背景介紹
??數(shù)據(jù)通信最初是在有線網(wǎng)上發(fā)展起來的，通常要求較大的帶寬和較高的傳輸質(zhì)量。對于有線連接，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃允峭ㄟ^重傳來實現(xiàn)的。當(dāng)前一次嘗試傳輸失敗時，就要求重傳數(shù)據(jù)分組，這樣的傳輸機(jī)制就稱之為ARQ（自動請求重傳）。在無線傳輸環(huán)境下，信道噪聲和由于移動性帶來的衰落以及其他用戶帶來的干擾使得信道傳輸質(zhì)量很差，所以應(yīng)該對數(shù)據(jù)分組加以保護(hù)來抑制各種干擾。這種保護(hù)主要是采用前向糾錯編碼（FEC），在分組中傳輸額外的比特。然而，過多的前向糾錯編碼會使傳輸效率變低。因此，一種混合方案HARQ，即ARQ（Automatic Repeat reQuest）和FEC（ForwardError Correction,前向糾錯）相結(jié)合的方案被提出了?；旌献詣又貍骷夹g(shù)可以高效地補(bǔ)償由于采用鏈路適配所帶來的誤碼，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，減小了數(shù)據(jù)傳輸時延。
1. 概念介紹
??HARQ（Hybrid Automatic Repeat Request ） 混合自動重傳請求，它的關(guān)鍵詞是存儲、請求重傳、合并解調(diào)。接收方在解碼失敗的情況下，保存接收到的數(shù)據(jù)，并要求發(fā)送方重傳數(shù)據(jù)，接收方將重傳的數(shù)據(jù)和先前接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并后再解碼。這里面就有一定的分集增益，減少了重傳次數(shù)，進(jìn)而減少了時延。而傳統(tǒng)的ARQ技術(shù)簡單地拋棄錯誤的數(shù)據(jù)，不做存儲，也就不存在合并的過程，自然沒有分集增益，往往需要過多地重傳、過長時間地等待。
??R99版本的ARQ中，數(shù)據(jù)包的重傳工作由RNC完成；而HSDPA的HARQ技術(shù)則主要由Node B完成數(shù)據(jù)包的選擇重傳，由終端完成重傳數(shù)據(jù)的合并，這就大大提高了重傳的速度。只有DLSCH和ULSCH傳輸支持HARQ，其他信道不支持HARQ。LTE中有兩種重傳機(jī)制，除了MAC層的HARQ機(jī)制，還有 RLC層的ARQ（只針對AM（aknowledgement mode確認(rèn)模式）數(shù)據(jù)傳輸）機(jī)制。
1.1 自動重傳請求協(xié)議（ARQ）
??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。
1.1.1 停等式（stop-and-wait protocol ）
??發(fā)送端每發(fā)送一個傳輸塊TB（transport block）后就暫時停下來，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，接收端會使用1bit的信息對該TB進(jìn)行CRC檢錯，若接收正確，返回確認(rèn)(ACK)信號，錯誤則返回不確認(rèn)(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(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)雙方在同一時間內(nèi)僅對同一個數(shù)據(jù)包進(jìn)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(rèn)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。
??因此LTE使用多個并行的stop-and-wait process：當(dāng)一個HARQprocess在等待確認(rèn)信息時，發(fā)送端可以使用另一個HARQ process來繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。這些HARQ process共同組成了一個HARQ實體（HARQ entity），這個實體結(jié)合了停等協(xié)議，同時允許數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸。
每個UE都有一個HARQ實體。但在載波聚合中，一個UE對應(yīng)每個載波單元（Component Carrier）都有各自的HARQ實體。
每個HARQ process在一個TTI只處理一個TB（TransportBlock，傳輸塊）。
每個HARQ process在接收端都需要有獨立的HARQbuffer，以便對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行軟合并。
??在空分復(fù)用中，一個TTI會并行傳輸2個TB，此時每個TB有各自獨立的HARQ確認(rèn)信息，1個HARQ實體包含2個HARQprocess集合。
1.1.2 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(rèn)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。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(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(jìn)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。
1.1.3 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)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。
??在3GLTE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。
1.2 相關(guān)概念
1.2.1 HARQ process number
??HARQ process number 也稱為HARQprocess ID，唯一地指定一個HARQ process。
1.2.2 NDI
??NDI是New Data Indicator的縮寫。每個HARQprocess會保存一個NDI值，該值使用1比特來指示被調(diào)度的數(shù)據(jù)是新傳還是重傳。如果同一HARQ process的NDI值與之前相比發(fā)生了變化（NDItoggled），則表示當(dāng)前傳輸是一個新的TB的初傳，否則（NDI not toggled）表示當(dāng)前傳輸是同一個TB的重傳。
1.2.3 RV
??RV是 Redundancy Version的縮寫。用于指示傳輸所使用的冗余版本，其取值范圍為0~3。
1.2.4 MCS
??MCS 是 Modulation and CodingScheme的縮寫。DCI使用5比特的MCSindex（031）來指示當(dāng)前傳輸所使用的調(diào)制和編碼樣式，并影響到TBS的選擇。MCS共計32種組合，其中3種組合（索引為2931）是預(yù)留的，且這3種組合只用于重傳。
1.2.5 同步（synchronous）和異步（asynchronous）
??HARQ協(xié)議在時域上分為同步（synchronous）和異步（asynchronous）兩類；
??異步HARQ（asynchronousHARQ）意味著重傳可以發(fā)生在任一時刻，也意味著能以任意順序使用HARQ process。同步HARQ（synchronousHARQ）意味著重傳只能在前一次傳輸之后的固定時刻發(fā)送，也意味著某個特定的子幀，只能使用某個特定的HARQ process。
??同步HARQ的好處在于HARQprocess號可以直接從系統(tǒng)幀號/子幀號中推導(dǎo)出來，而無需顯式地發(fā)送HARQ process number；異步HARQ的好處在于重傳調(diào)度更加靈活。
1.2.5 自適應(yīng)（adaptive）和非自適應(yīng)（non-adaptive）
??HARQ在頻域上分為自適應(yīng)（adaptive）和非自適應(yīng)（non-adaptive）兩類。
??自適應(yīng)HARQ（adaptiveHARQ）意味著可以改變重傳所使用的PRB資源以及MCS。
??非自適應(yīng)HARQ（non-adaptiveHARQ）意味著重傳必須與前一次傳輸（新傳或前一次重傳）使用相同的PRB資源和MCS。
??在LTE中，下行使用異步、自適應(yīng)HARQ；上行使用同步HARQ，但重傳可以是自適應(yīng)的，也可以是非自適應(yīng)的。
1.3 HARQ基本原理
混合自動重傳請求（Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ），是一種將前向糾錯編碼（FEC）和自動重傳請求（ARQ）相結(jié)合而形成的技術(shù)。HARQ的基本原理如下所示:
?在接收端使用FEC技術(shù)糾正所有錯誤中能夠糾正的那一部分。
?通過錯誤檢測判斷不能糾正錯誤的數(shù)據(jù)包。
?丟棄不能糾錯的數(shù)據(jù)包，向發(fā)送端請求重新發(fā)送相同的數(shù)據(jù)包。
2. 帶軟合并的HARQ（HARQ with softcombining） 技術(shù)的實現(xiàn)方式
根據(jù)重傳的比特信息與原始傳輸是否相同，HARQ with softcombining分為chase combining和incrementalredundancy（增量冗余）兩類。chase combining中重傳的比特信息與原始傳輸相同；incremental redundancy 中重傳的比特信息不需要與原始傳輸相同。LTE中只使用incremental redundancy機(jī)制, 因此，F(xiàn)EC及Soft Combining提供的低誤碼率，將可以大幅減少傳統(tǒng)ARQ所必須重傳的次數(shù)。
2.1 軟合并（Chase Combine，CC）
在單純的HARQ機(jī)制中，接收到的錯誤數(shù)據(jù)包是直接被丟棄的。雖然這些錯誤數(shù)據(jù)包不能夠獨立地正確譯碼，但是它們依然包含有一定的信息。軟合并（Chase Combine，CC）就是利用這部分信息，即是將接收到的錯誤數(shù)據(jù)包保存在一個HARQ buffer 存儲器中，與重傳的數(shù)據(jù)包合并在一起進(jìn)行譯碼，如果還是失敗，則重復(fù)“請求重傳，再進(jìn)行軟合并”，提高了傳輸效率。
2.2 增量冗余（Incremental Redundancy，IR）
增量冗余（Incremental Redundantcy，IR）技術(shù)在發(fā)送前通過將Coded Bits 透過循環(huán)緩沖器（Circular Buffer）用打孔（Puncturing）的方式分成四種冗余版本（Redundancy Version），然后在第一次傳輸時發(fā)送信息bit和一部分冗余bit（r.v. =0）， 而通過重傳（Retransmission）發(fā)送額外的冗余bit(r.v.=2、r.v.=3及r.v.=1的部分)。如果第一次傳輸沒有成功解碼，則可以通過重傳更多冗余bit降低信道編碼率，從而提高解碼成功率。如果加上重傳的冗余bit仍然無法正常解碼，則進(jìn)行再次重傳。隨著重傳次數(shù)的增加，冗余bit不斷積累，信道編碼率不斷降低，從而可以獲得更好的解碼效果。
LTE的HARQ還可以與AMC技術(shù)相配合，為LTE的HARQ進(jìn)程提供精細(xì)的彈性速率調(diào)整。
至于HARQ重傳的具體時間，是由同步HARQ協(xié)議和異步HARQ協(xié)議決定。
LTE上行鏈路采用同步HARQ協(xié)議：重傳在預(yù)先定義好的時間進(jìn)行，接收端不需要被告知重傳的進(jìn)程號。
LTE下行鏈路采用異步HARQ協(xié)議：重傳在上一次傳輸之后的任何可用時間上進(jìn)行，接收端需要被告知具體的進(jìn)程號。
3. HARQ技術(shù)的分類
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(jī)制，包括HARQ-I、HARQ-II和HARQ-III等[3]。
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(jìn)行FEC編碼。收端對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)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(dá)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。
3.2 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(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)不能單獨譯碼，通常只能與先前傳的數(shù)據(jù)合并后才能被解碼。
3.3 HARQ-III型
HARQ-III型是完全遞增冗余重傳機(jī)制的改進(jìn)。對于每次發(fā)送的數(shù)據(jù)包采用互補(bǔ)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(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)南嗤邮斩说慕獯a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(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。
