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基于3GPP LTE 系统的HARQ 算法探究
1．引言
1.1 3GPP LTE 系统的介绍
随着现代移动通信技术的蓬勃发展,全球无线通信呈现出移动化、宽带化和IP 化的趋势,移动通信行业竞争日趋激烈。为了和WiMAX ,Wi2Fi 等新兴的无线宽带技术竞争,提高3G在新兴宽带无线接入市场的竞争力,3GPP 开始了UMTS 技术的长期演进(LongTermEvolution ,LTE) 技术的研究,以实现3G技术向B3G和4G的平滑过渡。3GPP 长期演进项目是关于UTRA和UTRAN 改进的项目,是近两年来3GPP 启动的最大的新技术研发项目,它的目标是更高的数据速率、更低的时延、改进的系统容量和覆盖范围,以及较低的成本。
根据3GPP LTE 项目的具体目标主要有:
(1) 支持1. 25MHz～20MHz 的带宽配置,并且支持对称和不对称的频谱分配。3GPP LTE系统支持1. 25MHz ,1. 6MHz ,2. 5MHz ,5MHz ,10MHz ,15MHz 和20MHz 的带宽设置。从而从技术上保证LTE 系统可以继续使用第三代移动通信系统的频谱。
(2) 提高小区边缘的比特率,增强3GPP LTE 系统的覆盖性能。这主要通过频分多址和小区间干扰抑制技术来实现。
(3) 系统性能方面: 实现峰值数据率上行50Mbps ,下行100Mbps。下行链路频谱效率(bitPsPHzPsite) 达到3GPP R6 中HSDPA 的3～4倍,上行链路频谱效率为HSUPA 的2～3倍。用户吞吐量方面,下行链路用户每兆赫吞吐量(C. D. F. 的5 %处) 为3GPP R6中HSDPA的2～3 倍,平均吞吐量为HSDPA 的3～4倍。上行链路(UE 单天线发射,Node B 双天线接收情况下) 用户每兆赫吞吐量为3GPP R6 中HSUPA 的2～3倍,平均吞吐量为HSUPA 的2～3倍。低时延要求: 出于对VoIP 和在线游戏的重视,LTE 对用户面延迟的要求较为严格,要求用户面内部单向传输时延低于5ms ,控制面从休眠状态到激活状态的迁移时间低于50ms ,从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms。
(4) 取消电路交换,采用基于全分组的包交换。电路交换域的业务在包交换域实现,如采用VoIP 技术。
(5) 支持与现有3GPP 和非3GPP 系统的互操作且追求后向兼容。降低建网成本,实现从R6 的低成本演进。实现合理的终端复杂度、成本和耗电。
1.2 HARQ 技术的介绍
无线移动信道具有时变和多径导致的衰落特点，常有较高的误码率。一般地，采用前向纠错（FEC）和自动重传请求（ARQ）两种基本的差错控制方法以确保服务质量（QoS）。不过，虽然 FEC 方案有恒定的吞吐量和时延，但它不必要的开销却减少了吞吐量。同时，ARQ在误码率不是很高的时候可以得到理想的吞吐量，但它要产生可变时延，不宜于提供实时服务。为了克服两者的缺点，将这两种方法结合起来就产生了混合ARQ 方案（即HARQ）。
在这种方式下，发送端发送的码不仅能够被检测出错误，而且还具有一定的纠错能力。
接收端收到码序列以后，首先检验错误情况，如果在纠错码的纠错能力以内，就自动进行纠错。如果错误很多，超过了码的纠错能力，还是能检测出来，不过接收端会通过反馈信道，要求发端重新传送有错的那部分信息。由此可见，采用ARQ 之前，可以通过 FEC 改善差错率以达到减少重传次数的目的。因此，一方面FEC 能提供最大可能错误纠正，以避免 ARQ 的堆栈，另一方面 ARQ 可以弥补 FEC不能纠正的错误从而达到较低的误码率。
2．3GPP LTE系统中HARQ技术的实现方案
2.1 HARQ 的分类
按照时间的先后顺序，HARQ到目前为止一共分成三类，它们分别是：Ⅰ型HARQ、Ⅱ型HARQ和Ⅲ型HARQ。Ⅰ型HARQ又叫传统ARQ，其工作过程如下：接收端首先对数据包进行纠错，如果有错误不能纠错，就发送重传请求。同时，抛弃错误的数据包；重传时使用相同的前向纠错编码，也就是说冗余信息是一样的。Ⅱ型HARQ方案属于递增冗余（ImcrementalRedundancy）的ARQ机制，接收错误地数据包不会被丢弃，而是与重传冗余合并之后再进行解码。重传数据通常与第一次传输的数据不一样，它携带着新的冗余信息来帮组解码。新的冗余信息与先前收到的初次传输的信息一起形成了纠错能力更强的前向纠错码（码率降低），使错误率进一步降低。Ⅲ型HARQ方案也属于增量冗余（IR）机制。它与第二类HARQ相似，接收错误的数据包不会被丢弃，接收机将其存储起来，与后续的重传数据合并后进行解码。Ⅲ型HARQ与Ⅱ型HARQ不同的是，重传码字具有自解码能力，因此接收端可以直接从重传码字中解码恢复数据，也可以将出错重传码字与已有缓存的码字进行合并后解码。
2.2 三种HARQ 协议
三个标准ARQ 协议，即SAW停等协议、GBN 回退N 协议和SR 选择性重传协议，就是按发端和收端的可用存储空间分类的。如果用B1 和B2 分别表示重传次数和缓冲器大小（以分组数衡量），那么
（1）当 B1=B2=1 时，则为 SAW 停等协议。该协议的基本操作是发端发出一个分组后等待收端的ACK/NACK 信息，以确定是否重发分组，因此，发端在任何时刻都不能有多于一个的出错分组。
（2）当 B1=N，B2=0 时，则为 GBN 回退 N 协议。该协议的特点是一旦第一个分组出错，接下来的 N-1 个分组因为没有空间存储（因为 B2=0）而被丢弃，所以如果第一个分组出错，就必须重传N个分组。
（3）当 B1=N，B2>0 时，则为 SR 选择性重传协议。它的特点是因为收端有存储空间，可以存储错误分组之后的所有正确分组，因而重传时只需重传错误分组而不是所有的后续分组。
2.3 3GPP LTE 系统中采用的HARQ 技术方案
HSDPA系统已经证明AMC和HARQ技术能够有效提升下行链路容量。由于在3G系统中的成功应用，HARQ技术在LTE系统中也得到了同样的重视。早期的HARQ技术是ARQ与前向纠错码（FEC）的简单合并，即：FEC纠错后，若依然检测到错误，就抛弃接收分组，并请求重传。当发展到HSPA和LTE系统时，HARQ技术不再是FEC与ARQ的简单合并。HARQ不仅能够获得FEC所带来的编码增益，还可以获得软合并带来的分集增益。在HSPA和LTE系统中，接收失败的分组不会被立刻丢弃掉，而是最大比合并接收失败分组和重传分组，充分利用了各次重传信号的软信息。
Chase合并（CC）和增量冗余（IR）是HARQ技术的两种不同方案。在Chase合并算法中，各次重传分组完全相同，接收机最大比合并各次重传信号，从而获得分集增益，改善链路质量。在IR算法中，各次重传信号重传不同的冗余校验位，将各次重传信号合并后，接收机就可以得到一个冗余更多，码率更低的码字，从而提高码字被正确译码的概率，改善链路质量。
为了避免首次传输时，系统位由于深度衰落而发生严重错误，IR算法可在重传时重传系统位，并在接收机对系统位进行最大比合并。仿真比较证明：当码率较高时，IR算法较CC算法有较大的功率增益；当码率较低时，二者没有明显的性能差异。由于上述原因，LTE系统采用了IR算法的HARQ技术。
LTE系统上下行链路采用的HARQ方案并不完全相同。其中，上行链路采用了非自适应的同步HARQ方案，下行链路采用了自适应的异步HARQ方案。自适应和非自适应HARQ的区别是：
每次重传时的调制编码格式是否相同，重传所用的无线资源是否相同。自适应HARQ其实就是HARQ与AMC和自适应调度的结合。该方案虽然会提升链路的性能，但流程复杂，信令开销大。
非自适应ARQ就是各次重传采用预先定义好的调制编码格式，因此信令开销小。LTE采用的HARQ是基于N个进程并行的停等式ARQ。若每个HARQ进程的时域位置被限制在预先定义好的位置，就是同步HARQ。反之，则是异步HARQ。同步HARQ的每个进程不需要额外的进程编号， 通过子帧编号就可识别该HARQ进程。异步HARQ的每个进程需要额外的信令开销，以指示其对应的进程编号。
在3GPP 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, 3GPP 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。
3．一种改进型的HARQ重传组合译码算法
在收端译码前，三种基本 HARQ 编码方案的组合方式有两种。一种是传统的CC，即Chase 组合译码[3]，它的特点是每次重传分组都一样，而且在译码前，需要将经过信噪比SNR 加权的多个接收分组进行组合。因此，它又称为带有一个冗余版本的第三类 HARQ。
另一种是 IR，即增加冗余组合译码，它的特点是重传分组不是整个码块的简单重复，而是需要增加一些附加信息。它的原理是在初次传输中用高码率编码（当然这样一来低开销头就会造成低保护力），接下来的传输为了降低码率就让分组全由附加冗余信息组成。在这里，我们将提出一种改进型组合译码算法。该算法计算每个重传分组的 Turbo 码译码输出和接收分组中对应的信息符号分组的距离。根据此距离计算每个分组权重，组合相加，得到最终的译码输出。同 Chase 译码算法相比改进型组合译码不需要做信道估计，在算法复杂度上也要比 IR 算法简单。从资源耗费来看，改进型算法和 CC 算法都需要在接收端维护至少能存放一帧数据的缓存器，但是在发送端，只需维护存放首传数据帧的缓存器。
该算法是基于对分组码的译码算法不作改动的应用，对重传分组（或码字）作最大似然检测处理。计算机对高斯信道和瑞利信道分别作了模拟仿真，因为高斯信道能提供最佳的环境，而平坦瑞利衰落可以为RAKE 接收端提供最小分集，因而给出性能的上限。结果表明，在高斯噪声环境下，应用新的组合译码算法可使一次 ARQ 传输的平均分组传输次数有效减少，在信噪比为1dB时减少超过50%。在瑞利噪声环境下，效果虽不如高斯信道那么明显，并要以信噪比的提高为代价，如在信噪比为9dB 时也减少了50%。
3.1 新组合译码算法的思想
设信息分组为 P，其纠错编码为 C，经信道传输后的收端接收序列为 R，收端译码器输出码字为，输出分组为。记 P0为首传分组，P1，P2，…PM为M次重传分组，相应的传输码字为 C0，C1，… CM。
由于 ARQ 是在系统中提供的一项增值服务，组合算法不能对原物理层算法做出结构上的变动，因而组合算法是一个如何利用原无 ARQ 的纠错译码算法，并针对接受阵列做出关于 P0的最大似然译码。
在第一类 HARQ 中重传分组与首传分组相同，在第二、第三类 HARQ 中，重传分组可以与首传分组相同，也可以完全不同。下面首先分析重传分组与首传分组相同情形下的组合译码。
新的组合译码算法较好地克服了 Chase 组合方法的弱点，可以完全不依靠信噪比估计值，计算机模拟给出在 1dB 信噪比时比不用组合译码的 HARQ 传输次数减少一半。
3.2 新的组合译码算法的描述
改进型组合译码算法中发送端每次重传的数据帧与首传帧相同。记 R (m )是第m 次(m=0，1，2，…，M（M 为最大重传次数）)同一经 CRC 校验和 Turbo 码编码后由信道传输的已编码信息帧， R (m)的 Turbo 码译码信息输出为U ( m) = Turbo_ D(R(m))，R 中对应信息符号构成子分组 R U，记组合译码输出为U，改进型组合译码算法描述如下。
3.3 新的组合译码算法的主程序流程图
3.4 新算法的仿真与结果分析
在这一节中，我们用 MATLAB模拟了 HARQ 系统，比较了采用改进型组合译码算法的混合自动重传请求（HARQ）和 Chase 组合译码算法的 HARQ 在高斯信道及瑞利衰落信道下的系统吞吐率。仿真结果证明改进型组合译码算法较之后者具有更佳的性能。
3.4.1 仿真模型
. 信源：产生 514bit 的随机序列。
. CRC 编码：CRC 码为 3GPP 建议的标准 CRC 码（生成多项式为x 16 +x1 2 +x5+1 ）。
. Turbo 码：3GPP 建议，码率 R＝1/3，生成矩阵g=[13，15]。编码后的帧长 N=1590。
?. 调制方式：BPSK? 信道：前向信道可选择高斯白噪声信道或瑞利平坦衰落信道。并设反向信道能够无误传输。
3.4.2 仿真过程
为验证新组合译码算法的性能，在应用 Matlab 仿真中考虑了没有组合译码的HARQ传输情形。模拟中的方式与参数选择如下
（1）Turbo 码为3GPP 建议标准（未打孔）Turbo 码。
（2）Turbo 码译码算法为修改后的MAX—LOG—MAP 的8 次迭代。
（3）CRC 码为3GPP 建议的标准CRC 码（生成多项式为x16+x12+x5+1）。
（4）Turbo 码长度N=530。
（5）信道为高斯信道和瑞利衰落信道。
（6）调制方式为BPSK。
（7）组合译码的距离量度为绝对值量度。
（8）组合译码的加权系数方案选择第二种方案。
（9）对同一分组信息为统计一次HARQ 传输的平均分组传输次数，进行30次传输。
（10）反馈信道的接收概率为0.97。
（11）最大重传次数：高斯信道M=7；瑞利信道M=10（不含首传）。
3.4.3 仿真主程序流程图
3.4.4 结果分析
仿真过程中假设反向信道可实现无误传输。同时设置最大重传次数为 9。并且重传时信道条件不变。得到Chase 组合译码与改进型组合译码在高斯信道下吞吐率仿真比较，Chase 组合译码与改进型组合译码在瑞利衰落信道下吞吐率仿真比较。
系统吞吐率随着 Eb/N0 的增加而提高。Eb/N0 在-5dB 以下和1dB 以上Chase 算法还是改进型组合译码算法的吞吐率趋同。而当Eb/N0 在-5dB～1dB 范围内时，采用改进型组合译码算法比传统 Chase 组合译码算法具有更高的系统吞吐率，可获得近 1dB的增益。
仿真结果表明，基于 HARQ 的改进型组合译码比传统的 Chase 组合译码算法在减少重传次数和提高系统吞吐率方面有更好的效果。同时改进型组合译码不需要做信道估计，在算法复杂度上也要比 IR 算法简单。从资源耗费来看，改进型组合译码算法和 CC 算法都需要在接收端维护至少能存放一帧数据的缓存器，但是在发送端，只需维护存放首传数据帧的缓存器。
4．总结
本文通过对 3GPP LTE 系统中HARQ 技术的广泛学习和深入研究，着重介绍了HARQ技术在3GPP LTE 系统中的实现。针对Ⅱ型HARQ 提出一种新的组合译码算法，该算法和Chase 组合译码算法相比，不依赖于信道估计，而是通过计算每个译码输出的距离计算加权系数。和 IR 算法相比，复杂度更低，且用于实现该算法的设备开销也较低。最后，通过MATLAB 仿真，证实了在相同的仿真环境下，改进型组合译码算法比 Chase 组合译码算法具有更高的吞吐率和对每一个分组具有更少的译码次数。在对重传数据分组的处理方面，采用了不同译码算法的计算机仿真，并通过仿真结果的比较，验证了改进算法的优越性。
需要说明的是，仿真中每次重传分组都是同一信息分组，只是信道噪声分布的不同对接收分组有一定影响，所以严格讲它是属于带有一个冗余版本的HARQ-III。因此，本文还有进一步研究的任务，即对HARQ-II 的增加冗余（IR）译码模拟仿真。
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