CN102739378B - 适用于卫星移动通信系统的自适应虚拟混合重传方法 - Google Patents

Abstract

适用于卫星移动通信系统的自适应虚拟混合重传方法，首先，接收端根据接收到的导频信号，预测估计发射端信号发送时刻的信道质量；联合选择可正确传输且速率最大的编码调制方式和一次发送的同一编码块多个冗余版本，并把选择结果反馈给发射端；然后，发射端根据所选择编码调制方式以及一次发送的编码块冗余版本数所对应的等效码率，基于可用资源粒子数计算传输块长度,完成信道编码、速率匹配和调制，信道自适应地实现单个或多个冗余版本在给定时频资源块的一次发送；最后，接收端接收数据后对可能发送的多个冗余版本按照HARQ解码方式进行合并译码。该方法提高了链路的可靠性，适用于具有大传输时延和功率受限特征的卫星移动通信系统。

Description

适用于卫星移动通信系统的自适应虚拟混合重传方法

技术领域

本发明涉及链路自适应和混合重传机制，特别涉及一种自适应虚拟混合重传方法（即HARQ），用于提高卫星移动通信链路可靠性的自适应链路方法。

背景技术

兼容地面移动通信系统是卫星移动通信的发展趋势。目前，已经提出了一些旨在实现卫星和4G地面空中接口共性最大化的创新型设计。这些设计针对卫星信道的特殊性，例如装载的功率放大器引起的非线性失真、大传输延时和时间分集降低等，做出了必要的修改同时保证其它部分和地面方案兼容。因此，突出地面和卫星环境下移动信道传输模型的区别是非常重要的。实际上在地面部署中，通过采用机会调度，为每个用户选择信道条件较好的时隙和带宽抵消了信道的时间频率选择性衰落。但是，卫星链路大传播时延的特点，阻碍了用户和地面终端之间信道质量参数和探测信号之间的及时持续交换。因而，传统的HARQ和自适应技术都不能直接应用于卫星通信系统。

发明内容

本发明的目的就在于解决现有LTE技术直接应用于卫星通信系统中的缺陷，提出了一种兼容LTE的自适应虚拟HARQ方法，提高了卫星通信系统的链路可靠性。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种适用于卫星移动通信系统的自适应虚拟混合重传方法，包括以下步骤：

1）接收端根据接收到的导频信号，预测估计发射端信号发送时刻的信道质量；联合选择可正确传输且速率最大的编码调制方式和一次发送的同一编码块冗余版本数，并把选择结果的指示信息反馈给发射端；

2）发射端根据所选择编码调制方式以及一次发送的编码块冗余版本数所对应的等效码率，根据给定时频资源块中可用资源粒子数计算传输块长度,完成信道编码、速率匹配和调制，信道自适应地实现单个或多个冗余版本在给定时频资源块的一次发送；

3）如果发射端选择一次发送多个冗余版本，则接收端接收数据后对多个冗余版本按照自适应虚拟HARQ解码方式进行合并译码。

有益效果：该发明实现了对3GPP LTE自适应调制编码的扩展和增强，提高了链路的可靠性，适用于具有大传输时延和功率受限特征的卫星移动通信系统。

附图说明

图1为本发明适用于卫星移动通信系统的自适应虚拟混合重传方法流程图；

图2为本发明实施例所构造虚拟HARQ方法扩展码率的示意图；

图3为本发明实施例在K=9时系统的频谱效率随信噪比增长的示意图。

具体实施方式

一种适用于卫星移动通信系统的自适应虚拟混合重传方法，包括以下步骤：

1）接收端根据接收到的导频信号，预测估计发射端信号发送时刻的信道质量；联合选择可正确传输且速率最大的编码调制方式和一次发送的同一编码块多个冗余版本，并把选择结果的指示信息反馈给发射端；

2）发射端根据所选择编码调制方式以及一次发送的编码块冗余版本数所对应的等效码率，根据给定时频资源块中可用资源粒子数计算传输块长度,完成信道编码、速率匹配和调制，信道自适应地实现单个或多个冗余版本在给定时频资源块的一次发送；

3）如果发射端选择一次发送多个冗余版本，则接收端接收数据后对多个冗余版本按照自适应虚拟HARQ解码方式进行合并译码。

所述步骤1）中，接收端根据预测估计的信道质量，选择调制编码方式和一次发送的编码块冗余版本数，方式如下：

根据系统所支持的调制编码方式和同一编码块的冗余版本产生方法，确定可用于自适应选择的发送方式集合。每一种发送方式对应一种调制编码方式和一种冗余版本一次发送数量的组合。

通过链路仿真获得每一种可能发送方式（调制编码方式及冗余版本一次发送数量）在不同信噪比（SNR）下的误帧率（BLER），制成SNR-BLER表格并存储起来。基于上述表格，发送方式的自适应选择可按如下步骤实现：

先根据所有的抽样资源粒子的SINR计算可用资源块的等效SINR_eff，SINR_eff的计算表达式如下：

${\mathrm{SINR}}_{\mathrm{eff}}=I^{-1}\left(\frac{1}{\mathrm{KN}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}I\left({\mathrm{SINR}}_{n,k}\right)\right);$

其中(n,k)表示抽样的资源粒子所在OFDM符号和子载波的编号，N表示所有抽样OFDM符号数，K表示每个符号中抽样子载波的总数；SINR_n，k表示抽样资源粒子（n,k）上的信干噪比；I（x）是压缩函数，也称为信息测度函数，I^-1（x）是I（x）的反函数。

然后把等效SINR_eff输入表格，根据期望的误帧率水平，找出该等效SINR_eff可支持的且具有最高信息速率的调制编码方式和冗余版本一次发送个数。具体实现过程可按如下方法：

把所有可能的发送方式（调制编码方式及冗余版本一次发送数量）所对应的信息速率从大到小进行排序，每一种发送方式的信息速率计算表达式为：信息速率＝调制阶数*码率／冗余版本一次发送个数。然后按信息速率由大到小顺序搜索各种发送方式，如果被搜索发送方式SNR-BLER表格中给定BLER所需的SNR值大于等效SINR_eff，表示该等效SINR_eff不能支持该信息速率，需继续往下搜索，直至找到可支持的信息速率，即该信息速率对应的发送方式下给定BLER所需的SNR值小于或等于等效SINR_eff。

所述步骤2）中，具体实现步骤如下：根据所选择的编码调制方式以及一次发送的编码块冗余版本数所对应的等效码率,基于给定时频资源块中可用资源粒子数计算传输块长度，基于选择的调制编码方式，按照3GPP LTE/LTEA的规范进行信道编码和速率匹配，生成所需要的多个冗余版本，调制后把多个冗余版本字段按一定的规律正交映射到整个资源块。

所述的整个资源块可以是3GPP LTE规范的单个TTI,也可以是连续的多个TTI，或者是多个等间隔分开的TTI。

所述步骤3）中，接收端在接收完所述的资源块的信号后，根据冗余版本的映射方式，把各个冗余版本对应的接收信号解映射并分别进行软解调、解速率匹配，然后把多个冗余版本进行合并译码。

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明实例中的接收端根据接收到的导频序列，预测估计发射端信号发送时刻的信道质量，联合选择可正确传输且速率最大的编码调制水平和一次发送的同一编码块多个冗余版本，并把选择结果的指示信息反馈给发射端。发射端根据所选择编码调制方式以及一次发送的编码块冗余版本数所对应的等效码率，完成信道编码、速率匹配和调制，信道自适应地实现单个或多个冗余版本在连续多个TTI的一次发送。

图1为本发明适用于卫星移动通信系统的自适应虚拟混合重传方法的具体实现步骤：

步骤1、用户接收端根据接收到的卫星发送的导频序列采用最小二方差LS算法或最小均方误差MMSE算法估算当前信道信息,并计算导频资源粒子上的信干噪比

步骤2、根据步骤1中计算得到的导频资源粒子信噪比计算可用资源块的等效SINR_eff，SINR_eff的计算表达式如下：

${\mathrm{SINR}}_{\mathrm{eff}}=I^{-1}\left(\frac{1}{\mathrm{KN}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}I\left({\mathrm{SINR}}_{n,k}\right)\right);$

其中(n,k)表示导频资源粒子所在OFDM符号和子载波的编号，N表示所有含有导频资源李子的OFDM符号数，K表示每个OFDM符号中导频位置子载波的总数；SINR_n，k表示导频资源粒子（n,k）上的信干噪比；I（x）是压缩函数，也称为信息测度函数，I^-1（x）是I（x）的反函数；

步骤3、把步骤2中的等效SINR_eff输入通过链路级仿真得到的信噪比-误帧率表格，根据期望的误帧率水平，找出该等效SINR_eff可支持的且具有最高信息速率的调制编码方式和冗余版本一次发送个数；具体实现过程可按如下方法：

把所有可能的发送方式（每种方式对应一种调制编码方式和冗余版本一次发送数的组合）所对应的信息速率从大到小进行排序，每一种发送方式的信息速率计算表达式为：信息速率＝调制阶数*码率／冗余版本一次发送个数；然后按信息速率由大到小顺序搜索各种发送方式，如果被搜索发送方式的信噪比与误帧率表格中给定BLER所需的信噪比值大于等效SINR_eff，表示该等效SINR_eff不能支持该信息速率，需继续往下搜索，直至找到可支持的信息速率，即该信息速率对应的发送方式下给定BLER所需的信噪比值小于或等于等效SINR_eff。

接收端把按上述方法选择的调制编码方式和冗余版本一次发送数目的指示信息反馈给发射端；需要指出的是，3GPP LTE/LTE-A标准中支持的编码调制水平共有27种，对应27种码率；本发明中支持HARQ中的多个冗余版本同时或连续发送，扩展了等效码率的支持数量；由于LTE中每个编码块最多可以生成4个冗余版本，因此最多可扩展到108种等效码率，如图2所示。

步骤4、发射端根据调制编码方法和冗余版本个数选择结果所对应的等效码率,基于可用的资源粒子总数计算传输块长度，基于选择的调制编码水平，按照3GPP LTE/LTEA的规范进行信道编码和速率匹配，生成所需要的多个冗余版本，调制后把多个冗余版本字段按一定的规律正交映射到给定的时频资源块。时频资源块可以是单个或连续的多个TTI，或者是多个等间隔分开的TTI,以尽可能获得时间分集；

步骤5、接收端在接收到资源块信号后，根据冗余版本的映射方式，把各个冗余版本对应的接收信号解映射并分别进行软解调、解速率匹配，然后多个冗余版本进行合并译码。

从本发明实施例提供的方法可以看出，本发明实施例不仅能兼容LTE，而且能自适应地选择调制编码方式和连续发送的冗余版本数，可以在不改变发送端的条件下降低码率；本发明实施例使用的虚拟HARQ技术可以显著提高信息正确接收的概率，提高卫星通信系统的链路可靠性。

仿真平台及参数设置

参照LTE中相关标准TS36.211、TS36.212和TS36.213^【1-3】，利用MATLAB和C语言搭建移动卫星通信信道的仿真平台，对上述发明进行链路级仿真评估。其中一些重要的参数如下表所示。

在卫星下行链路的仿真中，采用常规循环前缀（CP）的LTE帧结构，一个子帧有14个OFDM符号，以一个子帧（1ms）为1个TTI，传输带宽为1.4MHz,共占6个资源块（RB）。卫星配置1个发送天线与用户通信，用户配置一个接收天线，信道模型为莱斯信道模型。

参数	参数设置
		载频	2GHz
传输带宽	1.4MHz
		RB数目	6
子带划分	1
		信道编码	Turbo编码
天线配置	1Tx1Rx
		信道	莱斯信道，K=9
多普勒频偏	200Hz
		信道估计	理想信道估计
反馈间隔	1TTI
		反馈延时	130TTIs

图3的仿真结果表明：图中分别给出不使用HARQ进行速率扩展的自适应结果以及使用HARQ进行速率扩展（扩展至108种等效码率）的结果。可以看到，采用HARQ进行速率扩展的方法在中低信噪比区间可以有效系统的频谱效率。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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种适用于卫星移动通信系统的自适应虚拟混合重传方法，其特征在于，包括以下步骤： 

1)接收端根据接收到的导频信号，预测估计发射端信号发送时刻的信道质量；联合选择可正确传输且速率最大的编码调制方式和一次发送的同一编码块多个冗余版本，并把选择结果的指示信息反馈给发射端； 

2)发射端根据所选择编码调制方式以及一次发送的编码块冗余版本数所对应的等效码率，根据给定时频资源块中可用资源粒子数计算传输块长度，完成信道编码、速率匹配和调制，信道自适应地实现单个或多个冗余版本在给定时频资源块的一次发送； 

3)如果发射端选择一次发送多个冗余版本，则接收端接收数据后对多个冗余版本按照自适应虚拟HARQ解码方式进行合并译码； 

所述步骤1)中，接收端根据预测估计的信道质量，选择调制编码方式和一次发送的编码块冗余版本数，方式如下： 

根据系统所支持的调制编码方式和同一编码块的冗余版本产生方法，确定可用于自适应选择的发送方式集合；每一种发送方式对应一种调制编码方式和一种冗余版本一次发送数量的组合；

通过链路仿真获得每一种发送方式在不同信噪比下的误帧率，制成信噪比与误帧率的表格并存储起来，基于上述表格，发送方式的自适应选择可按如下步骤实现： 

先根据所有的抽样资源粒子的信噪比计算可用资源块的等效SINR_eff，SINR_eff的计算表达式如下： 

其中(n，k)表示抽样的资源粒子所在OFDM符号和子载波的编号，N表示所有抽样OFDM符号数，K表示每个符号中抽样子载波的总数；SINR_n，k表示抽样资源粒子(n，k)上的信干噪比；I(x)是压缩函数，也称为信息测度函数，I^-1(x)是I(x)的反函数； 

然后把等效SINR_eff输入表格，根据期望的误帧率水平，找出该等效SINR_eff可支持的且具有最高信息速率的调制编码方式和冗余版本一次发送个数；具体实现过程可按如下方法： 

把所有可能的发送方式所对应的信息速率从大到小进行排序，每一种发送方式的信息速率计算表达式为：信息速率＝调制阶数*码率/冗余版本一次发送个数；然后按信息速率由大到小顺序搜索各种发送方式，如果被搜索发送方式的信噪比与误帧率表格中给定BLER所需的信噪比值大于等效SINR_eff，表示该等效SINR_eff不能支持该信息速率，需继续往下搜索，直至找到可支持的信息速率，即该信息速率对应的发送方式下给定BLER所需的信噪比值小于或等于等效SINR_eff； 

所述步骤2)中，具体实现步骤如下：根据所选择的编码调制方式以及一次发送的编码块冗余版本数所对应的等效码率，基于给定时频资源块中可用资源粒子数计算传输块长度，基于选择的调制编码方式，按照3GPP LTE/LTEA的规范进行信道编码和速率匹配，生成所需要的多个冗余版本，调制后把多个冗余版本字段按一定的规律正交映射到整个资源块； 

所述步骤3)中，接收端在接收完所述的资源块的信号后，根据冗余版本的映射方式，把各个冗余版本对应的接收信号解映射并分别进行软解调、解速率匹配，然后把多个冗余版本进行合并译码。 

2.根据权利要求1所述的自适应虚拟混合重传方法，其特征在于，所述的整个资源块可以是3GPP LTE规范的单个TTI，也可以是连续的多个TTI，或者是多个等间隔分开的TTI。