HARQ技術(shù)簡(jiǎn)介PPT課件

1、2021/3/91HARQ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(xué)號(hào)：學(xué)號(hào)：1401120376n 席敏燕席敏燕 學(xué)號(hào)：學(xué)號(hào)：1401120365n 韓芮雨韓芮雨 學(xué)號(hào)學(xué)號(hào): 1401120359n 2021/3/921、差錯(cuò)控制技術(shù)簡(jiǎn)介、差錯(cuò)控制技術(shù)簡(jiǎn)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2021/3/93 在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，信道存在噪聲，信道傳輸特性不理想，以及無(wú)線通信中的多徑衰落等因素都會(huì)導(dǎo)致接收到的數(shù)據(jù)產(chǎn)生差錯(cuò)。在通信系統(tǒng)中，當(dāng)實(shí)際信道的誤碼率達(dá)不到用戶(hù)要求時(shí)，通常采用差錯(cuò)控制編碼（信道編碼）的方式來(lái)降低

2、系統(tǒng)的誤碼率。2021/3/94 差錯(cuò)控制編碼思想差錯(cuò)控制編碼思想： 它是將良好結(jié)構(gòu)的冗余信息，人為的注入到數(shù)字信號(hào)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(lái)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(guò)信道譯碼來(lái)校驗(yàn)識(shí)別，進(jìn)而糾正差錯(cuò)。差錯(cuò)控制技術(shù)的核心是差錯(cuò)控制編碼。差錯(cuò)控制技術(shù)的核心是差錯(cuò)控制編碼。 差錯(cuò)控制技術(shù)簡(jiǎn)介差錯(cuò)控制技術(shù)簡(jiǎn)介2021/3/95 差錯(cuò)控制編碼的種類(lèi)有很多，大體上分為2種：檢錯(cuò)碼和糾錯(cuò)碼。 檢錯(cuò)碼是在接收端根據(jù)監(jiān)督關(guān)系進(jìn)行檢查，并發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。糾錯(cuò)碼是在接收端除發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤外，還能進(jìn)行自動(dòng)糾正錯(cuò)誤。 常見(jiàn)的檢錯(cuò)碼：恒比碼、奇偶校

3、驗(yàn)碼，CRC碼。在糾錯(cuò)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(cuò)控制技術(shù)簡(jiǎn)介差錯(cuò)控制技術(shù)簡(jiǎn)介2021/3/96差錯(cuò)控制技術(shù)簡(jiǎn)介差錯(cuò)控制技術(shù)簡(jiǎn)介常見(jiàn)的差錯(cuò)控制方式：常見(jiàn)的差錯(cuò)控制方式： 1. ARQ（自動(dòng)請(qǐng)求重傳） 2.FEC(前向糾錯(cuò)） 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(shí)輸出正確時(shí)輸出停等停等ARQ協(xié)議：協(xié)議：發(fā)送端每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包就暫時(shí)停下來(lái)，等待接收端的確認(rèn)信息。接收正確返回ACK信號(hào)，發(fā)端發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)包；若有錯(cuò)誤則返回不確認(rèn)（NACK）信號(hào)，發(fā)端重發(fā)該數(shù)據(jù)包。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，信

4、令開(kāi)銷(xiāo)小，收端的緩存容量低。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：等待確認(rèn)信號(hào)的過(guò)程中，發(fā)端不發(fā)送數(shù)據(jù)，導(dǎo)致信道利用率不高，系統(tǒng)的吞吐量較低。信源信源檢錯(cuò)編碼和檢錯(cuò)編碼和緩沖存儲(chǔ)緩沖存儲(chǔ)雙雙向向信信道道重發(fā)機(jī)制重發(fā)機(jī)制檢錯(cuò)譯碼檢錯(cuò)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(cuò)誤時(shí)刪除錯(cuò)誤時(shí)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(cuò)控制技術(shù)簡(jiǎn)介2021/3/98差錯(cuò)控制技術(shù)簡(jiǎn)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(gè)數(shù)據(jù)分組后，并不停下來(lái)等待確認(rèn)信息，而是連續(xù)發(fā)送若干個(gè)數(shù)據(jù)分組。接收端將每個(gè)數(shù)據(jù)包相應(yīng)的接收端將每個(gè)數(shù)據(jù)包相應(yīng)的ACK或或 NACK信息反饋回發(fā)送端，同時(shí)發(fā)送回信息反饋回發(fā)送端，同時(shí)發(fā)

5、送回的還有數(shù)據(jù)包分組號(hào)的還有數(shù)據(jù)包分組號(hào)。當(dāng)接收到一個(gè)NACK信號(hào)時(shí)，發(fā)送端就重新發(fā)送包括錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的N 個(gè)數(shù)據(jù)包。接收端只需按序接收數(shù)據(jù)包，在接收到錯(cuò)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(rèn)信息。2021/3/99退后退后N步步ARQ協(xié)議：協(xié)議：優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)缺點(diǎn)：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(kāi)銷(xiāo)2.由于收端僅按序接收數(shù)據(jù)，那么在重傳時(shí)又必須把原來(lái)已正確傳送過(guò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行重傳，使信道利用率降低。差錯(cuò)控制技術(shù)簡(jiǎn)介吞吐量是指對(duì)網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、接口、虛電路吞吐量是指對(duì)網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、接口、虛電路或其它設(shè)施，單位時(shí)間內(nèi)成功地傳送數(shù)或其它設(shè)施，

6、單位時(shí)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(cè)量據(jù)的數(shù)量（以比特、字節(jié)、分組等測(cè)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(cuò)的數(shù)據(jù)包，但是此時(shí)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(dāng)容量的緩存空間來(lái)存儲(chǔ)已經(jīng)成功譯碼但還沒(méi)能按序輸出的分組。同時(shí)，在收端在組合數(shù)據(jù)包前必須知道序列號(hào)，因此，序列號(hào)要和數(shù)據(jù)分別編碼。差錯(cuò)控制技術(shù)簡(jiǎn)介對(duì)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(chǔ)空間和信令開(kāi)銷(xiāo)也最大。2021/3/911FEC（前向糾錯(cuò)）（前向糾錯(cuò)） 前向糾錯(cuò)簡(jiǎn)稱(chēng)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(cuò)碼的冗余糾錯(cuò)碼一并發(fā)送，接收方則根據(jù)糾錯(cuò)碼對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)，如發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)，由接收方進(jìn)行糾正。 特點(diǎn)：能進(jìn)行簡(jiǎn)單的糾錯(cuò)，但是使用糾錯(cuò)碼（糾錯(cuò)碼編碼效率低且設(shè)備復(fù)雜）、單向信道、發(fā)送方無(wú)需設(shè)置緩沖器。差錯(cuò)控制技術(shù)簡(jiǎn)介2021/3/912 ARQ優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1.使用的檢錯(cuò)碼與信道差錯(cuò)統(tǒng)計(jì)特性無(wú)關(guān)，具有自適應(yīng)性。2. ARQ的檢錯(cuò)譯碼器比FEC簡(jiǎn)單。 ARQ缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1.需要雙向信道 2.干擾很大時(shí)，整個(gè)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(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1.能進(jìn)行簡(jiǎn)單的糾錯(cuò) 2.發(fā)送方無(wú)需設(shè)置緩沖器 3.不需要反向信道 FEC缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1.糾錯(cuò)碼編碼效率低

8、2.糾錯(cuò)設(shè)備復(fù)雜差錯(cuò)控制技術(shù)簡(jiǎn)介ARQ與與FEC技術(shù)對(duì)比：技術(shù)對(duì)比：2021/3/913HARQ定義及過(guò)程 在無(wú)線通信蓬勃發(fā)展的今天，人們對(duì)于信息傳輸?shù)囊笤絹?lái)越高，其中，高速和準(zhǔn)確是用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?個(gè)基本要求。近幾年，為了解決無(wú)線通信可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題，人們提出了HARQ技術(shù)。HARQ(混合自動(dòng)重傳請(qǐng)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(cuò)誤糾正，而ARQ可以彌補(bǔ)FEC不能糾正的錯(cuò)誤從而達(dá)到較低的誤碼率。定義定義：分類(lèi)分類(lèi)1：根據(jù)HARQ中前向糾錯(cuò)碼在接收端的合并方式，可分為三類(lèi)：type-I HARQ 、type-II HARQ、type-III HARQ

9、。2021/3/914HARQ定義及過(guò)程第一類(lèi)第一類(lèi)HARQ：又稱(chēng)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(yàn)），并用FEC編碼。在接收端先進(jìn)行FEC糾錯(cuò)，然后用CRC校驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。如果出錯(cuò)，則丟掉該數(shù)據(jù)包，否則發(fā)送NACK信號(hào)，接收端重發(fā)原來(lái)的編碼數(shù)據(jù)包。特點(diǎn)：特點(diǎn)：第一類(lèi)HARQ在接收端不進(jìn)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(kāi)銷(xiāo)小，解碼簡(jiǎn)單。對(duì)傳錯(cuò)的數(shù)據(jù)幀只是單純的丟棄，沒(méi)能充分利用其中的有用信息。2021/3/915HARQ定義及過(guò)程第二類(lèi)第二類(lèi)HARQ：又稱(chēng)為完全增量冗余（IR）的重傳機(jī)制。這種機(jī)制下，錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包不會(huì)被丟棄，而是在接收端先緩存起來(lái)

10、，與重傳的數(shù)據(jù)包進(jìn)行合并之后再進(jìn)行解碼。2021/3/916相比第一類(lèi)HARQ，實(shí)現(xiàn)第二類(lèi)HARQ需要更多的存儲(chǔ)器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但對(duì)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(gè)編碼速率的碼字，而是根據(jù)前一次解碼的結(jié)果來(lái)決定下一次發(fā)送碼字的碼率。若是沒(méi)能正確解碼，接收端給發(fā)送端回復(fù)一個(gè)NACK信號(hào)，發(fā)送端自動(dòng)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(dāng)前信道的情況。在接收端將原來(lái)的信號(hào)和重傳信號(hào)合并，合并后的信號(hào)的信噪比將會(huì)比第一次收到的信號(hào)信噪比高，具有更強(qiáng)的糾錯(cuò)能力。第二類(lèi)第二類(lèi)HARQ特點(diǎn)：特點(diǎn)：HARQ定義及過(guò)程2021/3

11、/917HARQ定義及過(guò)程第三類(lèi)第三類(lèi)HARQ： 是完全增量冗余重傳機(jī)制(IR)的改進(jìn)。在該機(jī)制中，每次的重傳是可以自行解碼的，這一點(diǎn)與第二類(lèi)HARQ不同。對(duì)于每次發(fā)送的數(shù)據(jù)包采用互不刪除方式，各個(gè)數(shù)據(jù)包既可以單獨(dú)譯碼，也可以合成一個(gè)具有更大冗余信息的編碼包進(jìn)行合并譯碼。 2021/3/918HARQ定義及過(guò)程分類(lèi)分類(lèi)2： 按照重傳發(fā)生的時(shí)刻來(lái)區(qū)分，可以分為同步HARQ和異步HARQ兩類(lèi)。 同步HARQ是指一個(gè)HARQ進(jìn)程的傳輸發(fā)生在固定的時(shí)刻，由于接收端預(yù)先已知傳輸?shù)陌l(fā)生時(shí)刻，因而不需要額外的信令開(kāi)銷(xiāo)來(lái)表示HARQ進(jìn)程的序號(hào)。此時(shí)，HARQ進(jìn)程的序號(hào)可以從子幀號(hào)獲得。 異步HARQ是指一個(gè)進(jìn)

12、程的傳輸可以發(fā)生在任何時(shí)刻，接收端預(yù)先不知道傳輸?shù)陌l(fā)生時(shí)刻，因此HARQ進(jìn)程的處理序號(hào)需要連同數(shù)據(jù)一起發(fā)送。2021/3/919HARQ定義及過(guò)程分類(lèi)分類(lèi)3： 根據(jù)重傳時(shí)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(zhǎng)度、傳輸?shù)某掷m(xù)時(shí)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(shí)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(shí)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(duì)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)摹?021/3/920LTE 中的HA

13、RQHARQ是3G LTE中的關(guān)鍵技術(shù)之一。LTE中采用的HARQ是基于N個(gè)進(jìn)程并行的停等式ARQ，即發(fā)送端在信道上并行的運(yùn)行N套停等協(xié)議，利用不同信道間的間隙來(lái)交錯(cuò)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?yàn)楫惒紿ARQ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(shí)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(yīng)HARQ技術(shù)。因?yàn)橥紿ARQ所需的信令開(kāi)銷(xiāo)更小。而且上行鏈路更復(fù)雜，來(lái)自其他小區(qū)用戶(hù)的干擾是不確定的，因此基站無(wú)法準(zhǔn)確估測(cè)出各個(gè)

14、用戶(hù)的實(shí)際信干比，而自適應(yīng)技術(shù)基于對(duì)信道條件的精確估計(jì)，所以上行鏈路采用的是非自適應(yīng)HARQ技術(shù)。2021/3/921HARQHARQ技術(shù)仿真分析技術(shù)仿真分析對(duì)type-I 型HARQ單獨(dú)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(shì)，后2種下降更快，且曲線趨于吻合。 Eb/N0很小時(shí)（10dB時(shí)，HARQ誤碼率趨于穩(wěn)定，遠(yuǎn)小于ARQ的誤碼率。原因：信道狀態(tài)較好，糾錯(cuò)能力大大提升?？傮w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(duì)比的吞