HARQ技術(shù)簡介

1、HARQ技技術(shù)術(shù)原理及仿原理及仿真真分析分析n組員組員:n 宋丹丹宋丹丹 學號：學號：1401120376n 席敏燕席敏燕 學號：學號：1401120365n 韓芮雨韓芮雨 學號學號: 1401120359n 1、差錯控制技術(shù)簡介、差錯控制技術(shù)簡介2、HARQ技術(shù)原理介紹技術(shù)原理介紹3、HARQ技術(shù)仿真分析技術(shù)仿真分析 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 在數(shù)據(jù)傳輸過程中，信道存在噪聲，信道傳輸特性不理想，以及無線通信中的多徑衰落等因素都會導致接收到的數(shù)據(jù)產(chǎn)生差錯。在通信系統(tǒng)中，當實際信道的誤碼率達不到用戶要求時，通常采用差錯控制編碼（信道編碼）的方式來降低系統(tǒng)的誤碼率。 差錯控制編碼思想差錯控制編碼思想： 它

2、是將良好結(jié)構(gòu)的冗余信息，人為的注入到數(shù)字信號序列中去，使編碼后的數(shù)字序列含有額外的冗余碼元。這些碼元使原來不相關(guān)的數(shù)字序列變?yōu)橄嚓P(guān)的序列，并構(gòu)成碼字。在接收端根據(jù)某種相關(guān)規(guī)則，通過信道譯碼來校驗識別，進而糾正差錯。差錯控制技術(shù)的核心是差錯控制編碼。差錯控制技術(shù)的核心是差錯控制編碼。 差錯控制技術(shù)簡介差錯控制技術(shù)簡介 差錯控制編碼的種類有很多，大體上分為2種：檢錯碼和糾錯碼。 檢錯碼是在接收端根據(jù)監(jiān)督關(guān)系進行檢查，并發(fā)現(xiàn)錯誤。糾錯碼是在接收端除發(fā)現(xiàn)錯誤外，還能進行自動糾正錯誤。 常見的檢錯碼：恒比碼、奇偶校驗碼，CRC碼。在糾錯碼中應(yīng)用最廣泛的是代數(shù)碼，它包括線性分組碼、循環(huán)碼、BCH碼。 差錯

3、控制技術(shù)簡介差錯控制技術(shù)簡介差錯控制技術(shù)簡介差錯控制技術(shù)簡介常見的差錯控制方式：常見的差錯控制方式： 1. ARQ（自動請求重傳） 2.FEC(前向糾錯） 3.HARQ 停等式停等式ARQ退后退后N步步ARQ 選擇性重傳選擇性重傳ARQ正確時輸出正確時輸出停等停等ARQ協(xié)議：協(xié)議：發(fā)送端每發(fā)送一個數(shù)據(jù)包就暫時停下來，等待接收端的確認信息。接收正確返回ACK信號，發(fā)端發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包；若有錯誤則返回不確認（NACK）信號，發(fā)端重發(fā)該數(shù)據(jù)包。優(yōu)點：優(yōu)點：實現(xiàn)起來比較簡單，信令開銷小，收端的緩存容量低。缺點：缺點：等待確認信號的過程中，發(fā)端不發(fā)送數(shù)據(jù)，導致信道利用率不高，系統(tǒng)的吞吐量較低。信源信源檢

4、錯編碼和檢錯編碼和緩沖存儲緩沖存儲雙雙向向信信道道重發(fā)機制重發(fā)機制檢錯譯碼檢錯譯碼指令產(chǎn)生器指令產(chǎn)生器輸出緩沖器輸出緩沖器收收信信者者錯誤時刪除錯誤時刪除 ARQ方式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖方式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖差錯控制技術(shù)簡介差錯控制技術(shù)簡介退后退后N步步ARQ協(xié)議協(xié)議：發(fā)送端發(fā)送完一個數(shù)據(jù)分組后，并不停下來等待確認信息，而是連續(xù)發(fā)送若干個數(shù)據(jù)分組。接收端將每個數(shù)據(jù)包相應(yīng)的接收端將每個數(shù)據(jù)包相應(yīng)的ACK或或 NACK信息反饋回發(fā)送端，同時發(fā)送回信息反饋回發(fā)送端，同時發(fā)送回的還有數(shù)據(jù)包分組號的還有數(shù)據(jù)包分組號。當接收到一個NACK信號時，發(fā)送端就重新發(fā)送包括錯誤數(shù)據(jù)的N 個數(shù)據(jù)包。接收端只需按序接收數(shù)據(jù)包，在接

5、收到錯誤數(shù)據(jù)包后即使又接收到正確的數(shù)據(jù)包后還是必須將正確的數(shù)據(jù)包丟棄，并重新發(fā)送確認信息。退后退后N步步ARQ協(xié)議：協(xié)議：優(yōu)點：優(yōu)點：缺點缺點：因發(fā)端連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)提高了系統(tǒng)的吞吐量。1.增大了系統(tǒng)的信令開銷2.由于收端僅按序接收數(shù)據(jù)，那么在重傳時又必須把原來已正確傳送過的數(shù)據(jù)進行重傳，使信道利用率降低。差錯控制技術(shù)簡介吞吐量是指對網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、接口、虛電路吞吐量是指對網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、接口、虛電路或其它設(shè)施，單位時間內(nèi)成功地傳送數(shù)或其它設(shè)施，單位時間內(nèi)成功地傳送數(shù)據(jù)的數(shù)量（以比特、字節(jié)、分組等測量據(jù)的數(shù)量（以比特、字節(jié)、分組等測量）。選擇性重傳協(xié)議選擇性重傳協(xié)議：該協(xié)議只重傳出現(xiàn)差錯的數(shù)據(jù)包，但是此時

6、收端不再按序接收數(shù)據(jù)分組信息，那么在收端需要相當容量的緩存空間來存儲已經(jīng)成功譯碼但還沒能按序輸出的分組。同時，在收端在組合數(shù)據(jù)包前必須知道序列號，因此，序列號要和數(shù)據(jù)分別編碼。差錯控制技術(shù)簡介對比前2種ARQ技術(shù)，選擇性重傳的信道利用率最高，但要求的存儲空間和信令開銷也最大。FEC（前向糾錯）（前向糾錯） 前向糾錯簡稱FEC(Forward Error Correction)，其原理是：發(fā)送方將要發(fā)送的數(shù)據(jù)附加上一定的冗余糾錯碼的冗余糾錯碼一并發(fā)送，接收方則根據(jù)糾錯碼對數(shù)據(jù)進行差錯檢測，如發(fā)現(xiàn)差錯，由接收方進行糾正。 特點：能進行簡單的糾錯，但是使用糾錯碼（糾錯碼編碼效率低且設(shè)備復雜）、單向信

7、道、發(fā)送方無需設(shè)置緩沖器。差錯控制技術(shù)簡介 ARQ優(yōu)點：優(yōu)點：1.使用的檢錯碼與信道差錯統(tǒng)計特性無關(guān)，具有自適應(yīng)性。2. ARQ的檢錯譯碼器比FEC簡單。 ARQ缺點：缺點：1.需要雙向信道 2.干擾很大時，整個系統(tǒng)可能處于重發(fā)循環(huán)中，使通信效率降低。 FEC優(yōu)點優(yōu)點：1.能進行簡單的糾錯 2.發(fā)送方無需設(shè)置緩沖器 3.不需要反向信道 FEC缺點：缺點：1.糾錯碼編碼效率低 2.糾錯設(shè)備復雜差錯控制技術(shù)簡介ARQ與與FEC技術(shù)對比：技術(shù)對比：HARQ定義及過程 在無線通信蓬勃發(fā)展的今天，人們對于信息傳輸?shù)囊笤絹碓礁?，其中，高速和準確是用戶對數(shù)據(jù)傳輸?shù)?個基本要求。近幾年，為了解決無線通信可靠

8、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，人們提出了HARQ技術(shù)。HARQ(混合自動重傳請求）是一種將ARQ和FEC結(jié)合在一起的物理層技術(shù)。FEC提供最大可能的錯誤糾正，而ARQ可以彌補FEC不能糾正的錯誤從而達到較低的誤碼率。定義定義：分類分類1：根據(jù)HARQ中前向糾錯碼在接收端的合并方式，可分為三類：type-I HARQ 、type-II HARQ、type-III HARQ。HARQ定義及過程第一類第一類HARQ：又稱為傳統(tǒng)HARQ每次發(fā)送的數(shù)據(jù)包由信息比特+CRC（循環(huán)冗余校驗），并用FEC編碼。在接收端先進行FEC糾錯，然后用CRC校驗數(shù)據(jù)的準確性。如果出錯，則丟掉該數(shù)據(jù)包，否則發(fā)送NACK信號，接收端重發(fā)

9、原來的編碼數(shù)據(jù)包。特點：特點：第一類HARQ在接收端不進行任何合并，每次收到的數(shù)據(jù)包直接譯碼。這種方法信令開銷小，解碼簡單。對傳錯的數(shù)據(jù)幀只是單純的丟棄，沒能充分利用其中的有用信息。HARQ定義及過程第二類第二類HARQ：又稱為完全增量冗余（IR）的重傳機制。這種機制下，錯誤的數(shù)據(jù)包不會被丟棄，而是在接收端先緩存起來，與重傳的數(shù)據(jù)包進行合并之后再進行解碼。相比第一類HARQ，實現(xiàn)第二類HARQ需要更多的存儲器，結(jié)構(gòu)復雜，但對于吞吐量的改善明顯。IR(incremental redundency)并不是每次重傳都采用同一個編碼速率的碼字，而是根據(jù)前一次解碼的結(jié)果來決定下一次發(fā)送碼字的碼率。若是沒

10、能正確解碼，接收端給發(fā)送端回復一個NACK信號，發(fā)送端自動降低下一次重傳碼字的碼率，也就是增大冗余度，以更好適應(yīng)當前信道的情況。在接收端將原來的信號和重傳信號合并，合并后的信號的信噪比將會比第一次收到的信號信噪比高，具有更強的糾錯能力。第二類第二類HARQ特點：特點：HARQ定義及過程HARQ定義及過程第三類第三類HARQ： 是完全增量冗余重傳機制(IR)的改進。在該機制中，每次的重傳是可以自行解碼的，這一點與第二類HARQ不同。對于每次發(fā)送的數(shù)據(jù)包采用互不刪除方式，各個數(shù)據(jù)包既可以單獨譯碼，也可以合成一個具有更大冗余信息的編碼包進行合并譯碼。 HARQ定義及過程分類分類2： 按照重傳發(fā)生的時

11、刻來區(qū)分，可以分為同步HARQ和異步HARQ兩類。 同步HARQ是指一個HARQ進程的傳輸發(fā)生在固定的時刻，由于接收端預(yù)先已知傳輸?shù)陌l(fā)生時刻，因而不需要額外的信令開銷來表示HARQ進程的序號。此時，HARQ進程的序號可以從子幀號獲得。 異步HARQ是指一個進程的傳輸可以發(fā)生在任何時刻，接收端預(yù)先不知道傳輸?shù)陌l(fā)生時刻，因此HARQ進程的處理序號需要連同數(shù)據(jù)一起發(fā)送。HARQ定義及過程分類分類3： 根據(jù)重傳時的數(shù)據(jù)特征是否發(fā)生變化可以將HARQ分為非自適應(yīng)和自適應(yīng)兩種。數(shù)據(jù)的傳輸特征包括資源塊的分配、調(diào)制方式、傳輸塊的長度、傳輸?shù)某掷m(xù)時間。 自適應(yīng)自適應(yīng)是指每一次的重傳中，發(fā)送端可以根據(jù)實際的信道

12、狀態(tài)信息改變部分的傳輸參數(shù)。因此，在每次傳輸時包含傳輸參數(shù)的控制信令信息要一并發(fā)送。 在非自適應(yīng)非自適應(yīng)系統(tǒng)中，這些傳輸參數(shù)相對于接收端而言都是預(yù)先已知的，所以控制信令信息在非自適應(yīng)系統(tǒng)中是不用傳輸?shù)?。LTE 中的HARQHARQ是3G LTE中的關(guān)鍵技術(shù)之一。LTE中采用的HARQ是基于N個進程并行的停等式ARQ，即發(fā)送端在信道上并行的運行N套停等協(xié)議，利用不同信道間的間隙來交錯的傳遞數(shù)據(jù)和信令，從而提高信道利用率。LTE下行鏈路下行鏈路：LTE下行鏈路采用的是異步自適應(yīng)HARQ技術(shù)。因為異步HARQ更能充分利用信道的狀態(tài)信息，從而提高系統(tǒng)的吞吐量。另一方面，異步HARQ可以避免重傳時資源分

13、配發(fā)生沖突從而造成性能損失。LTE上行鏈路：上行鏈路：LTE在上行鏈路中采用同步非自適應(yīng)HARQ技術(shù)。因為同步HARQ所需的信令開銷更小。而且上行鏈路更復雜，來自其他小區(qū)用戶的干擾是不確定的，因此基站無法準確估測出各個用戶的實際信干比，而自適應(yīng)技術(shù)基于對信道條件的精確估計，所以上行鏈路采用的是非自適應(yīng)HARQ技術(shù)。HARQHARQ技術(shù)仿真分析技術(shù)仿真分析對type-I 型HARQ單獨仿真：仿真設(shè)置：WGN信道，選擇性重傳協(xié)議，信道編碼為碼率為4/7的漢明碼，采用BPSK調(diào)制。分析：隨著信噪比增大，誤碼率快速下降。 圖圖1 type-I HARQ性能性能 由圖2可以看出ARQ、FEC、HARQ誤碼率曲線隨信噪比增大都呈下降趨勢，后2種下降更快，且曲線趨于吻合。 Eb/N0很小時（10dB時，HARQ誤碼率趨于穩(wěn)定，遠小于ARQ的誤碼率。原因：信道狀態(tài)較好，糾錯能力大大提升。總體上看總體上看，HARQ I和和FEC誤碼率性能好于誤碼率性能好于