信系统中，可在频域和时域二者上分割物理媒介资源(如无线电或线缆)。该规范的分割为资源共享提供了高灵活性和精细粒度。
在频域中多载波信号的基本结构由子载波构成。在特定谱带或信道中，存在固定数目的子载波，存在三种类型的子载波：
1.数据子载波，其携带信息数据；
2.导频子载波，其相位和振幅是预定的，并为所有接收机所知，并且其用于协助系统功能，如系统参数的估计；以及
3.静默(silent)子载波，其没有能量，并且用于保护带(guard band)和DC载波。
数据子载波可设置于称作子信道的群中，以便支持可缩放性和多址。形成一个子信道的载波没有必要彼此相邻。每个用户可使用部分或全部的子信道。这个概念示于图1中，其示出了由子载波构成的频域中的多载波信号的基本结构。数据子载波可以特定的方式分组到子信道中。导频子载波也以特定的方式分布于整个信道上。
时域中的多载波信号的基本结构由时隙构成，以支持多址。频域和时域二者中的资源分割在图2中描述，其说明了在频域和时域中分割成小单元的无线资源：子信道和时隙。
自适应调制和编码(AMC)根据各个的信道状况来调整调制和编码方案。其可针对一个单独的子信道或一群子信道来控制。表1提供了以AMC的编码和调制方案以及以bits/s/Hz为单位的对应谱效率的实例。
表1：以自适应调制和编码控制的编码和调制方案的实例
  调制方案   码速率   Bit/s/Hz
  QPSK   1/8   1/4
  QPSK   1/4   1/2
  QPSK   1/2   1
  16QAM   1/2   2
  16QAM   3/4   3
  64QAM   2/3   4
  64QAM   5/6   5
图3说明了单个ARQ过程，其中，包301的首次发射失败导致NACK反馈302，而包303(可以或不可为相同的大小)的二次发射成功导致ACK反馈304。
ARQ方案
在多载波系统中，多个子信道可用来发射包。在此，混合ARQ方案用于至少一个子信道。不失一般性，一个这样的子信道据此被指定为SCi。对于通过SCi发射的每个包，接收机基于所接收的信息来执行对应于发射过程的接收过程。随后，接收机对所接收的包执行差错检测，然后基于检测结果经由返回信道发送应答(ACK或NACK)信号，以便通知发射机这个特定包的接收是成功(ACK)还是不成功(NACK)。
在一个实施例中，指示信道状况的信道质量指示(CQI)与ACK/NACK信号一起发射，以协助选择用于失败包的重发或下一包的发射的子信道。CQI是信噪比(SNR)、信号与噪声干扰比(SINR)、比特误差率、符号误差率、包误差率、帧误差率、导频信号功率水平、信号均方误差、或其任何组合的函数，所述参数基于先前的(一个或多个)包来测量。在另一实施例中，与ACK/NACK信号一起发射的信道质量信息包括信道测量结果。
在发射机接收NACK信号之后，它选择一个不同的子信道—如SCj—来重发失败的包，因为SCj可具有与SCi不同的信道响应和不同的干扰电平，由此创造可在接收机处利用以改善性能的频率和时间分集效应。在接收机处，为了包的解调和解码，可将已存储在物理层的先前接收的信号和新接收到的重发信号组合起来。
在一个实施例中，使用了Chase组合(Chase combining)，其中，先前(一个或多个)发射和当前重发的同一包的软采样被相干地组合，以提供额外的分集增益。在另一实施例中，使用了增量冗余，其中，渐进奇偶包在所述包的每一随后发射中发送。重发过程和接收过程可持续，直到包被成功地接收或达到预定的重发数量。
发射机可重新配置用于重发的子信道。该重新配置可在时间、频率、空间、信号功率、调制、编码或其它信号域的任何组合中执行。例如，在正交频分多址(OFDMA)信号的情况下，发射机可改变子信道的子载波成分。就数量、位置或其它属性来说，新组成的子信道可包括不同的子载波以及不同的训练导频。
在一个实施例中，发射机从可供其使用的子信道最近随机地选择SCj，用于重发。在另一实施例中，基于通过全部或部分子信道的CQI传达的信息，发射机如此选择用于重发的子信道，使得系统效率得以优化。例如，具有最佳质量的子信道分配用于已经失败多次的包的重发。
在又一实施例中，系统保留至少一个子信道用于包的重发。这个过程在图4中说明。在图4A中，来自于同一用户的包p和q在帧k中被发射，其中，包p没有被接收机准确地接收，而包q成功了。如图4B中所示，包p在帧k+m中在保留的信道402上被重发。在图4中仅示出了一个保留的子信道，然而在不同的实施例中可分派多个保留子信道。
不同的实施例采取不同的措施来改善保留的子信道402的信道质量。特别地，在多小区环境中，较高的频率重用因子(reuse factor)被用于保留的子信道402，以便减少小区间干扰的影响。例如，当正常的子信道具有重用因子1时，保留的子信道402可具有重用因子3。发射机可以从保留的子信道402随机地选择SCj，或者如果发射机根据CQI信息而获知全部或一些保留的子信道402的质量，则选择具有足够高的质量的SCj。
在一个实施例中，发射机使用与(一个或多个)子信道的信道质量匹配的调制/编码/功率方案，在这样的情况下，重发的包通过诸如重复或收缩(puncturing)的速率匹配而适配于(一个或多个)子信道中。
在一个实施例中，至少两个子信道由系统分派用于发射机。在接收到指示需要重发包的NACK信号时，发射机交换两个子信道SCi和SCj的发射，并且通过SCj来发送重发，而通过SCi来发送原定用于SCj的包。这个过程在图5中说明。在图5A中，来自于同一用户的包p和q在帧k中发射，其中，包p失败而包q成功。在这种情形中，如图5B所示，包p经由发送包q的子信道在帧k+m中被重发。在这个实施例中没有提供保留的子信道。
在一个实施例中，通过SCj的重发使用与先前通过SCj的发射相同的设置，如调制、编码和功率。在SCj上，当前发射与先前发射之间的包大小不同时，使用速率匹配，以使当前重发的包适配于SCj上。
在某些情况下，可能希望发射机保持在用于重发的初始子信道上。这个过程在图6中说明。在图6A中，来自于同一用户的包p和q在帧k中被发射，其中，包p失败了。如图6B中所示，包p在帧k+m中在同一子信道上被重发。如果在重发的时候没有可用于发射机的其它子信道，则发射机选择SCj＝SCi。如果发射机知道全部或一些子信道的质量，并且发现SCi的质量好或者比其余的可用子信道好，则其再选择SCj＝SCi。
在又一个实施例中，SCi的信道质量好，并且调制/编码指数高(16QAM或64QAM)，因此发射机选择SCj＝SCi。然而应当注意，基于与先前在相同子信道上发射的包有关的信道质量报告，发射机在重发的情况下可降低调制/编码方案。
在一个实施例中，多个用户例如可通过时分复用来共享一个子信道。然后，每个对应于一个用户的多个ARQ过程可并行地执行。上述的重发方法适用于这个实施例。
在某些实施例中，较高层消息传递指示将使用哪个重发过程。在其它的实施例中，关于重发过程的信息嵌入重发的包的头中。
在一个实施例中，分层ARQ过程被实施用于包流。该过程包括外环和至少一个内环。外环利用诸如滑动窗选择性-重发ARQ的传统ARQ方法在较高层操作，例如在无线链路协议(RLP)层操作。内环利用在上述实施例中描述的一个混合ARQ方法在较低层操作，例如在物理层操作。
用于外环和内环二者的参数可依赖于应用或单元处理能力而改变。例如，对于延迟敏感的应用，内环内的重发数量设置得比使用TCP(传输控制协议)的其它延迟不敏感的应用小。在一个实施例中，针对诸如VoIP(IP语音)包的UDP(用户数据报协议)包流，外环被去除。
在一个实施例中，接收机将通过相同或不同的子信道来发射的初始发射信号和重发信号进行组合，以检测数据包。
以上对本发明实施例的详细说明并非意图为穷尽性的或者将本发明限制到以上公开的精确的形式或该公开中所述的特定应用领域。尽管为了说明的目的而阐述了本发明特定的实施例和实例，但是，如本领域中的技术人员将认同的，在本发明的范围内多种等价修改是可能的。此外，在此提供的本发明的示教可应用于其他系统，而不必是如上所述的系统。上述各个实施例的元素和动作可组合在一起，以便提供进一步的实施例。
上述所有的专利和申请以及其它参考，包括任何可能在附加文件页上列出的，通过引用合并于此。必要时，可修改本发明的各方面，以便采用上述各个参考的系统、功能和概念来提供本发明的进一步的实施例。
根据上述的″具体实施方式″可对本发明做出改变。虽然上述说明详细描述了本发明的某些实施例，并且描述了所预期的最佳模式，但是无论正文中出现了怎样详细的细节，本发明依然可以以许多方式来实践。因此，实施细节可有相当的改变，同时仍由此公开的本发明所涵盖。如上所述，在描述本发明的特定特征或方面时所使用的特定术语不应视为用来暗示该术语在此被重新定义成限制为与该术语关联的本发明的任何具体的特性、特征或方面。
通常，不应将所附权利要求中使用的术语阐释成将本发明限制到本说明中公开的特定实施例，除非以上详细说明清楚地限定了此术语。相应地，本发明的实际范围涵盖所公开的实施例及于权利要求之下实施或实现本发明的所有等价方式。
尽管以特定权利要求的形式呈现了本发明的特定方面，但发明人以任意数目的权利要求形式来预期本发明的各方面。相应地，发明人保留在提出本申请之后添加附加权利要求的权利以寻求针对本发明其他方面的这样的附加权利要求的形式。

Claims (24)

1.一种通信系统，包括：
多个发射机，配置成发射并重发数据包和相关联的控制信息，其中：
所述发射机使用包括子载波群的子信道；
基于接收到的信道状况信息，所述发射机能够切换[跳]到另一子信道，并在任一信号域或信号域组合中重新配置，用于包的重发；
所述控制信息包括关于下列的信息：多载波系统中的调制方案、编码速率、导频模式、训练符号、功率水平、空间处理方案、调制星座排列、发射机天线技术、子信道配置、或其任何组合；及
混合ARQ(自动重复请求)方案用于所述子信道的至少一个；以及
多个接收机，配置成接收所述数据包和相关联的控制信息，其中：
所述接收机配置成反馈回包括信道测量或信道质量指示(CQI)的信道状况信息，连同确认/否定确认(ACK/NACK)信号，以协助所述发射机选择、重新配置、或者选择并重新配置子信道，用于失败包的重发或下一包的发射；并且
基于所接收的信号、所述控制信息、或二者，所述信道测量或信道质量指示(CQI)携带下列相关信息：所接收的信号强度、平均SINR(信号与噪声干扰之比)、时间变化、频率变化、空间变化、BER(比特误差率)、PER(帧误差率)或MSE(均方误差)，或其任何组合。
2.权利要求1的系统，其中：
所述发射机实施用于包流的分层ARQ过程；
所述ARQ过程包括外环和至少一个内环；
所述外环利用传统的ARQ方法在较高层操作；
所述至少一个内环利用混合ARQ方法之一在较低层操作；
用于所述外环和内环二者的参数可依赖于应用或单元处理能力而改变；
对于延迟敏感的应用，内环内的重发数量设置得小于对于延迟不敏感的应用；并且
针对所述延迟敏感的应用，所述外环被去除。
3.权利要求1的系统，其中：
至少一个子信道保留用于失败包的重发；
所述发射机的至少一个随机地选择所述子信道之一用于重发；或
所述发射机的至少一个基于所有或一些子信道的信道状况信息来选择用于重发的子信道，以优化系统效率。
4.权利要求1的系统，其中：
至少第一子信道和第二子信道被分派用于发射；并且
在接收到指示需要对初始地通过所述第一子信道发送的包进行重发的否定确认(NACK)信号时，至少一个所述发射机交换所述第一和第二子信道的发射，并且通过所述第二子信道来发送待重发的包。
5.权利要求1的系统，其中：
多个用户通过时分复用来共享一个子信道；并且
每个对应于一个用户的多个ARQ过程并行地执行。
6.权利要求1的系统，其中，所述发射机和所述接收机在所述系统中至少是基站和移动站的部分，并且其中，所述发射机可改变子信道的子载波成分，以包括子载波的不同集合和/或不同的训练导频。
7.权利要求1的系统，其中，所述接收机将通过相同或不同子信道来发射的初始发射的信号和重发信号进行组合，以检测数据包。
8.一种无线多载波包通信设备，包括：
至少一个发射机，配置成使用包括子载波群的子信道来发射信息包；
至少一个接收机，配置成接收所发射的包；
其中，所述至少一个发射机从一个子信道切换到另一子信道，并且重新配置其它子信道，以便以变量的任一或组合来重发包信号，所述信号由所述变量来定义；
其中，所述至少一个接收机配置成发送回信道状况信息和确认/否定确认(ACK/NACK)信号，以协助所述发射机选择并且重新配置所述子信道之一，用于失败包的重发或下一包的发射；并且
其中，所述至少一个发射机还配置成采用FEC(前向纠错)和ARQ(自动重复请求)方案的组合。
9.权利要求8的设备，其中，所述至少一个发射机和所述至少一个接收机是基站和移动站的部分，并且其中，重新配置用于包的重发的子信道包括调制方案、编码速率、导频模式、训练符号、功率水平、空间处理方案、调制星座排列、发射机天线技术或其组合。
10.权利要求8的设备，其中，所述至少一个发射机配置成改变子信道的子载波成分，以包括子载波的不同集合和/或不同的训练导频。
11.权利要求8的设备，其中：
至少一个发射机随机地选择可用的子信道，用于重发；或
至少一个发射机基于所有或一些子信道的信道状况信息来选择用于重发的子信道，以优化效率。
12.权利要求8的设备，其中，至少一个子信道被保留用于失败包的重发。
13.权利要求8的设备，其中，采取至少一个措施，以改善至少一个所保留的子信道的信道状况。
14.权利要求8的设备，其中，所述至少一个发射机使用与对应子信道的信道质量匹配的调制/编码/功率方案，在这样的情况下，重发的包通过速率匹配而适配于子信道中。
15.权利要求8的设备，其中：
至少第一子信道和第二子信道被分派用于发射；并且
在接收到指示需要对初始地通过所述第一子信道发送的包进行重发的否定确认(NACK)信号时，至少一个所述发射机交换所述第一和第二子信道的发射，并通过所述第二子信道来发送待重发的包。
16.权利要求8的设备，其中：
通过子信道的重发使用与之前通过该子信道的发射相同的设置；并且
在当前发射包的大小与相同的子信道上的先前发射包大小不同的时候，采用速率匹配，以使当前重发的包适配于相同的子信道上。
17.权利要求8的设备，其中，所述至少一个发射机保持在用于重发的初始子信道上，如果：
在重发的时候，不存在可用于所述至少一个发射机的其它子信道；
所述至少一个发射机知道初始子信道的质量优于其余可用的子信道或与其余的子信道一样好；或
初始子信道的质量足以支持高调制/编码指数。
18.权利要求8的设备，其中：
多个用户通过时分复用来共享一个子信道；并且
每个分别对应于一个用户的多个自动重复请求(ARQ)过程并行地执行。
19.权利要求8的设备，其中，关于重发过程的一些信息嵌入每个重发的包的头中。
20.权利要求8的设备，其中：
所述设备实施用于包流的分层自动重复请求(ARQ)过程；
所述ARQ过程包括外环和至少一个内环；
所述外环以传统的ARQ方法在较高层操作；
所述至少一个内环以FEC(前向纠错)和ARQ(自动重复请求)的组合方法之一在较低层操作；
用于所述外环和内环二者的参数可依赖于应用或单元处理能力而改变；
21.权利要求8的设备，其中，重发过程持续，直到包被成功地接收或者达到重发的预定次数。
22.权利要求8的设备，其中，信号变量包括时间、频率、空间、信号功率、调制或编码。
23.一种多用户多小区环境中的无线包通信方法，该方法包括：
发射指示需要重发失败包的信号；
接收所重发的包和相关联的控制信息信号，其中，所重发的包通过与发射失败包的初始子信道不同的子信道来接收；
基于所接收的信号来测量信道状况；和
反馈回所述信道状况测量、或基于所述信道状况测量计算的信道质量指示、或二者，以用于重构过程，其中，所述重构过程包括子信道切换和至少一个混合ARQ(自动重复请求)方案。
24.在多接收机无线通信网络中，一种设备包括：
装置，用于在信号域的任一或组合中，重新配置用于失败包重发的子信道；
装置，用于切换用于重发的子信道；
装置，用于产生包括重新配置信息的控制信息信号；
装置，用于通过重新配置的子信道来发射该失败包和相关联的控制信息；
装置，用于接收反馈回的与信道状况测量、或基于该测量计算的信道质量指示、或二者有关的信息，以供用于重新配置的装置来使用，其中，用于重新配置的装置包括用于执行FEC(前向纠错)和ARQ(自动重复请求)过程的组合的装置。
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