3G長期演進(jìn)系統(tǒng)中的混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求技術(shù)

摘要：3G長期演進(jìn)系統(tǒng)(LTE)的標(biāo)準(zhǔn)化工作已經(jīng)全面展開，并得到了大家的廣泛關(guān)注。各種先進(jìn)的無線傳輸技術(shù)即將在該系統(tǒng)中得到應(yīng)用，包括混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求(HARQ)技術(shù)。根據(jù)重傳發(fā)生時(shí)刻的不同，HARQ可以分為同步和異步兩類。同步HARQ由于接收端預(yù)先已知傳輸?shù)陌l(fā)生時(shí)刻，HARQ進(jìn)程的序號(hào)可以從子幀號(hào)獲得；異步HARQ進(jìn)程的傳輸可以發(fā)生在任何時(shí)刻，HARQ進(jìn)程的處理序號(hào)需要連同數(shù)據(jù)一起發(fā)送。由于HARQ技術(shù)能夠很好地補(bǔ)償無線移動(dòng)信道時(shí)變和多徑衰落對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊�，已成為LTE中的關(guān)鍵技術(shù)之一。該技術(shù)將會(huì)隨著3G長期演進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展不斷完善。

隨著數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，基于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的通信在各種通信中占的比重越來越大，作為主要支持話音業(yè)務(wù)的第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)已經(jīng)不能夠滿足人們對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。如今世界各移動(dòng)通信設(shè)備制造商和運(yùn)營商已從對(duì)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的概念認(rèn)同階段進(jìn)入到具體的設(shè)計(jì)、規(guī)劃和實(shí)施階段。在第三代移動(dòng)通信的發(fā)展過程中，隨著R99、R4、R5、R6和R7各個(gè)系統(tǒng)版本技術(shù)規(guī)范的發(fā)布，第三代移動(dòng)通信合作計(jì)劃(3GPP)組織作為寬帶碼分多址(WCDMA)和時(shí)分同步碼分多址(TD-SCDMA)這兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行國際標(biāo)準(zhǔn)化工作的主要組織，為基于帶碼分多址(CDMA)技術(shù)的第三代移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展發(fā)揮了重要的作用，近年來這些系統(tǒng)逐漸進(jìn)入了商用的進(jìn)程。為了滿足更高速率業(yè)務(wù)的需求，3GPP于2004年12月正式開始了3G 長期演進(jìn)(LTE)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化工作[1]。推動(dòng)LTE的出發(fā)點(diǎn)是保證3G系統(tǒng)未來10年的競爭力，使其性能、功能等得到全面提升。3G LTE重點(diǎn)考慮的方面主要包括降低時(shí)延、提高用戶的數(shù)據(jù)率、增大系統(tǒng)容量和覆蓋范圍以及降低運(yùn)營成本等。為了滿足這些要求，需要對(duì)無線接口以及無線網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)進(jìn)行一些改進(jìn)。相應(yīng)的研究將圍繞多個(gè)方面展開，包括：物理層的空中接口、層二與層三間的接口，通用移動(dòng)通信系統(tǒng)陸地?zé)o線接入網(wǎng)(UTRAN)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和與射頻相關(guān)的問題等。

為了克服無線移動(dòng)信道時(shí)變和多徑衰落對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀?G LTE可以采用基于前向糾錯(cuò)(FEC)和自動(dòng)重傳請(qǐng)求(ARQ)等差錯(cuò)控制方法，來降低系統(tǒng)的誤碼率以確保服務(wù)質(zhì)量。雖然FEC方案產(chǎn)生的時(shí)延較小，但存在的編碼冗余卻降低了系統(tǒng)吞吐量；ARQ在誤碼率不大時(shí)可以得到理想的吞吐量，但產(chǎn)生的時(shí)延較大，不宜于提供實(shí)時(shí)服務(wù)。為了克服兩者的缺點(diǎn)，將這兩種方法結(jié)合就產(chǎn)生了混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求(HARQ)方案：即在一個(gè)ARQ系統(tǒng)中包含一個(gè)FEC子系統(tǒng)，當(dāng)FEC的糾錯(cuò)能力可以糾正這些錯(cuò)誤時(shí)，則不需要使用ARQ；只有當(dāng)FEC無法正常糾錯(cuò)時(shí)，才通過ARQ反饋信道請(qǐng)求重發(fā)錯(cuò)誤碼組。

ARQ和FEC的有效結(jié)合不僅提供了比單獨(dú)的FEC系統(tǒng)更高的可靠性，而且提供了比單獨(dú)的ARQ系統(tǒng)更高的系統(tǒng)吞吐量。因此，隨著對(duì)高數(shù)據(jù)率或高可靠業(yè)務(wù)需求的迅速發(fā)展，HARQ成為無線通信系統(tǒng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)并得到了深入的研究，并必將應(yīng)用于3G LTE系統(tǒng)中。

1 自動(dòng)重傳請(qǐng)求協(xié)議

常用的自動(dòng)重傳請(qǐng)求協(xié)議包括停等式(SAW)、后退N 步式(Go-back-N )和選擇重發(fā)式(SR)等[2]。

(1)停等式

發(fā)送端每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)分組包就暫時(shí)停下來，等待接收端的確認(rèn)信息。當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)接收端時(shí)，對(duì)其進(jìn)行檢錯(cuò)，若接收正確，返回確認(rèn)(ACK)信號(hào)，錯(cuò)誤則返回不確認(rèn)(NACK)信號(hào)。當(dāng)發(fā)端收到ACK信號(hào)，就發(fā)送新的數(shù)據(jù)，否則重新發(fā)送上次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包。而在等待確認(rèn)信息期間，信道是空閑的，不發(fā)送任何數(shù)據(jù)。這種方法由于收發(fā)雙方在同一時(shí)間內(nèi)僅對(duì)同一個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行操作，因此實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，相應(yīng)的信令開銷小，收端的緩存容量要求低。但是由于在等待確認(rèn)信號(hào)的過程中不發(fā)送數(shù)據(jù)，導(dǎo)致太多資源被浪費(fèi)，尤其是當(dāng)信道傳輸時(shí)延很大時(shí)。因此，停等式造成通信信道的利用率不高，系統(tǒng)的吞吐量較低。圖1所示是停等式ARQ的一個(gè)簡單示例。

　　(2)后退N 步式

在采用后退N 步式ARQ協(xié)議的傳輸系統(tǒng)中，發(fā)送端發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)分組后，并不停下來等待確認(rèn)信息，而是連續(xù)發(fā)送若干個(gè)數(shù)據(jù)分組信息。接收端將每個(gè)數(shù)據(jù)包相應(yīng)的ACK或NACK信息反饋回發(fā)送端，同時(shí)發(fā)送回的還有數(shù)據(jù)包分組號(hào)。當(dāng)接收到一個(gè)NACK信號(hào)時(shí)，發(fā)送端就重新發(fā)送包括錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的N 個(gè)數(shù)據(jù)包，如圖2所示。接收端只需按序接收數(shù)據(jù)包，在接收到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包后即使又接收到正確的數(shù)據(jù)包后還是必須將正確的數(shù)據(jù)包丟棄，并重新發(fā)送確認(rèn)信息�？梢钥闯�，相比較SAW，采用該協(xié)議一方面因發(fā)端連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)提高了系統(tǒng)的吞吐量，但同時(shí)增大了系統(tǒng)的信令開銷；另一方面，由于收端僅按序接收數(shù)據(jù)，那么在重傳時(shí)又必須把原來已正確傳送過的數(shù)據(jù)進(jìn)行重傳(僅因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)分組之前有一個(gè)數(shù)據(jù)分組出了錯(cuò))，這種方法使信道利用率降低。

　　(3)選擇重發(fā)式

為了進(jìn)一步提高信道的利用率，選擇重發(fā)式協(xié)議只重傳出現(xiàn)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)包，但是此時(shí)收端不再按序接收數(shù)據(jù)分組信息，那么在收端則需要相當(dāng)容量的緩存空間來存儲(chǔ)已經(jīng)成功譯碼但還沒能按序輸出的分組。同時(shí)收端在組合數(shù)據(jù)包前必須知道序列號(hào)，因此，序列號(hào)要和數(shù)據(jù)分別編碼，而且序列號(hào)需要更可靠的編碼以克服任何時(shí)候出現(xiàn)在數(shù)據(jù)里的錯(cuò)誤，這樣就增加了對(duì)信令的要求。所以，相比之下SR的信道利用率最高，但是要求的存儲(chǔ)空間和信令開銷也最大，選擇重發(fā)ARQ協(xié)議的工作示例見圖3。

　　在3G LTE系統(tǒng)中將采用停等式(SAW)重傳協(xié)議。這種機(jī)制不僅簡單可靠，系統(tǒng)信令開銷小，并且降低了對(duì)于接收機(jī)的緩存空間的要求。但是，該協(xié)議的信道利用效率較低。為了避免這種不利，3G LTE系統(tǒng)采用了N 通道的停等式協(xié)議，即發(fā)送端在信道上并行地運(yùn)行N 套不同的SAW協(xié)議，利用不同信道間的間隙來交錯(cuò)地傳遞數(shù)據(jù)和信令，從而提高了信道利用率。

2 基本HARQ類型

根據(jù)重傳內(nèi)容的不同，在3GPP標(biāo)準(zhǔn)和建議中主要有3種混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求機(jī)制，包括HARQ-I、HARQ-II和HARQ-III等[3]。

(1)HARQ-I型

HARQ-I即為傳統(tǒng)HARQ方案，它僅在ARQ的基礎(chǔ)上引入了糾錯(cuò)編碼，即對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)包增加循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)比特并進(jìn)行FEC編碼。收端對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行FEC譯碼和CRC校驗(yàn)，如果有錯(cuò)則放棄錯(cuò)誤分組的數(shù)據(jù)，并向發(fā)送端反饋NACK信息請(qǐng)求重傳與上一幀相同的數(shù)據(jù)包。一般來說，物理層設(shè)有最大重發(fā)次數(shù)的限制，防止由于信道長期處于惡劣的慢衰落而導(dǎo)致某個(gè)用戶的數(shù)據(jù)包不斷地重發(fā)，從而浪費(fèi)信道資源。如果達(dá)到最大的重傳次數(shù)時(shí)，接收端仍不能正確譯碼(在3G LTE系統(tǒng)中設(shè)置的最大重傳次數(shù)為3)，則確定該數(shù)據(jù)包傳輸錯(cuò)誤并丟棄該包，然后通知發(fā)送端發(fā)送新的數(shù)據(jù)包。這種HARQ方案對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包采取了簡單的丟棄，而沒有充分利用錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包中存在的有用信息。所以，HARQ-I型的性能主要依賴于FEC的糾錯(cuò)能力。

(2)HARQ-II型

HARQ-II也稱作完全增量冗余方案。在這種方案下，信息比特經(jīng)過編碼后，將編碼后的校驗(yàn)比特按照一定的周期打孔，根據(jù)碼率兼容原則依次發(fā)送給接收端。收端對(duì)已傳的錯(cuò)誤分組并不丟棄，而是與接收到的重傳分組組合進(jìn)行譯碼；其中重傳數(shù)據(jù)并不是已傳數(shù)據(jù)的簡單復(fù)制，而是附加了冗余信息。接收端每次都進(jìn)行組合譯碼，將之前接收的所有比特組合形成更低碼率的碼字，從而可以獲得更大的編碼增益，達(dá)到遞增冗余的目的。每一次重傳的冗余量是不同的，而且重傳數(shù)據(jù)不能單獨(dú)譯碼，通常只能與先前傳的數(shù)據(jù)合并后才能被解碼。

(3)HARQ-III型

HARQ-III型是完全遞增冗余重傳機(jī)制的改進(jìn)。對(duì)于每次發(fā)送的數(shù)據(jù)包采用互補(bǔ)刪除方式，各個(gè)數(shù)據(jù)包既可以單獨(dú)譯碼，也可以合成一個(gè)具有更大冗余信息的編碼包進(jìn)行合并譯碼。另外根據(jù)重傳的冗余版本不同，HARQ-III又可進(jìn)一步分為兩種：一種是只具有一個(gè)冗余版本的HARQ-III，各次重傳冗余版本均與第一次傳輸相同，即重傳分組的格式和內(nèi)容與第一次傳輸?shù)南嗤�，接收端的解碼器根據(jù)接收到的信噪比(SNR)加權(quán)組合這些發(fā)送分組的拷貝，這樣，可以獲得時(shí)間分集增益。另一種是具有多個(gè)冗余版本的HARQ-III，各次重傳的冗余版本不相同，編碼后的冗余比特的刪除方式是經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的，使得刪除的碼字是互補(bǔ)等效的。所以，合并后的碼字能夠覆蓋FEC編碼中的比特位，使譯碼信息變得更全面，更利于正確譯碼。

　　圖4給出了編碼碼率Rc =2/3時(shí)各類HARQ的具體傳輸過程。

在3GPP中，各個(gè)成員公司達(dá)成了一些初步共識(shí)，明確指出：在未來3G LTE系統(tǒng)的上行或者下行鏈路中，將會(huì)采用基于遞增冗余重傳(IR)機(jī)制的HARQ重傳策略；由于Chase合并(CC)可以視為IR的一種特殊的情況，因此系統(tǒng)也支持CC機(jī)制。

3 同步和異步HARQ

按照重傳發(fā)生的時(shí)刻來區(qū)分，可以將HARQ可以分為同步和異步兩類。這也是目前在3G LTE中討論比較多的話題之一。同步HARQ是指一個(gè)HARQ進(jìn)程的傳輸(重傳)是發(fā)生在固定的時(shí)刻，由于接收端預(yù)先已知傳輸?shù)陌l(fā)生時(shí)刻，因此不需要額外的信令開銷來標(biāo)示HARQ進(jìn)程的序號(hào)，此時(shí)的HARQ進(jìn)程的序號(hào)可以從子幀號(hào)獲得；異步HARQ是指一個(gè)HARQ進(jìn)程的傳輸可以發(fā)生在任何時(shí)刻，接收端預(yù)先不知道傳輸?shù)陌l(fā)生時(shí)刻，因此HARQ進(jìn)程的處理序號(hào)需要連同數(shù)據(jù)一起發(fā)送。

由于同步HARQ的重傳發(fā)生在固定時(shí)刻，在沒有附加進(jìn)程序號(hào)的同步HARQ在某一時(shí)刻只能支持一個(gè)HARQ進(jìn)程。實(shí)際上HARQ操作應(yīng)該在一個(gè)時(shí)刻可以同時(shí)支持多個(gè)HARQ進(jìn)程的發(fā)生，此時(shí)同步HARQ需要額外的信令開銷來標(biāo)示HARQ的進(jìn)程序號(hào)，而異步HARQ本身可以支持傳輸多個(gè)進(jìn)程。另外，在同步HARQ方案中，發(fā)送端不能充分利用重傳的所有時(shí)刻，例如為了支持優(yōu)先級(jí)較高的HARQ進(jìn)程，則必須中止預(yù)先分配給該時(shí)刻的進(jìn)程，那么此時(shí)仍需要額外的信令信息。

根據(jù)重傳時(shí)的數(shù)據(jù)特征是否發(fā)生變化又可將HARQ分為非自適應(yīng)和自適應(yīng)兩種，其中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)特征包括資源塊的分配、調(diào)制方式、傳輸塊的長度、傳輸?shù)某掷m(xù)時(shí)間。自適應(yīng)傳輸是指在每一次重傳過程中，發(fā)送端可以根據(jù)實(shí)際的信道狀態(tài)信息改變部分的傳輸參數(shù)，因此，在每次傳輸?shù)倪^程中包含傳輸參數(shù)的控制信令信息要一并發(fā)送�？筛淖兊膫鬏攨�數(shù)包括調(diào)制方式、資源單元的分配和傳輸?shù)某掷m(xù)時(shí)間等。在非自適應(yīng)系統(tǒng)中，這些傳輸參數(shù)相對(duì)于接收端而言都是預(yù)先已知的，因此，包含傳輸參數(shù)的控制信令信息在非自適應(yīng)系統(tǒng)中是不需要被傳輸?shù)摹?/p>

在重傳的過程中，可以根據(jù)信道環(huán)境自適應(yīng)地改變重傳包格式和重傳的時(shí)刻的傳輸方式，可以稱為基于IR類型的異步自適應(yīng)HARQ方案。這種方案可以根據(jù)時(shí)變信道環(huán)境的特性有效地分配資源，但是具有靈活性的同時(shí)也帶來了更多的系統(tǒng)復(fù)雜性。在每次重傳過程中包含傳輸參數(shù)的控制信令信息必須與數(shù)據(jù)包一起發(fā)送，這樣就會(huì)造成額外的信令開銷。而同步HARQ在每次重傳過程中的重傳包格式，重傳時(shí)刻都是預(yù)先已知的，因此不需要額外的信令信息。

與異步HARQ相比較，同步HARQ具有以下的優(yōu)勢(shì)：

(1)控制信令開銷小，在每次傳輸過程中的參數(shù)都是預(yù)先已知的，不需要標(biāo)示HARQ的進(jìn)程序號(hào)。

(2)在非自適應(yīng)系統(tǒng)中接收端操作復(fù)雜度低。

(3)提高了控制信道的可靠性，在非自適應(yīng)系統(tǒng)中，有些情況下，控制信道的信令信息在重傳時(shí)與初始傳輸是相同的，這樣就可以在接收端進(jìn)行軟信息合并從而提高控制信道的性能。

根據(jù)層一/層二的實(shí)際需求，異步HARQ具有以下的優(yōu)勢(shì)：

(1)如果采用完全自適應(yīng)的HARQ技術(shù)，同時(shí)在資源分配時(shí)，可以采用離散、連續(xù)的子載波分配方式，調(diào)度將會(huì)具有很大的靈活性。

(2)可以支持一個(gè)子幀的多個(gè)HARQ進(jìn)程

(3)重傳調(diào)度的靈活性

在3G LTE系統(tǒng)中，已經(jīng)確定在演進(jìn)通用移動(dòng)通信系統(tǒng)陸地?zé)o線接入網(wǎng)(E-UTRA)下行鏈路系統(tǒng)中將采用異步自適應(yīng)的HARQ技術(shù)[4]。因?yàn)橄鄬?duì)于同步非自適應(yīng)HARQ技術(shù)而言，異步HARQ更能充分利用信道的狀態(tài)信息，從而提高系統(tǒng)的吞吐量，另一方面異步HARQ可以避免重傳時(shí)資源分配發(fā)生沖突從而造成性能損失。例如：在同步HARQ中，如果優(yōu)先級(jí)較高的進(jìn)程需要被調(diào)度，但是該時(shí)刻的資源已被分配給某一個(gè)HARQ進(jìn)程，那么資源分配就會(huì)發(fā)生沖突；而異步HARQ的重傳不是發(fā)生在固定時(shí)刻，可以有效地避免這個(gè)問題。在上述關(guān)于異步HARQ的優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮到信令開銷過大的問題，在3G LTE系統(tǒng)目前的討論中，不少公司紛紛提出了如何降低異步HARQ系統(tǒng)中信令開銷的方法。例如韓國三星公司[5]提出若重傳的時(shí)刻和傳輸參數(shù)發(fā)生變化，那么相關(guān)的控制信令就需要被發(fā)送；而若重傳時(shí)這些參數(shù)不發(fā)生變化時(shí)，則與同步HARQ類似，即傳輸參數(shù)相關(guān)的信令信息就不需要被發(fā)送；因此在保證系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上降低了信令的開銷。

同時(shí)，3G LTE系統(tǒng)將在上行鏈路采用同步非自適應(yīng)HARQ技術(shù)[6]。雖然異步自適應(yīng)HARQ技術(shù)相比較同步非自適應(yīng)技術(shù)而言，在調(diào)度方面的靈活性更高，但是后者所需的信令開銷更少。由于上行鏈路的復(fù)雜性，來自其他小區(qū)用戶的干擾是不確定的，因此基站無法精確估測出各個(gè)用戶實(shí)際的信干比(SINR)值。在自適應(yīng)調(diào)制編碼系統(tǒng)中，一方面自適應(yīng)調(diào)制編碼(AMC)根據(jù)信道的質(zhì)量情況，選擇合適的調(diào)制和編碼方式，能夠提供粗略的數(shù)據(jù)速率的選擇；另一方面HARQ基于信道條件提供精確的編碼速率調(diào)節(jié)，由于SINR值的不準(zhǔn)確性導(dǎo)致上行鏈路對(duì)于調(diào)制編碼模式(MCS)的選擇不夠精確，所以更多地依賴HARQ技術(shù)來保證系統(tǒng)的性能。因此，上行鏈路的平均傳輸次數(shù)會(huì)高于下行鏈路。所以，考慮到控制信令的開銷問題，在上行鏈路確定使用同步非自適應(yīng)HARQ技術(shù)。

4 結(jié)束語

隨著對(duì)高速無線多媒體業(yè)務(wù)需求的不斷增加和無線頻譜資源日趨緊張，探索未來高效率的移動(dòng)通信系統(tǒng)將具有越來越重要的意義和價(jià)值�；旌献詣�(dòng)重傳請(qǐng)求(HARQ)技術(shù)能夠很好地補(bǔ)償無線移動(dòng)信道時(shí)變和多徑衰落對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀�已�?jīng)成為未來3G長期演進(jìn)系統(tǒng)中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)之一。該技術(shù)將會(huì)隨著3G長期演進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展不斷完善。

5 參考文獻(xiàn)

[1] 3GPP TR 25.814 v7.1.0. Physical layer aspects for evolved universal terrestrial radio access (UTRA) [S].2006.

[2] 3GPP TR25.835. Report on hybrid ARQ type II/III [S].2000.

[3] Kallel S. Efficient hybrid ARQ protocol with adaptive forward error correction [J]. IEEE Transactions on Communications, 1994,42(2-4):281-289.

[4] 3GPP TSG RAN WG1 #46bis R1-062570. Downlink HARQ [S]. 2006.

[5] 3GPP TSG RAN WG1 #45 R1-161338.Low overhead asynchronous adaptive hybrid ARQ [S]. 2006.

[6] 3GPP TSG RAN WG1 #46-bis R1-062573.Alternative uplink synchronous HARQ schemes [S].2006.