卫星移动通信中强制重传的混合harq自适应调节方法
【专利摘要】本发明涉及一种卫星移动通信中强制重传的混合HARQ自适应调节方法，其步骤包括：1）配置卫星移动通信系统中最大的重传次数为N，强制重传次数X，强制重传的时间间隔Tx；2）发送端每隔Tx时间间隔进行一次强制重传且次数共为X，接收端在接收到第X次重传的数据包后根据数据包是否译码正确发送ACK或NACK信号；3）所述发送端根据所述接收端发送的ACK/或NACK信号决定发送新的数据包或者进行重传；4）当达到最大重传次数N时停止重传完成自适应调节，并继续发送下一个新的数据包。本发明提出的自适应调节方法可减少数据包在接收缓存中的等待时延、减少接收缓存大小、有效平衡系统可靠性和有效性。
【专利说明】卫星移动通信中强制重传的混合HARQ自适应调节方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及卫星移动通信系统，尤其涉及一种卫星系统的混合自动重传请求机制。属于卫星通信【技术领域】。
【背景技术】
[0002]地面蜂窝移动通信系统经历了 GSM，WCDMA, TD-SCDMA等实用通信标准之后，已经由2G时代大步向4G时代迈进，已经有LTE、LTE-Advance等标准。其演进升级主要是为了解决系统容量不足的问题，提高服务质量。
[0003]卫星移动通信系统使用卫星作为转发中继，能够为大跨度，大范围的用户提供远距离漫游和灵活的移动通信服务的系统。其在山区，海洋，飞机等地面蜂窝通信系统较难覆盖到的通信场景下具有独特的优势，是地面蜂窝移动通信系统必要的扩展和有利的补充。卫星移动通信系统可以支持寻呼，语音，数据等多种业务形式。服务范围可以是一个国家，一个区域，甚至是全球范围的无缝覆盖。是地面移动通信系统容量不足问题的重要解决方案。
[0004]如图1所示，卫星通信系统主要包含地面站，其基本作用是向卫星发射信号，同时接收由其它地面站经卫星转发来的信号，主要承担控制中心以及连接公共电话交换网和终端用户的功能；一颗或多颗通信卫星，按轨道分可以为静止轨道卫星(GEO)，中轨道卫星(ME0)，低轨道卫星(LE0)，可以承担放大，转发，或中间处理的功能；终端用户，可以是手持终端，也可以是汽车，飞机，船只上面配备的移动终端。其中GEO卫星由于相对地面静止，应用于移动通信领域具有更大的优势。在ITU-2176建议书(Iteport ITU-RM.2176-1, “Vision and Requirements for the Satellite Radio Interface (S) OfIMT-Advanced", Sep.2012)中已给出基于GEO卫星的卫星移动通信系统与地面蜂窝移动通信系统的接口细则，利用GEO卫星进行移动通信具有很大的优势。在GEO卫星移动通信系统中，终端与地面站之间的典型传输模式是双跳模式，典型往返传输时延是540ms。
[0005]在地面移动通信系统中，由于无线信道的随机特性，数据传输存在错误，除了使用纠错编码等技术进行差错控制外，也可以使用混合自动重传请求(Hybrid AutomaticRepeat reQuest, HARQ)技术来进行差错控制。目前在地面移动通信系统中，如HSDPA、LTE等，已经具有较广泛的应用。在卫星移动通信系统中同样需要HARQ技术进行差错控制。但是由于卫星链路的长时延，使用这种基于反馈重传过程的HARQ技术会导致数据包的较大等待时延。较大的等待时延会造成以下问题:1)影响服务质量，即对数据包时延影响大。尤其对视频等实时或对延迟要求较高的业务影响较大；2)影响接收缓存大小。为了解决使用HARQ技术带来的问题，已经有相关研究工作，并取得了一定成果:
[0006][Rong Hu, Hai Wang, US Patent20100067460Al, “Method for reducing delay ina communication system employing HARQ”Mar.18，2010]公开了一种减少重传等待时延的方法。这种方法通过提前重传获得时延优势，但在确定相关参数时并不灵活，也没有给出提前重传的间隔选择方法。[0007][Eilon Riess, Amir Rubin, Timor Israeli, US Patent20120066562,“Increasinghybrid automatic repeat request (HARQ) throughput”, Mar.15，2012]公开了一种提高使用HARQ技术吞吐量的方法。通过规划接收缓存存储的内容，只记录有错误数据包内容，可以使得数据包更快上传给高层，提高系统吞吐量。但是这种方法会使得数据包上传时的顺序是不连续的，进而给上层排序带来负担。
[0008][Tae Chul Hong, Tae Chul Hong, Kunseok Kang, Do-Seob Ahn, Ho Jin Lee, USPatent20100138713, “Interaction method between ARQ and HARQ for systems withlong roundtrip delay”，Jun.3，2010]公开了一种利用ARQ和HARQ相互辅助的调整发送窗口和等待窗口大小的技术。这种技术可以克服在较大往返传输时延情况下，发送窗口过小影响吞吐的问题，是从发送数据包数量的角度来提高吞吐。但是这个技术并没有考虑对于每个数据包来说，其经历的时延并没有减少，即上述问题并没有解决。
[0009][Mart in Feuersanger., Joachim Lohr, ,Christian ffengerter, USPatent20110047430Al, “Improved HARQ process management”，Feb.24，2011]公开了一种HARQ管理机制。通过将接收端存储空间分为更小的子空间，使得一个HARQ进程可以管理多个数据单元的传输，提高了传输效率，管理效率，以及吞吐量。该技术可以使得后续数据包尽快到达接收端，并被正确存储，但并没有考虑个别数据包多次重传导致的接收缓存占用问题。
[0010]通过调研发现，目前解决卫星领域使用HARQ技术带来的时延较大的问题的相关技术发明较少。现有的技术方案虽各有优势，能够在吞吐、缓存大小等方面带来好处，但大部分都没有对HARQ机制进行细致考虑。对于单个数据包的重传时延减少问题仍需要进一步研究。
【发明内容】
[0011]本发明的主要目的就是解决GEO卫星通信系统中使用HARQ技术时，重传导致的数据包在接收缓存中等待时间过长，进而导致上传不及时，影响通信质量和系统吞吐的问题。
[0012]为了解决上述问题，本发明需要首先对传统HARQ以及强制重传HARQ进行介绍。
[0013]如图2所示是传统HARQ机制示意图，一般意义上的HARQ机制(本发明称为“传统HARQO是指根据反馈的ACK/NACK信号来决定是否进行重传的机制，如果接收到ACK信号，则继续发送新的数据包，如果接收到NACK，则重新发送当前数据包。
[0014]如图3所示是强制重传HARQ示意图，强制重传是指在第一次发送一个数据包之后，经过一定的时间间隔，重新发送这一数据包，而不是等待NACK信号或超时后再重传。
[0015]本发明的目的在于提供一种在GEO卫星移动通信系统中应用HARQ技术实现强制重传的混合HARQ方法。
[0016]在传统HARQ机制中最大重传次数是一个重要参数，即一个数据包允许的重传次数，强制重传次数、强制重传时间间隔是强制重传中的参数。这些参数一般对于单次通信都是事先设置好的。
[0017]解决问题:传统HARQ机制是接收到收端的请求重传信号后再进行重传；强制重传则是强制地使每个数据包重传一定次数；因此在在信道资源的利用上前者优于后者，在时延上后者优于前者。本发明中的技术结合正是想要缓和这两者的矛盾。[0018]在本发明中所克服的技术难点:地面通信中一般使用传统HARQ机制，因为地面的传输时延一般较小；而卫星上则使用强制重传，因为卫星通信中时延很大，对系统的吞吐量影响大。本发明则是针对卫星通信系统，在保证时延的情况下，提高信道资源的利用率。卫星通信上时延过大会严重影响吞吐量，时延问题很突出，因此使用了强制重传保证时延，但是忽略了信道利用率的降低。
[0019]在本发明提出的自适应调节中，主要存在的参数为强制重传次数和强制重传时间间隔。
[0020]强制重传次数:在实际应用时，可以通过统计过去一段时间内的平均重传次数，进而决定具体的强制重传次数。这样可以在信道变化时，及时的做出调整，给出更加适合于信道传输的参数配置
[0021]强制重传时间间隔:在选择强制重传的时间间隔时，需要同时考虑终端移动性导致的小尺度衰落的变化，以及信道大尺度衰落的变化速度。如果终端速度较慢，信道大尺度衰落变化较慢，在整个传输时间内未发生较大变化，那么只需要考虑小尺度衰落的相关时间来决定强制重传的时间间隔。如果终端速度较快，信道大尺度衰落变化较快，在整个传输时间内发生了变化，那么就需要考虑大尺度衰落的状态变化时间来决定强制重传的时间间隔。
[0022]综上所述，本发明提出一种卫星移动通信中强制重传的混合HARQ自适应调节方法，其步骤包括:
[0023]I)配置卫星移动通信系统中最大的重传次数为N，强制重传次数X，强制重传的时间间隔Tx ；
[0024]2)发送端每隔Tx时间间隔进行一次强制重传且次数共为X，接收端在接收到第X次重传的数据包后根据数据包是否译码正确发送ACK或NACK信号；
[0025]3)所述发送端根据所述接收端发送的ACK或NACK信号决定发送新的数据包或者进行重传；
[0026]4)当达到最大重传次数N时停止重传完成自适应调节，并继续发送下一个新的数据包。
[0027]更进一步，根据所述卫星移动通信系统目标误码性能，每次选择MCS调制编码方式时的界限误码性能配置最大重传次数N ;N在较长时间内保持不变。
[0028]更进一步，所述强制重传次数配置方法如下:
[0029]I)根据所述卫星移动通信系统过去一段时间内的误码性能配置强制重传次数X，
[0030]2)根据强制重传次数和被请求重传数据包的次数的总和得到过去一段时间的总重传次数，
[0031]3)根据总重传次数得到平均每个数据包的平均重传次数，配置强制重传次数等于过去一段时间内的平均重传次数。
[0032]更进一步，所述强制重传间隔配置方法如下:
[0033]I)在接收端利用最大比合并的方式对多次重传得到信号进行联合解码，在所述信道保持不变的时间内重传数据包以此得到时间分集增益；
[0034]2)对于终端移动速度较小的慢速移动通信场景，根据时间分集增益和信道的相关时间确定强制重传间隔；[0035]3)对于终端移动速度较大的高速移动通信场景，根据时间分集增益和卫星移动通信信道阴影衰落的状态变化间隔确定强制重传间隔。
[0036]更进一步，当接收端正确接收当前数据包时，发送ACK信令，当接收端不能正确接收当前数据包时，发送NACK信令。
[0037]更进一步，在所述步骤2)中不管是否接收到ACK或NACK信息，都进行强制重传次数X的强制重传。
[0038]更进一步，在所述步骤3)中强制重传是当发送端接收到接收端发送的ACK信令时，不再进行重传，当发送端接收到接收端发送的NACK信令时，进行重传。
[0039]更进一步，所述步骤2)中同一强制重传的时间间隔是一定的，接收端得到了 X个在不同时间发射过来的信号，该些信号为同一个数据包。
[0040]更进一步，若同一个数据包的接收次数不小于强制重传次数，则开始发送ACK或NACK信息。
[0041]更进一步，所述步骤2)中根据X个数据包的联合解码得到的结果进行自校验可以判断出数据包是否正确。
[0042]本发明提供了一种在GEO卫星移动通信系统中应用HARQ技术的方法。和现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0043]I)可减少数据包在接收缓存中的等待时延；
[0044]2)可减少接收缓存大小；
[0045]3)可有效平衡系统可靠性和有效性。
【专利附图】
【附图说明】
[0046]图1是现有技术中卫星通信系统双跳传输示意图；
[0047]图2是传统HARQ示意图；
[0048]图3是固定强制重传HARQ示意图；
[0049]图4是自适应混合HARQ示意图；
[0050]图5是通过本发明的混合HARQ方法与传统HARQ机制以及强制重传的混合HARQ相
[0051]比平均等待时间实际仿真结果。
【具体实施方式】
[0052]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。注意:此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0053]本发明的技术方案是GEO卫星通信系统中混合HARQ方法如下
[0054]I)配置参数，包括系统中最大的重传次数为N，强制重传次数X，强制重传的时间间隔Tx ；
[0055]2)每隔Tx时间间隔进行一次重传。包括数据包第一次被传输在内，共进行X次强制重传；
[0056]3)接收端在接收到第X次重传的数据包之后(对于同一个数据包，接收端得到了 X个在不同时间发射过来的信号，该些信号数据相同)，根据是否译码正确发送ACK或NACK信号；根据X个数据包的联合解码得到的结果进行自校验可以判断出数据包是否错误；
[0057]4)发送端根据接收端发送的ACK或NACK信号决定发送新的数据包还是进行重传。当达到最大重传次数N时，停止重传，继续发送下一个新的数据包。
[0058]上述各步骤的详细方法和过程包括:
[0059]步骤I):在配置最大重传次数时，需考虑系统目标误码性能(目标误码性能即系统想要达到的误码率。例如在LTE标准中，在选择调制编码方式时，给出的门限是误块率不高于10%，而物理层译码的误块率需求是10_3?10_4，所以得到HARQ的最大重传次数是4次)，每次选择调制编码方式(Modulation and Coding Scheme, MCS)时的界限误码性能(在同一个通信系统中，不同的调制解调方式有不同的误码率表现。具体差异原因是在星座图上点之间距离的不同(相同发射功率的情况下)。根据系统的Eb/ΝΟ是可以表示出每种调制方式的误码率。调制阶数越小的MCS误码率一般越小，但速率也越小。选择界限误码性能即是选择满足误码率要求的MCS中阶数最大的)，最大重传次数是系统配置参数，应在较长时间内保持不变；在配置强制重传次数时，需考虑系统过去一段时间内的误码性能，根据过去一段时间的总重传次数，即强制重传的次数和被请求重传数据包的次数的总和，可以得到平均每个数据包的平均重传次数，可配置强制重传次数等于过去一段时间内的平均重传次数；在配置强制重传间隔时，需考虑时间分集增益(多次重传得到的信号在接收端可以利用最大比合并的方式联合解码，可以很大地提高误码率性能。但前提是这几次重传时信道没有太大的变化。时间分集增益即是在信道变化不大的时间内重传数据(即在不同时间多次发送相同的数据)包，在接收端可以利用数据的相关性对这些数据进行联合处理，可以得到误码性能的提高，若是信道在这几次发送中变化，则会改变这几次数据的相关性，从而对后续的处理产生影响，降低性能。
[0060]对于终端移动速度较小的慢速移动通信场景，可根据信道的相关时间确定强制重传间隔，对于终端移动速度较大的高速移动通信场景，可根据卫星移动通信信道阴影衰落的状态变化间隔确定强制重传间隔(具体可参见Sesia S., Caire G.,VivierG.，“Incremental Redundancy Hybrid ARQ Schemes Based on Low-Density Parity-CheckCodes，，，IEEE Transactions on Communications, 2004，vol.52，Issue8, pp.1311-1321 和M.Papaleo, M.Neri, A.VanelI1-CoralIi, and G.E.Corazza, “Using LTE in4G satellitecommunications:1ncreasing Time Diversity Through Forced Retransmission，，, SignalProcessing for Space Communications, Qct.2008, pp.1-4.)。
[0061]步骤2):进行强制重传HARQ，不管是否接收到ACK/NACK信息，仍然进行重传。
[0062]步骤3):需要接收端，同一强制重传的时间间隔是一定的，可知道哪些时间点发射的是同一数据包，所以可记录同一个数据包的接收次数，若不小于强制重传次数，则开始发送反馈信息。
[0063]步骤4):进行传统HARQ，根据接收的ACK/NACK信息决定是否重传，主要用于补充强制重传之后仍然存在的误码。
[0064]本发明给出的方法需要由地面站和终端配合实施。此方法可用于下行链路传输数据，但不限于下行链路中传输应用。其中地面站是发送端，接收端是终端，卫星作为放大转发的中继节点。在与地面蜂窝移动通信系统兼容的卫星移动通信系统中，地面站的作用与地面蜂窝移动通信系统的eNodeB，终端可以是手持终端等。
[0065]如图4所示是自适应混合HARQ示意图，下面就以下行传输过程为例，来详细说明本发明方法的具体实施过程。
[0066]a)配置参数，包括系统中最大的重传次数为N，强制重传次数X，强制重传的时间间隔Tx。
[0067]在配置最大重传次数N时，需考虑系统目标误码性能，每次选择调制编码方式(Modulation and Coding Scheme, MCS)时的界限误码性能,最大重传次数是系统配置参数。例如在LTE标准中，在选择调制编码方式时，给出的门限是误块率不高于10%，而物理层译码的误块率需求是10-3?10-4，所以得到HARQ的最大重传次数是4次。也就是说总的最大重传次数与传输方式的选择标准，以及系统误码需求有关。由于最大重传次数的变化将会影响系统配置，同时由于卫星信道的变化速度较慢，因此最大重传次数N应在较长时间内保持不变。
[0068]在配置强制重传次数时，需考虑系统过去一段时间内的误码性能。当X=N时，本说明书中给出的混合机制就变成纯粹的强制重传机制。当X=I时，本说明书中给出的混合机制就退化为传统的基于ACK/NACK信号的HARQ机制。也就是说X的选择，是平衡强制重传和传统HARQ机制优缺点的重要参数。确定强制重传的次数X时，需要考虑的是重传效率的问题。基本原则应该是尽量使得大部分强制重传的传输都是有意义的，减少浪费。因此可反映为平均重传次数，可配置强制重传次数等于过去一段时间内的平均重传次数。
[0069]在配置强制重传间隔时，需考虑时间分集增益，对于终端移动速度较小的慢速移动通信场景，可根据信道的相关时间确定强制重传间隔，对于终端移动速度较大的告诉移动通信场景，可根据卫星移动通信信道阴影衰落的状态变化间隔确定强制重传间隔。
[0070]b)每隔Tx时间间隔进行一次重传。包括数据包第一次被传输在内，共进行X次强制重传；在强制重传过程中，发送端不管是否接收到接收端发送的ACK/NACK信息，都进行重传。
[0071]c)接收端在接收到第X次重传的数据包之后，根据是否译码正确发送ACK或NACK
信号;
[0072]d)发送端根据接收端发送的ACK或NACK信号决定发送新的数据包还是进行重传。当达到最大重传次数N时，停止重传，继续发送下一个新的数据包。该步骤主要用于补充强制重传之后仍然存在的误码。
[0073]强制重传一定次数之后，可能还存在误码；再进行请求重传。例如在LTE标准中，最大重传次数为4。使用LTE标准中给出的调制编码方式，利用自适应调制编码技术(Adaptive Modulation and Coding, AMC)选择每次新传输的数据包的调制编码方式,重传的数据包只根据需要调整调制阶数，不考虑AMC选择的误差。
[0074]如图5所示采用TYPE-1II的HARQ机制仿真了使用传统HARQ、强制重传次数为2次的混合HARQ机制、自适应强制重传次数的混合HARQ机制导致的数据包平均等待时间。可以看出，在最大强制重传次数固定的情况下，自适应的混合HARQ机制在减少数据包平均等待时延方面具有最大的优势，固定强制重传次数的混合HARQ机制次之，但都优于传统HARQ机制，尤其在较低信噪比区域，效果较为明显。
[0075]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应该包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种卫星移动通信中强制重传的混合HARQ自适应调节方法，其步骤包括: 1)配置卫星移动通信系统中最大的重传次数为N，强制重传次数X，强制重传的时间间隔Tx ； 2)发送端每隔Tx时间间隔进行一次强制重传且次数共为X，接收端在接收到第X次重传的数据包后根据数据包是否译码正确发送ACK或NACK信号； 3)所述发送端根据所述接收端发送的ACK或NACK信号决定发送新的数据包或者进行重传； 4)当达到最大重传次数N时停止重传完成自适应调节，并继续发送下一个新的数据包。
2.如权利要求1所述的星移动通信中强制重传的混合HARQ自适应调节方法，其特征在于，根据所述卫星移动通信系统目标误码性能，每次选择MCS调制编码方式时的界限误码性能配置最大重传次数N ；N在较长时间内保持不变。
3.如权利要求1所述的星移动通信中强制重传的混合HARQ自适应调节方法，其特征在于，所述强制重传次数配置方法如下: 1)根据所述卫星移动通信系统过去一段时间内的误码性能配置强制重传次数X， 2)根据强制重传次数和被请求重传数据包的次数的总和得到过去一段时间的总重传次数， 3)根据总重传次数得到平均每个数据包的平均重传次数，配置强制重传次数等于过去一段时间内的平均重传次数。
4.如权利要求1所述的星移动通信中强制重传的混合HARQ自适应调节方法，其特征在于，所述强制重传间隔配置方法如下: 1)在接收端利用最大比合并的方式对多次重传得到信号进行联合解码，在所述信道保持不变的时间内重传数据包以此得到时间分集增益； 2)对于终端移动速度较小的慢速移动通信场景，根据时间分集增益和信道的相关时间确定强制重传间隔； 3)对于终端移动速度较大的高速移动通信场景，根据时间分集增益和卫星移动通信信道阴影衰落的状态变化间隔确定强制重传间隔。
5.如权利要求1所述的星移动通信中强制重传的混合HARQ自适应调节方法，其特征在于，当接收端正确接收当前数据包时，发送ACK信令,当接收端不能正确接收当前数据包时，发送NACK信令。
6.如权利要求1所述的星移动通信中强制重传的混合HARQ自适应调节方法，其特征在于，在所述步骤2)中不管是否接收到ACK或NACK信息，都进行强制重传次数X的强制重传。
7.如权利要求1所述的星移动通信中强制重传的混合HARQ自适应调节方法，其特征在于，在所述步骤3)中强制重传是当发送端接收到接收端发送的ACK信令时，不再进行重传，当发送端接收到接收端发送的NACK信令时，进行重传。
8.如权利要求1所述的星移动通信中强制重传的混合HARQ自适应调节方法，其特征在于，所述步骤2)中同一强制重传的时间间隔是一定的，接收端得到X个在不同时间发射过来的信号，该些信号为同一个数据包。
9.如权利要求8所述的星移动通信中强制重传的混合HARQ自适应调节方法，其特征在于，若同一个数据包的接收次数不小于强制重传次数，则开始发送ACK或NACK信息。
10.如权利要求1所述的星移动通信中强制重传的混合HARQ自适应调节方法，其特征在于，所述步骤2)中根据X个数据包的联合解码得到的结果进行自校验可以判断出数据包是否正 确。
【文档编号】H04L1/18GK103532683SQ201310495644
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月21日 优先权日:2013年10月21日
【发明者】郑雅丹, 吴建军, 李剑波, 董明科, 金野 申请人:北京大学