专利名称：缓存大小要求减低的混合自动重复请求重传方法及接收机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通信系统中的混合ARQ重传(retransmission)方法。另外，本发明涉及一种具体实施本发明方法的接收机。
背景技术：
在具有不可靠和时变信道条件的通信系统中使用了一种常用技术，该技术基于自动重复请求(ARQ)方案以及前向纠错(FEC)技术来检测和纠正错误，称为混合ARQ(HARQ)。如果通过一个通常使用的循环冗余校验(CRC)在分组内部检测到错误，那么通信系统的接收机会请求发射机发送附加信息(数据分组重传)，以便提高正确解码错误分组的概率。
分组在传输之前将会以FEC编码。根据重传内容以及比特与先前传输信息的结合方式，S.Kallel在1990年8月《IEEE通讯学报》(IEEE Transactionson Communications)第38卷第8号发表的《具有编码组合的一种混合ARQ方案的分析》(“Analysis of a type II hybrid ARQ scheme with codecombining”)以及S.Kallel、R.Link、S.Bakhtiyari在1999年5月《IEEE车辆技术学报》(IEEE Transactions on Vehicular Technology)第48卷第3号发表的《存储器ARQ方案的吞吐量性能》(“Throughput Performance of MemoryARQ schemes”)的文献中，定义了三种不同类型的ARQ方案类型I不丢弃错误的接收分组，而同一分组的一个新复制品被重传和单独解码。分组的先前接收版本与以后接收版本没有结合。
类型II不丢弃一个或多个错误的接收分组，而是将其与附加重传结合，以便进行后续解码。重传分组有时具有更高的编码速率(编码增益)，并且在接收机上与来源于先前一次或多次传输的已存储的软信息相结合。
类型III与类型II相同，但是带有限制，即每个重传分组此时都是可自解码的。这意味着发送分组在不与先前发送分组结合的情况下是可解码的。如果一些发送分组以这样一种方式损坏，即几乎没有信息能被重新使用，那么这将是有用的。
本发明涉及类型II和类型III的方案，其中，接收到的(重新)传输被组合。显然，HARQ类型II和III的方案更智能化并且相对于类型I显示出性能上的提高，因为它们提供了可能以重新使用来源于先前接收的错误的发送分组的信息。基本上，现有三种重新使用先前发送分组信息的方案■软组合■码组合■软组合和码组合相结合软组合使用软组合，重传分组携带与先前接收信息相同或部分相同的信息。在这种情况下，多个接收分组在逐码元或是逐位的基础上被组合，正如D.Chase在1985年5月发表于《IEEE通讯学报为(IEEE Trans.Commun.)的COM-33卷385-393页的《组合任意数量噪声分组的一种最大可能编码方法》(“Amaximum likelihood decoding approach for combining an arbitrary number ofnoisy packets”)以及B.A.Harvey和S.Wicker在1994年4月发表于《IEEE通讯学报》(IEEE Transactions on Communications)第42卷2/3/4号的《基于Viterbi解码器的分组组合系统》(“Packet Combining Systems based on theViterbi Decoder”)中所公开的那样。
在使用码元级组合的情形，重传分组要携带与先前发送的错误分组相同的调制码元。在这种情况下，多个接收分组在调制码元级组合。一种常用技术是多个接收码元的最大比值组合(maximum ratio combining，MRC)，也被称作平均分集组合(average diversity combining，ADC)，其中在N次传输之后，匹配码元的总值/平均值被缓存。
在使用比特级组合的情形，重传分组要携带与先前传送的错误分组相同的比特。在这里，多个接收分组在解调后在比特级组合。该比特可以采用与同一分组先前传输所用方式相同或是不同的方式映射到调制码元。在该映射方式与先前传输相同的情形，也可以应用码元级组合。一种常用的组合技术是计算出的对数似然比(log-likelihood ratio，LLR)相加，尤其是在把所谓的Turbo码(Turbo Codes)用于FEC的情况中，这可以通过以下文献了解，例如C.Berrou、A.Glavieux和P.Thitimajshima在1993年5月发表于瑞士日内瓦的《国际计算中心1993年会议文集》(Proc.ICC′93，Geneva，Switzerland)第1064-1070页的《趋近仙农极限纠错编码和解码Turbo码》(“Near ShannonLimit Error-Correcting Coding and DecodingTurbo Codes”)，S.Le Goff、A.Glavieux、C.Berrou在1994年发表于《IEEE超级计算/国际计算中心1994年会议文集》(“IEEE SUPERCOMM/ICC′94”)第2卷第645-649页的《Turbo码和高频谱效率调制》(“Turbo-Codes and High Spectral Efficiency Modulation”)以及2001年由Pearson Education Prentice Hall出版的ISBN号为0-201-39857-5的A.Burr的《无线通信的调制和编码》(Modulation and Coding for WirelessCommunications)。在这里，在N次传输后，匹配位的LLR总和被缓存。
对两种所述的软组合技术，从解码器的角度来看，所有传输将使用相同的FEC方案(最好具有恒定编码速率)。因此，解码器不必了解进行了多少次传输。它只看组合的软信息。在这个方案中，所有发送分组都要携带相同数量的码元或比特。
码组合码组合是将接收到的分组连接起来，以便产生一个新的代码字(提高传输数量以降低编码速率)。因此，解码器要知道每个传输时刻应用的FEC方案。相对于软组合来说，码组合提供了更高的灵活性，因为重传分组的长度可以改变以适应信道条件。但相对于软组合来说，这需要更多的信令数据传输。
软组合和码组合相结合如果重传分组携带一些与先前发送码元/比特相同的码元/比特，并且携带一些与先前不同的码-码元/比特，那么相同的码-码元/比特使用软组合来组合，而剩余的码-码元/比特使用码组合来组合。这里，信令需求与码组合相似。
图1显示了具有给定比特映射顺序i1q1i2q2的一个格雷(Gray)编码信号的信号空间图(constellation)，根据图1，一个信号空间图被应用于一个16QAM调制方案，在分组的第一次传输中，映射到码元上的比特在平均可靠性上相互差别很大。更详细地说，比特i1和q1具有高的平均可靠性，因为这些比特被映射到信号空间图的一半空间，结果，它们的可靠性与该比特传送1还是0无关。
与之相反，比特i2和q2具有低的平均可靠性，因为它们的可靠性取决于它们传送的是1还是0。例如，对比特i2来说，1被映射到外围的列，而0被映射到里面的列。与之相似，对比特q2来说，1被映射到外围的行，而0被映射到里面的行。
多个接收分组的组合要求缓存来自先前接收分组的信息。根据可能的组合方法、调制方案和分组大小，每个分组的缓存要求相差很大。总的缓存大小要求还依赖于更高层的ARQ协议，通常是每个分组有多种缓存大小的要求。为了简化起见，这部分只描述纯粹的软组合。这同样可应用于软组合和码组合相结合情形的软组合缓存部分。
在码元级组合的情况中，要根据已接收的调制码元保存软信息(复数值)。这导致一个每分组的缓存大小要求BSC，它可以如下近似计算BSC=2NbSlog2(M)+bK---(1)]]>其中N每分组的编码位数log2(M) 映射在一个调制码元上的编码位数2bS位深度代表缓存中一个调制码元的位数(I-部分和Q-部分)bK位深度代表所有分组接收的功率(所有信噪比)总和的位数；其中K是一个用于信道质量的可选被保存的度量。如果它未被保存，那么bK＝0。
在比特级组合的情况中，要保存比特的软信息。这导致一个每分组的缓存大小要求BBC，它与映射到一个调制码元的编码位数无关BBC＝NbB(2)其中N 每分组的编码位数bB位深度代表缓存中一个软信息(如LLR)的位数码元组合和比特组合的缓存大小要求之比可以使用下式计算
通常，位深度比bB/bS介于2/3和1之间，这使得码元级组合要求的缓存由于log2(M)＞2而小于比特级组合。在两种组合方法的性能相等或近似相等的情况下，因为复杂性原因，那么，对于更高阶的调制方案(log2(M)＞2)，在接收机上通常首选码元级组合。
如在先前部分所述，在高阶调制中，码元级软组合在接收机上的每分组缓存大小要求低于比特级组合。这导致码元级组合在大多数情况下比比特级组合更好。然而，在接收机设计、实现效率和缓存管理方面，实施比特级组合将是有利的，尤其是如果FEC解码器工作在比特级时(如Turbo解码器)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混合ARQ重传方法和一种缓存大小要求较低的相应的接收机，以便进行HARQ比特级组合。
上述目的是通过权利要求1所定义的一种混合ARQ重传方法来实现的。该重传方法的优选实施例定义于各相关权利要求。此外，该目的还通过权利要求11所陈述的一种相应的接收机来实现。
相对于所有位的软信息都要缓存的比特级组合方法的现有技术，根据本发明，该重传方法只需要缓存最高有效位MSB的软信息，这显著降低了缓存大小要求。相对于码元级组合，比特级组合的优势，在接收机设计、实现、效率和缓存管理方面保持相同，或者甚至降低了缓存大小要求。
通过参考附图所进行的以下详细描述，将更容易理解本发明，附图显示图1用于16-QAM的一个格雷编码信号空间图；图2用于64-QAM的一个格雷编码信号空间图；以及图3使用本发明的一个通信系统的一个接收机的相关部分。
具体实施例方式
参考图3对涉及本发明主题的通信接收机的那些部分进行描述。
解调器100接收通信系统发射机发送的复数调制码元S。对第一次传输，为所有调制码元计算LLR(MSB和LSB)。
根据一个自动重复请求方案，接收机请求发射机另外发送错误的接收数据分组。对每个已接收调制码元S，在对数似然比(LLR)的优选实施例中，软信息在一个相应的计算器150被计算，该计算是为高可靠的最高有效位(MSB)关于实数部分(I-部分)和虚数部分(Q-部分)而进行的，该信息随后被存入缓存器160。
在后续的组合器170中，实际接收的数据分组的LLR与保存在缓存器160中的先前接收的数据分组的LLR组合，用于每个匹配的调制码元。从这个组合的软信息(考虑了所有接收到的传输)，直到最低有效位(LSB)的剩余位的LLR在一个LLR计算器180中被计算，并与MSB计算器150的LLR一起被输入解码器200。解码器将其信息位输出至一个检错器300，以便检测错误并尽可能纠正错误。该解码器最好使用接收到的软信息来应用一个前向纠错方案。这种解码器的实现如以下文献所述C.Heergard和S.B.Wicker的《Turbo编码》(“Turbo Coding”)，该书在1999年由Kluwer AcademicPublishers出版，ISBN号为0-7923-8378-8，或者F.Xiong的在2000年由ArtechHouse Publishers出版、ISBN号为0-89006-970-8的《数字调制技术》(“DigitalModulation Techniques”)。
对本领域技术人员来说，上述所有部件的详细实施都是已知的。因此，为了简明起见，详细描述已被省略。
上文提出的接收机设计，其优点在于因为只保存MSB，所以显著降低了缓存要求。由于HARQ信息在比特级上被缓存，而FEC解码器也优选工作在比特级，因而降低了接收机复杂性并且允许更容易的计算和缓存管理。
接下来将更详细地描述本发明的方法，包括作为接收机上的软信息的线性近似LLR。
LLR计算的线性近似(单个传输)在描述如何计算多次传输之后的LLR的规则之前，首先给出单传输情况的LLR近似。该计算是为16-QAM和64-QAM执行的，但是可以很容易地扩展到更高阶的M-QAM方案。用于信号空间点坐标(xi，yi)和LLR计算时考虑的格雷码映射的指标依据图1和图2。为了简化，以下只对i-位进行描述。q-位的过程类似，其中Re{r}要换为Im{r}，xi要换为yi。
MSB近似-i1(q1)MSB的LLR如下近似LLR(i1)=P(i1=1|r)P(i1=0|r)≈-4A1Kx0Re{r}---(4)]]>其中K=10ES/N010:]]>K代表一个对信道质量的度量A1∈修正因子(优选地A1＝1)r接收到(经过均衡)的调制码元K最好如上所示计算，其中Es/No表示信道的信噪比。近似-i2(q2)i2(q2)的LLR可如下近似(在16-QAM的情况下，i2和q2是LSB)LLR(i2)=P(i2=1|r)P(i2=0|r)≈2A2K(xm+1-xm)|Re{r}|+A3K(xm2-xm+12)---(5)]]>结合上述等式LLR(i2)可以表述为LLR(i1)的一个函数LLR(i2)≈A2(xm+1-xm)2A1x0|LLR(i1)|+A3K(xm2-xm+12)---(6)]]>其中m=M4-1]]>K=10ES/N010]]>A2∈修正因子(优选地A2＝1)A3∈修正因子(优选地A3＝1)r接收到(经过均衡)的调制码元在信号空间点间隔相同(x1＝3x0)的情况下，式(6)一般简化为LLR(i2)≈A2A1|LLR(i1)|+A3K(xm2-xm+12)---(7)]]>近似-i3(q3)在64-QAM的情况，i3(q3)的LLR可如下近似(那么，i3和q3是LSB)LLR(i3)=P(i3=1|r)P(i3=0|r)]]> 结合式(6)，LLR(i3)可以被表述为LLR(i1)的一个函数 (9)其中m=M8-1]]>l=M2-1-m]]>K=10ES/N010]]>A4∈修正因子(优选地A4＝1)A5∈修正因子(优选地A5＝1)A6∈修正因子(优选地A6＝1)A7∈修正因子(优选地A7＝1)r接收到(经过均衡)的调制码元在信号空间点间隔相同的情况下，用于64-QAM的式(9)简化为LLR(i3)≈|A4A1|LLR(i1)|-16Kx02|-8A5Kx02---(10)]]>N次传输后的LLR计算N次传输后的LLR计算只对i-位进行说明。q-位的过程类似，其中Re{r(n)}要换为Im{r(n)}，xi要换为yi，n指第n次传输。MSB计算-i1(q1)根据式(4)，第n次传输后的i1(q1)的总的LLR可以计算为从n次传输计算出的所有LLR的总和。这在接收机中生成一个和，是由当前接收的第n次传输的计算出的LLR与先前接收的多个传输的LLR的缓存的总和组成 其中LLRtot(n-1)(i1)≈Σp=1n-1LLR(p)(i1):]]>接收机上的缓存信息(LLR)K(n)=10(ES/N0)(n)10]]>A1∈修正因子(优选地A1＝1)r(n)第n次传输接收到(经过均衡)的调制码元计算-i2(q2)根据上述等式，第n次传输后i2(q2)的总的LLR可表示为总的LLR i1(q1)的一个函数 其中m=M4-1]]>Ktot(n)=Σp=1nK(p)]]>A2∈ 修正因子(优选地A2＝1)A3∈ 修正因子(优选地A3＝1)
在信号空间点间隔相同的情况下，式(12)一般简化为LLRtot(n)(i2)≈A2A1|LLRtot(n)(i1)|+A3(xm2-xm+12)Ktot(n)---(13)]]>计算-i3(q3)类似i2(q2)的总的LLR，第n次传输后的i3(q3)的总的LLR可使用式(4)、(8)和(9)来计算，如下表示 其中m=M8-1]]>l=M2-1-m]]>Ktot(n)=Σp=1nK(p)]]>A4∈修正因子(优选地A4＝1)A5∈修正因子(优选地A5＝1)A6∈修正因子(优选地A6＝1)A7∈修正因子(优选地A7＝1)在信号空间点间隔相同的情况下，用于64-QAM的式(14)简化为LLRtot(n)(i3)≈|A4A1|LLRtot(n)(i1)|-16Ktot(n)x02|-8A5Ktot(n)x02---(15)]]>如前述，只须保存每个调制码元中MSB(I-部分和Q-部分)的LLR以及所有分组的全部接收功率总和。对所提出的方法，这引出以下关于缓存大小BPM的等式BPM=2NbBlog2(M)+bK---(16)]]>其中M M-QAMN 每分组的编码位数bB代表缓存中一个软信息(如LLR)的位深度bK代表所有分组接收到的功率的总和的位深度如上所述，要求的缓存大小和码元级组合的缓存大小之比，对任何M-QAM方案服从BPMBSC=2NbBlog2(M)+bK2NbSlog2(M)+bK=2NbB+bKlog2(M)2NbS+bKlog2(M)---(17)]]>如果N(每个分组的位数)足够大，那么式(17)近似为BPMBSC≈bBbS---(18)]]>如果假定为缓存一个LLR所要求的位深度bB小于缓存复数调制码元一部分的位深度bS，那么与码元级缓存相比，缓存大小可以被减少(如，对于bB＝6和bS＝8，可以减少25％)。
本发明的方法所要求的缓存大小和传统的比特级组合的缓存大小之比服从BPMBBC=2NbBlog2(M)+bKNbB=2log2(M)+bKNbB---(19)]]>如果N(每个分组的位数)足够大，那么式(19)近似为BPMBBC≈2log2(M)---(20)]]>与传统的比特级组合相比，这对应于缓存大小的减少，如表1所示
表1如上所示，本发明的方法在计算复杂性和缓存管理方面具有优势。使用所提出的比特级组合方法，其性能近似于码元级组合方法。在将这里描述的线性近似LLR用于所提出的比特组合并在码元组合后也使用线性近似LLR的情况下，性能完全相同。
技术人员可以直接发现，不同于上述16-QAM和64-QAM，其他任何对于log2(M)＞1的格雷码映射的M-QAM或M-PAM(脉冲幅度调制)都适用于本发明的方法，并且由此可得到相应等式。如前述，本发明的方法还应用于HARQ方案，该方案使用先前发送码元的子集的重传。所得到的对LLR和缓存大小的计算对重传和组合的码元也是有效的。
结合本发明使用的软信息可能是任何软度量，它描述一个关于相应位是1还是0的概率的度量(最好是对数的)。上述软信息是对数似然比。然而，软信息也可能是作为线性等式从接收的调制码元的I和Q成分计算的该相应位的一个软度量。
上述组合步骤可能是LLR或软信息的一个简单相加，其中对剩余位的相应计算可简单表示为如下形式的一个线性函数LLRXSB＝a.LLRMSB+b或LLRXSB＝a·|LLRMSB|+b其中该函数可能分几部分来定义。
本发明不限于上述实施例，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种变形和修改。
权利要求
1.一个通信系统中的混合自动重复请求(ARQ)重传方法，其中数据分组包括相同或部分相同的在传输前用一种前向纠错(FEC)技术编码的调制码元，所述数据分组根据一个重复请求而被重传，并且随后在输入到FEC解码器中的软信息值的基础上进行比特级组合，该重传方法包括步骤计算和缓存每个(重新)发送的数据分组的最高有效位(MSB)的软信息值，对匹配的调制码元，将所述MSB的当前软信息值与缓存的至少一个先前接收的发送分组的软信息值组合，并且从所述MSB的组合的软信息值为至少一些剩余位(XSB)计算软信息。
2.如权利要求1所述的重传方法，其中所述软信息值是一个相应位是1还是0的概率的对数度量。
3.如权利要求1所述的重传方法，其中所述软信息值是一个对数似然比(LLR)。
4.如权利要求1所述的重传方法，其中所述软信息值是一个相应位的软度量，该软度量是作为线性等式从接收的调制码元的至少一个I和Q成分计算的。
5.如权利要求1所述的重传方法，其中所述组合步骤包括所述各软信息值的一个加法。
6.如权利要求3所述的重传方法，其中计算剩余位(XSB)的步骤包括应用一个线性函数LLRXSB＝a·LLRMSB+b或LLRXSB＝a·|LLRMSB|+b其中该函数可能定义为几部分。
7.如权利要求1所述的重传方法，其中调制方案是使用格雷码映射的M-QAM(log2(M)＞2)。
8.如权利要求1所述的重传方法，其中调制方案是使用格雷码映射的M-PAM(log2(M)＞1)。
9.如权利要求1所述的重传方法，还包括步骤缓存一个关于信道质量的度量，最好是所有传输的估计和/或用信令通知的一个信噪比Es/No的和。
10.如权利要求1所述的方法，其中直到最低有效位(LSB)的原来的剩余位是从所述组合的软信息值计算的。
11.用于一个通信系统中的混合ARQ重传方法的一种接收机，包括解调器，用于接收包含相同或者部分相同调制码元的数据分组，计算器，用于计算每个(重新)发送的数据分组的最高有效位(MSB)的软信息值，缓存器，用于保存计算出的软信息值，组合器，用于将所述各MSB的当前软信息值与缓存的至少一个先前接收的数据分组的软信息值组合，以及计算器，用于从所述各MSB的组合的软信息值为至少一些剩余位(XSB)计算软信息值。
12.如权利要求11所述的一个接收机，其中软信息值计算器是一个对数似然比(LLR)计算器。
13.如权利要求11所述的接收机，还包括一个解码器，用于从所述计算器和所述剩余位(XSB)的计算器接收软信息值。
全文摘要
一个通信系统中的混合ARQ重传方法，其中数据分组包括相同或部分相同的在传输前用一种前向纠错(FEC)技术编码的调制码元，该数据分组根据一个重复请求而被重传，并且随后在软信息值的基础上进行比特级组合。对输入FEC解码器中的软信息值的计算包括步骤计算和缓存每个(重新)发送的数据分组的最高有效位(MSB)的软信息值；对匹配的调制码元，将所述各MSB的当前软信息值与缓存的至少一个先前接收的发送分组的软信息值组合；并且从所述各MSB的组合的软信息值为至少一些剩余位(XSB)计算软信息。
文档编号H04L1/20GK1440153SQ0312179
公开日2003年9月3日 申请日期2003年2月15日 优先权日2002年2月15日
发明者克里斯琴·温格特, 亚历山大·戈利奇克埃德勒冯艾尔布沃特 申请人:松下电器产业株式会社