TD-SCDMA HSDPA系统中HARQ参数优化

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摘要　混合自动重复请求（HARQ）作为TD-SCDMA高速下行分组接入（HSDPA）系统中的一项关键技术使数据传输向更可靠的阶段发展。文章首先介绍了HARQ的机制类型和功能结构，并由此阐述了设置冗余版本（RV）参数的目的和作用，然后通过链路仿真分析提供了系统实现时RV参数的选择和优化方案。
0、引言
　　为提高下行容量和数据业务速率，TD-SCDMA系统引入高速下行分组接入（HSDPA）这一增强技术。HSDPA技术的理论数据传输速率最高可达14.4Mbit/s，平均可为每位用户提供300kbit/s～1Mbit/s的下行链路。从底层来看，HSDPA主要是引入自适应调制编码（AMC）和混合自动重传请求（HARQ）技术来实现对信道条件的自适应性和更高阶的调制算法，从而提高系统的数据传输速率和频谱效率。其中，HARQ作为一种链路自适应技术，为系统提供了基于信道条件的精确的数据速率调整，这一功能主要通过速率匹配和比特重排控制重传数据版本来实现。下面将着重描述在TD-SCDMA系统中，HARQ的原理和实现及冗余版本（RV）参数设置的目的，并确定参数优化的方案。
1、HARQ技术简介
　　HARQ是一种链路自适应技术，接收端在超出自身纠错能力时快速请求发端重发错误的数据块，因此能自动适应信道条件的变化，且对测量误差和时延不敏感。HARQ实现机制传统上分为三类：
　　第一类HARQ（HARQ Type Ⅰ）又叫传统ARQ，接收端首先对数据包进行纠错，如果有错误不能纠正，就发送数据包重传请求，同时丢弃错误的数据包。重传时使用相同的前向纠错编码，冗余信息不变。Chase Combining对第一类HARQ作了一定程度的改进，不丢弃错误的数据包，而是存储起来，在接收端由解码器先将多次传输的数据按信噪比加权相加，即最大比合并（MRC），再进行解码，从而获得时间分集增益。
　　第二类HARQ（HARQ Type Ⅱ）属于全冗余方式的增加冗余（IR）的ARQ机制。其重传不包含系统比特信息，只是携带新的冗余信息来帮助解码，在接收端与先前收到的信息合并形成纠错能力更强的前向纠错码，使错误率进一步降低。冗余信息版本由若干编码打孔方式产生。
　　第三类HARQ（HARQ Type Ⅲ），又叫部分冗余HARQ，也属于增加冗余机制。接收机将多次传输的数据合并后进行解码。重传数据中同时包含冗余和系统比特，能够自解码。由于系统比特对解码的影响非常大，如果系统中噪声和干扰比较大，使得第一次传输的数据破坏非常严重，那么即使增加冗余信息，数据包也难以解码。这种情况下，重传数据自解码将使系统性能得到提高。第三类HARQ可以看作前两类的结合。
2、HARQ的功能实现
　　在TD-SCDMA HSDPA系统中，HARQ功能模块由两级速率匹配（Rate Matching）和一个缓冲器组成[2]。第一速率匹配子模块使输入比特与用户设备（UE）软缓冲容量相匹配。若输入比特数大于虚拟IR缓存器容量，则进行打孔；否则不执行第一速率匹配。第二速率匹配子模块通过进行打孔或重复的操作，将第一速率匹配子模块输出的高速下行共享信道（HS-DSCH）TTI比特数据与高速下行物理共享信道（HS-PDSCH）帧内的比特数相匹配。
　　速率匹配对承载基带信号的传输信道上的数据进行由算法控制的打孔或重复，以保证匹配后传输信道复用的数据速率等同于映射到给定物理信道上的数据速率。在TD-SCDMA HSDPA系统中还是采用R99的速率匹配算法，纠错控制编码使得打孔不会造成人为添加误码。TD-SCDMA HSDPA系统在基带处理中采用了纠错能力很强的Turbo码，在解速率匹配之后进行的解码可以恢复原来的序列。由速率匹配的算法处理过程可知，在数据流中打孔或者重复是均匀进行的，每隔几个比特打掉或者重复一个比特。这也为纠错解码提供了可能。
　　TD-SCDMA HSDPA系统的速率匹配算法对于打孔或者重复有很大的可调控性。根据不同传输信道信息的重要性，由上层的参数控制决定打孔或重复的数量，保证了优先级更高的信息有效传输。同时，系统主要通过设置速率匹配中的RV参数来选择HARQ机制类型，并可以通过改变上述重复或打孔的位置和规则来获得不同的冗余版本，在每次传输中实现，以获得时间增益和编码增益。
　　比特重排在高阶调制的HARQ中也发挥了重要作用。在移动通信系统中，为了不增加带宽、提高数据传输速率，通常采用M阶正交幅度调制（M-QAM）的方案。但是高阶调制本身是一种不等差错保护调制，对于M＞4，映射到M-QAM符号上的各个比特的误比特率（BER）性能是不同的。处于星座图内围的点能量较小，容易受到衰落，构成这些符号的比特可靠性较差，而相比之下构成外围点的比特可靠性较好。比特重排正是为了避免某些比特始终受到衰落，改变重传中各符号对应的星座位置，使接收端解调合并后比特可靠性趋于均匀且总体得到提高，进而提高系统的吞吐量。从HARQ实现的角度看，比特重排改变了数据的星座映射的版本，为速率匹配产生的数据版本作出补充，进一步给重传合并带来增益。
3、HARQ中的RV参数
　　在HARQ中，输入比特数、输出比特数及RV参数三者共同决定了每一输出比特的位置，从而控制HARQ的重传方式及每次重传数据所采用的版本，这与系统的纠错能力直接相关。因此为了提高系统性能，我们需要确定RV参数对吞吐量的影响进而进行参数优化。
　　HARQ功能模块中速率匹配的参数取决于RV参数中的s和r。其中参数s可以决定每次传输的优先设置，其规则为：s取0时优先传输非系统比特，s取1时则优先传输系统比特，即决定先对系统比特还是冗余比特打孔，以满足速率匹配对比特数的要求。第一次传输时系统比特必须全部保留，即s=1。前面提到速率匹配打孔或重复的起始位置由变量eini决定，在打孔操作中：eini={(xi-|(r×eplus/rmax|-1)mod eplus}+1。参数r的范围从0至rmax-1，其中rmax表示参数r值的总数，由调制方式决定（对于QPSK（四相相移键控），rmax=4；对于16QAM（十六正交幅度调制），rmax=2）。r决定了打孔或重复的起始位置，如果改变r值，则改变了速率匹配后的数据版本，使各次传输序列之间的相关性较小，传错的比特分散开来，从而带来较大的重传合并增益。另外，打孔或重复位置的间隔不受r值影响，由输入和输出的比特数决定。r和s共同决定了数据冗余版本。
　　系统中正是通过设置RV参数r和s来改变每次传输的HARQ机制类型。由前面的定义可知，当各次传输s恒设为1，r取一固定值时，相当于采用HARQ Type Ⅰ的Chase combining这一类型；当s在首次传输时取1，重传时取0，且各次重传r取不同值时，相当于HARQ Type Ⅱ；当各次传输s恒取值为1，r取不同值时，相当于HARQ Type Ⅲ。类似的，还可以灵活设置上述参数，对机制类型进行调整和细化。
　　比特重排作为高阶调制情况下特有的操作，其重排方式由RV参数中的b值决定。输入比特序列被分成4个一组（即一个符号），υk、υk+1、υk+2、υk+3其中k为除以4余1的整数。根据调制方式为16QAM时，b值对应的不同重排方案的操作[2]，分析16QAM调制的星座图可知，b=1、2、3的重排操作都可以通过改变星座点的位置，使能量在各符号上的分布发生变化，从而不同程度地提高重传合并后的总体比特可靠性。
　　由RV参数的定义[2]可知，在QPSK调制方式下，参数s、r联合起来映射产生Xrv值，s值的选择和r值的选择是相互独立的，且可任意组合，因此可以对s和r的设置性能分别进行仿真。而在16QAM调制方式下，Xrv各位从高到低分别由s、r、b构成。s、r、b并不是两两相互任意组合，而是只取了16种组合当中的8种。
4、RV参数的设置方案
　　为比较RV参数的不同设置，笔者对TD-SCDMA HSDPA单用户系统中4个时隙，10个码道（QPSK）/9个码道（16QAM）的数据进行性能仿真，传播环境采用ITU VA30信道。
　　当信道环境很好时，全部数据都可以在首次传输中正确接收，不需要重传，冗余参数的选择失去意义，所以需要根据信道环境分别考虑各次重传的情况，比较s的取值。当信道环境不是很理想时，有相当数量的帧并不能一次性传输正确，此时若s在各次重传中都取1，系统信息的可靠性将得到最大程度的保证。若s取0，则系统比特被大量打孔甚至完全舍弃，重传合并及纠错带来的增益很小。所以s取全1的情况将优于其它的s值组合，且信道环境越差这个优势越明显。因为在信道环境较差时，对系统纠错能力的要求更高，较好的冗余版本和重传方式带来的性能增益越显著，这样重传合并获得的增益较大。图1给出了不同信道环境和最大重传次数下，不同s值组合的系统性能比较（设r=0）。在最大重传次数分别为1、2、3，输入信噪比分别为10dB、5dB、0dB时，s=1/1、s=1/1/1、s=1/1/1/1时的吞吐量分别优于s=1/0、s=1/1/0、s=1/1/1/0。由此可知，恒取s=1的情况下系统性能最佳。

图1　QPSK不同s值组合下的吞吐量

　　每次传输设置不同的r值，可以产生不同冗余版本，为系统性能带来较大的合并增益。但不必追究r的具体取值和组合形式，只要r值在各次传输中不同，无论怎样排列，打孔剩余的比特位置都是相互错开的，只是错开的距离和规则略有不同，由此带来的性能差异远小于重传合并本身带来的增益，基本可以忽略。表1给出了最大重传次数为3时两种信道环境下不同r值组合的性能比较（设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这三者的吞吐量相当。
　　用16QAM的调制方式时，参数s和r对系统性能的影响与QPSK时是一致的。表2给出了不同信道环境和最大重传次数下，不同s值组合的系统性能比较（设r=0，b按传输次数依次取0/1/2/3）。另外，当输入信噪比为5dB，最大重传次数为3时，设s=1、b=0，此时r=0/1/0/1和r=0/0/0/0的吞吐量分别为345.089kbit/s和328.488kbit/s。这也说明r值交错组合与r保持定值相比，系统的性能有所提升。

表1　QPSK不同r值组合下的吞吐量

表2　16QAM不同s值组合下的吞吐量

　　当采用16QAM及其它高阶调制时引入比特重排能显著地提升系统性能。虽然由参数b产生的三种不同的比特重排方式带来的改善效果略有不同，但这个差异与比特重排本身带来的性能改善相比基本可以忽略。图2给出了不同信道环境和最大重传次数下，不同b值组合的系统性能比较（设s=1，r=0）。在输入信噪比为10dB的良好环境下时，b=0/1/2/3的吞吐量仍然比b=0/0/0/0有明显的提高。而b=0/2时的吞吐量比b=0/1和b=0/3这两种情况低约5Kbit/s左右，这一差异远小于选择参数s和r的组合及有无比特重排所带来的影响。b=0/1/2和b=0/1/3这两种情况的吞吐量几乎相等。
　　另外我们注意到，调制方式为16QAM时参数r和b并不是两两相互任意组合，而是只取了其中8种，也就是说无法从中取出这样一组RV参数，同时包含最优的r值组合和b值组合。在存在比特重排的前提下，改变b值组合对系统性能的影响远小于改变r值组合带来的影响；且r值通过改变打孔后保留比特的位置，同样可以改变各符号的星座点位置，这在一定程度上补充了b值影响下的比特重排的增益效果。所以应当在各次传输的b值各不相同的前提下，优先排列参数r，然后再考虑b的排列。

图2　16QAM不同b值组合下的吞吐量

5、结束语
　　在TD-SCDMA HSDPA系统中，RV参数控制了速率匹配中数据重复或打孔的规则以及比特重排中星座映射的方式，从而决定HARQ的机制类型和每次重传的冗余版本。选择适当的RV参数可以提高HARQ的重传合并增益，增强系统的纠错能力，有效地提升系统性能。本文通过链路仿真给出了QPSK和16QAM调制方式下RV参数不同设置下的系统吞吐量，得出参数选择和优化的方案。为使系统性能达到最佳，在各次传输中，参数s应全部取1，始终优先传输系统比特；参数r取值应各不相同，使打孔后保留比特的位置尽量错开，而对具体的取值没有特定要求；对于高阶调制只需在上述基础上改变重传时b的取值，确保比特得到重排。
　　参考文献
　　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，李贵勇，陈贤亮，等.TD-SCDMA第三代移动通信系统、信令及实现.北京：人民邮电出版社.2003.