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（清华大学 电子工程系，北京 100084）
摘 要：为提高系统的通过率及译码效率，高速可靠数据传输系统采用混合ARQ方案。本文提出了一种基于交织重组和星座重组的混合ARQ方案，分析了系统的通过率、误帧率及重传时延。通过仿真说明本方案可获得较大的通过率增益，减小重传延时，提高了系统的传输可靠性。
关键词：正交频分复用技术; 数据传输；混合ARQ;通过率;QAM;交织
A Type-II HARQ Scheme Using Interleaving Rearrangementand Constellation Rearrangement
CHENG Jin-xia, ZHOU Shi-dong, YAO Yan
(Department of Electronic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084,China)
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Hybrid automatic repeat request (HARQ) protocol is always used for reliable high rate wireless services for the purpose of improving throughput and decoding efficiency of communication systems. This paper presents a new type-II HARQ scheme using constellation rearrangement and interleaving rearrangement. The retransmission protocol is described and then throughput is analyzed. Simulations show that the proposed scheme achieves higher throughput, reduces the transmission delay and improves the reliability of the system.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：OFDM; Data transmission; Hybrid ARQ; Throughput; QAM; Interleaving
一、前言
为了实现高传输速率的可靠数字通信系统，采用前向信道纠错编码（FEC）技术和自动重传请求（ARQ）机制相结合的混合ARQ方案。它提供比单纯的FEC系统更高的译码可靠性，同时也提供比单纯的ARQ机制更高的通过率。在即将商用的第三代移动通信系统以及未来的超三代移动通信系统中，传输业务的多元化趋势使得混合ARQ方案对于实时性要求不是特别严格的数据、图像等多媒体业务呈现出很大的优势。
混合ARQ方案主要包括2种类型：Type-I、Type-II［1，2］。在Type-I混合ARQ方案中，接收端一旦检测到不可纠正误码将丢弃该数据包；在Type-II混合ARQ方案中，这些错误的数据将被保存下来并与重传的数据进行合并从而进行更加可靠的译码。由于每次重传均能获得更多的译码信息，因此Type-II方案性能明显优于Type-I方案。根据每次重传的数据内容的不同，Type-II混合ARQ又可以分为Chase合并型、增量冗余型。在Chase合并方案中每次重传数据的内容相同，而在增量冗余方案中每次重传内容包含额外的冗余信息。后者较之前者具有更大的性能优势，但在发送端和接收端需要更多的存储器。
在高数据率移动通信系统中，无线信道的多径所引起的衰落很大程度地影响了系统的传输质量。由于时延扩展相对于符号周期而言较大，使得符号间干扰（ISI）非常严重,而正交频分复用技术（OFDM）技术可以很好解决ISI问题。OFDM系统把高速的数据流经串并变换后分解为若干低速的数据流并调制至各正交子载波上，从而使得每个子载波上的符号周期大大加长，因此有效地提高了对多径传输的抵抗能力，减小了ISI影响。另外在OFDM符号前加足够长的保护间隔也可以消除ISI。
本文提出了交织重组和星座重组相结合的Type-II型混合ARQ方案。为了克服移动无线信道所产生的突发误码以及减少OFDM各子载波间的相关性对重传性能的影响，本文提出了交织重组的方法。交织重组体现出符号间重新排序的思想。另外，文献［3］中表明星座重组在AWGN信道中能获得很大的通过率增益并有效减少误帧率，星座重组体现出符号内重新排序的思想。文章对通过率、误帧率及时延进行了分析并基于多径时变信道进行仿真，比较了传统方案与本方案的性能差异。在本文中，性能分析和仿真在Chase合并Type-II型混合ARQ方案的基础上进行。
二、原理
1． 交织重组原理
移动通信信道的干扰、深衰落等往往产生较长的突发误码，采用交织技术的目的是使误码离散化，使突发差错信道变为离散差错信道，接收端能纠正随机离散误码从而改善整个数据序列的传输质量。
一般情况下，交织规则可以用一个仅由1和0组成的N×N阶方阵A来表示［4］。如果需要进行交织的序列以行矢量a来表示，经过交织器后的序列以行矢量a′来表示。则它们之间的关系可表示如下：
类似地在接收端，数据序列经过解交织器恢复为原来的顺序。解交织过程可表示如下： 
但是在非高速移动状态下，如果每次重传时均采用相同的交织规则，Chase合并型混合ARQ所取得的时间分集增益很小。这是由于在非高速移动状态下，每次重传时信道变化十分小所造成的。为了很好地利用OFDM系统中的子载波资源，对于每次重传时采用不同的交织规则，实现频率分集［5］。多径传输环境产生信号的频率选择性衰落，相隔越远的子载波间的衰落相关性越小。当采用不同的交织规则时，每次重传的数据将分配至相隔较远的子载波上。接收端对于重传的数据进行Chase合并时将同时获得时间分集增益和频率分集增益。下面具体说明交织重组原理。
考虑一个长度为1024的符号序列a1×1024进入交织器。第一次传输前所采用的交织矩阵为A。A表示如下：
其中Ａ是1 024×1 024阶方阵，Ai,j是64×64阶方阵，I64×64是64×64阶单位矩阵，O64×64是64×64阶零矩阵。交织矩阵中每行每列均只有一个1，其余所有值均为0。当接收端出现不可纠正误码时，保存该帧数据以便于与重传数据合并进行联合。
图1表示4次数据传输时的交织规则。当输入1~1 024的升序整数序列时，交织器的4次输出数据如图1所示。由图可以看出对于每次重传时数据被分配至距离尽可能远的子载波上。当数据传输次数大于4时，交织重组规则重复使用。
2. 星座重组原理
由于高进制调制技术可以有效地提高系统的频谱利用率，因此被广泛应用于高数据速率通信系统中。目前多进制方形QAM调制方式被普遍应用。但是所有的多进制映射方式均导致了同一映射符号内各比特的译码可靠性差异［2，3］，从而使得纠错码性能很难达到最优。因此文献［3］中提出了星座重组的方法。星座重组方法改变每次重传数据比特的符号映射规律从而使合并后的对数似然信息获得更加平均的译码可靠性。图2表明16QAM调制方式的星座映射变化示意图［3］。图中的4种映射方式均采用格雷码映射方式。(a)和(c)中i1和q1的译码可靠性高于i2 和q2，(b)和(d)中i2和q2的译码可靠性高于i1 和q1。当数据传输次数大于4时，星座重组规则重复使用。
三、性能分析
本文主要通过通过率（η）、误帧率（FER）及重传时延来比较方案的性能优劣。通过率η定义为
式中Nrec表示接收端正确接收的信息比特数;
Ntrans表示发送端实际发送的总符号数。
其中已经考虑了CRC校验比特、循环前缀及编码器拖尾比特的影响。Ntrans=NTr,其中N是不计重传情况下发送的总符号数，Tr是平均每个符号的传输次数。
采用状态转移图来分析Tr值。设定最大重传次数为3，数据不需要重传的状态为1，数据重传1次的状态为2，重传2次的状态为3，重传3次的状态为4，且处于以上4种状态的概率分别为φ1、φ2、φ3和φ4。设pi(i=1,2,3)为从状态i至i+1的状态转移概率。
图3中1表示译码正确，0表示译码错误。根据状态转移方程得到：
将(8)式代入(3)式即得通过率公式。
四、仿真结果及分析
本文对传统的Chase合并Type-II型混合ARQ、基于星座重组的混合ARQ以及交织重组与星座重组相结合的混合ARQ三者的性能进行仿真和比较。具体仿真参数见表1。
在仿真过程中，采用Turbo码作为信道纠错码，接收端经软解调后输出相应比特的对数似然比(LLR)，然后作为软译码信息进入Turbo译码器；如出现译码错误，发送端将重传该帧数据并在接收端进行LLR的合并。图4、图5和图6（图中简称：传统的Chase合并方法称为CC；星座重组方法称为CR；交织重组方法简称为IR）对三者的通过率(η)、误帧率(FER)和时延分别进行比较。其中时延由重传次数来衡量。图4表明星座重组虽然获得通过率增益，但相对于文献［3］中在AWGN信道下所获得的性能提高而言是较小的。这主要是由于多径时变的复杂信道使得星座重组带来的平均比特可靠性的提高不能得到很好的体现。然而交织重组与星座重组相结合却获得了很大的通过率增益，当接收信噪比较低时尤为突出。 通过图5可以得到结论：星座重组与交织重组结合的混合ARQ方法大大降低了系统的误帧率，提高了系统的传输可靠性。图6表示两者相结合的混合ARQ方法减少了系统传输时延，因此较传统方法更适合实时业务。
五、结论
本文基于OFDM系统提出了交织重组和星座重组相结合的Type-II型混合ARQ方案，通过仿真验证了这种符号间与符号内联合重组的方案有效地提高了系统的通过率，降低了误帧率及重传时延。该方法使得系统实现复杂性略有提高。
参考文献
［1］S Lin， D J Costello, Jr. Error Control Coding: Fundamentals and Applications［M］. NJ: Prentice Hall, 1983
［2］Ch Wengerter, A Golitschek Edler von Elbwart, E Seidel. Advanced Hybrid ARQ technique employing a signal constellation rearrangement［A］. IEEE VTC'02［Ｃ］.2002
［3］3GPP TSG RAN WG1, Enhanced HARQ method with signal constellation rearrangement［Ｓ］
［4］Sai-Weng Lei , Vincent K N. Lau. Performance analysis of adaptive interleaving for OFDM systems［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology,2002，51（3）
［5］T Kumagai, M Mizoguchi, T. Onizawa, etal. A maximal ratio combining frequency diversity ARQ scheme for OFDM signals［A］. IEEE PIMRC'98 Vol.2［C］. Sep. 1998.528～532
［6］Rec. ITU-R M.1225, Guidelines for Evaluation of Radio Transmission Technologies for IMT-2000［Ｓ］
作者：程锦霞，周世东，姚 彦 来源：电讯技术
