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宽带通信HARQ 技术介绍

宽带通信HARQ 技术介绍

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混合自动请求重传 HARQ
混合自动重传请求(HARQ)技术 AMC 能够提供粗略数据速率选择,而 HARQ 基于信道条件可以提供精确的 速率调整。AMC 根据 UE 测量的或者网络端决定的信道条件来选择一个适当的 调制编码方式 MCS。要最大限度的提高系统容量,需要一个准确的测量,还要 去除时延的影响。 HARQ 能够自动的适应瞬间信道条件并且不太受测量差错和时 延的影响。将 AMC 和 HARQ 联合使用会得到更好的效果,AMC 提供较粗的数 据速率选择,而 HARQ 则提供基于信道条件的细微的数据速率调整。 HARQ 系统就是在 ARQ 系统中引入了前向纠错码 FEC, FEC 可以用来纠 该 正传输过程中的数据差错,即如果错误在 FEC 的纠错范围内,那么 FEC 就进行 纠错,如果超出了其纠错范围,那么就要请求重传。因此该方案既增加了系统的 可靠性又提高了系统的传输效率。 关于三种 HARQ 方式原理的说明。 RLC ARQ 模式就属于第一类 HARQ。 是在基本的第一类 HARQ 中加有 CRC, 采用前向纠错 FEC 编码。在接收端对 FEC 编码进行解码,并对数据分组的数据 进行校验。如果发现有错误,则要求数据分组重传,并将错误的数据分组丢弃。 重传采用与第一次传输相同的编码。 在 TD-HSDPA 中 HARQ 使用的是第二类 HARQ 和第三类 HARQ。 HARQ 有两种主要的工作机制:第一种是选择重传(SR,Selective Repeat) 方式,第二种是等待停止(SAW,Stop and Wait)方式。在 TD-SCDMA 系统下 的 HSDPA 使用的是 SAW 方式。在 SAW 方式下,发端发送数据后便开始等待, 编码正确的确认信息长为一个比特,同时序列号长为一个比特也足够了。这种操 作模式会导致信道利用率的下降, 因为在发端等待响应的这个时间段内没有任何 信息块传输。为了克服 SAW 信道利用率的这个缺点,于是就提出了双重信道 (Dual channel)HARQ,该方案采用了并行等停协议,即在并行信道上运行两 套不同的 ARQ 协议。 现在,分析为什么要采用这种重传机制。如前所述,对 HSDPA 最重要的应 用是高速数据业务,所以要求较低延时(可以略高于语音业务)和低的误码率。 TCP 是广泛采用并能很好解决可靠传输的协议,但 TCP 协议的设计主要基于有 线网络,无线信道的条件远差于有线信道,这就需要有其他协议来补充 TCP 的 不足。最好的方法就是在 TCP 定时到达之前恢复错误,也就是说在 TCP 的下层 采用适当的方法保证一定的可靠度。RLC 层的 ARQ 就起到类似的作用,RLC 帧 小于 TCP 分段,这样就能在 TCP 之前更有效的保证可靠度。这也就是为什么采 用重传机制的理由。 但是 HSDPA 的重传机制设计是放在 MAC 层。这主要有两个原因:第一, 减小时延。RLC 的往返时间(RTT,Round Trip Time)时延大约是 80—100ms, 如果移动台的衰落比较严重,信道条件比较恶劣的时候,这个时间还是太大了。 而 MAC 层的时延要远小于 RLC 层, 而且避免了 Iub 接口的时延。 这样重传机制 在 MAC 层就可以快速的反馈。 另外, 可以保证在任何时刻 UE 只接收一个 Node B 的数据,当移动台发生切换时,只需要简单的和新建立连接的 Node B 执行 HARQ 机制。HARQ 技术的实现需要 UE 和 Node B 两端的物理层和 MAC 层紧 密结合。
自适应调制编码 AMC 技术

无线信道的一个很重要的特点就是具有很强的时变性, 短时间的瑞利衰落可以达到十几 个甚至几十个 dB。对这种时变特性进行自适应跟踪会给系统性能的改善带来很大的好处。 链路自适应技术可以有很多方法,如功率控制和 AMC 等。HSDPA 就是在原有系统固定调 制和编码方案的基础上,引入更多编码率和 16QAM 调制,使得系统能够通过改变编码方式 和调制阶数对链路变化进行自适应跟踪。 TD-SCDMA 系统中的 AMC 主要有两个优点: (1) 处于有利位置的用户可以得到更高的数据速率,提高小区平均吞吐量。 (2) 链路自适应技术通过使用不同的高阶调制方案来代替原来改变发射功率的方案, 从而可以大大减少干扰。 AMC 的这种自适应操作过程可以简单描述如下: (1) 终端 UE 接收下行高速共享控制信道 HS-SCCH 消息,指示下一个高速下行共 享信道 HS-DSCH 传输的资源分配情况。 (2) UE 进行相应的信道测量,这个测量可以通过相应的导频信道获得。 (3) 根据 HS-DSCH 资源分配情况和测量结果,UE 产生一个信道质量指示 CQI, 并在相应上行高速共享信息信道 HS-SICH 上报给 Node B。这个 CQI 包括 UE 建议的传输块大小和调制格式。 (4) Node B 的高层根据 UE 的 CQI 报告,选择合适的传输格式。 并在分配的 HS-DSCH TTI (5) Node B 在下行控制信道 HS-SCCH 上携带 UE 的控制信息, 上采用相应的传输格式发送给 UE。 混合自动请求重传 为了克服无线移动信道时变和多径衰落对信号传输的影响,WiMAX 可以采用基于前向纠 错(Forward Error Correction,FEC)和自动重传请求(Automatic Repeat Request, ARQ) 等差错控制方法,来降低系统的误码率以确保服务质量。虽然 FEC 方案产生的时延较小,但 存在的编码冗余却降低了系统吞吐量;ARQ 在误码率不大时可以得到理想的吞吐量,但产生 的时延较大,不宜于提供实时服务。为了克服两者的缺点,将这两种方法结合就产生了混合 自动重传请求(HARQ)方案: 即在一个 ARQ 系统中包含一个 FEC 子系统, FEC 的纠错能力可 当 以纠正这些错误时,则不需要使用 ARQ;只有当 FEC 无法正常纠错时,才通过 ARQ 反馈信道 请求重发错误码组。 ARQ 和 FEC 的有效结合不仅提供了比单独的 FEC 系统更高的可靠性, 而且提供了比单独 的 ARQ 系统更高的系统吞吐量。因此,随着对高数据率或高可靠业务需求的迅速发展,HARQ 成为无线通信系统中的一项关键技术并得到了深入的研究,并必将应用于 WiMAX 系

HARQ(Hybrid-ARQ) HARQ(Hybrid-ARQ)混合自动重传请求
HARQ 系统就是在 ARQ 系统中引入了前向纠错码 FEC, FEC 可以用来纠正传 该 输过程中的数据差错,即如果错误在 FEC 的纠错范围内,那么 FEC 就进行纠错, 如果超出了其纠错范围,那么就要请求重传。 HARQ 的可行性部分受限于发送端和接收端对分组的缓冲能力,因此选择合 SAW) 适的 HARQ 协议很重要。 三种标准的 HARQ 协议为停等协议 Stop-and-Wait, ) (Stop-and-Wait, 、 SAW

步协议(Go-Back- GBN)和选择性重传协议(Selective-Repeat,SR)。 回退 N 步协议(Go-Back-N,GBN)和选择性重传协议(Selective-Repeat,SR)。 (1)停等协议(Stop and Wait):发送端每发送一个数据分组包就暂时停下来, 等待接收端的确认信息。当数据包到达接收端时,对其进行检错,若接收正确, 返回确认(ACK)信号,错误则返回不确认(NACK)信号。当发端收到 ACK 信号, 就发送新的数据,否则重新发送上次传输的数据包。而在等待确认信息期间,信 道是空闲的,不发送任何数据。这种方法由于收发双方在同一时间内仅对同一个 数据包进行操作,因此实现起来比较简单,相应的信令开销小,收端的缓存容量 要求低。但是由于在等待确认信号的过程中不发送数据,导致太多资源被浪费, 尤其是当信道传输时延很大时。因此,停等协议造成通信信道的利用率不高,系 统的吞吐量较低。 (2)后退 N 步协议:在采用后退 N 步 HARQ 协议的传输系统中, 发送端发送完一个数据分组后,并不停下来等待确认信息,而是连续发送若干个 数据分组信息。接收端将每个数据包相应的 ACK 或 NACK 信息反馈回发送端,同 时发送回的还有数据包分组号。当接收到一个 NACK 信号时,发送端就重新发送 包括错误数据的 N 个数据包。接收端只需按序接收数据包,在接收到错误数据包 后即使又接收到正确的数据包后还是必须将正确的数据包丢弃, 并重新发送确认 信息。(3)选择重发协议:基于窗口的 SR 是一种被许多系统采用的 HARQ 协议, 包括 RLCR99(也称 R3 版本,是 3GPP 目前最成熟、最稳定的版本)。为了进一 步提高信道的利用率,选择重发协议只重传出现差错的数据包,但是此时收端不 再按序接收数据分组信息, 那么在收端则需要相当容量的缓存空间来存储已经成 功译码但还没能按序输出的分组。同时收端在组合数据包前必须知道序列号,因 此,序列号要和数据分别编码,而且序列号需要更可靠的编码以克服任何时候出 现在数据里的错误,这样就增加了对信令的要求。
HARQ 基本类型 HARQ 技术综合了 FEC 与 ARQ 的优点,是 FEC 和 ARQ 相结合的一种纠错方法。在 HARQ 中,发端会发送具有一定冗余信息的数据,接收端首先进行 FEC,如果依然不能正确解调, 则要求发端重新发送数据。因此,HARQ 避免了 FEC 需要复杂的译码设备和 ARQ 方式信息连 贯性差的缺点,并能使整个系统误码率很低。 HARQ 技术可以提高系统性能,并可灵活地调整有效编码速率,还可以补偿由于采用链 路适配所带来的误码。 将自动重传请求协议与转发误差纠正组合起来, 可生成 3 种混合自动 重传请求机制,包括 HARQ-I 型、HARQ-Ⅱ型和 HARQ-Ⅲ型等。 HARQ 的工作原理 HARQ 是指接收方在解码失败的情况下,保存接收到的数据,并要求发送方重传数据, 接收方将重传的数据和先前接收到的数据在解码之前进行组合。HARQ 技术可以提高系统性 能,并可灵活地调整有效码元速率,还可以补偿由于采用链路适配所带来的误码。 HARQ 技术属于差错控制技术的一种。差错控制技术的目的在于提高信号的传输质量, 保证信息可靠性,除了 HARQ 外,还有两种主要的方式:前向纠错(FEC)和检错加自动重传 (ARQ)。FEC 技术根据接收数据中冗余信息来进行纠错,特点是“只纠不传”。ARQ 技术依靠 错码检测和重发请求来保证信号质量,特点是“只传不纠”。

如果在一个 TTI(Transmission Time Interval, 传输时间间隔)内的数据解码发生错误, 那么重传操作会在后面几个传输时间间隔时段内执行。 一旦数据被重传, 用户设备将对先前 版本的数据和当前重传的数据进行组合, 这极大地提高了重传成功的几率。 直到数据成功解 码或达到了预先定义的最大尝试次数,重传操作才会结束。 HARQ 也是一种链路自适应的技术。 AMC 中, 在 采用显式的 C/I(Carrier/Interference, 载波/干扰)测量来设定调制编码的格式;而在 HARQ 中,链路层的信息用于进行重传判决。 终端通过 HARQ 机制快速请求基站重传错误的数据块,以减轻链路层快速调整导致的数据错 误带来的影响。 终端在收到数据块后 5ms 内向基站报告数据正确解码或出现错误。 终端在收 到基站重传数据后,在进行解码时,结合前次传输的数据块以及重传的数据块,充分利用它 们携带的相关信息,以提高译码概率?;驹谑盏街斩说闹卮肭笫?,根据错误情况以及终 端的存储空间, 控制重传相同的编码数据或不同的编码数据(进一步增加信息冗余度), 以帮 助提高终端纠错能力。happylily 关于本词条的评论(共 0 条):查看评论>> HARQ-I 型 HARQ-I 型是传统的 HARQ 方案, 重传的内容与初次发送时相同, 这种方式又被称之为 Chase 合并(Chase Combining,CC)或软合并。Chase 合并算法是 Chase 博士在 1985 年提出的,发 送方每次都发送整个完整的编码码字, 接收端将每次收到的数据包与之前收到的所有数据包 进行 Chase 合并,组合成一个具有更强纠错能力的码字,从而实现增量冗余的目的。Chase 合并的策略是发送有相同编码的数据组,然后在接收端可以将这些多个重发信息进行 SNR(Signal to Noise Ratio,信噪比)加权合并来获得分集接收再进行译码。HARQ-I 型仅 在 ARQ 的基础上引入了纠错编码,即对发送数据包增加循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check,CRC)比特并进行 FEC 编码。接收端对接收的数据进行 FEC 译码和 CRC,如果有错则 放弃错误分组的数据, 并向发送端反馈 NACK 信息请求重传与上一帧相同的数据包, 如图 2-18 所示。

一般来说, 物理层设有最大重传次数的限制, 防止由于信道长期处于恶劣的慢衰落而导 致某个用户的数据包不断地重发,从而浪费信道资源。如果达到最大的重传次数时,接收端 仍不能正确译码(在 WiMAX 系统中设置的最大重传次数为 3), 则确定该数据包传输错误并丢 弃该包, 然后通知发送端发送新的数据包。 这种 HARQ 方案对错误数据包采取了简单的丢弃,

而没有充分利用错误数据包中存在的有用信息。因此,HARQ-I 型的性能主要依赖于 FEC 的 纠错能力。 HARQ-Ⅱ型 Ⅱ HARQ-Ⅱ型也称作完全增量冗余方案,重传时的数据与前次发送有所不同,这种方式又被 称之为增量冗余。 增量冗余策略是在第一次译码失败时, 另外再传输附加冗余信息而不是再 将整个数据码组重传一次。在这种方案下,信息比特经过编码后,将编码后的校验比特按照 一定的周期打孔, 根据码率兼容原则依次发送给接收端。 接收端对已传的错误分组并不丢弃, 而是与接收到的重传分组合并进行译码。其中,重传数据并不是已传数据的简单复制,而是 附加了冗余信息。 接收端每次都进行组合译码, 将之前接收的所有比特组合形成更低码率的 码字,从而可以获得更大的编码增益,达到增量冗余的目的,如图 2-19 所示。每一次重传 的冗余量是不同的, 而且重传数据不能单独译码, 通常只能与先前传的数据合并后才能被解 码。

在Ⅱ类混合自动请求重传方案(HARQ)中,发送方只在第一次传输具有误差检测码的分 组。如果分组接收后存在误差,则接收方将分组存储在缓冲区中,并发送一条重传请求;如 果重传的分组被正确接收,则接受该分组并丢弃缓冲区中的错误分组。另外,两个错误分组 也可以通过解码算法进行纠正。

HARQ-Ⅲ型 Ⅲ HARQ-Ⅲ型是完全增量冗余重传机制的改进。在该机制中,每次的重传是可以进行自解码 的,这一点与 HARQ—Ⅱ型不同。对于每次发送的数据包采用互补删除方式,各个数据包既 可以单独译码,也可以合成一个具有更大冗余信息的编码包进行合并译码。另外,根据重传 的冗余版本不同,HARQ—Ⅲ又可进一步分为两种:一种是只具有一个冗余版本的 HARQ—Ⅲ, 各次重传冗余版本均与第一次传输相同, 即重传分组的格式和内容与第一次传输的相同, 接 收端的解码器根据接收到的信噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)加权组合这些发送分组 的复制品,这样可以获得时间分集增益;另一种是具有多个冗余版本的 HARQ—Ⅲ,各次重 传的冗余版本不相同, 编码后的冗余比特的删除方式是经过精心设计的, 使得删除的码字是 互补等效的,每次重传冗余信息时要对不同的比特进行打孔。因此,合并后的码字能够覆盖 FEC 编码中的比特位,使译码信息变得更全面,更利于正确译码。编码速率 RC=2/3 时各 类 HARQ 的具体传输过程如图 2-20 所示。

增量冗余方式的性能要优于 Chase 合并方式, 但在接收端侧需要更大的内存。 终端的默 认内存容量是根据终端所能支持的最大数据速率和 Chase 合并方式设计的, 因而在最大数据 速率时,只可能使用 Chase 合并;而在使用较低的数据速率传输数据时,两种方式都可以使 用。 WiMAX 接受的重传方案是具有分组合并功能、基于 SW 的 N 信道 I 类混合自动请求重传 (HARQ)方案,该方案主要用来降低接收机缓冲要求,如图 2-21 所示。对于用户设备 1(UEl) 来说,分组使用 4 个并行 ARQ 进程进行传送;对于用户设备 2(UE2)来说,分组使用 1 个 ARQ 进程进行传送,每个进程采用的都是停止等待原理。在其他分组传送期间,每个分组得到, 从而当存在要传输的分组时,能够确保下行信道一直被占用。

当 N 信道 HARQ 支持异步传输时, 假定存在着用于识别分组所有者的正确 HARQ 进程, 则 可以自由地对不同用户进行调度,而无需等待某次传输的完成。当信道再次进行分配时,通 常假定给定用户的传输将继续进行。 一个数据分组被分为 N 个部分, 并在 N 个信道上进行独立传输和处理。 此过程可以提高 时延性能, 同时也具有开销小的优点。 传统的 I 类混合自动请求重传方案(基本的 I 类 HARQ)

通常丢弃错误分组,与之相比,新方案在对分组进行解码时,通常存储获取的软决策结果。 当重传分组仍包含无法纠正的错误时, 接收机将使用 Chase 合并算法将两个错误的分组合并 起来,以提高信干比(Signal-to-Interference Ratio,SIR)。 在提出的Ⅱ类混合自动请求重传(HARQ)方案中,接收机端首先对信息数据序列进行编 码, 编码速率为 R。 接着, 。 包含收缩码的分组被传输, 该分组的编码速率为 R, 此处 R>R。 。 如果分组没有被接受, 则分组需要使用另外的收缩码进行重传。 将新收到的分组与所存储的 分组进行组合,接收机将能够对组合序列进行解码,解码速率为 RC。因此,Ⅱ类混合自动 请求重传(HARQ)方案能够提高系统性能,既具有时间分集的效果,又能够提高编码增益。 混合自动请求重传(HARQ)方案的吞吐量性能对比实例如图 2-22 所示。

同步和异步 HARQ 按照重传发生的时刻来区分, 可以将 HARQ 可以分为同步和异步两类。 同步 HARQ 是指一 个 HARQ 进程的传输(重传)发生在固定的时刻,由于接收端预先已知传输的发生时刻,因而 不需要额外的信令开销来标识 HARQ 进程的序号, 此时的 HARQ 进程的序号可以从子帧号获得; 异步 HARQ 是指一个 HARQ 进程的传输可以发生在任何时刻, 接收端预先不知道传输的发生时 刻,因此 HARQ 进程的处理序号需要连同数据一起发送。 由于同步 HARQ 的重传发生在固定时刻, 因此没有附加进程序号的同步 HARQ 在某一时刻 只能支持一个 HARQ 进程。实际上,HARQ 操作应该在一个时刻可以同时支持多个 HARQ 进程 的发生,此时同步 HARQ 需要额外的信令开销来标示 HARQ 的进程序号,而异步 HARQ 本身可 以支持传输多个进程。此外,在同步 HARQ 方案中,发送端不能充分利用重传的所有时刻, 例如为了支持优先级较高的 HARQ 进程,则必须中止预先分配给该时刻的进程,那么此时仍 需要额外的信令信息。 根据重传时的数据特征是否发生变化, 又可将 HARQ 分为非自适应和自适应两种。 其中, 传输的数据特征包括资源块的分配、调制方式、传输块的长度、传输的持续时间。自适应传

输是指在每一次重传过程中, 发送端可以根据实际的信道状态信息改变部分的传输参数, 因 而在每次传输的过程中包含传输参数的控制信令信息要一并发送。 可改变的传输参数包括调 制方式、资源单元的分配和传输的持续时间等。在非自适应系统中,这些传输参数相对于接 收端而言都是预先已知的, 故包含传输参数的控制信令信息在非自适应系统中是不需要被传 输的。 在重传过程中, 可以根据信道环境自适应地改变重传包格式和重传时刻的传输方式, 可 以称为基于 IR 类型的异步自适应 HARQ 方案。 这种方案可以根据时变信道环境的特性有效地 分配资源,但是在具有灵活性的同时也带来了更高的系统复杂性。在每次重传过程中,包含 传输参数的控制信令信息必须与数据包一起发送,这样就会造成额外的信令开销;而同步 HARQ 在每次重传过程中的重传包格式,重传时刻都是预先已知的,因而不需要额外的信令 信息。 与异步 HARQ 相比较,同步 HARQ 具有以下的优势:控制信令开销小,在每次传输过程中 的参数都是预先已知的,不需要标出 HARQ 的进程序号;在非自适应系统中接收端操作复杂 度低;提高了控制信道的可靠性,在非自适应系统中,有些情况下,控制信道的信令信息在 重传时与初始传输是相同的,这样就可以在接收端进行软信息合并从而提高控制信道的性 能。 根据物理层/数据链路层的实际需求,异步 HARQ 具有以下的优势:如果采用完全白适 应的 HARQ 技术,同时在资源分配时,可以采用离散、连续的子载波分配方式,调度将会具 有很大的灵活性;可以支持一个子帧的多个 HARQ 进程。

自动重传请求协议 ARQ 技术可以提高系统性能,并可灵活地调整有效编码速率,还可以补偿由于采用链路 适配所带来的误码。常用的自动重传请求协议包括停止等待(Stop and Wait,SW)、后退 N(Back-To-N,BTN)和选择重传(Selective Repeat,SR)等。 (1)停止等待 发送端每发送一个数据分组包就暂时停下来,等待接收端的确认信息。 当数据包到达接收端时,对其进行检错。若接收正确,返回确认(ACK)信号;若错误,则返 回非确认(NACK)信号。当发端收到 ACK 信号时,就发送新的数据,否则重新发送上次传输的 数据包。而在等待确认信息期间,信道是空闲的,不发送任何数据。这种方法由于收发双方 在同一时间内仅对同一个数据包进行操作,因此实现起来比较简单,相应的信令开销小,接 收端的缓存容量要求低。 但是由于在等待确认信号的过程中不发送数据, 导致太多资源被浪 费,尤其是当信道传输时延很大时。因此,停止等待造成通信信道的利用率不高,系统的吞 吐量较低。停止等待 ARQ 的一个简单实例如图 2-15 所示。

(2)后退 N 在传输系统中,如果采用后退 N 的 ARQ 协议,发送端发送完一个数据分组 后,并不停下来等待确认信息,而是连续发送若干个数据分组信息。接收端将每个数据包相 应的 ACK 或 NACK 信息反馈回发送端,同时发送回的还有数据包分组号。当接收到一个 NACK 信号时,发送端就重新发送包括错误数据的 N 个数据包,如图 2-16 所示。接收端只需按序 接收数据包, 在接收到错误数据包后即使又接收到正确的数据包后还是必须将正确的数据包 丢弃,并重新发送确认信息??梢钥闯?,与 SW 相比,采用该协议一方面因发端连续发送数 据提高了系统的吞吐量,但同时增大了系统的信令开销;另一方面,由于接收端仅按序接收 数据,那么在重传时又必须把原来已正确传送过的数据进行重传(仅因为这些数据分组之前 有一个数据分组出了错),这种方法使信道利用率降低,如图 2-16 所示。

(3)选择重传 为了进一步提高信道的利用率, 选择重传协议只重传出现差错的数据包, 但是此时接收端不再按序接收数据分组信息, 那么在接收端则需要相当容量的缓存空间来存 储已经成功译码但还没能按序输出的分组。同时,接收端在组合数据包前必须知道序列号, 因而序列号要和数据分别编码, 而且序列号需要更可靠的编码以克服任何时候出现在数据里 的错误,这样就增加了对信令的要求。相比之下,SR 的信道利用率最高,但是要求的存储 空间和信令开销也最大,选择重发 ARQ 协议如图 2-17 所示。

在 WiMAX 系统中将采用停止等待(SW)重传协议。 这种机制不仅简单可靠, 系统信令开销 小,并且降低了对于接收机的缓存空间的要求。但是,该协议的信道利用效率较低。为了避 免这种不利,WiMAX 系统采用了 N 信道的停止等待协议,即发送端在信道上并行地运行 N 套 不同的 SW 协议, 利用不同信道间的间隙来交错地传递数据和信令, 从而提高了信道利用率。 停止等待(SW)、后退 N(BTN)和选择重传(SR)这 3 种方案的比较如表 2-3 所示。



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