一种基于子信道可靠度的 HARQ 技术.doc

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1、精品论文一种基于子信道可靠度的 HARQ 技术陈 颖慧 1，姜 政 2北京邮电大学 通信与信息系统系，北京 (100876)E-mail：chenyh0223摘要：基于可靠度的 HARQ（RB-HARQ）是近些年发展起来的一种新的增量冗余 HARQ 方案。传 统的 RBHARQ 都将关注点集中在错误比特上，本文在此基础上提出了一种基于子信道可靠度的 HARQ 方案，将可靠度的考量由比特扩展到 OFDM 系统的子信道上，利用子信道的质量来增强重传的 效率。不难推测，信噪比（SNR）较低的信道相对不可靠，当需要重传时，如果优先考虑这些子信道 上的数据，那么系统性能的提高会更为显著。文中比较了所提算

2、法与传统 RB-HARQ 算法的性能，理 论分析与仿真结果均显示，所提方案能够显著提高系统的吞吐量。 关键词：混合自动重传（HARQ）；RB-HARQ；OFDM中图分类号： TN 911.2文献标识码：A1引言多载波系统（比如 OFDM）是未来无线接入方案中强有力的竞争者，它能有效地抵抗频率选择性 衰落，从而提高频谱效率。在 OFDM 系统中，数据流分成多个子比特流，再调制到相互正交的子载波 上进行传输。子载波上的数据速率远小于总的数据速率，各子信道的带宽也远小于总带宽, 使得各个子 信道上经历的衰落是相对平坦的。再加上循环前缀，符号间的干扰就进一步减少。并且，OFDM 技术 还允许子载波频谱

3、重叠，这样就大大提高了频谱效率，对于资源贫乏的无线通信来说无疑是种高效的 技术。近年来，在时变及多径衰落环境下的移动通信系统中，混合自动重传技术（HARQ）被广泛地采用以提高系统的性能。混合 ARQ 是指 FEC 及 ARQ 这两种纠错技术的结合，它有效地克服了它们各自 的缺陷。HARQ 有两种常用的合并方式，分别为 Chase 合并（CC）和增量冗余（IR）方式。基于可靠 度的 HARQ（RBHARQ）是近些年发展起来的一种新的增量冗余 HARQ 方案1。其基本思想是，在 接收端，根据 SISO 解码器输出的信息比特后验概率来估计比特可靠度，再根据比特可靠度动态地选 择重传比特。（一般情况下

4、，后验概率值低的比特被认为是较不可靠的，重传时优先考虑这些比特。） 这样，就把目标集中在了最可能出错的比特上，从而最小化重传包的大小，仅牺牲了较小的误码率性 能就换取了较高的吞吐量。在此基础上，本文提出了一种基于子信道可靠度的 HARQ 方案，将可靠度的考量由比特扩展到OFDM 系统的子信道上，利用各个子信道的可靠度来增强重传的效率。不难推测，信噪比（SNR）较 低的信道相对不可靠，当需要重传时，如果优先考虑这些子信道上的数据，那么系统性能的提高就会 更为显著。本文共分为四部分，具体结构如下：第一部分具体描述了基于子信道可靠度的 HARQ 的基本算法原理；紧接着第二部分详细介绍了系统模型；第三

5、部分给出了计算机仿真结果，并对其性能进行了分 析；最后，对全文进行总结，并提出进一步研究的方向。2算法原理分析传统的 HARQ 是简单易行的，在每次重传时将整个数据块全部重传。其实这并非必须的，因为比 特错误率通常由受到经深度衰落的信号的制约，基于可靠度的 HARQ 技术就是利用了这种特性，把目 标集中在最可能出错的比特上。接收端根据信息比特的可靠度来动态地选择重传比特，在保证有效附 加信息足够的基础上最小化重传包的大小，这样就大大提高了系统的吞吐量2。本文提出的 HARQ 方案，利用 OFDM 系统子信道的质量来选择需重传数据，仅重传那些在较差的11子信道下传输的数据符号，从而增强重传的效率

6、。但这种思想在单载波系统中不易实现，因为信道质量的信息很难得到。而在多载波如 OFDM 系统中，数据符号被调制到多个子载波上，每个子载波的信 噪比都是易测得的，且该值刚好可以反映符号传输过程的信道质量。因此，这种方案可用于 OFDM 系 统中，并有效地提高系统吞吐量。该算法准则如下：利用子载波上信道状态信息的可测性特征，可预先设定一个 SNR 的门限值来选定较不可靠的子载波（即下次重传时哪些子载波上的数据需要重传）。如果子信道的 SNR 值低于门限 值，这就意味着该子信道上传输的数据经历了严重的衰落，需要在下次传输中被重传。同样，信道质 量信息也反馈给发送端，发送端按照以上规则从重传缓冲区中选

7、出衰落严重的数据，并将其映射到信 道质量最好的子载波上进行重传，以便获得较高的分集增益。可举例来说明重传的具体操作过程。假设一数据块被映射到有 N 个子载波的 OFDM 符号上进行传 输，接受端译码失败。按本文提出的方案，将检测到的每个自信道信噪比与预设的门限 SNR 值作比较。本例中，假设第 4，5， N 1 ， N 个子载波的 SNR 值低于门限值，那么这些子信道上的数据就是译码 结果不理想的主要原因，这些数据需要重传。如果第 2，3，6，7 个 子载波的 SNR 值最高，将需重传数据映射到这些子信道上进行重传，其余的子信道可以用来传输新的数据。3系统模型采用新 HARQ 方案的系统结构如

8、图 1 所示，与传统 OFDM 结构相比，新方案在收发两端各多了一 个模块，可分别称之为 “重传控制器”和“解复用控制器”。在发送端，利用子信道质量信息来选择重传的数据。所有子载波的 SNR 值通过反馈回发送端，这 些信息就用于“重传控制器”中。该控制器利用信道 SNR 的反馈值以及门限 SNR 值，来决定哪部分 数据该重传。然后将需重传数据发送到 OFDM 映射单元，控制其进行 OFDM 映射的操作。图 1 系统结构图假设某次重传了 k 个子载波上的数据，如果有某个子载波上的 SNR 值小于其它 N k 个子载波的 SNR 值，那就意味着这些子载波经历了严重的衰落，在下次重传中它们就需要进行

9、重传。在重传缓冲 区中选出了需重传的数据后，发信机将其映射到 k 个质量较好的子载波上传输。同样，上述过程也在接收端的“解复用控制器”中进行。它控制复用器模块执行相关操作（合并 重传数据和之前传输的数据形成新的数据块来进行软解码），从而使收信机成功地对重传数据进行解复 用。若在接收端利用子信道信息，可以提高软判决估计的准确性。22并且，为了达到较高的分集增益，下一次重传时会使用高质量的子信道来传输不可靠的信息。4. 仿真结果及分析本文所做的研究是基于单用户系统的。在仿真中，我们比较了传统 RBHARQ 与新算法的吞吐 量性能，其定义为成功传送的比特数与总比特数之比。系统仿真中所用的参数如表 1

10、 所示。表 1 仿真参数表仿真参数取值OFDM 子载波数1024调制方式16QAM信道编码1/3 Turbo Code信道参数Vehicle A，120km/h信道估计理想状态SNR 估计理想状态最大重传次数4图 2 比较了传统 RBHARQ 与新算法的吞吐量性能，如图所示，本文所提算法的吞吐量始终高于传统 RBHARQ 方案，尤其是在高信噪比时这种优势更为明显。当 Eb / N0 小于 4dB 时，两者的性 能相差不大；当 Eb / N0 处于 4dB8dB 时，新方案的优势越来越大；当 Eb / N0 大于 8dB 时，新算法的 吞吐量性能的优势几乎稳定在 10左右。图 2 吞吐量性能的比

11、较335. 结论本文提出了一种基于子信道可靠度的 HARQ 技术。通过对子信道质量信息的利用，仅重传那些在 较差的子信道下传输的数据符号，并在较好的子信道上进行重传，从而大大减小重传的数据量并增强 重传的效率。数学分析及仿真结果均显示，本文所提方案与传统的 RBHARQ 算法相比，其算法复杂 度没有提高，误比特率性能没有损失，但系统吞吐量却得到了显著地提高。在本文的基础上，我们可以加入一些信道预处理相关的技术，增强 SNR 估计的准确性并有效地补偿反馈时延，从而可以进一步优化系统的误码率性能。参考文献1 Liyu Cai, Yan Wan, Pengpeng Song, and Luoning

12、 Gui, “Improved HARQ scheme using channel quality feedback for OFDMsystems,” IEEE Vehicular Technology Conference, 2004, 4：1869-18722 J.M.Shea, “Reliability-based hybrid ARQ,” Electronics Letters, 2002, 38：644-645.3 A. Roongta, J. M. Shea, “Reliability-based hybrid ARQ using convolutional codes,” IE

13、EE International CommunicationsConference, 2003, 4：2889-2893.4 E. Visotsky, Yakun Sun, V.Tripathi, M. L. Honig, and R.Peterson, “Reliability-based incremental redundancy with convolutonal codes,”IEEE Transactions on Communications,2005, 53：987-997.5佟学俭，罗涛. OFDM 移动通信技术原理与应用. 北京：人民邮电出版社，2003A Sub-chan

14、nel Reliability based HARQ SchemeChen Yinghui, Jiang ZhengSchool of Telecommunication Engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing（100876)AbstractReliability based HARQ is one emerging increment redundancy hybrid ARQ scheme, and conventional RB-HARQ schemes usually focus

15、on the reliabilities of “weak bit”. In this paper ,we propose a sub-channel reliability based HARQ scheme, which extends the consideration of reliabilities from bits to sub-channels. Mathematic analysis and simulation results both show that the proposed scheme effectively enhances system throughput by exploiting the channel quality informationKey words: HARQ; RB-HARQ; OFDM作者简介：陈颖慧，女，1984 年生，硕士研究生，主要研究方向是主要研究方向为数字无线通信理论。44