TD-SCDMA　HSDPA系統(tǒng)中HARQ參數(shù)優(yōu)化

摘要　混合自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求（HARQ）作為TD-SCDMA高速下行分組接入（HSDPA）系統(tǒng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)使數(shù)據(jù)傳輸向更可靠的階段發(fā)展。文章首先介紹了HARQ的機(jī)制類型和功能結(jié)構(gòu)，并由此闡述了設(shè)置冗余版本（RV）參數(shù)的目的和作用，然后通過鏈路仿真分析提供了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)RV參數(shù)的選擇和優(yōu)化方案。

0、引言

為提高下行容量和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率，TD-SCDMA系統(tǒng)引入高速下行分組接入（HSDPA）這一增強(qiáng)技術(shù)。HSDPA技術(shù)的理論數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)14.4Mbit/s，平均可為每位用戶提供300kbit/s～1Mbit/s的下行鏈路。從底層來看，HSDPA主要是引入自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC）和混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求（HARQ）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)信道條件的自適應(yīng)性和更高階的調(diào)制算法，從而提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率和頻譜效率。其中，HARQ作為一種鏈路自適應(yīng)技術(shù)，為系統(tǒng)提供了基于信道條件的精確的數(shù)據(jù)速率調(diào)整，這一功能主要通過速率匹配和比特重排控制重傳數(shù)據(jù)版本來實(shí)現(xiàn)。下面將著重描述在TD-SCDMA系統(tǒng)中，HARQ的原理和實(shí)現(xiàn)及冗余版本（RV）參數(shù)設(shè)置的目的，并確定參數(shù)優(yōu)化的方案。

1、HARQ技術(shù)簡(jiǎn)介

HARQ是一種鏈路自適應(yīng)技術(shù)，接收端在超出自身糾錯(cuò)能力時(shí)快速請(qǐng)求發(fā)端重發(fā)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)塊，因此能自動(dòng)適應(yīng)信道條件的變化，且對(duì)測(cè)量誤差和時(shí)延不敏感。HARQ實(shí)現(xiàn)機(jī)制傳統(tǒng)上分為三類：

第一類HARQ（HARQ Type Ⅰ）又叫傳統(tǒng)ARQ，接收端首先對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行糾錯(cuò)，如果有錯(cuò)誤不能糾正，就發(fā)送數(shù)據(jù)包重傳請(qǐng)求，同時(shí)丟棄錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包。重傳時(shí)使用相同的前向糾錯(cuò)編碼，冗余信息不變。Chase Combining對(duì)第一類HARQ作了一定程度的改進(jìn)，不丟棄錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包，而是存儲(chǔ)起來，在接收端由解碼器先將多次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)按信噪比加權(quán)相加，即最大比合并（MRC），再進(jìn)行解碼，從而獲得時(shí)間分集增益。

第二類HARQ（HARQ Type Ⅱ）屬于全冗余方式的增加冗余（IR）的ARQ機(jī)制。其重傳不包含系統(tǒng)比特信息，只是攜帶新的冗余信息來幫助解碼，在接收端與先前收到的信息合并形成糾錯(cuò)能力更強(qiáng)的前向糾錯(cuò)碼，使錯(cuò)誤率進(jìn)一步降低。冗余信息版本由若干編碼打孔方式產(chǎn)生。

第三類HARQ（HARQ Type Ⅲ），又叫部分冗余HARQ，也屬于增加冗余機(jī)制。接收機(jī)將多次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)合并后進(jìn)行解碼。重傳數(shù)據(jù)中同時(shí)包含冗余和系統(tǒng)比特，能夠自解碼。由于系統(tǒng)比特對(duì)解碼的影響非常大，如果系統(tǒng)中噪聲和干擾比較大，使得第一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)破壞非常嚴(yán)重，那么即使增加冗余信息，數(shù)據(jù)包也難以解碼。這種情況下，重傳數(shù)據(jù)自解碼將使系統(tǒng)性能得到提高。第三類HARQ可以看作前兩類的結(jié)合。

2、HARQ的功能實(shí)現(xiàn)

在TD-SCDMA HSDPA系統(tǒng)中，HARQ功能模塊由兩級(jí)速率匹配（Rate Matching）和一個(gè)緩沖器組成[2]。第一速率匹配子模塊使輸入比特與用戶設(shè)備（UE）軟緩沖容量相匹配。若輸入比特?cái)?shù)大于虛擬IR緩存器容量，則進(jìn)行打孔；否則不執(zhí)行第一速率匹配。第二速率匹配子模塊通過進(jìn)行打孔或重復(fù)的操作，將第一速率匹配子模塊輸出的高速下行共享信道（HS-DSCH）TTI比特?cái)?shù)據(jù)與高速下行物理共享信道（HS-PDSCH）幀內(nèi)的比特?cái)?shù)相匹配。

速率匹配對(duì)承載基帶信號(hào)的傳輸信道上的數(shù)據(jù)進(jìn)行由算法控制的打孔或重復(fù)，以保證匹配后傳輸信道復(fù)用的數(shù)據(jù)速率等同于映射到給定物理信道上的數(shù)據(jù)速率。在TD-SCDMA HSDPA系統(tǒng)中還是采用R99的速率匹配算法，糾錯(cuò)控制編碼使得打孔不會(huì)造成人為添加誤碼。TD-SCDMA HSDPA系統(tǒng)在基帶處理中采用了糾錯(cuò)能力很強(qiáng)的Turbo碼，在解速率匹配之后進(jìn)行的解碼可以恢復(fù)原來的序列。由速率匹配的算法處理過程可知，在數(shù)據(jù)流中打孔或者重復(fù)是均勻進(jìn)行的，每隔幾個(gè)比特打掉或者重復(fù)一個(gè)比特。這也為糾錯(cuò)解碼提供了可能。

TD-SCDMA HSDPA系統(tǒng)的速率匹配算法對(duì)于打孔或者重復(fù)有很大的可調(diào)控性。根據(jù)不同傳輸信道信息的重要性，由上層的參數(shù)控制決定打孔或重復(fù)的數(shù)量，保證了優(yōu)先級(jí)更高的信息有效傳輸。同時(shí)，系統(tǒng)主要通過設(shè)置速率匹配中的RV參數(shù)來選擇HARQ機(jī)制類型，并可以通過改變上述重復(fù)或打孔的位置和規(guī)則來獲得不同的冗余版本，在每次傳輸中實(shí)現(xiàn)，以獲得時(shí)間增益和編碼增益。

比特重排在高階調(diào)制的HARQ中也發(fā)揮了重要作用。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，為了不增加帶寬、提高數(shù)據(jù)傳輸速率，通常采用M階正交幅度調(diào)制（M-QAM）的方案。但是高階調(diào)制本身是一種不等差錯(cuò)保護(hù)調(diào)制，對(duì)于M＞4，映射到M-QAM符號(hào)上的各個(gè)比特的誤比特率（BER）性能是不同的。處于星座圖內(nèi)圍的點(diǎn)能量較小，容易受到衰落，構(gòu)成這些符號(hào)的比特可靠性較差，而相比之下構(gòu)成外圍點(diǎn)的比特可靠性較好。比特重排正是為了避免某些比特始終受到衰落，改變重傳中各符號(hào)對(duì)應(yīng)的星座位置，使接收端解調(diào)合并后比特可靠性趨于均勻且總體得到提高，進(jìn)而提高系統(tǒng)的吞吐量。從HARQ實(shí)現(xiàn)的角度看，比特重排改變了數(shù)據(jù)的星座映射的版本，為速率匹配產(chǎn)生的數(shù)據(jù)版本作出補(bǔ)充，進(jìn)一步給重傳合并帶來增益。

3、HARQ中的RV參數(shù)

在HARQ中，輸入比特?cái)?shù)、輸出比特?cái)?shù)及RV參數(shù)三者共同決定了每一輸出比特的位置，從而控制HARQ的重傳方式及每次重傳數(shù)據(jù)所采用的版本，這與系統(tǒng)的糾錯(cuò)能力直接相關(guān)。因此為了提高系統(tǒng)性能，我們需要確定RV參數(shù)對(duì)吞吐量的影響進(jìn)而進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

HARQ功能模塊中速率匹配的參數(shù)取決于RV參數(shù)中的s和r。其中參數(shù)s可以決定每次傳輸?shù)膬?yōu)先設(shè)置，其規(guī)則為：s取0時(shí)優(yōu)先傳輸非系統(tǒng)比特，s取1時(shí)則優(yōu)先傳輸系統(tǒng)比特，即決定先對(duì)系統(tǒng)比特還是冗余比特打孔，以滿足速率匹配對(duì)比特?cái)?shù)的要求。第一次傳輸時(shí)系統(tǒng)比特必須全部保留，即s=1。前面提到速率匹配打孔或重復(fù)的起始位置由變量eini決定，在打孔操作中：eini={(xi-|(r×eplus/rmax|-1)mod eplus}+1。參數(shù)r的范圍從0至rmax-1，其中rmax表示參數(shù)r值的總數(shù)，由調(diào)制方式?jīng)Q定（對(duì)于QPSK（四相相移鍵控），rmax=4；對(duì)于16QAM（十六正交幅度調(diào)制），rmax=2）。r決定了打孔或重復(fù)的起始位置，如果改變r(jià)值，則改變了速率匹配后的數(shù)據(jù)版本，使各次傳輸序列之間的相關(guān)性較小，傳錯(cuò)的比特分散開來，從而帶來較大的重傳合并增益。另外，打孔或重復(fù)位置的間隔不受r值影響，由輸入和輸出的比特?cái)?shù)決定。r和s共同決定了數(shù)據(jù)冗余版本。

系統(tǒng)中正是通過設(shè)置RV參數(shù)r和s來改變每次傳輸?shù)腍ARQ機(jī)制類型。由前面的定義可知，當(dāng)各次傳輸s恒設(shè)為1，r取一固定值時(shí)，相當(dāng)于采用HARQ Type Ⅰ的Chase combining這一類型；當(dāng)s在首次傳輸時(shí)取1，重傳時(shí)取0，且各次重傳r取不同值時(shí)，相當(dāng)于HARQ Type Ⅱ；當(dāng)各次傳輸s恒取值為1，r取不同值時(shí)，相當(dāng)于HARQ Type Ⅲ。類似的，還可以靈活設(shè)置上述參數(shù)，對(duì)機(jī)制類型進(jìn)行調(diào)整和細(xì)化。

比特重排作為高階調(diào)制情況下特有的操作，其重排方式由RV參數(shù)中的b值決定。輸入比特序列被分成4個(gè)一組（即一個(gè)符號(hào)），υk、υk+1、υk+2、υk+3其中k為除以4余1的整數(shù)。根據(jù)調(diào)制方式為16QAM時(shí)，b值對(duì)應(yīng)的不同重排方案的操作[2]，分析16QAM調(diào)制的星座圖可知，b=1、2、3的重排操作都可以通過改變星座點(diǎn)的位置，使能量在各符號(hào)上的分布發(fā)生變化，從而不同程度地提高重傳合并后的總體比特可靠性。

由RV參數(shù)的定義[2]可知，在QPSK調(diào)制方式下，參數(shù)s、r聯(lián)合起來映射產(chǎn)生Xrv值，s值的選擇和r值的選擇是相互獨(dú)立的，且可任意組合，因此可以對(duì)s和r的設(shè)置性能分別進(jìn)行仿真。而在16QAM調(diào)制方式下，Xrv各位從高到低分別由s、r、b構(gòu)成。s、r、b并不是兩兩相互任意組合，而是只取了16種組合當(dāng)中的8種。

4、RV參數(shù)的設(shè)置方案

為比較RV參數(shù)的不同設(shè)置，筆者對(duì)TD-SCDMA HSDPA單用戶系統(tǒng)中4個(gè)時(shí)隙，10個(gè)碼道（QPSK）/9個(gè)碼道（16QAM）的數(shù)據(jù)進(jìn)行性能仿真，傳播環(huán)境采用ITU VA30信道。

當(dāng)信道環(huán)境很好時(shí)，全部數(shù)據(jù)都可以在首次傳輸中正確接收，不需要重傳，冗余參數(shù)的選擇失去意義，所以需要根據(jù)信道環(huán)境分別考慮各次重傳的情況，比較s的取值。當(dāng)信道環(huán)境不是很理想時(shí)，有相當(dāng)數(shù)量的幀并不能一次性傳輸正確，此時(shí)若s在各次重傳中都取1，系統(tǒng)信息的可靠性將得到最大程度的保證。若s取0，則系統(tǒng)比特被大量打孔甚至完全舍棄，重傳合并及糾錯(cuò)帶來的增益很小。所以s取全1的情況將優(yōu)于其它的s值組合，且信道環(huán)境越差這個(gè)優(yōu)勢(shì)越明顯。因?yàn)樵谛诺拉h(huán)境較差時(shí)，對(duì)系統(tǒng)糾錯(cuò)能力的要求更高，較好的冗余版本和重傳方式帶來的性能增益越顯著，這樣重傳合并獲得的增益較大。圖1給出了不同信道環(huán)境和最大重傳次數(shù)下，不同s值組合的系統(tǒng)性能比較（設(shè)r=0）。在最大重傳次數(shù)分別為1、2、3，輸入信噪比分別為10dB、5dB、0dB時(shí)，s=1/1、s=1/1/1、s=1/1/1/1時(shí)的吞吐量分別優(yōu)于s=1/0、s=1/1/0、s=1/1/1/0。由此可知，恒取s=1的情況下系統(tǒng)性能最佳。

圖1　QPSK不同s值組合下的吞吐量

每次傳輸設(shè)置不同的r值，可以產(chǎn)生不同冗余版本，為系統(tǒng)性能帶來較大的合并增益。但不必追究r的具體取值和組合形式，只要r值在各次傳輸中不同，無論怎樣排列，打孔剩余的比特位置都是相互錯(cuò)開的，只是錯(cuò)開的距離和規(guī)則略有不同，由此帶來的性能差異遠(yuǎn)小于重傳合并本身帶來的增益，基本可以忽略。表1給出了最大重傳次數(shù)為3時(shí)兩種信道環(huán)境下不同r值組合的性能比較（設(shè)s=1）。r=0/1/2/3的吞吐量大于r=0/0/0/0，而r=0/1/2/3、r=0/2/1/3、r=2/3/1/0這三者的吞吐量相當(dāng)。

用16QAM的調(diào)制方式時(shí)，參數(shù)s和r對(duì)系統(tǒng)性能的影響與QPSK時(shí)是一致的。表2給出了不同信道環(huán)境和最大重傳次數(shù)下，不同s值組合的系統(tǒng)性能比較（設(shè)r=0，b按傳輸次數(shù)依次取0/1/2/3）。另外，當(dāng)輸入信噪比為5dB，最大重傳次數(shù)為3時(shí)，設(shè)s=1、b=0，此時(shí)r=0/1/0/1和r=0/0/0/0的吞吐量分別為345.089kbit/s和328.488kbit/s。這也說明r值交錯(cuò)組合與r保持定值相比，系統(tǒng)的性能有所提升。

表1　QPSK不同r值組合下的吞吐量

表2　16QAM不同s值組合下的吞吐量

當(dāng)采用16QAM及其它高階調(diào)制時(shí)引入比特重排能顯著地提升系統(tǒng)性能。雖然由參數(shù)b產(chǎn)生的三種不同的比特重排方式帶來的改善效果略有不同，但這個(gè)差異與比特重排本身帶來的性能改善相比基本可以忽略。圖2給出了不同信道環(huán)境和最大重傳次數(shù)下，不同b值組合的系統(tǒng)性能比較（設(shè)s=1，r=0）。在輸入信噪比為10dB的良好環(huán)境下時(shí)，b=0/1/2/3的吞吐量仍然比b=0/0/0/0有明顯的提高。而b=0/2時(shí)的吞吐量比b=0/1和b=0/3這兩種情況低約5Kbit/s左右，這一差異遠(yuǎn)小于選擇參數(shù)s和r的組合及有無比特重排所帶來的影響。b=0/1/2和b=0/1/3這兩種情況的吞吐量幾乎相等。

另外我們注意到，調(diào)制方式為16QAM時(shí)參數(shù)r和b并不是兩兩相互任意組合，而是只取了其中8種，也就是說無法從中取出這樣一組RV參數(shù)，同時(shí)包含最優(yōu)的r值組合和b值組合。在存在比特重排的前提下，改變b值組合對(duì)系統(tǒng)性能的影響遠(yuǎn)小于改變r(jià)值組合帶來的影響；且r值通過改變打孔后保留比特的位置，同樣可以改變各符號(hào)的星座點(diǎn)位置，這在一定程度上補(bǔ)充了b值影響下的比特重排的增益效果。所以應(yīng)當(dāng)在各次傳輸?shù)腷值各不相同的前提下，優(yōu)先排列參數(shù)r，然后再考慮b的排列。

圖2　16QAM不同b值組合下的吞吐量

5、結(jié)束語

在TD-SCDMA HSDPA系統(tǒng)中，RV參數(shù)控制了速率匹配中數(shù)據(jù)重復(fù)或打孔的規(guī)則以及比特重排中星座映射的方式，從而決定HARQ的機(jī)制類型和每次重傳的冗余版本。選擇適當(dāng)?shù)腞V參數(shù)可以提高HARQ的重傳合并增益，增強(qiáng)系統(tǒng)的糾錯(cuò)能力，有效地提升系統(tǒng)性能。本文通過鏈路仿真給出了QPSK和16QAM調(diào)制方式下RV參數(shù)不同設(shè)置下的系統(tǒng)吞吐量，得出參數(shù)選擇和優(yōu)化的方案。為使系統(tǒng)性能達(dá)到最佳，在各次傳輸中，參數(shù)s應(yīng)全部取1，始終優(yōu)先傳輸系統(tǒng)比特；參數(shù)r取值應(yīng)各不相同，使打孔后保留比特的位置盡量錯(cuò)開，而對(duì)具體的取值沒有特定要求；對(duì)于高階調(diào)制只需在上述基礎(chǔ)上改變重傳時(shí)b的取值，確保比特得到重排。

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