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基于3GPP LTE 系統(tǒng)的HARQ 算法探究
1．引言
1.1 3GPP LTE 系統(tǒng)的介紹
隨著現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展,全球無(wú)線通信呈現(xiàn)出移動(dòng)化、寬帶化和IP 化的趨勢(shì),移動(dòng)通信行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。為了和WiMAX ,Wi2Fi 等新興的無(wú)線寬帶技術(shù)競(jìng)爭(zhēng),提高3G在新興寬帶無(wú)線接入市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力,3GPP 開始了UMTS 技術(shù)的長(zhǎng)期演進(jìn)(LongTermEvolution ,LTE) 技術(shù)的研究,以實(shí)現(xiàn)3G技術(shù)向B3G和4G的平滑過渡。3GPP 長(zhǎng)期演進(jìn)項(xiàng)目是關(guān)于UTRA和UTRAN 改進(jìn)的項(xiàng)目,是近兩年來3GPP 啟動(dòng)的最大的新技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目,它的目標(biāo)是更高的數(shù)據(jù)速率、更低的時(shí)延、改進(jìn)的系統(tǒng)容量和覆蓋范圍,以及較低的成本。
根據(jù)3GPP LTE 項(xiàng)目的具體目標(biāo)主要有:
(1) 支持1. 25MHz～20MHz 的帶寬配置,并且支持對(duì)稱和不對(duì)稱的頻譜分配。3GPP LTE系統(tǒng)支持1. 25MHz ,1. 6MHz ,2. 5MHz ,5MHz ,10MHz ,15MHz 和20MHz 的帶寬設(shè)置。從而從技術(shù)上保證LTE 系統(tǒng)可以繼續(xù)使用第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻譜。
(2) 提高小區(qū)邊緣的比特率,增強(qiáng)3GPP LTE 系統(tǒng)的覆蓋性能。這主要通過頻分多址和小區(qū)間干擾抑制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。
(3) 系統(tǒng)性能方面: 實(shí)現(xiàn)峰值數(shù)據(jù)率上行50Mbps ,下行100Mbps。下行鏈路頻譜效率(bitPsPHzPsite) 達(dá)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(fā)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(shí)延要求: 出于對(duì)VoIP 和在線游戲的重視,LTE 對(duì)用戶面延遲的要求較為嚴(yán)格,要求用戶面內(nèi)部單向傳輸時(shí)延低于5ms ,控制面從休眠狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時(shí)間低于50ms ,從駐留狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時(shí)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(yè)務(wù)在包交換域?qū)崿F(xiàn),如采用VoIP 技術(shù)。
(5) 支持與現(xiàn)有3GPP 和非3GPP 系統(tǒng)的互操作且追求后向兼容。降低建網(wǎng)成本,實(shí)現(xiàn)從R6 的低成本演進(jìn)。實(shí)現(xiàn)合理的終端復(fù)雜度、成本和耗電。
1.2 HARQ 技術(shù)的介紹
無(wú)線移動(dòng)信道具有時(shí)變和多徑導(dǎo)致的衰落特點(diǎn)，常有較高的誤碼率。一般地，采用前向糾錯(cuò)（FEC）和自動(dòng)重傳請(qǐng)求（ARQ）兩種基本的差錯(cuò)控制方法以確保服務(wù)質(zhì)量（QoS）。不過，雖然 FEC 方案有恒定的吞吐量和時(shí)延，但它不必要的開銷卻減少了吞吐量。同時(shí)，ARQ在誤碼率不是很高的時(shí)候可以得到理想的吞吐量，但它要產(chǎn)生可變時(shí)延，不宜于提供實(shí)時(shí)服務(wù)。為了克服兩者的缺點(diǎn)，將這兩種方法結(jié)合起來就產(chǎn)生了混合ARQ 方案（即HARQ）。
在這種方式下，發(fā)送端發(fā)送的碼不僅能夠被檢測(cè)出錯(cuò)誤，而且還具有一定的糾錯(cuò)能力。
接收端收到碼序列以后，首先檢驗(yàn)錯(cuò)誤情況，如果在糾錯(cuò)碼的糾錯(cuò)能力以內(nèi)，就自動(dòng)進(jìn)行糾錯(cuò)。如果錯(cuò)誤很多，超過了碼的糾錯(cuò)能力，還是能檢測(cè)出來，不過接收端會(huì)通過反饋信道，要求發(fā)端重新傳送有錯(cuò)的那部分信息。由此可見，采用ARQ 之前，可以通過 FEC 改善差錯(cuò)率以達(dá)到減少重傳次數(shù)的目的。因此，一方面FEC 能提供最大可能錯(cuò)誤糾正，以避免 ARQ 的堆棧，另一方面 ARQ 可以彌補(bǔ) FEC不能糾正的錯(cuò)誤從而達(dá)到較低的誤碼率。
2．3GPP LTE系統(tǒng)中HARQ技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方案
2.1 HARQ 的分類
按照時(shí)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(tǒng)ARQ，其工作過程如下：接收端首先對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行糾錯(cuò)，如果有錯(cuò)誤不能糾錯(cuò)，就發(fā)送重傳請(qǐng)求。同時(shí)，拋棄錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包；重傳時(shí)使用相同的前向糾錯(cuò)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(jī)制，接收錯(cuò)誤地?cái)?shù)據(jù)包不會(huì)被丟棄，而是與重傳冗余合并之后再進(jìn)行解碼。重傳數(shù)據(jù)通常與第一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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?shù)男畔⒁黄鹦纬闪思m錯(cuò)能力更強(qiáng)的前向糾錯(cuò)碼（碼率降低），使錯(cuò)誤率進(jìn)一步降低。Ⅲ型HARQ方案也屬于增量冗余（IR）機(jī)制。它與第二類HARQ相似，接收錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包不會(huì)被丟棄，接收機(jī)將其存儲(chǔ)起來，與后續(xù)的重傳數(shù)據(jù)合并后進(jìn)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(fù)數(shù)據(jù)，也可以將出錯(cuò)重傳碼字與已有緩存的碼字進(jìn)行合并后解碼。
2.2 三種HARQ 協(xié)議
三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)ARQ 協(xié)議，即SAW停等協(xié)議、GBN 回退N 協(xié)議和SR 選擇性重傳協(xié)議，就是按發(fā)端和收端的可用存儲(chǔ)空間分類的。如果用B1 和B2 分別表示重傳次數(shù)和緩沖器大�。ㄒ苑纸M數(shù)衡量），那么
�。�1）當(dāng) B1=B2=1 時(shí)，則為 SAW 停等協(xié)議。該協(xié)議的基本操作是發(fā)端發(fā)出一個(gè)分組后等待收端的ACK/NACK 信息，以確定是否重發(fā)分組，因此，發(fā)端在任何時(shí)刻都不能有多于一個(gè)的出錯(cuò)分組。
（2）當(dāng) B1=N，B2=0 時(shí)，則為 GBN 回退 N 協(xié)議。該協(xié)議的特點(diǎn)是一旦第一個(gè)分組出錯(cuò)，接下來的 N-1 個(gè)分組因?yàn)闆]有空間存儲(chǔ)（因?yàn)?B2=0）而被丟棄，所以如果第一個(gè)分組出錯(cuò)，就必須重傳N個(gè)分組。
（3）當(dāng) B1=N，B2>0 時(shí)，則為 SR 選擇性重傳協(xié)議。它的特點(diǎn)是因?yàn)槭斩擞写鎯?chǔ)空間，可以存儲(chǔ)錯(cuò)誤分組之后的所有正確分組，因而重傳時(shí)只需重傳錯(cuò)誤分組而不是所有的后續(xù)分組。
2.3 3GPP LTE 系統(tǒng)中采用的HARQ 技術(shù)方案
HSDPA系統(tǒng)已經(jīng)證明AMC和HARQ技術(shù)能夠有效提升下行鏈路容量。由于在3G系統(tǒng)中的成功應(yīng)用，HARQ技術(shù)在LTE系統(tǒng)中也得到了同樣的重視。早期的HARQ技術(shù)是ARQ與前向糾錯(cuò)碼（FEC）的簡(jiǎn)單合并，即：FEC糾錯(cuò)后，若依然檢測(cè)到錯(cuò)誤，就拋棄接收分組，并請(qǐng)求重傳。當(dāng)發(fā)展到HSPA和LTE系統(tǒng)時(shí)，HARQ技術(shù)不再是FEC與ARQ的簡(jiǎn)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(tǒng)中，接收失敗的分組不會(huì)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(hào)的軟信息。
Chase合并（CC）和增量冗余（IR）是HARQ技術(shù)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(jī)最大比合并各次重傳信號(hào)，從而獲得分集增益，改善鏈路質(zhì)量。在IR算法中，各次重傳信號(hào)重傳不同的冗余校驗(yàn)位，將各次重傳信號(hào)合并后，接收機(jī)就可以得到一個(gè)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(zhì)量。
為了避免首次傳輸時(shí)，系統(tǒng)位由于深度衰落而發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤，IR算法可在重傳時(shí)重傳系統(tǒng)位，并在接收機(jī)對(duì)系統(tǒng)位進(jìn)行最大比合并。仿真比較證明：當(dāng)碼率較高時(shí)，IR算法較CC算法有較大的功率增益；當(dāng)碼率較低時(shí)，二者沒有明顯的性能差異。由于上述原因，LTE系統(tǒng)采用了IR算法的HARQ技術(shù)。
LTE系統(tǒng)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(yīng)的同步HARQ方案，下行鏈路采用了自適應(yīng)的異步HARQ方案。自適應(yīng)和非自適應(yīng)HARQ的區(qū)別是：
每次重傳時(shí)的調(diào)制編碼格式是否相同，重傳所用的無(wú)線資源是否相同。自適應(yīng)HARQ其實(shí)就是HARQ與AMC和自適應(yīng)調(diào)度的結(jié)合。該方案雖然會(huì)提升鏈路的性能，但流程復(fù)雜，信令開銷大。
非自適應(yīng)ARQ就是各次重傳采用預(yù)先定義好的調(diào)制編碼格式，因此信令開銷小。LTE采用的HARQ是基于N個(gè)進(jìn)程并行的停等式ARQ。若每個(gè)HARQ進(jìn)程的時(shí)域位置被限制在預(yù)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(gè)進(jìn)程不需要額外的進(jìn)程編號(hào)， 通過子幀編號(hào)就可識(shí)別該HARQ進(jìn)程。異步HARQ的每個(gè)進(jìn)程需要額外的信令開銷，以指示其對(duì)應(yīng)的進(jìn)程編號(hào)。
在3GPP LTE 系統(tǒng)中將采用停等式(SAW )重傳協(xié)議。這種機(jī)制不僅簡(jiǎn)單可靠, 系統(tǒng)信令開銷小, 并且降低了對(duì)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, 3GPP 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(yùn)行N 套不同的SAW 協(xié)議, 利用不同信道間的間隙來交錯(cuò)地傳遞數(shù)據(jù)和信令, 從而提高了信道利用率。
3．一種改進(jìn)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(tǒng)的CC，即Chase 組合譯碼[3]，它的特點(diǎn)是每次重傳分組都一樣，而且在譯碼前，需要將經(jīng)過信噪比SNR 加權(quán)的多個(gè)接收分組進(jìn)行組合。因此，它又稱為帶有一個(gè)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(diǎn)是重傳分組不是整個(gè)碼塊的簡(jiǎn)單重復(fù)，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(dāng)然這樣一來低開銷頭就會(huì)造成低保護(hù)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(jìn)型組合譯碼算法。該算法計(jì)算每個(gè)重傳分組的 Turbo 碼譯碼輸出和接收分組中對(duì)應(yīng)的信息符號(hào)分組的距離。根據(jù)此距離計(jì)算每個(gè)分組權(quán)重，組合相加，得到最終的譯碼輸出。同 Chase 譯碼算法相比改進(jìn)型組合譯碼不需要做信道估計(jì)，在算法復(fù)雜度上也要比 IR 算法簡(jiǎn)單。從資源耗費(fèi)來看，改進(jìn)型算法和 CC 算法都需要在接收端維護(hù)至少能存放一幀數(shù)據(jù)的緩存器，但是在發(fā)送端，只需維護(hù)存放首傳數(shù)據(jù)幀的緩存器。
該算法是基于對(duì)分組碼的譯碼算法不作改動(dòng)的應(yīng)用，對(duì)重傳分組（或碼字）作最大似然檢測(cè)處理。計(jì)算機(jī)對(duì)高斯信道和瑞利信道分別作了模擬仿真，因?yàn)楦咚剐诺滥芴峁┳罴训沫h(huán)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(jié)果表明，在高斯噪聲環(huán)境下，應(yīng)用新的組合譯碼算法可使一次 ARQ 傳輸?shù)钠骄纸M傳輸次數(shù)有效減少，在信噪比為1dB時(shí)減少超過50%。在瑞利噪聲環(huán)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(jià)，如在信噪比為9dB 時(shí)也減少了50%。
3.1 新組合譯碼算法的思想
設(shè)信息分組為 P，其糾錯(cuò)編碼為 C，經(jīng)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(yīng)的傳輸碼字為 C0，C1，… CM。
由于 ARQ 是在系統(tǒng)中提供的一項(xiàng)增值服務(wù)，組合算法不能對(duì)原物理層算法做出結(jié)構(gòu)上的變動(dòng)，因而組合算法是一個(gè)如何利用原無(wú) ARQ 的糾錯(cuò)譯碼算法，并針對(duì)接受陣列做出關(guān)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(diǎn)，可以完全不依靠信噪比估計(jì)值，計(jì)算機(jī)模擬給出在 1dB 信噪比時(shí)比不用組合譯碼的 HARQ 傳輸次數(shù)減少一半。
3.2 新的組合譯碼算法的描述
改進(jìn)型組合譯碼算法中發(fā)送端每次重傳的數(shù)據(jù)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(shù)）)同一經(jīng) CRC 校驗(yàn)和 Turbo 碼編碼后由信道傳輸?shù)囊丫幋a信息幀， R (m)的 Turbo 碼譯碼信息輸出為U ( m) = Turbo_ D(R(m))，R 中對(duì)應(yīng)信息符號(hào)構(gòu)成子分組 R U，記組合譯碼輸出為U，改進(jìn)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(jié)果分析
在這一節(jié)中，我們用 MATLAB模擬了 HARQ 系統(tǒng)，比較了采用改進(jìn)型組合譯碼算法的混合自動(dòng)重傳請(qǐng)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(tǒng)吞吐率。仿真結(jié)果證明改進(jìn)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(chǎn)生 514bit 的隨機(jī)序列。
. CRC 編碼：CRC 碼為 3GPP 建議的標(biāo)準(zhǔn) CRC 碼（生成多項(xiàng)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(zhǎng) N=1590。
?. 調(diào)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(shè)反向信道能夠無(wú)誤傳輸。
3.4.2 仿真過程
為驗(yàn)證新組合譯碼算法的性能，在應(yīng)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(shù)選擇如下
�。�1）Turbo 碼為3GPP 建議標(biāo)準(zhǔn)（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(biāo)準(zhǔn)CRC 碼（生成多項(xiàng)式為x16+x12+x5+1）。
�。�4）Turbo 碼長(zhǎng)度N=530。
�。�5）信道為高斯信道和瑞利衰落信道。
�。�6）調(diào)制方式為BPSK。
�。�7）組合譯碼的距離量度為絕對(duì)值量度。
（8）組合譯碼的加權(quán)系數(shù)方案選擇第二種方案。
�。�9）對(duì)同一分組信息為統(tǒng)計(jì)一次HARQ 傳輸?shù)钠骄纸M傳輸次數(shù)，進(jìn)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(shù)：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(jié)果分析
仿真過程中假設(shè)反向信道可實(shí)現(xiàn)無(wú)誤傳輸。同時(shí)設(shè)置最大重傳次數(shù)為 9。并且重傳時(shí)信道條件不變。得到Chase 組合譯碼與改進(jìn)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(jìn)型組合譯碼在瑞利衰落信道下吞吐率仿真比較。
系統(tǒng)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(jìn)型組合譯碼算法的吞吐率趨同。而當(dāng)Eb/N0 在-5dB～1dB 范圍內(nèi)時(shí)，采用改進(jìn)型組合譯碼算法比傳統(tǒng) Chase 組合譯碼算法具有更高的系統(tǒng)吞吐率，可獲得近 1dB的增益。
仿真結(jié)果表明，基于 HARQ 的改進(jìn)型組合譯碼比傳統(tǒng)的 Chase 組合譯碼算法在減少重傳次數(shù)和提高系統(tǒng)吞吐率方面有更好的效果。同時(shí)改進(jìn)型組合譯碼不需要做信道估計(jì)，在算法復(fù)雜度上也要比 IR 算法簡(jiǎn)單。從資源耗費(fèi)來看，改進(jìn)型組合譯碼算法和 CC 算法都需要在接收端維護(hù)至少能存放一幀數(shù)據(jù)的緩存器，但是在發(fā)送端，只需維護(hù)存放首傳數(shù)據(jù)幀的緩存器。
4．總結(jié)
本文通過對(duì) 3GPP LTE 系統(tǒng)中HARQ 技術(shù)的廣泛學(xué)習(xí)和深入研究，著重介紹了HARQ技術(shù)在3GPP LTE 系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)。針對(duì)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(jì)，而是通過計(jì)算每個(gè)譯碼輸出的距離計(jì)算加權(quán)系數(shù)。和 IR 算法相比，復(fù)雜度更低，且用于實(shí)現(xiàn)該算法的設(shè)備開銷也較低。最后，通過MATLAB 仿真，證實(shí)了在相同的仿真環(huán)境下，改進(jìn)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(duì)每一個(gè)分組具有更少的譯碼次數(shù)。在對(duì)重傳數(shù)據(jù)分組的處理方面，采用了不同譯碼算法的計(jì)算機(jī)仿真，并通過仿真結(jié)果的比較，驗(yàn)證了改進(jìn)算法的優(yōu)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(duì)接收分組有一定影響，所以嚴(yán)格講它是屬于帶有一個(gè)冗余版本的HARQ-III。因此，本文還有進(jìn)一步研究的任務(wù)，即對(duì)HARQ-II 的增加冗余（IR）譯碼模擬仿真。
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