LTE中的混合自動重傳請求技術(shù)

 3G長期演進系統(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，包括混合自動重傳請求(HARQ)技術(shù)。根據(jù)重傳發(fā)生時刻的不同，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)生時刻，HARQ進程的序號可以從子幀號獲得；異步HARQ進程的傳輸可以發(fā)生在任何時刻，HARQ進程的處理序號需要連同數(shù)據(jù)一起發(fā)送。由于HARQ技術(shù)能夠很好地補償無線移動信道時變和多徑衰落對信號傳輸?shù)挠绊�，已成為LTE中的關(guān)鍵技術(shù)之一。該技術(shù)將會隨著3G長期演進系統(tǒng)的發(fā)展不斷完善。

關(guān)鍵詞：第三代移動通信；長期演進系統(tǒng)；混合自動重傳請求

Abstract:Standardizationof3GLong Term Evolution (3G LTE) has widely progressed and has caught much attention. Various advanced wireless communication technologies will be applied in this system such as Hybrid Automatic Repeat Request (HARQ). According to different instances of retransmission, HARQ could be divided to a synchronous one and an asynchronous one. In case of a synchronous HARQ, the retransmissions for HARQ process occurs at known time instances, and the process number can be derived from the frame number. Asynchronous HARQ implies that transmission for a certain HARQ process may occur at any time so that the explicit signaling of the HARQ process number is required. HARQ will become one of the most important techniques of 3G LTE to effectively compensate the effects of time-varying and multi-path fading channel, and it will become better-designed with the development of 3G LTE.

Keywords:3G;LTE;HARQ

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)的第二代移動通信系統(tǒng)已經(jīng)不能夠滿足人們對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。如今世界各移動通信設(shè)備制造商和運營商已從對第三代移動通信系統(tǒng)的概念認同階段進入到具體的設(shè)計、規(guī)劃和實施階段。在第三代移動通信的發(fā)展過程中，隨著R99、R4、R5、R6和R7各個系統(tǒng)版本技術(shù)規(guī)范的發(fā)布，第三代移動通信合作計劃(3GPP)組織作為寬帶碼分多址(WCDMA)和時分同步碼分多址(TD-SCDMA)這兩個系統(tǒng)進行國際標(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)逐漸進入了商用的進程。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(LTE)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化工作[1]。推動LTE的出發(fā)點是保證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重點考慮的方面主要包括降低時延、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營成本等。為了滿足這些要求，需要對無線接口以及無線網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)進行一些改進。相應(yīng)的研究將圍繞多個方面展開，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。

為了克服無線移動信道時變和多徑衰落對信號傳輸?shù)挠绊懀?G LTE可以采用基于前向糾錯(FEC)和自動重傳請求(ARQ)等差錯控制方法，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在誤碼率不大時可以得到理想的吞吐量，但產(chǎn)生的時延較大，不宜于提供實時服務(wù)。為了克服兩者的缺點，將這兩種方法結(jié)合就產(chǎn)生了混合自動重傳請求(HARQ)方案：即在一個ARQ系統(tǒng)中包含一個FEC子系統(tǒng)，當(dāng)FEC的糾錯能力可以糾正這些錯誤時，則不需要使用ARQ；只有當(dāng)FEC無法正常糾錯時，才通過ARQ反饋信道請求重發(fā)錯誤碼組。

ARQ和FEC的有效結(jié)合不僅提供了比單獨的FEC系統(tǒng)更高的可靠性，而且提供了比單獨的ARQ系統(tǒng)更高的系統(tǒng)吞吐量。因此，隨著對高數(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  自動重傳請求協(xié)議

常用的自動重傳請求協(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)送一個數(shù)據(jù)分組包就暫時停下來，等待接收端的確認信息。當(dāng)數(shù)據(jù)包到達接收端時，對其進行檢錯，若接收正確，返回確認(ACK)信號，錯誤則返回不確認(NACK)信號。當(dāng)發(fā)端收到ACK信號，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)雙方在同一時間內(nèi)僅對同一個數(shù)據(jù)包進行操作，因此實現(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信號的過程中不發(fā)送數(shù)據(jù)，導(dǎo)致太多資源被浪費，尤其是當(dāng)信道傳輸時延很大時。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)送完一個數(shù)據(jù)分組后，并不停下來等待確認信息，而是連續(xù)發(fā)送若干個數(shù)據(jù)分組信息。接收端將每個數(shù)據(jù)包相應(yīng)的ACK或NACK信息反饋回發(fā)送端，同時發(fā)送回的還有數(shù)據(jù)包分組號。當(dāng)接收到一個NACK信號時，發(fā)送端就重新發(fā)送包括錯誤數(shù)據(jù)的N 個數(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)，那么在重傳時又必須把原來已正確傳送過的數(shù)據(jù)進行重傳(僅因為這些數(shù)據(jù)分組之前有一個數(shù)據(jù)分組出了錯)，這種方法使信道利用率降低。

(3)選擇重發(fā)式

為了進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)差錯的數(shù)據(jù)包，但是此時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已經(jīng)成功譯碼但還沒能按序輸出的分組。同時收端在組合數(shù)據(jù)包前必須知道序列號，因此，序列號要和數(shù)據(jù)分別編碼，而且序列號需要更可靠的編碼以克服任何時候出現(xiàn)在數(shù)據(jù)里的錯誤，這樣就增加了對信令的要求。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。這種機制不僅簡單可靠，系統(tǒng)信令開銷小，并且降低了對于接收機的緩存空間的要求。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行N 套不同的SAW協(xié)議，利用不同信道間的間隙來交錯地傳遞數(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種混合自動重傳請求機制，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)上引入了糾錯編碼，即對發(fā)送數(shù)據(jù)包增加循環(huán)冗余校驗(CRC)比特并進行FEC編碼。收端對接收的數(shù)據(jù)進行FEC譯碼和CRC校驗，如果有錯則放棄錯誤分組的數(shù)據(jù)，并向發(fā)送端反饋NACK信息請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)致某個用戶的數(shù)據(jù)包不斷地重發(fā)，從而浪費信道資源。如果達到最大的重傳次數(shù)時，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方案對錯誤數(shù)據(jù)包采取了簡單的丟棄，而沒有充分利用錯誤數(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。收端對已傳的錯誤分組并不丟棄，而是與接收到的重傳分組組合進行譯碼；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制的改進。對于每次發(fā)送的數(shù)據(jù)包采用互補刪除方式，各個數(shù)據(jù)包既可以單獨譯碼，也可以合成一個具有更大冗余信息的編碼包進行合并譯碼。另外根據(jù)重傳的冗余版本不同，HARQ-III又可進一步分為兩種：一種是只具有一個冗余版本的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，可以獲得時間分集增益。另一種是具有多個冗余版本的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)計的，使得刪除的碼字是互補等效的。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時各類HARQ的具體傳輸過程。

在3GPP中，各個成員公司達成了一些初步共識，明確指出：在未來3G LTE系統(tǒng)的上行或者下行鏈路中，將會采用基于遞增冗余重傳(IR)機制的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機制。

3  同步和異步HARQ

按照重傳發(fā)生的時刻來區(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HARQ進程的傳輸(重傳)是發(fā)生在固定的時刻，由于接收端預(yù)先已知傳輸?shù)陌l(fā)生時刻，因此不需要額外的信令開銷來標(biāo)示HARQ進程的序號，此時的HARQ進程的序號可以從子幀號獲得；異步HARQ是指一個HARQ進程的傳輸可以發(fā)生在任何時刻，接收端預(yù)先不知道傳輸?shù)陌l(fā)生時刻，因此HARQ進程的處理序號需要連同數(shù)據(jù)一起發(fā)送。

由于同步HARQ的重傳發(fā)生在固定時刻，在沒有附加進程序號的同步HARQ在某一時刻只能支持一個HARQ進程。實際上HARQ操作應(yīng)該在一個時刻可以同時支持多個HARQ進程的發(fā)生，此時同步HARQ需要額外的信令開銷來標(biāo)示HARQ的進程序號，而異步HARQ本身可以支持傳輸多個進程。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刻，例如為了支持優(yōu)先級較高的HARQ進程，則必須中止預(yù)先分配給該時刻的進程，那么此時仍需要額外的信令信息。

根據(jù)重傳時的數(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)時間等。在非自適應(yīng)系統(tǒng)中，這些傳輸參數(shù)相對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：

(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的進程序號。

(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與初始傳輸是相同的，這樣就可以在接收端進行軟信息合并從而提高控制信道的性能。

根據(jù)層一/層二的實際需求，異步HARQ具有以下的優(yōu)勢：

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

(2)可以支持一個子幀的多個HARQ進程

(3)重傳調(diào)度的靈活性

在3G LTE系統(tǒng)中，已經(jīng)確定在演進通用移動通信系統(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]。因為相對于同步非自適應(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)先級較高的進程需要被調(diào)度，但是該時刻的資源已被分配給某一個HARQ進程，那么資源分配就會發(fā)生沖突；而異步HARQ的重傳不是發(fā)生在固定時刻，可以有效地避免這個問題。在上述關(guān)于異步HARQ的優(yōu)點的基礎(chǔ)上，同時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；而若重傳時這些參數(shù)不發(fā)生變化時，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，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用戶實際的信干比(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通信系統(tǒng)將具有越來越重要的意義和價值。混合自動重傳請求(HARQ)技術(shù)能夠很好地補償無線移動信道時變和多徑衰落對信號傳輸?shù)挠绊�，已�?jīng)成為未來3G長期演進系統(tǒng)中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)之一。該技術(shù)將會隨著3G長期演進系統(tǒng)的發(fā)展不斷完善。

5  參考文獻

[1]3GPPTR25.814 v7.1.0. Physical layer aspects for evolved universal terrestrial radio access (UTRA) [S].2006.

[2]3GPPTR25.835.Report on hybrid ARQ type II/III [S].2000.

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

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

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

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

作者簡介：

鄭侃，北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院講師、博士。研究方向為MIMO檢測算法、無線資源管理和軟件無線電等。已在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊和國際學(xué)術(shù)會議上共發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇，其中包括SCI數(shù)據(jù)庫索引4篇、EI數(shù)據(jù)庫索引15篇、ISTP數(shù)據(jù)庫索引9篇。汪玲，北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院在讀碩士生，研究方向為多天線系統(tǒng)中的自適應(yīng)技術(shù)。王文博，北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院院長、教授、博士生導(dǎo)師。長期從事移動通信無線傳輸理論和技術(shù)研究、無線通信網(wǎng)絡(luò)理論研究以及數(shù)字信號處理與軟件無線電理論研究。已在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊和國際學(xué)術(shù)會議上發(fā)表論文100余篇，出版專著和教材5部。