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基于3GPP LTE 系統的HARQ 算法探究
1．引言
1.1 3GPP LTE 系統的介紹
隨著現代移動通信技術的蓬勃發展,全球無線通信呈現出移動化、寬帶化和IP 化的趨勢,移動通信行業競爭日趨激烈。為了和WiMAX ,Wi2Fi 等新興的無線寬帶技術競爭,提高3G在新興寬帶無線接入市場的競爭力,3GPP 開始了UMTS 技術的長期演進(LongTermEvolution ,LTE) 技術的研究,以實現3G技術向B3G和4G的平滑過渡。3GPP 長期演進項目是關于UTRA和UTRAN 改進的項目,是近兩年來3GPP 啟動的最大的新技術研發項目,它的目標是更高的數據速率、更低的時延、改進的系統容量和覆蓋范圍,以及較低的成本。
根據3GPP LTE 項目的具體目標主要有:
(1) 支持1. 25MHz～20MHz 的帶寬配置,并且支持對稱和不對稱的頻譜分配。3GPP LTE系統支持1. 25MHz ,1. 6MHz ,2. 5MHz ,5MHz ,10MHz ,15MHz 和20MHz 的帶寬設置。從而從技術上保證LTE 系統可以繼續使用第三代移動通信系統的頻譜。
(2) 提高小區邊緣的比特率,增強3GPP LTE 系統的覆蓋性能。這主要通過頻分多址和小區間干擾抑制技術來實現。
(3) 系統性能方面: 實現峰值數據率上行50Mbps ,下行100Mbps。下行鏈路頻譜效率(bitPsPHzPsite) 達到3GPP R6 中HSDPA 的3～4倍,上行鏈路頻譜效率為HSUPA 的2～3倍。用戶吞吐量方面,下行鏈路用戶每兆赫吞吐量(C. D. F. 的5 %處) 為3GPP R6中HSDPA的2～3 倍,平均吞吐量為HSDPA 的3～4倍。上行鏈路(UE 單天線發射,Node B 雙天線接收情況下) 用戶每兆赫吞吐量為3GPP R6 中HSUPA 的2～3倍,平均吞吐量為HSUPA 的2～3倍。低時延要求: 出于對VoIP 和在線游戲的重視,LTE 對用戶面延遲的要求較為嚴格,要求用戶面內部單向傳輸時延低于5ms ,控制面從休眠狀態到激活狀態的遷移時間低于50ms ,從駐留狀態到激活狀態的遷移時間小于100ms。
(4) 取消電路交換,采用基于全分組的包交換。電路交換域的業務在包交換域實現,如采用VoIP 技術。
(5) 支持與現有3GPP 和非3GPP 系統的互操作且追求后向兼容。降低建網成本,實現從R6 的低成本演進。實現合理的終端復雜度、成本和耗電。
1.2 HARQ 技術的介紹
無線移動信道具有時變和多徑導致的衰落特點，常有較高的誤碼率。一般地，采用前向糾錯（FEC）和自動重傳請求（ARQ）兩種基本的差錯控制方法以確保服務質量（QoS）。不過，雖然 FEC 方案有恒定的吞吐量和時延，但它不必要的開銷卻減少了吞吐量。同時，ARQ在誤碼率不是很高的時候可以得到理想的吞吐量，但它要產生可變時延，不宜于提供實時服務。為了克服兩者的缺點，將這兩種方法結合起來就產生了混合ARQ 方案（即HARQ）。
在這種方式下，發送端發送的碼不僅能夠被檢測出錯誤，而且還具有一定的糾錯能力。
接收端收到碼序列以后，首先檢驗錯誤情況，如果在糾錯碼的糾錯能力以內，就自動進行糾錯。如果錯誤很多，超過了碼的糾錯能力，還是能檢測出來，不過接收端會通過反饋信道，要求發端重新傳送有錯的那部分信息。由此可見，采用ARQ 之前，可以通過 FEC 改善差錯率以達到減少重傳次數的目的。因此，一方面FEC 能提供最大可能錯誤糾正，以避免 ARQ 的堆棧，另一方面 ARQ 可以彌補 FEC不能糾正的錯誤從而達到較低的誤碼率。
2．3GPP LTE系統中HARQ技術的實現方案
2.1 HARQ 的分類
按照時間的先后順序，HARQ到目前為止一共分成三類，它們分別是：Ⅰ型HARQ、Ⅱ型HARQ和Ⅲ型HARQ。Ⅰ型HARQ又叫傳統ARQ，其工作過程如下：接收端首先對數據包進行糾錯，如果有錯誤不能糾錯，就發送重傳請求。同時，拋棄錯誤的數據包；重傳時使用相同的前向糾錯編碼，也就是說冗余信息是一樣的。Ⅱ型HARQ方案屬于遞增冗余（ImcrementalRedundancy）的ARQ機制，接收錯誤地數據包不會被丟棄，而是與重傳冗余合并之后再進行解碼。重傳數據通常與第一次傳輸的數據不一樣，它攜帶著新的冗余信息來幫組解碼。新的冗余信息與先前收到的初次傳輸的信息一起形成了糾錯能力更強的前向糾錯碼（碼率降低），使錯誤率進一步降低。Ⅲ型HARQ方案也屬于增量冗余（IR）機制。它與第二類HARQ相似，接收錯誤的數據包不會被丟棄，接收機將其存儲起來，與后續的重傳數據合并后進行解碼。Ⅲ型HARQ與Ⅱ型HARQ不同的是，重傳碼字具有自解碼能力，因此接收端可以直接從重傳碼字中解碼恢復數據，也可以將出錯重傳碼字與已有緩存的碼字進行合并后解碼。
2.2 三種HARQ 協議
三個標準ARQ 協議，即SAW停等協議、GBN 回退N 協議和SR 選擇性重傳協議，就是按發端和收端的可用存儲空間分類的。如果用B1 和B2 分別表示重傳次數和緩沖器大小（以分組數衡量），那么
（1）當 B1=B2=1 時，則為 SAW 停等協議。該協議的基本操作是發端發出一個分組后等待收端的ACK/NACK 信息，以確定是否重發分組，因此，發端在任何時刻都不能有多于一個的出錯分組。
（2）當 B1=N，B2=0 時，則為 GBN 回退 N 協議。該協議的特點是一旦第一個分組出錯，接下來的 N-1 個分組因為沒有空間存儲（因為 B2=0）而被丟棄，所以如果第一個分組出錯，就必須重傳N個分組。
（3）當 B1=N，B2>0 時，則為 SR 選擇性重傳協議。它的特點是因為收端有存儲空間，可以存儲錯誤分組之后的所有正確分組，因而重傳時只需重傳錯誤分組而不是所有的后續分組。
2.3 3GPP LTE 系統中采用的HARQ 技術方案
HSDPA系統已經證明AMC和HARQ技術能夠有效提升下行鏈路容量。由于在3G系統中的成功應用，HARQ技術在LTE系統中也得到了同樣的重視。早期的HARQ技術是ARQ與前向糾錯碼（FEC）的簡單合并，即：FEC糾錯后，若依然檢測到錯誤，就拋棄接收分組，并請求重傳。當發展到HSPA和LTE系統時，HARQ技術不再是FEC與ARQ的簡單合并。HARQ不僅能夠獲得FEC所帶來的編碼增益，還可以獲得軟合并帶來的分集增益。在HSPA和LTE系統中，接收失敗的分組不會被立刻丟棄掉，而是最大比合并接收失敗分組和重傳分組，充分利用了各次重傳信號的軟信息。
Chase合并（CC）和增量冗余（IR）是HARQ技術的兩種不同方案。在Chase合并算法中，各次重傳分組完全相同，接收機最大比合并各次重傳信號，從而獲得分集增益，改善鏈路質量。在IR算法中，各次重傳信號重傳不同的冗余校驗位，將各次重傳信號合并后，接收機就可以得到一個冗余更多，碼率更低的碼字，從而提高碼字被正確譯碼的概率，改善鏈路質量。
為了避免首次傳輸時，系統位由于深度衰落而發生嚴重錯誤，IR算法可在重傳時重傳系統位，并在接收機對系統位進行最大比合并。仿真比較證明：當碼率較高時，IR算法較CC算法有較大的功率增益；當碼率較低時，二者沒有明顯的性能差異。由于上述原因，LTE系統采用了IR算法的HARQ技術。
LTE系統上下行鏈路采用的HARQ方案并不完全相同。其中，上行鏈路采用了非自適應的同步HARQ方案，下行鏈路采用了自適應的異步HARQ方案。自適應和非自適應HARQ的區別是：
每次重傳時的調制編碼格式是否相同，重傳所用的無線資源是否相同。自適應HARQ其實就是HARQ與AMC和自適應調度的結合。該方案雖然會提升鏈路的性能，但流程復雜，信令開銷大。
非自適應ARQ就是各次重傳采用預先定義好的調制編碼格式，因此信令開銷小。LTE采用的HARQ是基于N個進程并行的停等式ARQ。若每個HARQ進程的時域位置被限制在預先定義好的位置，就是同步HARQ。反之，則是異步HARQ。同步HARQ的每個進程不需要額外的進程編號， 通過子幀編號就可識別該HARQ進程。異步HARQ的每個進程需要額外的信令開銷，以指示其對應的進程編號。
在3GPP LTE 系統中將采用停等式(SAW )重傳協議。這種機制不僅簡單可靠, 系統信令開銷小, 并且降低了對于接收機的緩存空間的要求。但是, 該協議的信道利用效率較低。為了避免這種不利, 3GPP LTE 系統采用了N 通道的停等式協議, 即發送端在信道上并行地運行N 套不同的SAW 協議, 利用不同信道間的間隙來交錯地傳遞數據和信令, 從而提高了信道利用率。
3．一種改進型的HARQ重傳組合譯碼算法
在收端譯碼前，三種基本 HARQ 編碼方案的組合方式有兩種。一種是傳統的CC，即Chase 組合譯碼[3]，它的特點是每次重傳分組都一樣，而且在譯碼前，需要將經過信噪比SNR 加權的多個接收分組進行組合。因此，它又稱為帶有一個冗余版本的第三類 HARQ。
另一種是 IR，即增加冗余組合譯碼，它的特點是重傳分組不是整個碼塊的簡單重復，而是需要增加一些附加信息。它的原理是在初次傳輸中用高碼率編碼（當然這樣一來低開銷頭就會造成低保護力），接下來的傳輸為了降低碼率就讓分組全由附加冗余信息組成。在這里，我們將提出一種改進型組合譯碼算法。該算法計算每個重傳分組的 Turbo 碼譯碼輸出和接收分組中對應的信息符號分組的距離。根據此距離計算每個分組權重，組合相加，得到最終的譯碼輸出。同 Chase 譯碼算法相比改進型組合譯碼不需要做信道估計，在算法復雜度上也要比 IR 算法簡單。從資源耗費來看，改進型算法和 CC 算法都需要在接收端維護至少能存放一幀數據的緩存器，但是在發送端，只需維護存放首傳數據幀的緩存器。
該算法是基于對分組碼的譯碼算法不作改動的應用，對重傳分組（或碼字）作最大似然檢測處理。計算機對高斯信道和瑞利信道分別作了模擬仿真，因為高斯信道能提供最佳的環境，而平坦瑞利衰落可以為RAKE 接收端提供最小分集，因而給出性能的上限。結果表明，在高斯噪聲環境下，應用新的組合譯碼算法可使一次 ARQ 傳輸的平均分組傳輸次數有效減少，在信噪比為1dB時減少超過50%。在瑞利噪聲環境下，效果雖不如高斯信道那么明顯，并要以信噪比的提高為代價，如在信噪比為9dB 時也減少了50%。
3.1 新組合譯碼算法的思想
設信息分組為 P，其糾錯編碼為 C，經信道傳輸后的收端接收序列為 R，收端譯碼器輸出碼字為，輸出分組為。記 P0為首傳分組，P1，P2，…PM為M次重傳分組，相應的傳輸碼字為 C0，C1，… CM。
由于 ARQ 是在系統中提供的一項增值服務，組合算法不能對原物理層算法做出結構上的變動，因而組合算法是一個如何利用原無 ARQ 的糾錯譯碼算法，并針對接受陣列做出關于 P0的最大似然譯碼。
在第一類 HARQ 中重傳分組與首傳分組相同，在第二、第三類 HARQ 中，重傳分組可以與首傳分組相同，也可以完全不同。下面首先分析重傳分組與首傳分組相同情形下的組合譯碼。
新的組合譯碼算法較好地克服了 Chase 組合方法的弱點，可以完全不依靠信噪比估計值，計算機模擬給出在 1dB 信噪比時比不用組合譯碼的 HARQ 傳輸次數減少一半。
3.2 新的組合譯碼算法的描述
改進型組合譯碼算法中發送端每次重傳的數據幀與首傳幀相同。記 R (m )是第m 次(m=0，1，2，…，M（M 為最大重傳次數）)同一經 CRC 校驗和 Turbo 碼編碼后由信道傳輸的已編碼信息幀， R (m)的 Turbo 碼譯碼信息輸出為U ( m) = Turbo_ D(R(m))，R 中對應信息符號構成子分組 R U，記組合譯碼輸出為U，改進型組合譯碼算法描述如下。
3.3 新的組合譯碼算法的主程序流程圖
3.4 新算法的仿真與結果分析
在這一節中，我們用 MATLAB模擬了 HARQ 系統，比較了采用改進型組合譯碼算法的混合自動重傳請求（HARQ）和 Chase 組合譯碼算法的 HARQ 在高斯信道及瑞利衰落信道下的系統吞吐率。仿真結果證明改進型組合譯碼算法較之后者具有更佳的性能。
3.4.1 仿真模型
. 信源：產生 514bit 的隨機序列。
. CRC 編碼：CRC 碼為 3GPP 建議的標準 CRC 碼（生成多項式為x 16 +x1 2 +x5+1 ）。
. Turbo 碼：3GPP 建議，碼率 R＝1/3，生成矩陣g=[13，15]。編碼后的幀長 N=1590。
?. 調制方式：BPSK? 信道：前向信道可選擇高斯白噪聲信道或瑞利平坦衰落信道。并設反向信道能夠無誤傳輸。
3.4.2 仿真過程
為驗證新組合譯碼算法的性能，在應用 Matlab 仿真中考慮了沒有組合譯碼的HARQ傳輸情形。模擬中的方式與參數選擇如下
（1）Turbo 碼為3GPP 建議標準（未打孔）Turbo 碼。
（2）Turbo 碼譯碼算法為修改后的MAX—LOG—MAP 的8 次迭代。
（3）CRC 碼為3GPP 建議的標準CRC 碼（生成多項式為x16+x12+x5+1）。
（4）Turbo 碼長度N=530。
（5）信道為高斯信道和瑞利衰落信道。
（6）調制方式為BPSK。
（7）組合譯碼的距離量度為絕對值量度。
（8）組合譯碼的加權系數方案選擇第二種方案。
（9）對同一分組信息為統計一次HARQ 傳輸的平均分組傳輸次數，進行30次傳輸。
（10）反饋信道的接收概率為0.97。
（11）最大重傳次數：高斯信道M=7；瑞利信道M=10（不含首傳）。
3.4.3 仿真主程序流程圖
3.4.4 結果分析
仿真過程中假設反向信道可實現無誤傳輸。同時設置最大重傳次數為 9。并且重傳時信道條件不變。得到Chase 組合譯碼與改進型組合譯碼在高斯信道下吞吐率仿真比較，Chase 組合譯碼與改進型組合譯碼在瑞利衰落信道下吞吐率仿真比較。
系統吞吐率隨著 Eb/N0 的增加而提高。Eb/N0 在-5dB 以下和1dB 以上Chase 算法還是改進型組合譯碼算法的吞吐率趨同。而當Eb/N0 在-5dB～1dB 范圍內時，采用改進型組合譯碼算法比傳統 Chase 組合譯碼算法具有更高的系統吞吐率，可獲得近 1dB的增益。
仿真結果表明，基于 HARQ 的改進型組合譯碼比傳統的 Chase 組合譯碼算法在減少重傳次數和提高系統吞吐率方面有更好的效果。同時改進型組合譯碼不需要做信道估計，在算法復雜度上也要比 IR 算法簡單。從資源耗費來看，改進型組合譯碼算法和 CC 算法都需要在接收端維護至少能存放一幀數據的緩存器，但是在發送端，只需維護存放首傳數據幀的緩存器。
4．總結
本文通過對 3GPP LTE 系統中HARQ 技術的廣泛學習和深入研究，著重介紹了HARQ技術在3GPP LTE 系統中的實現。針對Ⅱ型HARQ 提出一種新的組合譯碼算法，該算法和Chase 組合譯碼算法相比，不依賴于信道估計，而是通過計算每個譯碼輸出的距離計算加權系數。和 IR 算法相比，復雜度更低，且用于實現該算法的設備開銷也較低。最后，通過MATLAB 仿真，證實了在相同的仿真環境下，改進型組合譯碼算法比 Chase 組合譯碼算法具有更高的吞吐率和對每一個分組具有更少的譯碼次數。在對重傳數據分組的處理方面，采用了不同譯碼算法的計算機仿真，并通過仿真結果的比較，驗證了改進算法的優越性。
需要說明的是，仿真中每次重傳分組都是同一信息分組，只是信道噪聲分布的不同對接收分組有一定影響，所以嚴格講它是屬于帶有一個冗余版本的HARQ-III。因此，本文還有進一步研究的任務，即對HARQ-II 的增加冗余（IR）譯碼模擬仿真。
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