JP4370245B2 - 自動再送要求(arq)方式の動的選択装置およびその方法 - Google Patents

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Description

本発明は、概して通信システムに関連し、詳しくはデータフレームの再送信に対する自動再送要求の動的選択に関連する。
ハイブリッド自動再送要求(H−ARQ)システムでは、データフレームの再送信を使用して、通信システムにおける受信者側のデータ品質を目的のレベルに確保している。しかしながら、過度な再送信はシステムのスループットの減少を招く可能性がある。適応変調符号化(AMC)を採用するシステムでは、AMCの選択は、その選択がなされた時における、通信路の状態に基づいている。測定エラー、フィードバック遅延、および移動局の移動速度を考慮すると、その時の通信路の状態に基づくAMCの選択は、ほとんどの場合、データフレーム送信時における最適な選択とはならないことが多い。その後、システムは、最適でないAMCが選択された状況を修正するために、ARQ方式に頼ることになる。ARQのスループットの損失を減らすために、ARQ方式を調整して実際の通信路の状態に最も適合する、適応型ARQシステムが必要となる。
ここで、図1に示すように、例として符号化率5分の1(即ち、符号器への1ビットの入力に対して5ビットが生成される。)である通信路符号器を使用して、3つのH−ARQの方式を説明する。図2から図4は、データが電波を通じて流れる際のスロットフォーマットを表しており、該データは、最初の送信の1/2の符号化率で動作している符号器から生成されたものである。図2、および3では、再送最大比合成(チェイス)方法を利用したH−ARQシステムを示す。チェイスコンバイニングは(本願において説明されているように)、米国電気電子技術者協会(IEEE)文書においてD.Chaseが著す、「コードコンバイニング、任意の雑音パケット数の合成に対する最大尤度復号化方法(Code Combining−A Maximum−Likelihood Decoding Approach for Combining an Arbitrary
Number of Noisy Packets)」、米国電気電子技術者協会通信論文誌(IEEE Trans on Communications)、Vol.33、pp385−393、1985年5月刊に基づく。上記において説明されている基本的な考えは、受信されなかった(即ち、適切に復号化されなかった)データパケットを再送信することである。再送信されたデータパケットは、対応する信号振幅対雑音電力比によって重み付けされ、元々送信されたパケットに付加される。言い換えると、再送パケットは最大比合成(MRC)されている。再送パケットを元のパケットに付加することによって、信号対雑音比が改善される(信号対雑音比はMRCによって加算される)。従って、SNRが再送信と共に継続的に増加するために、最初の送信で復号化されなかったパケットも、数回の再送信によって、最終的に復号化されることになる。
図2、および図3を参照すると、チェイスコンバイニング方法を利用するH−ARQは次のように動作する。図2に示すように、g1、およびg3多項式からの出力はパンクチャード符号化(パート1と表示)され、システマチックビットと共に送信される。再送パケットは、最初のパケットと同一であることに注意されたい。従って、パケットは最大比合成され、或いは他の情報を追加することなく復号化が可能である(即ち、パケットの自己復号が可能である)。図1、および図3を参照すると、部分増加的冗長性(Partial Incremental Redundancy(IR))コンバイニング方法が表されている。この場合、最初に送信されたパケットは、図3に示すものと同一である。しかしながら、最初の再送パケットには、最初のパケットと共に送信されなかった、g1/g3パンクチャードパリティビット(パート2と表示)の後半部分を含んでいる。最大
比合成はシステマチックビットに利用される。前記部分IR方式は、例えば、信号対雑音比(SNR)を完全に追跡するのが不可能である伝送媒体のような、特に高速フェージング通信路においてより大きな符号化利得を提供する。また、この方式は図2に示すように、パケットを自己復号することが可能であることに注意すべきである。図1、および図4の参照において、完全IR(Full Incremental Redundancy)コンバイニング方法を表す。この場合、最初の再送信ではシステマチックビットを繰り返さない。その代わりに、パリティビットが次の送信ごとに継続して送信される。この過程はその後も繰り返される。前記完全IR方式は、部分IR方式と比較してより大きなIR利得を提供することができるが、再送パケットを自己復号することはできない(システマチックビットが再送信された時を除く)。
低速で移動する移動局にあるように、AMCシステムが適切に記録する場合、最初の再送信において、あるデータフレームを正確に受信するために要求されるSNRは、小さくてよい例が多い。これは二つの送信がチェイスコンバイニング、または完全IRを使用して合成されていると仮定しているからである。小さなSNRを供給することによって節約した、例えば送信電力、およびウォルシュ符号のような資源は、システムのスループットを上げるために、他の場所で利用することができる。前記完全IR合成方式は、チェイスコンバイニングに対して、大幅な通信路符号化利得を提供する。しかしながら、劣化したSNRによって最初の送信を受信し、二番目の送信を閾値で、または閾値より上で受信すると、完全IRの性能はチェイスコンバイニングに劣る。そのような場合においては、チェイスコンバイニング方式が適切に動作する。しかしながら、完全IR方式は、最初の送信で重要なシステマチックビットが損失しているため、更なる送信を要求する。その結果、二番目の送信は自己復号することができず、最初の送信において受信した情報に大きく依存することになる。
チェイス、部分チェイス、および部分IRコンバイニングの各方式を選択する方法は、周知である。しかしながら、該方法は、最適な性能を提供する完全IRを利用していない。ある合成方法が与えられたとすると、先行技術の方法では、2ビットの弱い確認応答で基地局に通信しているユーザ装置に蓄積されたエネルギーを介して、再送信が何回必要であるかを判定する。従って、前記先行技術の方法は、完全IRと比較してスループットの損失を生じる不都合な点があり、上り回線における余分なACK/NACK符号の転送に費やしている。加えて、前記先行技術は、ユーザ装置における通信経路のSNRに基づく、複数のARQ合成方式の中から一つを選択する方法を提供していない。
従って、データフレームを送信するために、最適なH−ARQ方式を動的に選択する、改良された方法が必要である。
図5において、本発明の方法が実施可能な基地局送受信器(BTS)500、およびユーザ装置508の該当部分を示す。好適な実施形態において、ユーザ装置508は移動局である。しかしながら、本発明は様々なタイプのユーザ装置に使用し得ることを、当業者は認識するだろう。図に示すように、BTS500は、ARQ/符号化/変調サブシステム502を含む。このサブシステム502は、本発明におけるH−ARQを選択する方法を実施し、MS508に送信されるデータに適用される、符号化、および変調方式を判定する。適応変調符号化(AMC)を採用する、例えば第3世代パートナーシッププロジェクト(3GPP)の高速ダウンリンクパケットアクセス(HSDPA)や3.5Gのようなシステムでは、MS508がフィードバックチャネル506を通して提供する、通信路の状態測定報告に基づいて、AMCが選択される。ARQ/符号化/変調サブシステム502からのデータはRFモジュレータによって変調される。変調されたデータ信号はアンテナ507を介して送信され、MS508がアンテナ509を介して受信する。MS受信
器510は信号を復調し、処理を行うターボ復号器にソフトビットを送信する。前記ターボ復号器512は、BTS500によって送信されたデータを再生する。ターボ復号器512は、受信した符号の復号化に成功すると、確認応答(ACK)をフィードバックチャネル506を介して、BTS500にあるARQ/符号化/変調サブシステム502に送信する。ターボ復号器が、巡回冗長検査(CRC)によって示される、エラーのあるデータフレームを受信したために、受信した符号を復号化することができない場合には、ARQ/符号化/変調サブシステム502に否定応答(NACK)を送信する。BTS500はNACK、および通信路の状態測定報告を使用して、データフレームの再送に使用する最適なH−ARQ方式を選択する。本発明における好適な実施形態では、停止および待機型(stop−and−wait)H−ARQ方式が採用されている。即ち、BTS500は最初のデータフレームを送信し、次のデータフレームを送信する前に、MS508からのACK、またはNACKを待つ。
本発明の好適な実施形態では、MS受信器510において、データフレームにあるシステマチックビットの累積SNRに基づくデータフレームを再送するH−ARQ方式を、状況に応じて選択することによって、完全IR方式の不都合な点を低減する。BTS500にあるARQ/符号化/変調サブシステム502は、MS508から受信した通信路のSNR測定を使用しながら、累積SNR値を記録する。通常、MS508はBTS508に、SNRの測定報告を2ミリ秒毎に送信する。好適な実施形態では、該方式は、システマチックビットの累積SNRが適切な値に達するまで、再送されたシステマチックビットにチェイスコンバイニングを利用し(部分IR送信を介して)、その後の送信において、パリティビットのみの送信に切り替わる。
以下の工程は、MS508へのデータフレームの送信を、無事に達成するために行われる。第一に、AMCはMS508からの通信路の品質報告に基づいて選択される。次に、BTS502はデータフレームをMS508に送信する。MS508は送信の状態を示すACK/NACKメッセージで応答し、送信されたデータフレームに対応する、通信路のSNRの測定報告を送信する。(MS508は、継続的に通信路のSNRの測定報告をBTS500に送信する。通常、2ミリ秒毎に送信する。)前記報告に基づいて、BTS500は、ローカルにある累積SNRの評価を、MS508にあるものと同一になるように、更新する。NACKメッセージが送信された場合には、ある部分はローカルにある評価に基づき、他の部分はMS508からの最新の通信路のSNRの報告に基づいて、BTS500は同様に再送方法を選択する。好適な実施形態では、再送方法は部分IR、および完全IR H−ARQ方式から選択される。或いは、または上記に追加して、資源配分(ウォルシュ符号、および符号化電力)は、送信を無事に復号化できるだけの必要な分のみ供給するように、変更することが可能である。資源配分を変更できることは、最初の送信が閾値に非常に近い場合において、有効である。再送信処理は、データフレームが無事に受信されるか、または再送信が限度に達するまで継続する。前記方式は、遅延および媒体速度のためにAMCを追跡するのが困難である、悪条件の下で十分に機能するH−ARQシステムを提供する。同様に、完全IR H−ARQ方式によって自己復号化に関する問題をも低減することができる。
図6において、本発明における方法の好適な実施形態の流れ図を示す。該方法600は、当技術分野で周知である任意のコンピュータ、およびマイクロプロセッサ上における、図5に示すBTS500にあるARQ/符号化/変調サブシステム502において動作する。工程602において、該方法はデータフレームをMS508に送信するための、AMCを選択する。AMCの選択は、フィードバックチャネル506を通してMS508から受信する、通信路の状態測定報告に基づく。AMCはフレームを無事に復号化するために必要とされる、SNR閾値を設定する。工程604において、データフレームは選択されたAMCを使用して、符号化、および変調される。工程606では、「受信累積SNR」
変数を0に初期化する。この変数は、MS508に見られる、システマチックビットに対する累積SNRの評価を保存する。工程608において、該方法はデータフレームを送信する。工程610では、BTS500はMS508から送信されたフレームに対する通信路の状態測定報告を受信したかを判定する。その判定の回答が、「いいえ」の場合、該方法は測定報告の受信を継続する。測定報告を受信すると、該方法は、送信されたフレームに対する通信路のSNRを記録する(工程612)。工程614では、該方法は工程612において記録した通信路のSNRを使用して、受信累積SNRを更新する。
工程618において該方法は、送信されたフレームに対して、MS508からNACKを受信したかを判定する。判定の回答が「はい」の場合、該方法は、再送信に使用する最適なH−ARQ方式を決定する。具体的には、工程620において、受信累積SNRがSNR閾値である3dB(工程602で設定した)以内であるかを判定する。判定の回答が「はい」である場合、該方法は最新のSNR(MS508から受信した、最新の通信路の状態測定報告により判定される)が、1dB以上であり、SNR閾値未満であるかを判定する(工程622)。一実施形態において、BTS500はMS508から継続して報告を受信し(約2ミリ秒毎)、最新のSNR報告を記録することに注意すべきである。上記に代わる実施形態では、MS508はBTS500にNACKを報告した場合に、SNRを報告するというものである。工程622の回答が「はい」の場合、該方法は最初の送信時の半分の符号化電力による完全IR H−ARQ方式を使用して、フレームを再送信する(工程624)。工程624では、最初の送信が、MS508において要求された閾値に非常に近い値で受信されたために、配分された資源を削減することが可能になる。そのような場合、要求する閾値に到達するために、最大電力で再送信する必要はない。代わりに、別のユーザに割り当てられる電力を追加することが可能である。次に、工程628において、該方法は、最大再送信数に到達したかを判定する。判定の回答が「いいえ」の場合、該方法は工程610に進み、処理を継続する。判定の回答が「はい」の場合、該方法は工程634で終了する。
工程622に戻り、最新のSNRが1dB以上であり、SNR閾値未満である場合、該方法は完全IR H−ARQ方式を使用して、最初の送信時と同一の電力、および符号量配分で、フレームを再送信する(工程626)。その後、工程628において、該方法は、最大再送信数に到達したかを判定する。判定の回答が「いいえ」の場合、工程610に進み、処理を継続する。判定の回答が「はい」の場合、該方法は工程634で終了する。工程620に戻り、累積SNRがSNR閾値である3dB以内でない場合、該方法は、受信累積SNRが、3dBと所定のSNR閾値dBとの間であるかを判定する(工程630)。例えば、QPSK変調では、所定dBは7dBであり、16QAM変調(符号化率3/4によるターボ符号)では、所定dBは4dBである。受信累積SNRが、3dBと所定のSNR閾値dBとの間である場合、該方法は完全IR H−ARQ方式を使用して、最初の送信時と同一の電力、符号量配分で、フレームを再送信する(工程626)。その後、工程628において、該方法は、最大再送信数に到達したかを判定する。判定の回答が「いいえ」の場合、工程610に進み、処理を継続する。判定の回答が「はい」の場合、該方法は工程634で終了する。
工程630に戻り、受信累積SNRが、3dBと所定のSNR閾値dBとの間にない場合、該方法は部分IR H−ARQ方式を使用して、最初の送信時と同一の電力、符号量配分で、フレームを再送信する(工程632)。次に、工程628において、該方法は、最大再送信数に到達したかを判定する。判定の回答が「いいえ」の場合、工程610に進み、処理を継続する。判定の回答が「はい」の場合、該方法は工程634で終了する。
工程618に戻り、NACKが受信されない場合には(即ち、フレームが無事に送信された場合)、該方法は工程602に進み、次のフレームの処理を繰り返す。該方法は、B
TS500によって送信されるデータフレームが、MS508によって全て無事に受信され、かつ復号化されるまで、或いは、最大再送信数に到達するまで、実行される。MS08が、BTS500から受信したフレームを復号化するために、MS508は、BTS500が送信している送信/再送信の方式(例えば、完全IR、部分IR)を知る必要がある。本発明における好適な実施形態では、BTS500は、上記の情報を1から3ビットで表す、IRバージョン番号を介してMS508に伝える。IRバージョン番号は、送信方式(例えば、完全IR、部分IR)、および送信番号(例えば、最初の送信、最初の再送信等)を含む2ビットを備え得る。例えば、図4を参照すると、MS508が完全IR、最初の再送信を含むIRバージョン番号を受信すると、MS508はシステマチックビット(Sys)、およびg1/g3パンクチャードパリティビットの前半部分を含むフレームを復号化すべきであることを認識する。或いは、IRバージョン番号は、電力配分を含む3ビットを備えることもある。前に使用した例を引用すると、IRバージョン番号は、例えば、完全IR、最初の再送信、および半分の電力などの、送信方式、送信番号、および電力配分を含み得ることである。この場合、MS508は、最初の送信の半分の符号化電力における、システマチックビット、g1/g3パンクチャードパリティビットの前半部分を含むフレームを復号化すべきであることを認識する。
本発明が様々な改良、形態の変更の影響を受ける一方で、特定の実施形態を例として図面に示し、本願において詳細に説明した。しかしながら、本発明は、本願において開示された特定の形態に限定する意図はないことを理解されたい。むしろ、添付の特許請求の範囲において定義されているように、本発明の精神と範囲に含まれる、修正、類似、および変更の全てに及ぶことを意図するものである。
符号化率5分の1で動作する、周知である通信路符号器の説明図。 チェイスコンバイニング方式を使用して合成された、図1の符号器による、データが電波を通じて流れる際のスロットフォーマットを表す説明図。 部分IR H−ARQ方式を使用して合成された、図1の符号器によるデータの電波を通じて流れる際のスロットフォーマットを表す説明図。 完全IR H−ARQ方式を使用して合成された、図1の符号器によるデータの電波を通じて流れる際のスロットフォーマットを表す説明図。 本発明の方法における好適な実施形態を実行可能な、基地局送受信器、および移動局の該当部分を表すブロック図。 本発明の方法における好適な実施形態を表す流れ図。

Claims (10)

  1. データフレームを送信するための自動再送要求方式を選択する方法であって、
    前記フレームを無事に復号化するために必要とされる、信号対雑音比閾値を判定する工程と、
    前記フレームを最初に送信する工程と、
    前記最初に送信したフレームに対応する、通信路の信号対雑音比の測定報告を受信する工程と、
    積信号対雑音比値を更新するために、前記測定報告における信号対雑音比を使用する工程であって、前記累積信号対雑音比値は、前記最初に送信したフレーム及び再送信されるフレームにおける、システマチックビットに対する累積信号対雑音比の評価を表している工程と、
    前記最初の送信に失敗したかを判定する工程と、
    前記最初の送信に失敗した場合、前記累積信号対雑音比値と信号対雑音比閾値とを比較する工程と、
    前記比較に基づいて、前記フレームの再送信に使用するための自動再送要求方式を選択する工程と
    前記選択された自動再送要求方式を使用して前記フレームを再送信する工程と、
    前記累積信号対雑音比値を更新するために前記再送信されたフレームに対する前記測定報告における信号対雑音比を使用する工程と、
    を備える方法。
  2. 請求項1記載の方法において、前記自動再送要求方式を選択する工程は、
    前記累積信号対雑音比値が、前記信号対雑音比閾値の第一所定値であるかを判定する工程と、
    前記累積信号対雑音比値が、前記信号対雑音比閾値の第一所定値である場合、最新の信号対雑音比の測定報告における信号対雑音比が、信号対雑音比閾値の所定の範囲内であるかを判定する工程と、
    前記最新の信号対雑音比の測定報告における信号対雑音比が、所定の範囲内である場合、完全増加的冗長性自動再送要求方式を使用して、最初の送信時の半分の電力で、前記フレームを再送信することを選択する工程とを備える方法。
  3. 請求項2記載の方法において、前記最新の信号対雑音比の測定報告における信号対雑音比が、所定の範囲内にない場合、完全増加的冗長性自動再送要求方式を使用して、最初の送信時と同じ電力で、前記フレームを再送信することを選択する工程を備える方法。
  4. 請求項2記載の方法において、前記累積信号対雑音比値が、前記信号対雑音比閾値の第一所定値にない場合、
    前記累積信号対雑音比値が、前記信号対雑音比閾値の第一所定値と前記信号対雑音比閾値の第二所定値との間にあるかを判定する工程と、
    前記累積信号対雑音比値が、第一所定値と第二所定値との間にある場合、完全増加的冗長性自動再送要求方式を使用して、最初の送信時と同じ電力で前記フレームを再送信することを選択する工程とを備える方法。
  5. 請求項4記載の方法において、前記累積信号対雑音比値が、第一所定値と第二所定値との間にない場合、部分増加的冗長性自動再送要求方式を使用して、最初の送信時と同じ電力で、前記フレームを再送信することを選択する工程を備える方法。
  6. 請求項1記載の方法において、前記フレームを無事に復号化するために必要とされる、信号対雑音比閾値を判定する工程は、前記フレームを再送信するための振幅変調符号化方式を選択する工程を備え、前期振幅変調符号化方式は、前記フレームを無事に復号化するために必要とされる、信号対雑音比閾値を設定する方法。
  7. 請求項1記載の方法において、前記最初に送信されたフレームに対応する、通信路の信号対雑音比の測定報告を受信した後、前記通信路の信号対雑音比の測定報告を保存する工程を備える方法。
  8. 請求項1記載の方法において、フレームを最初に送信する工程は、
    前記フレームを送信する工程と、
    前記フレームに対応する、バージョン番号を送信する工程とを備える方法。
  9. 請求項8記載の方法において、前記フレームに対応するバージョン番号を送信する工程は、少なくとも一つの送信方式、送信番号、および電力配分を備えるバージョン番号を送信する工程を含む方法。
  10. 命令群を内部に保存する記憶媒体であって、処理装置にロードされた場合、
    前記フレームを無事に復号化するために必要とされる、信号対雑音比閾値を判定する工程と、
    前記フレームを最初に送信する工程と、
    前記最初に送信したフレームに対応する、通信路の信号対雑音比の測定報告を受信する工程と、
    積信号対雑音比値を更新するために、前記測定報告における信号対雑音比を使用する工程であって、前記累積信号対雑音比値は、前記最初に送信したフレーム及び再送信されるフレームにおける、システマチックビットに対する累積信号対雑音比の評価を表している工程と、
    前記最初の送信に失敗したかを判定する工程と、
    前記最初の送信に失敗した場合、前記累積信号対雑音比値と信号対雑音比閾値とを比較する工程と、
    前記比較に基づいて、前記フレームの再送信に使用するための自動再送要求方式を選択する工程と
    前記選択された自動再送要求方式を使用して前記フレームを再送信する工程と、
    前記累積信号対雑音比値を更新するために前記再送信されたフレームに対する前記測定報告における信号対雑音比を使用する工程と
    を、前記処理装置に実行させる記憶媒体。
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