基于Matlab的HARQ跨層仿真系統(tǒng)改進(jìn)

劉高華， 蘇寒松， 支 雯， 曾兆權(quán)， 劉 琳

(天津大學(xué) a.電子信息工程學(xué)院; b.電氣電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，天津 300072)

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基于Matlab的HARQ跨層仿真系統(tǒng)改進(jìn)

劉高華a,b， 蘇寒松a,b， 支 雯a， 曾兆權(quán)a， 劉 琳a,b

(天津大學(xué) a.電子信息工程學(xué)院; b.電氣電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，天津 300072)

基于長(zhǎng)期演進(jìn)(Long Term Evolution,LTE)協(xié)議，以混合自動(dòng)重發(fā)反饋(Hybrid Automatic Repeat Request,HARQ)技術(shù)為核心，運(yùn)用物理層抽象的基本方法，對(duì)傳統(tǒng)的HARQ機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)，以Matlab為平臺(tái)進(jìn)行模擬仿真，編程建立通信系統(tǒng)模型。對(duì)改進(jìn)后的HARQ機(jī)制在LTE媒體訪問控制層(Media Access Control,MAC)及物理層中進(jìn)行通信全過程的系統(tǒng)模擬仿真，以吞吐量和誤塊率為衡量指標(biāo)，與非HARQ情況下LTE的通信質(zhì)量進(jìn)行性能對(duì)比。得出不同信道環(huán)境下MAC層HARQ對(duì)LTE系統(tǒng)性能優(yōu)化的程度，指導(dǎo)實(shí)際LTE系統(tǒng)的升級(jí)優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及HARQ仿真系統(tǒng)可以運(yùn)用在LTE系統(tǒng)性能的評(píng)估上，且對(duì)HARQ的教學(xué)具有重要的實(shí)踐意義。

LTE； HARQ仿真系統(tǒng)； Matlab仿真； 系統(tǒng)優(yōu)化

0 引 言

在LTE協(xié)議棧中，無線鏈路控制(Radio Link Control, RLC)層引入了自動(dòng)重傳請(qǐng)求(Automatic Repeat Request, ARQ)機(jī)制，但是如果僅采用ARQ機(jī)制，會(huì)帶來不確定的時(shí)延，并且僅僅依靠上層ARQ來糾錯(cuò)不一定能達(dá)到所需誤碼率的要求。所以在LTE中引入了MAC層和物理層(Physical Layer, PHY)的HARQ機(jī)制，以克服時(shí)延的缺點(diǎn)，主要應(yīng)用在對(duì)時(shí)延和誤碼率敏感的業(yè)務(wù)中[1]。HARQ機(jī)制在LTE系統(tǒng)中的RLC層、MAC層和PHY層都會(huì)有應(yīng)用，相對(duì)密集的應(yīng)用可以克服由于信道質(zhì)量和系統(tǒng)缺陷帶來的錯(cuò)誤，保證整個(gè)通信系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量[2]。HARQ機(jī)制根據(jù)重傳內(nèi)容、重傳方式的不同，可以分為很多類別，本文在分析了不同種類HARQ機(jī)制的工作方式后，對(duì)傳統(tǒng)的HARQ機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)，并且基于Matlab平臺(tái)對(duì)LTEHARQ系統(tǒng)及其改進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得出相應(yīng)的曲線圖，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，為L(zhǎng)TE系統(tǒng)應(yīng)用及HARQ實(shí)踐教學(xué)提供參考，并為電子專業(yè)實(shí)現(xiàn)多層次實(shí)踐教學(xué)體系結(jié)構(gòu)提供創(chuàng)新技能訓(xùn)練項(xiàng)目[3-4]。

1 HARQ技術(shù)原理

1.1 HARQ技術(shù)背景

由于無線信道有衰落的特性，導(dǎo)致了數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟豢煽啃浴榱吮ＷC端到端的QoS，無線通信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)鏈路層就要通過一些數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，在不太可靠的物理鏈路上實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸，因此差錯(cuò)控制協(xié)議成為數(shù)據(jù)鏈路層最重要的協(xié)議之一[5]。

1.2 兩種差錯(cuò)控制方式[6]

(1) ARQ, 當(dāng)接收端檢測(cè)到接收的信息有錯(cuò)后，向發(fā)送端發(fā)送錯(cuò)誤信息，發(fā)送端對(duì)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行自動(dòng)重傳，以達(dá)到糾錯(cuò)的目的。其優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，缺點(diǎn)是時(shí)延嚴(yán)重。

(2) 前向糾錯(cuò)(Forward Error Correction，F(xiàn)EC)，在傳輸信號(hào)中引入冗余，發(fā)送數(shù)據(jù)幀包含前向糾錯(cuò)編碼，當(dāng)接收端檢測(cè)到接收信息有錯(cuò)時(shí)，可通過計(jì)算確定差錯(cuò)的位置并自動(dòng)加以糾正。其優(yōu)點(diǎn)是延時(shí)小，缺點(diǎn)是糾錯(cuò)能力有限，為了得到較高的可靠性引入了較多冗余比特，從而降低了吞吐量。

1.2 HARQ技術(shù)介紹

HARQ是采用FEC和ARQ結(jié)合的混合方式，F(xiàn)EC部分主要糾正信道中經(jīng)常出現(xiàn)的錯(cuò)誤以減少重傳次數(shù)，提高系統(tǒng)通過效率。ARQ部分主要糾正不經(jīng)常出現(xiàn)的、FEC不能糾正的錯(cuò)誤，提高系統(tǒng)的可靠性。兩者結(jié)合可以對(duì)一定差錯(cuò)范圍內(nèi)的錯(cuò)誤進(jìn)行糾正，當(dāng)超過FEC糾錯(cuò)能力時(shí)，則通過發(fā)送端重傳的方法加以糾正[7]。對(duì)兩種差錯(cuò)控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了折中，通過發(fā)送附加冗余的糾錯(cuò)編碼信息和出錯(cuò)重傳兩種方式互補(bǔ)，結(jié)合適應(yīng)無線信道的時(shí)變特性，顯著提高了頻譜效率和系統(tǒng)吞吐量，同時(shí)間接擴(kuò)大了系統(tǒng)覆蓋范圍。

根據(jù)重傳內(nèi)容不同，可以分為三種：HARQ-I型、HARQ-II型和HARQ-III型。表1總結(jié)了不同HARQ協(xié)議的工作方式以及各自優(yōu)缺點(diǎn)。

表1 不同重傳內(nèi)容HARQ協(xié)議性能比較

根據(jù)重傳方式不同[8]，也可以分為三種：停止等待型，后退N幀型，選擇重傳型。圖1總結(jié)了三種重傳方式的工作過程。而LTE中的HARQ并沒有采用以上經(jīng)典的三種重傳機(jī)制，而是沿用了3.5 G的高速分組接入(High Speed Packet Access, HSPA)就開始應(yīng)用的N通道停等式HARQ，這種方式綜合了停等式和選擇重傳兩者的優(yōu)點(diǎn)[9]。

停止等待型后退N幀型選擇重傳型

圖1 不同重傳方式HARQ協(xié)議性能比較

所謂的N通道停等式HARQ，即發(fā)送端在信道上并行地運(yùn)行N套不同的停等式協(xié)議，利用不同信道間的間隙來交錯(cuò)地傳遞數(shù)據(jù)和信令，從而提高了信道利用率。這種方式采用并行停等協(xié)議的方案，也就是在第一個(gè)信道閑置時(shí)運(yùn)行另外的獨(dú)立的HARQ，這樣在前向信道傳送數(shù)據(jù)的同時(shí)反向信道就可以傳送確認(rèn)信息，便不會(huì)造成系統(tǒng)容量的浪費(fèi)。

在LTE系統(tǒng)中，MAC層的HARQ模塊位于MAC中最靠近物理層的位置[10]，LTE中的HARQ其實(shí)是跨層的，它包括MAC層的控制部分以及物理層的編碼以及速率匹配等冗余版本產(chǎn)生的部分[11,12]。在MAC層中HARQ負(fù)責(zé)多進(jìn)程管理，對(duì)接收到的ACK/NACK進(jìn)行相應(yīng)的處理，指示物理層產(chǎn)生冗余版本等[13]。而冗余版本的生成以及接收端的軟合并都是通過物理層來實(shí)現(xiàn)的[14-15]。所以說，不能單純研究MAC層的HARQ，要對(duì)MAC層的HARQ進(jìn)行仿真，還需要模擬物理層通信過程。本文對(duì)首先對(duì)HARQ機(jī)制的進(jìn)行改進(jìn)，然后實(shí)現(xiàn)了HARQ仿真系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上將改進(jìn)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。電信類專業(yè)學(xué)生的相關(guān)理論創(chuàng)新可以以本系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)。

2 對(duì)MAC層HARQ系統(tǒng)機(jī)制的主要改進(jìn)

在實(shí)際系統(tǒng)中HARQ傳輸?shù)墓ぷ鞣绞剑紫壬蠈訑?shù)據(jù)經(jīng)過邏輯信道復(fù)用，根據(jù)本次傳輸大小組包后，形成MAC PDU之后，作為一個(gè)傳輸塊(Transmission Block，TB)，然后交給HARQ進(jìn)行傳輸。HARQ的傳輸又要通過調(diào)度模塊調(diào)度、用戶端信道質(zhì)量指示符(Channel Quality indicator，CQI)反饋、業(yè)務(wù)測(cè)量以及綜合QoS、指示HARQ的編碼傳輸方式以及調(diào)度方式等信令之后，HARQ才開始一次傳輸或重傳。接收端收到一個(gè)TB之后，接收端物理層對(duì)TB進(jìn)行解調(diào)、解碼等處理，最后通過循環(huán)冗余校驗(yàn)(Cyclic Redundancy Check，CRC)來判斷接收信息的正誤。如果CRC校驗(yàn)結(jié)果表明傳輸?shù)腡B有錯(cuò)，就發(fā)送端發(fā)送NACK，請(qǐng)求重傳出錯(cuò)的TB。整個(gè)過程中只要有一個(gè)錯(cuò)誤出現(xiàn)就要對(duì)整個(gè)TB進(jìn)行重傳，對(duì)于同一個(gè)TB沒有出錯(cuò)的數(shù)據(jù)來說也要進(jìn)行重傳，這種工作方式無疑增加了整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流量，增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，降低系統(tǒng)效率。

下面提出改進(jìn)的方案，由于HARQ在重傳時(shí)將整個(gè)TB都傳，TB的數(shù)據(jù)量是非常大的，因此可以將TB進(jìn)行分成幾段，把一個(gè)長(zhǎng)度較大的TB劃分成幾個(gè)長(zhǎng)度較短且長(zhǎng)度相等的碼塊單元(可進(jìn)行三等分)，在接收端對(duì)碼塊單元進(jìn)行校驗(yàn)，若在傳輸時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，則重傳出錯(cuò)的碼塊單元，而不是將整個(gè)TB全部重傳。提出這種解決方法，能預(yù)期的優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

(1) 減少重傳數(shù)據(jù)量，降低系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，提高效率；

(2) 減少通過信道的數(shù)據(jù)量，降低在相同信噪比條件下數(shù)據(jù)的出錯(cuò)概率；

(3) 通過對(duì)TB分段，傳遞每單位信息所要傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)就會(huì)降低，從而整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量就會(huì)提高。

本文在改進(jìn)的HARQ方案實(shí)現(xiàn)之前，需要實(shí)現(xiàn)HARQ仿真系統(tǒng)，該HARQ仿真系統(tǒng)包括通信原理教學(xué)中提到的數(shù)據(jù)處理過程，可為教師在HARQ及通信原理教學(xué)中提供實(shí)踐教學(xué)仿真素材，使學(xué)生更加具體地理解HARQ原理。圖2是HARQ跨層仿真系統(tǒng)框圖，下面將詳細(xì)介紹每個(gè)步驟的實(shí)現(xiàn)函數(shù)進(jìn)行說明。

2.1 基站端

(1) 比特生成。利用數(shù)據(jù)產(chǎn)生接口函數(shù)生成指定序列長(zhǎng)度的二進(jìn)制數(shù)，放在一個(gè)矩陣中成為一個(gè)TB，將其作為發(fā)送端的信息比特。通過隨機(jī)序列生成函數(shù)得到一系列二進(jìn)制信息，模擬發(fā)端數(shù)據(jù)的發(fā)送。

圖2 HARQ跨層仿真系統(tǒng)框圖

數(shù)據(jù)產(chǎn)生函數(shù)實(shí)現(xiàn)：a=TB_generator(sizeTB)，sizeTB表示生成的二進(jìn)制序列長(zhǎng)度a表示存儲(chǔ)得到的二進(jìn)制序列。

(2) 添加CRCA校驗(yàn)。以校驗(yàn)多項(xiàng)式為除數(shù)的多項(xiàng)式除法。校驗(yàn)多項(xiàng)式為：

gCRC24A(D)=D24+D23+D18+D17+D14+D11+D10+D7+D6+D5+D4+D3+D+1

CRC校驗(yàn)利用線性編碼理論，在發(fā)端根據(jù)二進(jìn)制碼序列以一定規(guī)則產(chǎn)生一個(gè)校驗(yàn)用的監(jiān)督碼附在信息位后面，把整個(gè)碼序列發(fā)出去，在收端根據(jù)信息碼和CRC碼之間所遵循的規(guī)則進(jìn)行檢驗(yàn)，以確定傳輸是否出錯(cuò)。

CRCA校驗(yàn)函數(shù)實(shí)現(xiàn)p=crc24a(c)，c表示需要進(jìn)行CRC校驗(yàn)的信息；p表示進(jìn)行CRC校驗(yàn)的校驗(yàn)位，由低位到高位排列。

(3) 碼塊分割及添加CRCB校驗(yàn)。對(duì)輸入的第iUE個(gè)用戶的iTB個(gè)傳輸塊進(jìn)行碼塊分割。如果輸入序列長(zhǎng)度大于碼塊長(zhǎng)度，就需要對(duì)輸入序列進(jìn)行碼塊分割，并且在每一個(gè)編碼塊的后面添加長(zhǎng)度為24的CRC校驗(yàn)序列，即進(jìn)行第二次校驗(yàn)。在本系統(tǒng)的仿真中，直接將TB分成兩或三個(gè)等長(zhǎng)的碼塊單元，分割后再對(duì)數(shù)據(jù)添加CRC24B校驗(yàn)。對(duì)碼塊單元添加CRC校驗(yàn)碼即CRCB校驗(yàn)碼，它與CRCA校驗(yàn)碼添加方式相同，不同之處只是在于校驗(yàn)多項(xiàng)式不同，CRCB校驗(yàn)多項(xiàng)式為：

gCRC24B(D)=

D24+D23+D6+D5+D+1

函數(shù)實(shí)現(xiàn)：c=codeblock_segment(b,iUE,iTB) 實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入的第iUE個(gè)用戶的第iTB個(gè)傳輸塊進(jìn)行碼塊分割。b表示原始信息加CRC24A后的數(shù)據(jù)，iUE表示第i個(gè)用戶，iTB表示第i個(gè)傳輸塊。

(4) Turbo編碼。在LTE系統(tǒng)中PDSCH所采用的信道編碼方式時(shí)Turbo編碼[7]，因?yàn)門urbo碼不僅在信道信噪比很低的高噪聲環(huán)境下性能優(yōu)越，而且還具有很強(qiáng)的抗衰落、抗干擾能力，因此在信道條件差的移動(dòng)通信系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用潛力，在IMT-2000中已經(jīng)將Turbo碼作為其傳輸高速數(shù)據(jù)的信道編碼標(biāo)準(zhǔn)。

函數(shù)實(shí)現(xiàn)：en_output = turbo_encoder(c)，c表示待編碼的信息比特，en_output表示編碼輸出數(shù)據(jù)。

函數(shù)實(shí)現(xiàn)：alphaInternal = internal_leaver_par(Ki)，實(shí)現(xiàn)turbo編碼內(nèi)交織序列生成，Ki表示交織序列大小，alphaInternal表示交織序列。

(5) 速率匹配。主要目的就是讓系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)傳輸量和實(shí)際信道傳輸環(huán)境下系統(tǒng)能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量進(jìn)行匹配[2]。當(dāng)系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)量大于實(shí)際所能傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量時(shí)就要對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量進(jìn)行分批次傳輸以配合系統(tǒng)資源容量，當(dāng)系統(tǒng)所要傳輸數(shù)據(jù)量小于實(shí)際承載能力時(shí)么可以對(duì)所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行累積，一次傳輸多組數(shù)據(jù)，避免系統(tǒng)資源浪費(fèi)。

函數(shù)實(shí)現(xiàn)：e=rate_match(d,iUE,iTB,iCB)，實(shí)現(xiàn)速率匹配實(shí)現(xiàn)，包括子塊交織，比特收集，比特選取和鑿孔，d表示接收來自turbo輸出的3個(gè)流數(shù)據(jù)，iUE表示第i個(gè)用戶，iTB表示第i個(gè)傳輸塊，iCB表示第i個(gè)碼塊，e表示速率匹配后輸出。

(6) 碼塊級(jí)聯(lián)。這個(gè)步驟就是將經(jīng)過速率匹配的兩個(gè)TB連接在一起，組成一個(gè)長(zhǎng)度是原來兩倍的新的TB。

(7) 加擾。利用加擾接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)比特級(jí)加擾。加擾的實(shí)質(zhì)就是用擾碼序列和輸入比特塊進(jìn)行模二加，也就是說，擾碼序列為1時(shí)對(duì)輸入比特取反，擾碼序列為0時(shí)輸入比特不變。

對(duì)于小區(qū)而言，在信道編碼和交織后，不同小區(qū)分別對(duì)其傳輸信號(hào)進(jìn)行加擾，如果沒有區(qū)別加擾，UE的解碼器可能無法分辨接收的信號(hào)來自本小區(qū)還是其他小區(qū)，導(dǎo)致它可能對(duì)本小區(qū)信號(hào)進(jìn)行解碼，也有可能對(duì)其它小區(qū)信號(hào)進(jìn)行解碼，使得性能降低。小區(qū)專屬加擾可通過不同的擾碼對(duì)不同小區(qū)進(jìn)行區(qū)別加擾，降低干擾。加擾并不影響帶寬，但能提高性能。

函數(shù)實(shí)現(xiàn)：scramblBits=scramble(codeBit,iCW,RNTI,iSubFrame,cellID)，實(shí)現(xiàn)：比特級(jí)加擾函數(shù)，codeBit表示加擾的輸入比特，iCW表示第iCW個(gè)碼字，RNTI表示無線網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)標(biāo)識(shí)，cellID表示小區(qū)號(hào)，scramblBits表示加擾后的輸出比特。

(8) 調(diào)制。調(diào)制是對(duì)加擾后的信息比特進(jìn)行調(diào)制，得到調(diào)制的復(fù)值符號(hào)。在實(shí)驗(yàn)仿真過程選擇了Qm=4，即16QAM的調(diào)制方式。此函數(shù)將4 bit信息映射到一個(gè)星座點(diǎn)，并對(duì)輸出符號(hào)歸一化。歸一化是為了保證統(tǒng)計(jì)上每個(gè)符號(hào)的能量為1。

函數(shù)實(shí)現(xiàn)：modSymb=modulation(signal,Qm),實(shí)現(xiàn)對(duì)加擾后的信息比特進(jìn)行調(diào)制，得到調(diào)制的復(fù)值符號(hào)。PDSCH可用的調(diào)制方式有：QPSK、16QAM、64QAM，signal表示二進(jìn)制符號(hào)，Qm表示調(diào)制方式對(duì)應(yīng)的比特，modSymb表示調(diào)制的輸出符號(hào)。

2.2 信道

高斯信道是通信系統(tǒng)中最為基本的一種信道，在本HARQ仿真系統(tǒng)選擇高斯信道主。利用Matlab軟件中的awgn函數(shù)，能夠很容易地產(chǎn)生一個(gè)任意信噪比的高斯信道。

2.3 UE接收端

(1) 解調(diào)。對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，因?yàn)樵谡{(diào)制過程選擇了16QAM調(diào)制方式，故解調(diào)過程選擇16QAM解調(diào)。

軟解調(diào)的函數(shù)實(shí)現(xiàn)：demode_data = de_modulate(receive_signal,Qm)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，解調(diào)的方式由Qm決定，Qm為2進(jìn)行QPSK解調(diào)，Qm為4進(jìn)行16QAM解調(diào)，Qm為6進(jìn)行64QAM解調(diào)，receive_signal表示調(diào)制輸入信號(hào)，Qm表示調(diào)制方式對(duì)應(yīng)的比特?cái)?shù)，demode_data表示存儲(chǔ)解調(diào)后的結(jié)果。

(2) 解擾。同加擾原理相同，都是用擾碼序列和輸入比特塊進(jìn)行模二加也就是說擾碼序列為1時(shí)對(duì)輸入比特取反，擾碼序列為0時(shí)輸入比特不變。只是使用函數(shù)變化。

(3) 去碼塊級(jí)聯(lián)。對(duì)解擾后的數(shù)據(jù)，根據(jù)分塊的大小和個(gè)數(shù)，按順序取出每個(gè)分塊數(shù)據(jù)。

(4) 解速率匹配。在去碼塊級(jí)聯(lián)后，對(duì)每個(gè)分組即碼塊單元的E(前面定下的速率匹配的長(zhǎng)度)個(gè)符號(hào)進(jìn)行解速率匹配操作。解速率匹配算法實(shí)際上就是速率匹配的嚴(yán)格逆過程，即：比特填充、比特分離、子塊解交織。

解速率匹配函數(shù)實(shí)現(xiàn)：d=de_rate_match(e,iUE,iTB)，實(shí)現(xiàn)去速率匹配，e表示速率匹配輸入符號(hào),iUE表示第iUE個(gè)用戶，iTB表示第iTB個(gè)傳輸塊，d表示去速率匹配得到的符號(hào)。

我愛骨骼，眷戀她支撐著軀干和肢體的硬朗倔強(qiáng)，癡迷于她連接著韌帶和肌腱的委屈妥協(xié)，骨骼擁抱體內(nèi)的重要臟器，免受外界損傷，像不永不休止運(yùn)轉(zhuǎn)的冶煉廠儲(chǔ)備礦物質(zhì)和鐵元素。

(5) Turbo解碼。Turbo碼的一個(gè)重要特點(diǎn)是在譯碼時(shí)采用了迭代譯碼思想，采用迭代方式的Turbo碼譯碼可以達(dá)到接近Shannon理論極限的性能。

Turbo解碼函數(shù)實(shí)現(xiàn)：decodedBit=turbo_decoder(preDecodeBit,SNRdB)，實(shí)現(xiàn)Turbo解碼，preDecodeBit表示譯碼器輸入的軟信息，SNRdB表示信噪比，ecodeBit表示解碼輸出比特信息，L_all表示概率對(duì)數(shù)似然比值。

(6) 碼塊合并與CRC校驗(yàn)。這一步主要是為了做解CRC24A，CRC24B處理。根據(jù)碼塊數(shù)，對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼塊單元CRC(CRCB)、碼塊合并及解TB CRC(CRCA)。在仿真系統(tǒng)中發(fā)送端CRC處理過程采用雙層或三層CRC結(jié)構(gòu)，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是在接收端發(fā)現(xiàn)一個(gè)碼塊單元譯碼錯(cuò)誤后就停止譯碼，馬上要求重傳，從而避免了后續(xù)碼塊單元譯碼的無謂功率消耗，同時(shí)節(jié)省了處理時(shí)間，提高單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)吞吐量。

解CRCA的函數(shù)實(shí)現(xiàn)：err=crcCheck24a(input)，實(shí)現(xiàn)解CRC24A處理，input表示經(jīng)過CRC處理的信息矩陣，前面為信息位，后24位為CRCA校驗(yàn)位，err表示指示器，0代表正確，1代表錯(cuò)誤。

解CRCB的接口函數(shù)表示err=crcCheck24b(input)，實(shí)現(xiàn)解CRC24B處理，input表示經(jīng)過CRC處理的信息矩陣，前面為信息位，后24位為CRCB校驗(yàn)位，err表示指示器，0代表正確，1代表錯(cuò)誤。

2.4 HARQ模塊

HARQ模塊在整個(gè)仿真系統(tǒng)中是一個(gè)邏輯上的模塊，在仿真程序中并沒有用單獨(dú)命名的模塊函數(shù)體現(xiàn)。當(dāng)接收端CRCB或CRCA未檢查出錯(cuò)時(shí)，則將校驗(yàn)結(jié)果發(fā)送給接收端的比特產(chǎn)生模塊，進(jìn)行下一個(gè)TB的產(chǎn)生和傳輸。若檢測(cè)出一個(gè)碼塊單元出錯(cuò)時(shí)，則停止后續(xù)譯碼。立刻向發(fā)送端的Turbo編器發(fā)送請(qǐng)求進(jìn)行重傳。Turbo編碼器在對(duì)上一個(gè)T碼B或碼塊單元編碼時(shí)，會(huì)將其編碼結(jié)果存儲(chǔ)到一個(gè)矩陣中，當(dāng)收到來自CRCB或者CRCA的出錯(cuò)重傳請(qǐng)求時(shí)，便會(huì)將緩存矩陣中的碼塊單元向下一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行傳輸，經(jīng)過速率匹配，碼塊級(jí)聯(lián)和加擾處理，最終經(jīng)過高斯信道傳輸?shù)浇邮斩耍诮邮斩说慕庹{(diào)模塊中，也有一個(gè)緩存矩陣，將重傳來的TB或者碼塊單元進(jìn)行存儲(chǔ)，這里是因?yàn)椋綡ARQ仿真系統(tǒng)采用的是HARQ-I型中的Chase合并方式，即將多次重傳的相同TB或碼塊單元進(jìn)行相加，然后求均值，最后再進(jìn)行解調(diào)，通過解調(diào)模塊中的緩存器能夠進(jìn)行多次重傳數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，便于數(shù)據(jù)的合并。

3 系統(tǒng)性能衡量指標(biāo)

3.1 誤塊率

于是得到SNR=3 dB條件下的平均誤塊率，再逐一在不同SNR條件下進(jìn)行仿真計(jì)算，從而得到不同條件下系統(tǒng)的BLER。

3.2 吞吐量

吞吐量(Throughput)廣義的定義為對(duì)網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、端口、虛電路或其他設(shè)施，單位時(shí)間內(nèi)成功地傳送數(shù)據(jù)的數(shù)量，可以理解為網(wǎng)絡(luò)或者系統(tǒng)的正確傳輸速率。

在一個(gè)固定SNR時(shí)，對(duì)于重傳TB的情況吞吐率(ThroughputRatio)定義為：

3.3 平均傳輸次數(shù)

假設(shè)在一個(gè)固定SNR的條件下傳輸10 000個(gè)TB，那么，對(duì)于重傳TB的情況[6]：

對(duì)于重傳碼塊單元的情況公式與重傳TB情況相同。

傳輸?shù)目偞螖?shù)與計(jì)算吞吐率中傳輸?shù)目偞螖?shù)計(jì)算方法相同。

4 仿真結(jié)果及分析

在本次實(shí)驗(yàn)仿真中，在不同SNR條件下，進(jìn)行了四方面的仿真。

4.1 合并模式與非合并模式

實(shí)驗(yàn)中均采用重傳TB方式，可發(fā)現(xiàn)重傳合并TB的誤塊率要比重傳非合并的誤塊率低，在SNR低，信道質(zhì)量較差時(shí)，重傳合并TB性能提高更好(見圖3)。

圖3 HARQ重傳合并模式和重傳非合并模式

重傳合并方式在圖3中BLER明顯低于重傳非合并TB模式，且在信道質(zhì)量越差的情況下，提高越明顯。隨SNR提高，BLER差值越來越小，這主要是由于在SNR越高情況下，一次傳輸正確的概率明顯增大。

4.2 重傳TB模式與重傳碼塊單元模式比較(見圖4、表2)

圖4 HARQ重傳合并TB模式與重傳合并碼塊單元模式的誤塊率性能對(duì)比圖

表2 TB模式和碼塊單元模式性能

5 結(jié) 語

本文著重考慮LTE HARQ仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及改進(jìn)，并分析BLER、吞吐率、平均傳輸次數(shù)等評(píng)價(jià)指標(biāo)，為HARQ系統(tǒng)的教學(xué)提供實(shí)驗(yàn)參考。

LTE協(xié)議本身也是不斷完善的協(xié)議，其中的HARQ技術(shù)也可能隨著其它技術(shù)的發(fā)展和新概念的提出進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。在對(duì)HARQ進(jìn)行建模仿真的過程中，為了突出研究重點(diǎn)，更好地強(qiáng)調(diào)HARQ的作用，實(shí)驗(yàn)中簡(jiǎn)化了很多參數(shù)，比如小區(qū)數(shù)設(shè)置為1，調(diào)制方式固定設(shè)置，速率匹配功能部分簡(jiǎn)化等，這些簡(jiǎn)化在教師或者學(xué)生使用時(shí)可更好地結(jié)合教材進(jìn)行理解。

在以后的實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的SNR區(qū)間應(yīng)盡量擴(kuò)大，而且SNR的中心對(duì)稱點(diǎn)選擇也需要進(jìn)一步改進(jìn),同時(shí)，TB分塊可考慮其他方法。

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Improvement of HARQ Cross-layer System Simulation Based on Maltab

LIUGao-huaa,b,SUHan-songa,b,ZHIWena,ZENGZhao-quana,LIULina,b

(a. School of Electronic Information Engineering; b. Electrical and Electronic Experimental Teaching Center,Tianjin University, Tianjin 300072, China)

To improve and verify the traditional mechanism and performance of HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request), a communication system was established by using the abstract physical layer method based on Matlab. Long Term Evolution (LTE) Protocol was the core of the HARQ technology. The improved HARQ mechanism was system-level simulated in the whole process of LTE Media Access Control(MAC) layer and physical layer. By comparing with traditional communication of LTE non-HARQ, quality, throughput and block error rate were improved. It optimized performance and upgraded the actual LTE system. The experimental results and HARQ simulation system could be used in the evaluation of LTE system performance and the teaching of HARQ.

LTE; HARQ simulation system; Matlab simulation; system optimization

2014-04-17

劉高華(1987-)，女，山東煙臺(tái)人，碩士，助理工程師，主要研究方向：無線通信。Tel.:13602006025；E-mail：suppig@126.com

TP 315

A

1006-7167(2015)01-0097-06