一種HARQ軟合并方法及其在LTE中的應用

林挺萃

（新郵通通信設備有限公司 廣州 510663）

1 引言

在現代無線通信中，數據傳輸的準確性與數據傳輸的速率是同等重要的。視頻、語音通話等應用對數據傳輸速率及穩定性有較高要求，而網頁、郵件等應用對數據傳輸準確性則有較高要求。為保證數據的準確性，現代通信系統都會采取重傳機制。

ARQ（automatic repeat request，自動重傳請求）是指在數據包出錯情況下重發出錯的數據包，直至成功。在ARQ系統中，每次重發相同的數據包，接收端正確接收時往發送端返回ACK信號，開始等待下一個數據包；發送采取計時等待方式，接收端超時未收到或者收到譯碼錯誤的數據包，將向發送端返回NACK信號，開始等待下一個重傳包。

HARQ（hybrid automatic repeat request，混合自動重傳請求）是在ARQ的基礎上，提高數據準確率同時提高數據傳輸速率的一個重大改進。HARQ系統并不丟棄錯誤接收的數據包，而是把數據包存儲起來，當收到重傳包時，把兩個接收包按照一定的比例因子合并起來，由于錯誤包中依然含有一定的信息量，則合并之后能取得比合并前更好的性能。HARQ合并包括chase合并[1]與IR合并[2]。

本文主要對HARQ在LTE系統中的使用進行研究，在高速移動信道的情況下，改進LTE上行PUSCH接收機的架構模型，把HARQ合并解碼與普通數據包解碼結合起來，使之既能應付平坦信道下的重傳包合并，也能應付高速移動信道下的數據包傳輸，并從理論上得出這種新型接收機的改進量。

2 PUSCH接收機中的HARQ模型

在3GPP LTE現行協議及草案中，規定了PUSCH上行發送包的模型架構，其中HARQ合并采用的是IR合并法，即發送機兩次發送之間不一定發送同樣的數據，可以發送不同的數據（可部分重疊），然后在接收端合并后能得到更多的消息，從而提高譯碼性能。

根據3GPP TS 36.212 v8.7.0和3GPP 36.211 v8.7.0協議[3,4]，可以得到上行PUSCH數據用戶端發送機的架構，如圖1所示。

為接收端添加HARQ合并模塊、信道估計與補償模塊（采用MMSE補償法），把接收過程逆轉，得到傳統的上行PUSCH接收機的架構，如圖2所示。

當不同數據幀間HARQ合并時間差大于信道相干時間，即用戶在一定移動速度下（按數據幀HARQ合并時間差8 ms計算，則用戶移動速度大于22 km/h時），傳輸信道可以視為非相干信道，即對于同一個數據，兩次接收結果不相關。對任一數據包，設第i次（0≤i≤N，N為數據幀最大重傳次數）重傳接收結果為Ai，譯碼后校驗錯誤；再次重傳后，設接收結果為Ai+1，則Ai與Ai+1不相關。根據IR合并原則，把 Ai與 Ai+1分別乘以定值因子 αi和 αi+1（0<αi<1，0<αi+1<1）后合并相加，得到HARQ合并包M，即：

M與Ai+1相關系數為αi+1，即M與Ai+1部分相關。αi+1越小，M與Ai+1相關性越低。

由于HARQ合并是針對碼塊進行的，而重傳是針對整數據包進行的，設碼塊第i次重傳合并后誤碼塊率為pi，碼塊數目為C，則可以得到數據包的總誤碼率為：

在信噪比固定的情況下，隨著重傳次數增多，解碼緩存區覆蓋度增加，解碼成功率升高；同時對于相重疊的緩存區數據的合并，能降低該區域數據的誤碼率（對該區域而言，相當于兩次信道信噪比疊加[5]），因此總體合并的誤碼率遞降，即1>p0>p1>p2>…>pN>0。

相應地，可以計算系統的頻譜效率。根據3GPP TS 36.213 v8.7.0協議[6]，當調制編碼方式（modulation and coding scheme，MCS）值一定時，PUSCH信道傳輸數據比特值也可以相應地通過查表得到，即PUSCH一次傳輸的數據量D只與其MCS值IMCS相關：

為方便計算，假設只有單用戶，獨占全部帶寬，則系統總吞吐量Ttotal為：

系統頻譜效率為：

其中W為帶寬。

3 改進的HARQ模型

在非相干信道下，可以得到如圖3所示的改進的PUSCH接收機模型。

如圖3所示，在做HARQ合并的同時，把數據額外保留一個備份，并把該備份直接進行解子信道交織、解碼、子塊CRC校驗、傳輸塊CRC校驗。而經HARQ合并的一路數據依然進行解子信道交織、解碼、子塊CRC校驗、傳輸塊CRC校驗。在兩路數據中選出CRC校驗結果為ACK的一路作為最終結果往上發給MAC層。值得注意的是，HARQ重傳的首個版本RV0可以自解碼，但后續重傳版本與MCS、rate-matching等有關，未必可以自解碼，因此僅當自解碼可行的時候，備份分支的輸出才會被予以考慮。

在非相干信道中，信噪比變化速率很快，同一數據包不同傳輸所經歷的信噪比通常不同。由于每次重傳是在HARQ合并與非HARQ合并中選取正確的一個，而根據式（1）所述，HARQ合并數據與非HARQ合并數據部分相關。設不做HARQ合并時，第i次重傳的誤碼率為 ；只做HARQ合并，第i次重傳合并后誤碼塊率為pi；既做HARQ合并也直接譯碼（如圖3所示的接收機架構），第i次重傳合并后的誤碼率為 p′i。則有： pi≤p′i≤min（ ,pi）=pi(i>0)，當i=0時，該接收機架構退化為非合并情況，即誤碼率p′i=p0=pi。因此，系統總誤碼率為：

對比式（2）與式（7）可以得到，當 N>0 時，Padvanced_total

類似§2，可以得到新模型的頻譜效率為：

由于 Padvanced_total

4 模型仿真

為綜合驗證系統模型的性能，下面將分別針對系統誤碼率、頻譜效率、平均重傳次數進行仿真驗證。

4.1 誤碼率

固定發送帶寬為20 MHz，針對不同信道，對比系統總誤碼率。平坦信道情況下，對AWGN信道分別取不同信道SNR、MCS值，對比兩個系統的總誤碼率；高速移動信道情況下，采用EVA信道，令UE端時速為100 km/h，分別取不同信道SNR、MCS值，對比兩個系統的總誤碼率，如圖4所示，其中不同MCS值對應于不同的發送參數，見表1[6]。

對比圖4（a）、（b）可得：改進后的架構在普遍情況下都能取得比原架構更低的誤碼率，尤其在突變信道中，其對誤碼率的改進比例相對較為顯著。

4.2 頻譜效率

固定發送帶寬為20 MHz，取普通EVA信道，時速為100 km/h，對比系統頻譜效率，如圖5所示。

表1 MCS值與調制方式、碼率的對應

由圖5可以看出，在低信噪比情況下，小的MCS值能取得更高的頻譜效率，在高信噪比情況下，大的MCS值能取得更高的頻譜效率，這與MAC層對MCS的總體調度算法原則是一致的。改進后的接收機架構可取得比原接收機架構更高的頻譜效率。

4.3 平均重傳次數

固定發送帶寬為20 MHz，取普通EVA信道，時速為100 km/h，對比系統平均重傳次數，如圖6所示。

從圖6可以看出，由于系統總體誤碼率的下降，改進后的接收機架構在普遍情況下都能取得比原接收機架構更少的平均重傳次數，即數據傳輸的準確度更高。

5 結束語

本文從理論上研究了傳統的LTE PUSCH接收機，并提出了一種改進型的PUSCH接收機架構。仿真結果表明，改進的接收機架構適合于各種信道并能提供一定的系統增益，在突變信道中提高較為顯著。從接收機實現的角度上，改進的接收機架構相比傳統架構需要占用更多的硬件資源，這一點可以通過邏輯算法進行精簡。例如，在數據初次傳輸時，可將兩路數據處理合為一路，同時也可考慮通過采用并行運算形式進一步提高改進接收機的處理速度。

1 David Chase.Code combining-a maximum-likelihood decoding approach for combining an arbitrary number of noisy packets.IEEE Transactions on Communications,1985,33(5):385～393

2 PalFrenger,Stefan Parkvall,Erik Dahlman.Performance comparison of HARQ with chase combining and incremental redundandy for HSDPA.In:Proceedings of VTS 54th,March 2001

3 3GPP TS 36.212 v8.7.0.Technical specification group radio access network evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA)multiplexing and channel coding (Release 8),May 2009

4 3GPP TS 36.211 v8.7.0.Technical specification group radio access network evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA)physical channels and modulation (Release 8),May 2009

5 Parkvall S,Dahlman E,Frenger P,et al.The evolution of WCDMA towards higher speed downlink packet data access.In:Proceedings IEEE Vehicular Technology Conference,Rhodes,Greece,May 6-9 2001

6 3GPP TS 36.213 v8.7.0.Technical specification group radio access network evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA)physical layer procedures(release 8),May 2009