基于無線電波廣播特性的多用戶自動請求重傳

王正海 田 茂 胡樹楷 王玉皞

(1.武漢大學電子信息學院，湖北 武漢 430079；2.西安電子科技大學綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室，陜西 西安 710071；3.南昌大學信息工程學院，江西 南昌 330031)

1.引 言

無線通信的迅猛發展使得頻譜資源越來越緊張，為了進一步提高無線通信系統的頻譜使用效率，多用戶聯合處理已經成為發展趨勢[1-4]。自動請求重傳(ARQ)和前向糾錯編碼相結合，被稱為混合自動請求重傳(Hybrid ARQ，HARQ)。HARQ能夠克服無線信道的衰落和干擾[5-6]，為無線通信系統提供可靠的物理層鏈路[7-8]。無線電波在傳播的過程中是以球面波的形式向整個空間輻射，這使得無線通信系統(比如蜂窩系統)都具有廣播特性，即基站發射的電波能夠被本小區中的所有用戶接收到[3-6]。然而，在目前的無線通信系統中，ARQ是基于單播鏈路設計的，基站和各個用戶之間的ARQ是獨立進行的，沒有考慮無線電波的廣播特性[2-3，7-8]。本文中，我們將基站和各個用戶之間獨立進行ARQ的方法稱為單用戶ARQ。基于無線電波的廣播特性和網絡編碼[1]，文獻[3]提出了一種多用戶ARQ方法。在該多用戶ARQ方法中，初次傳輸時用戶對基站廣播的所有數據包都進行譯碼和校驗，并反饋所有用戶數據包的校驗結果。基于所有用戶的反饋，基站將需要重傳的用戶按照設定的方法進行分組，并將組內用戶的消息先采用網絡編碼合并，再經過信道編碼后廣播出去。在接收端，用戶只有準確地譯出經過網絡編碼的組合數據包，才能利用異或操作從組合數據包中譯出基站發給自己的消息。

和單用戶ARQ相比，文獻[3]證明了多用戶ARQ能夠明顯提高無線通信系統的頻譜效率，并且還證明了參與多用戶ARQ的用戶數越多，多用戶ARQ的性能增益就越明顯。多用戶ARQ充分利用無線電波的廣播特性，發揮了網絡編碼和信道編碼的優勢，但是目前的多用戶ARQ要求接收端對所有用戶的數據包都進行譯碼并反饋其校驗結果，平均每個接收端的實現復雜度和反饋開銷都是用戶數的線性函數。特別是在具有鏈路自適應功能的系統中，系統通過鏈路自適應技術[9-10]能將初次傳輸的錯誤概率控制在較低的水平，往往只需要增加少量的冗余度，即可在重傳時準確地恢復出錯誤的數據包[9-10]。但是，在目前的多用戶ARQ技術中，各個重傳用戶僅是簡單地將自己的消息全部重傳而不能根據各自的信道質量獨立地自適應地選擇重傳時的碼率(即冗余度)，因而目前的多用戶ARQ技術還不能應用于具有鏈路自適應功能的系統中。

本文提出了一種新的多用戶ARQ方法，基站利用網絡編碼將多個用戶經過獨立信道編碼和速率匹配后的重傳數據包經過網絡編碼后再廣播；用戶采用置信傳播(BP)算法[11]，從組合數據包中檢測出基站發給本用戶的重傳數據包，并和以前接收的數據包軟合并后再譯碼和反饋。在本文提出的方法中，用戶只需對基站發給本用戶的數據包進行譯碼、校驗和反饋，可以將多用戶ARQ的譯碼復雜度和反饋開銷保持在較低的水平。另外，基站將多個用戶經過獨立信道編碼和速率匹配后的重傳數據包經過網絡編碼后再廣播，使得本文的方法允許基站根據各個用戶的鏈路質量自適應地選擇各個重傳用戶重傳時的碼率。

2.多用戶ARQ

2.1 系統模型

(1)

圖1 多用戶ARQ發射端流程

2.2 發射端原理

(2)

式(2)中,αi表示UEi最近反饋給基站的應答不確認(NACK)消息；A是由集合{α1，…，αi，…，αN}中非零元素的索引組成的向量。從式(2)可以看出：在第j次傳輸時，若UEi能夠準確地譯出基站傳輸給自己的消息，則在隨后的重傳中，UEi的重傳數據包將不再參與網絡編碼，避免了UEi的重傳數據包對其他重傳用戶的干擾。

從圖1所示的多用戶ARQ重傳流程可以發現，圖1所示的多用戶ARQ只是在單用戶ARQ的基礎上增加了網絡編碼過程。因而，現有的三種重傳機制仍然可以用在多用戶ARQ中為單個重傳用戶選擇重傳時的數據包。另外，在重傳時，多用戶ARQ先對各個重傳用戶獨立進行速率匹配以得到各個用戶的重傳數據包再將各個用戶的重傳數據包進行網絡編碼合并，圖1所示的多用戶ARQ允許基站根據各個用戶重傳時的鏈路質量自適應地為各個重傳用戶選擇不同的重傳碼率，而不是將重傳用戶的消息簡單地全部重傳。

2.3 接收端原理

(3)

3.性能和復雜度分析

(4)

多用戶ARQ的頻譜效率為

(5)

由式(4)和(5)可知，當聯合ARQ的用戶數N滿足式(6)時，多用戶ARQ的頻譜效率高于單用戶ARQ的頻譜效率。

(6)

在實際系統中，當某用戶某編碼碼字的傳輸次數達到預定的最大傳輸次數max_ARQ時，系統將停止該用戶該編碼碼字的傳輸[2]。在這種情況下，單用戶ARQ的頻譜效率為

(7)

多用戶ARQ的頻譜效率為

(8)

由式(7)和(8)可知，在實際系統中當用戶數N滿足下式時，多用戶ARQ能夠提高系統的頻譜效率。

本文的仿真基于第三代合作伙伴項目長期演進(3GPPLTE)采用的Turbo編碼器和循環緩沖器速率匹配器[2]。LTE采用了4個冗余版本rvm(m=0，1，2，3)，分別對應著4次傳輸開始的比特位置，它們均勻地分布在緩沖器中。每次傳輸時，基站從緩沖器中冗余版本對應的開始比特位置依次讀取待傳輸的比特，直到達到速率兼容的長度為止；若達到緩沖器的尾部，仍未達到速率兼容的長度，則回繞至緩沖器的頭部繼續讀取[2]。在這種方案下，接收端對已傳的錯誤數據包并不丟棄，而是與重傳數據包合并后譯碼；重傳的數據包并不是已傳數據包的簡單復制，而是附加冗余信息的數據包，盡量使得接收端合并后的數據包的碼率最低，從而獲得最大的編碼冗余度，進而獲得最大的編碼增益。

在不同的信道質量(信噪比)下，長期演進(LTE)對不同的消息長度規定了不同的調制方式和碼率，從而將初次傳輸的錯誤概率控制在10%；將調制方式、碼率、信噪比、消息長度的組合稱為調制編碼方案[2]。表1給出了本文仿真采用的調制編碼方案，其中包括兩種典型的消息長度K=512和K=2048比特。

表1 調制編碼方案

(a) K=512

(b) K=2048圖2 多用戶ARQ與單用戶ARQ頻譜效率(bit/Hz·s)對比曲線

表2 復雜度對比

4.結 論

為了提高無線通信系統的頻譜效率，多用戶聯合處理已經成為發展趨勢。利用本文提出的多用戶ARQ方法能夠明顯提高無線通信系統頻譜效率。初次傳輸時，各個用戶只需要對基站發給本用戶的數據包進行譯碼和校驗，使得多用戶ARQ的復雜度和反饋開銷與用戶數無關。重傳時，基站端將經過獨立信道編碼和速率匹配后的數據包經過網絡編碼后再廣播，使得本文的方法允許基站自適應地選擇各個用戶重傳時的冗余度，并且適用于所有類型的ARQ機制。接收端將檢測出的重傳數據包和前次接收的數據包軟合并后再譯碼，能夠使該方法獲得最大的編碼冗余度。對于采用鏈路自適應技術的系統，初次傳輸的錯誤概率較低，使得本文采用的基于BP的檢測算法的復雜度較低。

[1] AHLSWEDE R, CAI N, LI S Y R, et al. Network information flow[J]. IEEE Trans. Inf. Theory, 2000, 46(4): 1204-1216.

[2] 3GPP. Multiplexing and channel coding (Release 8) [EB/OL]. [2010-05-04]. http://www.3gpp.org/ftp.

[3] LARSSON P, JOHANSSON N. Multi-user ARQ[C] //Proceedings of IEEE VTC 2006-spring, Melbourne, 2006, 4: 2052-2057.

[4] DONG N, TUAN T, THINH N, et al. Wireless broadcast using network coding[J]. IEEE Trans. Veh. Technol., 2009, 58(2): 914:925.

[5] 王 萍, 李穎哲, 常若艇，等. 4G移動通信城市環境電波傳播特性測量與建模[J]. 電波科學學報, 2008, 23(6): 1159-1163.

WANG Ping, LI Yingzhe, CHANG Ruoting, et al. Radio propagation characteristics measurement and modeling in urban scenario for 4G mobile communication[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2008, 23(6): 1159-1163. (in Chinese)

[6] 李穎哲, 王 萍，構天杭，等. 散射環境下寬帶移動通信衰落信道擴展模型[J]. 電波科學學報, 2009, 24(6): 1109-1116.

LI Yingzhe, WANG Ping, GOU Tianhang, et al. An extended radio channel model of scattering environment for broadband mobile communication[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2009, 24(6): 1109-1116. (in Chinese)

[7] CONG S, TIE L, FITE M P. On the average rate performance of hybrid-ARQ in quasi-static fading channels [J]. IEEE Trans. Commun., 2009, 57(11): 3339-3352.

[8] SOUZA R D, PELLENZ M E, RODRIGUE T. Hybrid ARQ scheme based on recursive convolutional codes and turbo decoding[J]. IEEE Trans. Commun., 2009, 57(2): 315-318.

[9] MIAO G W, HIMAYAT N, LI G Y. Energy efficient link adaptation in frequency selective channels[J]. IEEE Trans. Commun., 2010, 58(2): 545-554.

[10] AGGARWAL R, SCHNITER P, KOKSAL C. Rate adaptation via link-layer feedback for goodput maximization over a time-varying channel[J]. IEEE Trans. Wireless Commun., 2009, 8(8): 4276-4285.

[11] CHEN J, DHOLAKIA A, ELEFTHERIOU E, et al. Reduced-complexity decoding of LDPC codes[J]. IEEE Trans. Commun., 2005, 53(8): 1288-1299.

[12] 王 單, 童 勝, 李 穎，等. LDPC快速收斂譯碼算法[J]. 西安電子科技大學學報(自然科學版), 2005, 32(1): 103-107.

WANG Dan, TONG Sheng, LI Ying, et al. A fast convergence decoding algorithm for LDPC codes[J]. Journal of Xidian University (Nature Science), 2005, 32(1): 103-107. (in Chinese)

[13] VOGT J, FINGER A. Improving the max-log-MAP turbo decoder[J]. Electronic Letters, 2000, 36(23): 1937-1939.