LTE中的混合自动重传请求技术

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　　3G长期演进系统(LTE)的标准化工作已经全面展开，并得到了大家的广泛关注。各种先进的无线传输技术即将在该系统中得到应用，包括混合自动重传请求(HARQ)技术。根据重传发生时刻的不同，HARQ可以分为同步和异步两类。同步HARQ由于接收端预先已知传输的发生时刻，HARQ进程的序号可以从子帧号获得；异步HARQ进程的传输可以发生在任何时刻，HARQ进程的处理序号需要连同数据一起发送。由于HARQ技术能够很好地补偿无线移动信道时变和多径衰落对信号传输的影响，已成为LTE中的关键技术之一。该技术将会随着3G长期演进系统的发展不断完善。
　　随着数据网络的飞速发展，基于数据业务的通信在各种通信中占的比重越来越大，作为主要支持话音业务的第二代移动通信系统已经不能够满足人们对数据业务的需求。如今世界各移动通信设备制造商和运营商已从对第三代移动通信系统的概念认同阶段进入到具体的设计、规划和实施阶段。在第三代移动通信的发展过程中，随着R99、R4、R5、R6和R7各个系统版本技术规范的发布，第三代移动通信合作计划(3GPP)组织作为宽带码分多址(WCDMA)和时分同步码分多址(TD-SCDMA)这两个系统进行国际标准化工作的主要组织，为基于带码分多址(CDMA)技术的第三代移动通信技术的发展发挥了重要的作用，近年来这些系统逐渐进入了商用的进程。为了满足更高速率业务的需求，3GPP于2004年12月正式开始了3G 长期演进(LTE)系统标准化工作[1]。推动LTE的出发点是保证3G系统未来10年的竞争力，使其性能、功能等得到全面提升。3G LTE重点考虑的方面主要包括降低时延、提高用户的数据率、增大系统容量和覆盖范围以及降低运营成本等。为了满足这些要求，需要对无线接口以及无线网络的架构进行一些改进。相应的研究将围绕多个方面展开，包括：物理层的空中接口、层二与层三间的接口，通用移动通信系统陆地无线接入网(UTRAN)结构的调整和与射频相关的问题等。
　　为了克服无线移动信道时变和多径衰落对信号传输的影响，3G LTE可以采用基于前向纠错(FEC)和自动重传请求(ARQ)等差错控制方法，来降低系统的误码率以确保服务质量。虽然FEC方案产生的时延较小，但存在的编码冗余却降低了系统吞吐量；ARQ在误码率不大时可以得到理想的吞吐量，但产生的时延较大，不宜于提供实时服务。为了克服两者的缺点，将这两种方法结合就产生了混合自动重传请求(HARQ)方案：即在一个ARQ系统中包含一个FEC子系统，当FEC的纠错能力可以纠正这些错误时，则不需要使用ARQ；只有当FEC无法正常纠错时，才通过ARQ反馈信道请求重发错误码组。
　　ARQ和FEC的有效结合不仅提供了比单独的FEC系统更高的可靠性，而且提供了比单独的ARQ系统更高的系统吞吐量。因此，随着对高数据率或高可靠业务需求的迅速发展，HARQ成为无线通信系统中的一项关键技术并得到了深入的研究，并必将应用于3G LTE系统中。
1  自动重传请求协议
　　常用的自动重传请求协议包括停等式(SAW)、后退N 步式(Go-back-N )和选择重发式(SR)等[2]。
　　(1)停等式
　　发送端每发送一个数据分组包就暂时停下来，等待接收端的确认信息。当数据包到达接收端时，对其进行检错，若接收正确，返回确认(ACK)信号，错误则返回不确认(NACK)信号。当发端收到ACK信号，就发送新的数据，否则重新发送上次传输的数据包。而在等待确认信息期间，信道是空闲的，不发送任何数据。这种方法由于收发双方在同一时间内仅对同一个数据包进行操作，因此实现起来比较简单，相应的信令开销小，收端的缓存容量要求低。但是由于在等待确认信号的过程中不发送数据，导致太多资源被浪费，尤其是当信道传输时延很大时。因此，停等式造成通信信道的利用率不高，系统的吞吐量较低。图1所示是停等式ARQ的一个简单示例。

　　

　　(2)后退N 步式
　　在采用后退N 步式ARQ协议的传输系统中，发送端发送完一个数据分组后，并不停下来等待确认信息，而是连续发送若干个数据分组信息。接收端将每个数据包相应的ACK或NACK信息反馈回发送端，同时发送回的还有数据包分组号。当接收到一个NACK信号时，发送端就重新发送包括错误数据的N 个数据包，如图2所示。接收端只需按序接收数据包，在接收到错误数据包后即使又接收到正确的数据包后还是必须将正确的数据包丢弃，并重新发送确认信息。可以看出，相比较SAW，采用该协议一方面因发端连续发送数据提高了系统的吞吐量，但同时增大了系统的信令开销；另一方面，由于收端仅按序接收数据，那么在重传时又必须把原来已正确传送过的数据进行重传(仅因为这些数据分组之前有一个数据分组出了错)，这种方法使信道利用率降低

         (3)选择重发式
　　为了进一步提高信道的利用率，选择重发式协议只重传出现差错的数据包，但是此时收端不再按序接收数据分组信息，那么在收端则需要相当容量的缓存空间来存储已经成功译码但还没能按序输出的分组。同时收端在组合数据包前必须知道序列号，因此，序列号要和数据分别编码，而且序列号需要更可靠的编码以克服任何时候出现在数据里的错误，这样就增加了对信令的要求。所以，相比之下SR的信道利用率最高，但是要求的存储空间和信令开销也最大，选择重发ARQ协议的工作示例见图3。

　　

　　在3G LTE系统中将采用停等式(SAW)重传协议。这种机制不仅简单可靠，系统信令开销小，并且降低了对于接收机的缓存空间的要求。但是，该协议的信道利用效率较低。为了避免这种不利，3G LTE系统采用了N 通道的停等式协议，即发送端在信道上并行地运行N 套不同的SAW协议，利用不同信道间的间隙来交错地传递数据和信令，从而提高了信道利用率。
2  基本HARQ类型
　　根据重传内容的不同，在3GPP标准和建议中主要有3种混合自动重传请求机制，包括HARQ-I、HARQ-II和HARQ-III等[3]。
　　(1)HARQ-I型
　　HARQ-I即为传统HARQ方案，它仅在ARQ的基础上引入了纠错编码，即对发送数据包增加循环冗余校验(CRC)比特并进行FEC编码。收端对接收的数据进行FEC译码和CRC校验，如果有错则放弃错误分组的数据，并向发送端反馈NACK信息请求重传与上一帧相同的数据包。一般来说，物理层设有最大重发次数的限制，防止由于信道长期处于恶劣的慢衰落而导致某个用户的数据包不断地重发，从而浪费信道资源。如果达到最大的重传次数时，接收端仍不能正确译码(在3G LTE系统中设置的最大重传次数为3)，则确定该数据包传输错误并丢弃该包，然后通知发送端发送新的数据包。这种HARQ方案对错误数据包采取了简单的丢弃，而没有充分利用错误数据包中存在的有用信息。所以，HARQ-I型的性能主要依赖于FEC的纠错能力。
　　(2)HARQ-II型
　　HARQ-II也称作完全增量冗余方案。在这种方案下，信息比特经过编码后，将编码后的校验比特按照一定的周期打孔，根据码率兼容原则依次发送给接收端。收端对已传的错误分组并不丢弃，而是与接收到的重传分组组合进行译码；其中重传数据并不是已传数据的简单复制，而是附加了冗余信息。接收端每次都进行组合译码，将之前接收的所有比特组合形成更低码率的码字，从而可以获得更大的编码增益，达到递增冗余的目的。每一次重传的冗余量是不同的，而且重传数据不能单独译码，通常只能与先前传的数据合并后才能被解码。
　　(3)HARQ-III型
　　HARQ-III型是完全递增冗余重传机制的改进。对于每次发送的数据包采用互补删除方式，各个数据包既可以单独译码，也可以合成一个具有更大冗余信息的编码包进行合并译码。另外根据重传的冗余版本不同，HARQ-III又可进一步分为两种：一种是只具有一个冗余版本的HARQ-III，各次重传冗余版本均与第一次传输相同，即重传分组的格式和内容与第一次传输的相同，接收端的解码器根据接收到的信噪比(SNR)加权组合这些发送分组的拷贝，这样，可以获得时间分集增益。另一种是具有多个冗余版本的HARQ-III，各次重传的冗余版本不相同，编码后的冗余比特的删除方式是经过精心设计的，使得删除的码字是互补等效的。所以，合并后的码字能够覆盖FEC编码中的比特位，使译码信息变得更全面，更利于正确译码。
　　图4给出了编码码率Rc =2/3时各类HARQ的具体传输过程。

　　

　　在3GPP中，各个成员公司达成了一些初步共识，明确指出：在未来3G LTE系统的上行或者下行链路中，将会采用基于递增冗余重传(IR)机制的HARQ重传策略；由于Chase合并(CC)可以视为IR的一种特殊的情况，因此系统也支持CC机制。
3  同步和异步HARQ
　　按照重传发生的时刻来区分，可以将HARQ可以分为同步和异步两类。这也是目前在3G LTE中讨论比较多的话题之一。同步HARQ是指一个HARQ进程的传输(重传)是发生在固定的时刻，由于接收端预先已知传输的发生时刻，因此不需要额外的信令开销来标示HARQ进程的序号，此时的HARQ进程的序号可以从子帧号获得；异步HARQ是指一个HARQ进程的传输可以发生在任何时刻，接收端预先不知道传输的发生时刻，因此HARQ进程的处理序号需要连同数据一起发送。
　　由于同步HARQ的重传发生在固定时刻，在没有附加进程序号的同步HARQ在某一时刻只能支持一个HARQ进程。实际上HARQ操作应该在一个时刻可以同时支持多个HARQ进程的发生，此时同步HARQ需要额外的信令开销来标示HARQ的进程序号，而异步HARQ本身可以支持传输多个进程。另外，在同步HARQ方案中，发送端不能充分利用重传的所有时刻，例如为了支持优先级较高的HARQ进程，则必须中止预先分配给该时刻的进程，那么此时仍需要额外的信令信息。
　　根据重传时的数据特征是否发生变化又可将HARQ分为非自适应和自适应两种，其中传输的数据特征包括资源块的分配、调制方式、传输块的长度、传输的持续时间。自适应传输是指在每一次重传过程中，发送端可以根据实际的信道状态信息改变部分的传输参数，因此，在每次传输的过程中包含传输参数的控制信令信息要一并发送。可改变的传输参数包括调制方式、资源单元的分配和传输的持续时间等。在非自适应系统中，这些传输参数相对于接收端而言都是预先已知的，因此，包含传输参数的控制信令信息在非自适应系统中是不需要被传输的。
　　在重传的过程中，可以根据信道环境自适应地改变重传包格式和重传的时刻的传输方式，可以称为基于IR类型的异步自适应HARQ方案。这种方案可以根据时变信道环境的特性有效地分配资源，但是具有灵活性的同时也带来了更多的系统复杂性。在每次重传过程中包含传输参数的控制信令信息必须与数据包一起发送，这样就会造成额外的信令开销。而同步HARQ在每次重传过程中的重传包格式，重传时刻都是预先已知的，因此不需要额外的信令信息。
　　与异步HARQ相比较，同步HARQ具有以下的优势：
　　(1)控制信令开销小，在每次传输过程中的参数都是预先已知的，不需要标示HARQ的进程序号。
　　(2)在非自适应系统中接收端操作复杂度低。
　　(3)提高了控制信道的可靠性，在非自适应系统中，有些情况下，控制信道的信令信息在重传时与初始传输是相同的，这样就可以在接收端进行软信息合并从而提高控制信道的性能。
　　根据层一/层二的实际需求，异步HARQ具有以下的优势：
　　(1)如果采用完全自适应的HARQ技术，同时在资源分配时，可以采用离散、连续的子载波分配方式，调度将会具有很大的灵活性。
　　(2)可以支持一个子帧的多个HARQ进程
　　(3)重传调度的灵活性
　　在3G LTE系统中，已经确定在演进通用移动通信系统陆地无线接入网(E-UTRA)下行链路系统中将采用异步自适应的HARQ技术[4]。因为相对于同步非自适应HARQ技术而言，异步HARQ更能充分利用信道的状态信息，从而提高系统的吞吐量，另一方面异步HARQ可以避免重传时资源分配发生冲突从而造成性能损失。例如：在同步HARQ中，如果优先级较高的进程需要被调度，但是该时刻的资源已被分配给某一个HARQ进程，那么资源分配就会发生冲突；而异步HARQ的重传不是发生在固定时刻，可以有效地避免这个问题。在上述关于异步HARQ的优点的基础上，同时考虑到信令开销过大的问题，在3G LTE系统目前的讨论中，不少公司纷纷提出了如何降低异步HARQ系统中信令开销的方法。例如韩国三星公司[5]提出若重传的时刻和传输参数发生变化，那么相关的控制信令就需要被发送；而若重传时这些参数不发生变化时，则与同步HARQ类似，即传输参数相关的信令信息就不需要被发送；因此在保证系统性能的基础上降低了信令的开销。
　　同时，3G LTE系统将在上行链路采用同步非自适应HARQ技术[6]。虽然异步自适应HARQ技术相比较同步非自适应技术而言，在调度方面的灵活性更高，但是后者所需的信令开销更少。由于上行链路的复杂性，来自其他小区用户的干扰是不确定的，因此基站无法精确估测出各个用户实际的信干比(SINR)值。在自适应调制编码系统中，一方面自适应调制编码(AMC)根据信道的质量情况，选择合适的调制和编码方式，能够提供粗略的数据速率的选择；另一方面HARQ基于信道条件提供精确的编码速率调节，由于SINR值的不准确性导致上行链路对于调制编码模式(MCS)的选择不够精确，所以更多地依赖HARQ技术来保证系统的性能。因此，上行链路的平均传输次数会高于下行链路。所以，考虑到控制信令的开销问题，在上行链路确定使用同步非自适应HARQ技术。
4  结束语
　　随着对高速无线多媒体业务需求的不断增加和无线频谱资源日趋紧张，探索未来高效率的移动通信系统将具有越来越重要的意义和价值。混合自动重传请求(HARQ)技术能够很好地补偿无线移动信道时变和多径衰落对信号传输的影响，已经成为未来3G长期演进系统中不可或缺的关键技术之一。该技术将会随着3G长期演进系统的发展不断完善。
5  参考文献
　　[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.