混合自動重傳請求

在蜂窩通信系統中，由於無線信道時變特性和多徑衰落對信號傳輸帶來的影響，以及一些不可預測的干擾會導致信號傳輸的失敗，通常採用前向糾錯（FEC，Forward Error Correction）編碼的技術和自動重傳請求（ARQ，Automatic Repeat-reQuest）等方法來進行差錯控制，從而確保服務質量。

在大多數無線分組傳輸系統中都將ARQ和FEC混合使用，即混合自動重傳請求（HARQ，Hybrid Automatic Repeat reQuest）體制。在HARQ中採用FEC減少重傳的次數，降低誤碼率，使用ARQ的重傳和CRC校驗來保證分組數據傳輸等要求誤碼率極低的場合。該機制是一種折中的方案，在糾錯能力範圍內自動糾正錯誤，超出糾錯範圍則要求傳送端重新傳送，既增加了系統的可靠性，又提高了系統的傳輸效率。因此，隨著對高數據率或高可靠業務需求的迅速發展，HARQ成為無線通信系統中一項關鍵技術，並得到了深入的研究。

基本介紹

• 中文名：混合自動重傳請求
• 外文名：HybridAutomatic Repeat request
• 英文縮寫：HARQ
• 套用學科：通信

基本的HARQ類型

根據HARQ過程中重傳內容的不同，HARQ主要分為Type I HARQ、Type II HARQ和Type III HARQ 3種類型，下面分別對其進行介紹。

1．Type I HARQ

Type I HARQ是一種簡單的ARQ和FEC的結合。在Type I HARQ方案中，傳送數據塊進行CRC編碼後再進行FEC編碼。在接收端對接收數據進行FEC解碼後，CRC進行校驗。如果接收數據出錯，則接收端通知傳送端重傳，重傳數據採用與前一次相同的編碼，而錯誤的分組被丟棄。可以看出，Type I HARQ方式的控制信令開銷小。由於在重傳中使用相同的前向糾錯編碼，物理層的結構以及解碼都要簡單一些。但是這種固定的前向糾錯編碼意味著固定的冗餘信息，系統吞吐量不如Type II HARQ和Type III HARQ高。

2．Type II HARQ

Type II HARQ方案屬於增量冗餘（Incremental Redundancy）的HARQ方案，被稱為 Full IR HARQ（FIR）。在這種HARQ中，第一次傳送分組包含了全部的信息位（也可能含冗餘校驗位），接收端CRC校驗發現有錯誤時，與Type I HARQ方案不同，錯誤分組被存在接收端的暫存器中，並向傳送端傳送重傳控制訊息；傳送端重傳的信息不是前一次數據的簡單重複，而是不同的增量冗餘信息，重傳分組無法自解碼，接收端將重傳的增量冗餘信息與暫存器中分組數據合併後再進行解碼。由於增加了新的冗餘位信息幫助解碼，因此糾錯能力增強，提高了系統性能。Type II HARQ在低信噪比的信道環境中具有很好的性能，缺點是接收端需要較大的暫存器存儲數據。

3．Type III HARQ

Type III HARQ方案也屬於增量冗餘（IR）方案，與Type II 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後續的重傳數據合併後進行解碼。根據重傳的冗餘版本不同，Type III HARQ又可分為兩種情況：一種被稱為Chase Combining（CC）方式，如圖3‑42（a）所示，其特點在於重傳數據與前面傳送的分組數據完全相同（包含信息位和校驗冗餘位），只有一種冗餘版本，接收端將重傳數據和存儲數據進行軟合併後進行解碼；另一種是Partial IR HARQ（PIR）方式，如圖3-42（b）所示，其每次重傳包含了相同的信息位和不同的增量冗餘校驗位（可有多個冗餘版本），接收端對重傳的信息位進行軟合併，並將新的校驗位合併到碼字後再進行解碼。Type III HARQ的兩種方式有著共同的特點，重傳的數據包具有自解碼的能力，重傳的數據包與初傳的數據包採用軟合併的方式獲得最大的解碼增益。

圖3‑42 Type III HARQ的示意圖

ARQ的重傳機制

目前在數據通信中定義了3種基本的ARQ的重傳機制，分別是停等式（SAW，Stop-And-Wait）、後退N步式（GBN，Go-Back-N）和選擇重傳式（SR，Select Repeat），下面分別對其進行介紹。

1．停等式

在採用停等式ARQ協定的傳輸系統中，傳送端每傳送一個數據包就暫時停下來，等待接收端的確認信息。當數據包到達接收端時，對其進行檢錯，如果接收正確，則返回 ACK信號，如果錯誤，則返回NACK信號。當傳送端收到ACK信號時，就傳送新的數據，否則重傳上次傳輸的數據包。而在等待確認信息期間，信道是空閒的，不傳送任何數據。

2．後退N步式

為了克服SAW-ARQ機制通過率低以及等待時間長的缺點，出現一種傳送端連續傳輸數據組的後退N步ARQ（GBN ARQ）。GBN ARQ的傳送端和接收端分別有一個大小為N的傳送和接收視窗，通過傳送和接收視窗，系統可以連續地傳送和接收數據，不必像SAW ARQ那樣在接收到應答後再傳送新的數據分組，提高了系統的利用率。若接收端發現錯誤的分組，則會傳送重發請求，傳送端會將傳送窗中請求重新傳送分組和目前正在傳送分組之間的所有分組（最多N個分組）都重新傳送。由於後退N步機制有一個數據分組錯就要重傳多個數據分組（最多N個分組），因此浪費了資源，效率不高。

3．選擇重髮式

為了進一步提高信道的利用率，可以選擇重髮式協定只重傳出現差錯的數據包，但是此時接收端不再按序接收數據包信息，那么在接收端則需要相當容量的快取空間來存儲已經成功解碼但還沒能按序輸出的分組。同時接收端在組合數據包前必須知道序列號，因此序列號要和數據分別編碼，而且序列號需要更可靠的編碼以克服任何時候出現在數據里的錯誤，這樣就增加了對信令的要求。

停等式（SAW）重傳協定機制不僅簡單可靠，系統信令開銷小，並且降低了對於接收機快取空間的要求。但是，該協定的信道利用效率較低。為了克服這個缺點，在TD-LTE系統中採用了改進的N通道的停等式協定（N channel SAW）用於HARQ的傳輸。即傳送端在信道上並行地運行N個不同的停等進程，利用不同進程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，具體如圖3-43所示。

圖3-43 N通道的停等式協定

HARQ進程數與RTT

TD-LTE系統採用N通道的停等式HARQ協定，因此需要為系統配置相應的HARQ的進程數。在等待某個HARQ進程的反饋信息過程中，可以繼續使用其他的空閒進程傳輸數據包。

HARQ的最小RTT（Round Trip Time）定義為一次數據包傳輸過程的完成時間，包括從一個數據包在傳送端開始傳送，接收端接收處理後，根據結果反饋ACK/NACK信令，傳送端解調處理ACK/NACK信號後，確定下一幀進行重傳或傳送新數據包的全過程。在FDD系統中，由於其任何一個方向的傳輸都是連續的，總是可以在固定的子幀中進行數據重傳或者傳送ACK/NACK反饋信令，因此HARQ的最小RTT時間是固定的。RTT的時間只受傳輸時間、接收時間和處理時間的影響。對於TDD系統來說，其HARQ的最小RTT時間不僅與傳輸時間、接收時間和處理時間有關，還與TDD系統的上下行業務時隙比例、相應的數據傳輸和ACK/NACK傳輸所在的子幀位置有關，所以需要有額外的等待時間。圖3-44給出了TDD系統中下行HARQ最小RTT的示意圖，上行是相似的過程。

圖3-44 TDD系統HARQ最小RTT示意圖

HARQ的進程數與HARQ的最小RTT時間是緊密相關的。對於FDD來說，其HARQ的進程數等於HARQ的最小RTT時間中包含的子幀數目；對於TDD來說，其HARQ的進程數為HARQ的最小RTT時間中包含的同一傳送方向的子幀數目。

以TD-TLE系統的上下行子幀配置1（上下行子幀比例為2∶3）的下行為例，進一步說明的TDD系統中上下行子幀配置、相應的數據傳輸和ACK/NACK信息傳輸所在的子幀位置對HARQ的進程數和最小RTT時間的影響。圖3-45中給出了相應的示例，可以看出，對於子幀0中進行初傳的數據，經過數據信息的傳輸時間、接收時間以及處理時間後，可以在子幀4中反饋ACK/NACK信息，但由於子幀4是下行子幀，無法傳輸ACK/NACK信息，ACK/NACK信息只能在子幀7中傳輸；在基站端，經過ACK/NACK信息的傳輸時間、接收時間以及處理時間後，如果接受數據接收錯誤，需要進行重傳，則可以在下一個無線幀的子幀1中傳輸，子幀1正好是下行子幀。因此對於子幀1的HARQ的最小RTT時間為11個子幀，相應的下行HARQ的進程數為11個子幀中的下行子幀的數目，即7個HARQ進程。表3-11給出了對其他下行子幀的分析。

圖3-45 TDD系統的HARQ RTT與進程數

表3-11 TDD-LTE系統上下行子幀配置1的HARQ的最小RTT與進程數

初傳子幀	ACK/NAK傳輸子幀	重傳子幀	HARQ最小RTT（子幀）	HARQ的進程數
子幀0	子幀7	下一個無線幀的子幀1	11	7
子幀1	子幀7	下一個無線幀的子幀1	10	6
子幀4	子幀8	下一個無線幀的子幀4	10	6

HARQ的工作方式

根據重傳發生方式不同，可以將HARQ的工作方式分為同步和異步HARQ兩類。其中，同步HARQ是指一個HARQ進程的傳輸與重傳發生具有固定的時序關係，由於接收端預先已知重傳傳輸發生的時刻，因此不需要額外的信令開銷來標識HARQ進程的序號和以及額外的重傳控制信令，此時HARQ進程的序號可以從子幀號獲得；而異步HARQ是指一個HARQ進程的重傳傳輸時間需要通過額外的重傳控制信令來指示，接收端預先不知道傳輸發生的時刻，此時HARQ進程的處理序號需要連同數據一起傳送，因而增大了系統的信令開銷。

圖3-46給出了同步HARQ和異步HARQ的示例。圖中，HARQ進程數為4，那么對於同步HARQ來說，其重傳與初傳有著固定的時序關係，HARQ進程0的重傳在下一個HARQ進程0中傳輸；對於異步HARQ來說，其HARQ進程0可以在HARQ RTT之後的任一個HARQ進程中傳輸，因此在異步HARQ中需要指示當前重傳的HARQ進程號。

根據重傳時的數據特徵是否發生變化，又可將HARQ的工作方式分為自適應和非自適應HARQ兩種。其中，傳輸的數據特徵包括資源塊的分配，調製方式和傳輸塊的長度，傳輸的持續時間等。自適應傳輸是指在每一次重傳過程中，傳送端可以根據實際的信道狀態信息改變部分傳輸參數，包括調製方式、資源單元的分配等。因此，在每次傳輸的過程中，包含傳輸參數的控制信令信息要一併傳送。在非自適應HARQ中，這些傳輸參數相對於接收端而言都是預先已知的，因此包含傳輸參數的控制信令信息在非自適應系統中不需要被傳輸。

圖3‑46 同步和異步HARQ示例

在TD-LTE系統中，為了獲得更好的合併增益，其上行或者下行鏈路中採用的是Type III HARQ。同時系統的下行採用異步自適應的HARQ技術，相對於同步非自適應HARQ技術而言，異步HARQ更能充分利用信道的狀態信息，從而提高系統的吞吐量，異步HARQ也可以避免重傳時資源分配發生衝突從而造成性能損失。例如，在同步HARQ中，如果優先權較高的進程需要被調度，但是該時刻的資源已被分配給某一個HARQ進程，資源分配就會發生衝突；而異步HARQ的重傳不是發生在固定時刻，可以有效地避免這個問題。TD-LTE系統的上行採用同步非自適應HARQ技術。雖然異步自適應HARQ技術相比同步非自適應技術而言，在調度方面的靈活性更高，但是後者所需的信令開銷更少。由於上行鏈路採用了SC-FDMA多址方式對異步HARQ增益不明顯，以及來自其他小區用戶干擾的不確定性，並考慮到控制信令的開銷問題，因此在上行鏈路確定使用同步非自適應HARQ技術。