混合自动重传请求

通信术语

在蜂窝通信系统中，由于无线信道时变特性和多径衰落对信号传输带来的影响，以及一些不可预测的干扰会导致信号传输的失败，通常采用前向纠错（FEC，Forward Error Correction）编码的技术和自动重传请求（ARQ，Automatic Repeat-reQuest）等方法来进行差错控制，从而确保服务质量。

基本的HARQ类型

根据HARQ过程中重传内容的不同，HARQ主要分为Type I HARQ、Type II HARQ和Type III HARQ 3种类型，下面分别对其进行介绍。

1．Type I HARQ

Type I HARQ是一种简单的ARQ和FEC的结合。在Type I HARQ方案中，发送数据块进行CRC编码后再进行FEC编码。在接收端对接收数据进行FEC译码后，CRC进行校验。如果接收数据出错，则接收端通知发送端重传，重传数据采用与前一次相同的编码，而错误的分组被丢弃。可以看出，Type I HARQ方式的控制信令开销小。由于在重传中使用相同的前向纠错编码，物理层的结构以及解码都要简单一些。但是这种固定的前向纠错编码意味着固定的冗余信息，系统吞吐量不如Type II HARQ和Type III HARQ高。

2．Type II HARQ

Type II HARQ方案属于增量冗余（Incremental Redundancy）的HARQ方案，被称为 Full IR HARQ（FIR）。在这种HARQ中，第一次发送分组包含了全部的信息位（也可能含冗余校验位），接收端CRC校验发现有错误时，与Type I HARQ方案不同，错误分组被存在接收端的寄存器中，并向发送端发送重传控制消息；发送端重传的信息不是前一次数据的简单重复，而是不同的增量冗余信息，重传分组无法自解码，接收端将重传的增量冗余信息与寄存器中分组数据合并后再进行译码。由于增加了新的冗余位信息帮助译码，因此纠错能力增强，提高了系统性能。Type II HARQ在低信噪比的信道环境中具有很好的性能，缺点是接收端需要较大的寄存器存储数据。

3．Type III HARQ

Type III HARQ方案也属于增量冗余（IR）方案，与Type II 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。根据重传的冗余版本不同，Type III HARQ又可分为两种情况：一种被称为Chase Combining（CC）方式，如图3‑42（a）所示，其特点在于重传数据与前面发送的分组数据完全相同（包含信息位和校验冗余位），只有一种冗余版本，接收端将重传数据和存储数据进行软合并后进行译码；另一种是Partial IR HARQ（PIR）方式，如图3-42（b）所示，其每次重传包含了相同的信息位和不同的增量冗余校验位（可有多个冗余版本），接收端对重传的信息位进行软合并，并将新的校验位合并到码字后再进行译码。Type III HARQ的两种方式有着共同的特点，重传的数据包具有自解码的能力，重传的数据包与初传的数据包采用软合并的方式获得最大的译码增益。

ARQ的重传机制

目前在数据通信中定义了3种基本的ARQ的重传机制，分别是停等式（SAW，Stop-And-Wait）、后退N步式（GBN，Go-Back-N）和选择重传式（SR，Select Repeat），下面分别对其进行介绍。

1．停等式

在采用停等式ARQ协议的传输系统中，发送端每发送一个数据包就暂时停下来，等待接收端的确认信息。当数据包到达接收端时，对其进行检错，如果接收正确，则返回 ACK信号，如果错误，则返回NACK信号。当发送端收到ACK信号时，就发送新的数据，否则重传上次传输的数据包。而在等待确认信息期间，信道是空闲的，不发送任何数据。

2．后退N步式

为了克服SAW-ARQ机制通过率低以及等待时间长的缺点，出现一种发送端连续传输数据组的后退N步ARQ（GBN ARQ）。GBN ARQ的发送端和接收端分别有一个大小为N的发送和接收窗口，通过发送和接收窗口，系统可以连续地发送和接收数据，不必像SAW ARQ那样在接收到应答后再发送新的数据分组，提高了系统的利用率。若接收端发现错误的分组，则会发送重发请求，发送端会将发送窗中请求重新发送分组和目前正在发送分组之间的所有分组（最多N个分组）都重新发送。由于后退N步机制有一个数据分组错就要重传多个数据分组（最多N个分组），因此浪费了资源，效率不高。

3．选择重发式

为了进一步提高信道的利用率，可以选择重发式协议只重传出现差错的数据包，但是此时接收端不再按序接收数据包信息，那么在接收端则需要相当容量的缓存空间来存储已经成功译码但还没能按序输出的分组。同时接收端在组合数据包前必须知道序列号，因此序列号要和数据分别编码，而且序列号需要更可靠的编码以克服任何时候出现在数据里的错误，这样就增加了对信令的要求。

停等式（SAW）重传协议机制不仅简单可靠，系统信令开销小，并且降低了对于接收机缓存空间的要求。但是，该协议的信道利用效率较低。为了克服这个缺点，在TD-LTE系统中采用了改进的N通道的停等式协议（N channel SAW）用于HARQ的传输。即发送端在信道上并行地运行N个不同的停等进程，利用不同进程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，具体如图3-43所示。

HARQ进程数与RTT

TD-LTE系统采用N通道的停等式HARQ协议，因此需要为系统配置相应的HARQ的进程数。在等待某个HARQ进程的反馈信息过程中，可以继续使用其他的空闲进程传输数据包。

HARQ的最小RTT（Round Trip Time）定义为一次数据包传输过程的完成时间，包括从一个数据包在发送端开始发送，接收端接收处理后，根据结果反馈ACK/NACK信令，发送端解调处理ACK/NACK信号后，确定下一帧进行重传或传送新数据包的全过程。在FDD系统中，由于其任何一个方向的传输都是连续的，总是可以在固定的子帧中进行数据重传或者发送ACK/NACK反馈信令，因此HARQ的最小RTT时间是固定的。RTT的时间只受传输时间、接收时间和处理时间的影响。对于TDD系统来说，其HARQ的最小RTT时间不仅与传输时间、接收时间和处理时间有关，还与TDD系统的上下行业务时隙比例、相应的数据传输和ACK/NACK传输所在的子帧位置有关，所以需要有额外的等待时间。图3-44给出了TDD系统中下行HARQ最小RTT的示意图，上行是相似的过程。

HARQ的进程数与HARQ的最小RTT时间是紧密相关的。对于FDD来说，其HARQ的进程数等于HARQ的最小RTT时间中包含的子帧数目；对于TDD来说，其HARQ的进程数为HARQ的最小RTT时间中包含的同一发送方向的子帧数目。

以TD-TLE系统的上下行子帧配置1（上下行子帧比例为2∶3）的下行为例，进一步说明的TDD系统中上下行子帧配置、相应的数据传输和ACK/NACK信息传输所在的子帧位置对HARQ的进程数和最小RTT时间的影响。图3-45中给出了相应的示例，可以看出，对于子帧0中进行初传的数据，经过数据信息的传输时间、接收时间以及处理时间后，可以在子帧4中反馈ACK/NACK信息，但由于子帧4是下行子帧，无法传输ACK/NACK信息，ACK/NACK信息只能在子帧7中传输；在基站端，经过ACK/NACK信息的传输时间、接收时间以及处理时间后，如果接受数据接收错误，需要进行重传，则可以在下一个无线帧的子帧1中传输，子帧1正好是下行子帧。因此对于子帧1的HARQ的最小RTT时间为11个子帧，相应的下行HARQ的进程数为11个子帧中的下行子帧的数目，即7个HARQ进程。表3-11给出了对其他下行子帧的分析。

表3-11 TDD-LTE系统上下行子帧配置1的HARQ的最小RTT与进程数

HARQ的工作方式

根据重传发生方式不同，可以将HARQ的工作方式分为同步和异步HARQ两类。其中，同步HARQ是指一个HARQ进程的传输与重传发生具有固定的时序关系，由于接收端预先已知重传传输发生的时刻，因此不需要额外的信令开销来标识HARQ进程的序号和以及额外的重传控制信令，此时HARQ进程的序号可以从子帧号获得；而异步HARQ是指一个HARQ进程的重传传输时间需要通过额外的重传控制信令来指示，接收端预先不知道传输发生的时刻，此时HARQ进程的处理序号需要连同数据一起发送，因而增大了系统的信令开销。

图3-46给出了同步HARQ和异步HARQ的示例。图中，HARQ进程数为4，那么对于同步HARQ来说，其重传与初传有着固定的时序关系，HARQ进程0的重传在下一个HARQ进程0中传输；对于异步HARQ来说，其HARQ进程0可以在HARQ RTT之后的任一个HARQ进程中传输，因此在异步HARQ中需要指示当前重传的HARQ进程号。

根据重传时的数据特征是否发生变化，又可将HARQ的工作方式分为自适应和非自适应HARQ两种。其中，传输的数据特征包括资源块的分配，调制方式和传输块的长度，传输的持续时间等。自适应传输是指在每一次重传过程中，发送端可以根据实际的信道状态信息改变部分传输参数，包括调制方式、资源单元的分配等。因此，在每次传输的过程中，包含传输参数的控制信令信息要一并发送。在非自适应HARQ中，这些传输参数相对于接收端而言都是预先已知的，因此包含传输参数的控制信令信息在非自适应系统中不需要被传输。

在TD-LTE系统中，为了获得更好的合并增益，其上行或者下行链路中采用的是Type III HARQ。同时系统的下行采用异步自适应的HARQ技术，相对于同步非自适应HARQ技术而言，异步HARQ更能充分利用信道的状态信息，从而提高系统的吞吐量，异步HARQ也可以避免重传时资源分配发生冲突从而造成性能损失。例如，在同步HARQ中，如果优先级较高的进程需要被调度，但是该时刻的资源已被分配给某一个HARQ进程，资源分配就会发生冲突；而异步HARQ的重传不是发生在固定时刻，可以有效地避免这个问题。TD-LTE系统的上行采用同步非自适应HARQ技术。虽然异步自适应HARQ技术相比同步非自适应技术而言，在调度方面的灵活性更高，但是后者所需的信令开销更少。由于上行链路采用了SC-FDMA多址方式对异步HARQ增益不明显，以及来自其他小区用户干扰的不确定性，并考虑到控制信令的开销问题，因此在上行链路确定使用同步非自适应HARQ技术。

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