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

摘要　混合自動重復請求（HARQ）作為TD-SCDMA高速下行分組接入（HSDPA）系統(tǒng)中的一項關(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)實現(xiàn)時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）這一增強技術(shù)。HSDPA技術(shù)的理論數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達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）和混合自動重傳請求（HARQ）技術(shù)來實現(xiàn)對信道條件的自適應(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)版本來實現(xiàn)。下面將著重描述在TD-SCDMA系統(tǒng)中，HARQ的原理和實現(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)簡介

HARQ是一種鏈路自適應(yīng)技術(shù)，接收端在超出自身糾錯能力時快速請求發(fā)端重發(fā)錯誤的數(shù)據(jù)塊，因此能自動適應(yīng)信道條件的變化，且對測量誤差和時延不敏感。HARQ實現(xiàn)機制傳統(tǒng)上分為三類：

第一類HARQ（HARQ Type Ⅰ）又叫傳統(tǒng)ARQ，接收端首先對數(shù)據(jù)包進行糾錯，如果有錯誤不能糾正，就發(fā)送數(shù)據(jù)包重傳請求，同時丟棄錯誤的數(shù)據(jù)包。重傳時使用相同的前向糾錯編碼，冗余信息不變。Chase Combining對第一類HARQ作了一定程度的改進，不丟棄錯誤的數(shù)據(jù)包，而是存儲起來，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），再進行解碼，從而獲得時間分集增益。

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能力更強的前向糾錯碼，使錯誤率進一步降低。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，也屬于增加冗余機制。接收機將多次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)合并后進行解碼。重傳數(shù)據(jù)中同時包含冗余和系統(tǒng)比特，能夠自解碼。由于系統(tǒng)比特對解碼的影響非常大，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的功能實現(xiàn)

在TD-SCDMA HSDPA系統(tǒng)中，HARQ功能模塊由兩級速率匹配（Rate Matching）和一個緩沖器組成[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。若輸入比特數(shù)大于虛擬IR緩存器容量，則進行打孔；否則不執(zhí)行第一速率匹配。第二速率匹配子模塊通過進行打孔或重復的操作，將第一速率匹配子模塊輸出的高速下行共享信道（HS-DSCH）TTI比特數(shù)據(jù)與高速下行物理共享信道（HS-PDSCH）幀內(nèi)的比特數(shù)相匹配。

速率匹配對承載基帶信號的傳輸信道上的數(shù)據(jù)進行由算法控制的打孔或重復，以保證匹配后傳輸信道復用的數(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，糾錯控制編碼使得打孔不會造成人為添加誤碼。TD-SCDMA HSDPA系統(tǒng)在基帶處理中采用了糾錯能力很強的Turbo碼，在解速率匹配之后進行的解碼可以恢復原來的序列。由速率匹配的算法處理過程可知，在數(shù)據(jù)流中打孔或者重復是均勻進行的，每隔幾個比特打掉或者重復一個比特。這也為糾錯解碼提供了可能。

TD-SCDMA HSDPA系統(tǒng)的速率匹配算法對于打孔或者重復有很大的可調(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的數(shù)量，保證了優(yōu)先級更高的信息有效傳輸。同時，系統(tǒng)主要通過設(shè)置速率匹配中的RV參數(shù)來選擇HARQ機制類型，并可以通過改變上述重復或打孔的位置和規(guī)則來獲得不同的冗余版本，在每次傳輸中實現(xiàn)，以獲得時間增益和編碼增益。

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保護調(diào)制，對于M＞4，映射到M-QAM符號上的各個比特的誤比特率（BER）性能是不同的。處于星座圖內(nèi)圍的點能量較小，容易受到衰落，構(gòu)成這些符號的比特可靠性較差，而相比之下構(gòu)成外圍點的比特可靠性較好。比特重排正是為了避免某些比特始終受到衰落，改變重傳中各符號對應(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，進而提高系統(tǒng)的吞吐量。從HARQ實現(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)版本作出補充，進一步給重傳合并帶來增益。

3、HARQ中的RV參數(shù)

在HARQ中，輸入比特數(shù)、輸出比特數(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)對吞吐量的影響進而進行參數(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時優(yōu)先傳輸非系統(tǒng)比特，s取1時則優(yōu)先傳輸系統(tǒng)比特，即決定先對系統(tǒng)比特還是冗余比特打孔，以滿足速率匹配對比特數(shù)的要求。第一次傳輸時系統(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（對于QPSK（四相相移鍵控），rmax=4；對于16QAM（十六正交幅度調(diào)制），rmax=2）。r決定了打孔或重復的起始位置，如果改變r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，打孔或重復位置的間隔不受r值影響，由輸入和輸出的比特數(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機制類型。由前面的定義可知，當各次傳輸s恒設(shè)為1，r取一固定值時，相當于采用HARQ Type Ⅰ的Chase combining這一類型；當s在首次傳輸時取1，重傳時取0，且各次重傳r取不同值時，相當于HARQ Type Ⅱ；當各次傳輸s恒取值為1，r取不同值時，相當于HARQ Type Ⅲ。類似的，還可以靈活設(shè)置上述參數(shù)，對機制類型進行調(diào)整和細化。

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個一組（即一個符號），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，b值對應(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的位置，使能量在各符號上的分布發(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值的選擇是相互獨立的，且可任意組合，因此可以對s和r的設(shè)置性能分別進行仿真。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TD-SCDMA HSDPA單用戶系統(tǒng)中4個時隙，10個碼道（QPSK）/9個碼道（16QAM）的數(shù)據(jù)進行性能仿真，傳播環(huán)境采用ITU VA30信道。

當信道環(huán)境很好時，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。當信道環(huán)境不是很理想時，有相當數(shù)量的幀并不能一次性傳輸正確，此時若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)境越差這個優(yōu)勢越明顯。因為在信道環(huán)境較差時，對系統(tǒng)糾錯能力的要求更高，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，s=1/1、s=1/1/1、s=1/1/1/1時的吞吐量分別優(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開的，只是錯開的距離和規(guī)則略有不同，由此帶來的性能差異遠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。

用16QAM的調(diào)制方式時，參數(shù)s和r對系統(tǒng)性能的影響與QPSK時是一致的。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，當輸入信噪比為5dB，最大重傳次數(shù)為3時，設(shè)s=1、b=0，此時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

當采用16QAM及其它高階調(diào)制時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，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值組合對系統(tǒng)性能的影響遠小于改變r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的星座點位置，這在一定程度上補充了b值影響下的比特重排的增益效果。所以應(yīng)當在各次傳輸?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的機制類型和每次重傳的冗余版本。選擇適當?shù)腞V參數(shù)可以提高HARQ的重傳合并增益，增強系統(tǒng)的糾錯能力，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開，而對具體的取值沒有特定要求；對于高階調(diào)制只需在上述基礎(chǔ)上改變重傳時b的取值，確保比特得到重排。

參考文獻

1　3GPP TS 25.102.User Equipment(UE)radio transmission and reception(TDD).V6.2.0.2005.

　　2　3GPP TS 25.222.Multiplexing and channel coding(TDD).V6.2.0.2004.

　　3　3GPP TR 25.848.Physical layer aspects of UTRA High Speed Downlink Packet Access.V4.0.0.2001.

　　4　李小文，李貴勇，陳賢亮，等.TD-SCDMA第三代移動通信系統(tǒng)、信令及實現(xiàn).北京：人民郵電出版社.2003.