HARQ技術簡介PPT課件

1、2021/3/91HARQ技技術術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 2021/3/921、差錯控制技術簡介、差錯控制技術簡介2、HARQ技術原理介紹技術原理介紹3、HARQ技術仿真分析技術仿真分析 主要內容主要內容2021/3/93 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

2、系統(tǒng)的誤碼率。2021/3/94 差錯控制編碼思想差錯控制編碼思想： 它是將良好結構的冗余信息，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的數(shù)字序列變?yōu)橄嚓P的序列，并構成碼字。在接收端根據(jù)某種相關規(guī)則，通過信道譯碼來校驗識別，進而糾正差錯。差錯控制技術的核心是差錯控制編碼。差錯控制技術的核心是差錯控制編碼。 差錯控制技術簡介差錯控制技術簡介2021/3/95 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

3、驗碼，CRC碼。在糾錯碼中應用最廣泛的是代數(shù)碼，它包括線性分組碼、循環(huán)碼、BCH碼。 差錯控制技術簡介差錯控制技術簡介2021/3/96差錯控制技術簡介差錯控制技術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ARQ2021/3/97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

4、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生器指令產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)結構圖方式的系統(tǒng)結構圖差錯控制技術簡介2021/3/98差錯控制技術簡介退后退后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)包相應的接收端將每個數(shù)據(jù)包相應的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)

5、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。2021/3/99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。差錯控制技術簡介吞吐量是指對網(wǎng)絡、設備、接口、虛電路吞吐量是指對網(wǎng)絡、設備、接口、虛電路或其它設施，單位時間內成功地傳送數(shù)或其它設施，

6、單位時間內成功地傳送數(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）。2021/3/910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。差錯控制技術簡介對比前2種ARQ技術，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。2021/3/911FEC（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

7、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備復雜）、單向信道、發(fā)送方無需設置緩沖器。差錯控制技術簡介2021/3/912 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，具有自適應性。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

8、2.糾錯設備復雜差錯控制技術簡介ARQ與與FEC技術對比：技術對比：2021/3/913HARQ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數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，人們提出了HARQ技術。HARQ(混合自動重傳請求）是一種將ARQ和FEC結合在一起的物理層技術。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

9、。2021/3/914HARQ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)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。2021/3/915HARQ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

10、，與重傳的數(shù)據(jù)包進行合并之后再進行解碼。2021/3/916相比第一類HARQ，實現(xiàn)第二類HARQ需要更多的存儲器，結構復雜，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)前一次解碼的結果來決定下一次發(fā)送碼字的碼率。若是沒能正確解碼，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2021/3

11、/917HARQ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。 2021/3/918HARQ定義及過程分類分類2： 按照重傳發(fā)生的時刻來區(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

12、程的傳輸可以發(fā)生在任何時刻，接收端預先不知道傳輸?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。2021/3/919HARQ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分為非自適應和自適應兩種。數(shù)據(jù)的傳輸特征包括資源塊的分配、調制方式、傳輸塊的長度、傳輸?shù)某掷m(xù)時間。 自適應自適應是指每一次的重傳中，發(fā)送端可以根據(jù)實際的信道狀態(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。 在非自適應非自適應系統(tǒng)中，這些傳輸參數(shù)相對于接收端而言都是預先已知的，所以控制信令信息在非自適應系統(tǒng)中是不用傳輸?shù)摹?021/3/920LTE 中的HA

13、RQHARQ是3G LTE中的關鍵技術之一。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HARQ技術。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HARQ技術。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

14、用戶的實際信干比，而自適應技術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HARQ技術。2021/3/921HARQHARQ技術仿真分析技術仿真分析對type-I 型HARQ單獨仿真：仿真設置：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2021/3/922 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ARQ。2021/3/923圖圖3 ARQ 、FEC、type-I HARQ的吞吐量對比的吞