一種新型LTE混合自動重傳方案

張奎力，蘇寒松，劉高華，王鵬

天津大學電子信息工程學院，天津 300072

一種新型LTE混合自動重傳方案

張奎力，蘇寒松，劉高華，王鵬

天津大學電子信息工程學院，天津 300072

1 引言

無線信道的衰落和時變性影響了數據的可靠接收。LTE為了保證數據的及時可靠到達，使用了雙層[1]的重傳機制。在發送端接收到負反饋時，MAC[2]（Medium Access Control）層的混合重傳技術能夠及時觸發重傳，降低延時。RLC[3]（Radio Link Control）層的重傳機制僅適用于AM（Acknowledged Mode）實體，保證了業務數據的可靠到達及按序提交高層。本文重點研究MAC層的HARQ技術，標準[2]規定了HARQ的最大傳輸次數為4，考慮到調度的靈活性及終端的能力有限，標準[2]決定采用上行同步非自適應、下行異步自適應重傳方案。同步/異步，即重傳與初傳的時間關系是否有周期性，若初傳發生后通過計算即可知重傳的時間即為同步，否則視為異步。自適應/非自適應，可以理解為重傳時采用的MCS（調制編碼方式）、資源塊是否必須與初始傳輸一致，若必須一致則為非自適應，否則為自適應[4-5]。

目前，針對LTE中HARQ的研究有三個主要方向。第一個方向，映射方式變化[6-7]。在物理層調制時，重傳與初始傳輸采用不同的星座圖映射或者映射到不同的頻率資源，這是由于符號內不同位置的比特可靠性有差異和重傳選擇不同的頻率資源可帶來頻率分集增益，一般與資源調度器[8]或者鏈路自適應[9]相結合。第二個方向，重傳內容的變化[10-11]。如重傳與初傳具有相同的數據，或者發送更多的校驗比特。典型的有IR（Increment Redundancy）[12-13]和CC（Chase Combing）方案。重傳不同的內容，接收端的合并方式也不盡相同。第三個方向，重傳機制研究。一般有停等式、滑動窗口和回退N步等。此方向與計算機通信的重傳機制一致，目前已經趨于成熟。LTE中上下行均采用了N通道停等式HARQ，N的數量與TDD（Time Division Duplexing）模式或者FDD（Frequency Division Duplexing）有關。在研究LTE的現有傳輸方案后，為了提高重傳效率，提出了一種新型HARQ傳輸方案。該方案將HARQ中增加分段功能，用于提升系統吞吐量和降低平均傳輸次數。

2 傳統方案

LTE接入網延續了傳統分層的設計理念，自上而下代表了數據的流動走向，將功能分層劃分，依次處理，如圖1所示。HARQ位于MAC層的最底層，實現對數據的重發管理，但他是MAC層和PHY（physical layer）交互最緊密的功能模塊，HARQ三大主要研究方向中的映射、內容和機制改變都體現在PHY的處理差異上。因此，可以認為HARQ是跨層設計的。

對于單層傳輸，一個TTI（Transport Time Interval）內，一個用戶只能發送一個TB，TB的大小由調度模塊根據當前信道狀況查詢文獻[13]中的表7.1.7.2.1-1決定。當數據塊組裝完成之后，交給HARQ模塊，HARQ分配進程ID并保存該TB的相關信息，如MCS、Rv（冗余版本）等，以備接收出錯后重傳查詢，但并不對數據做實際處理，PHY才是對數據處理的關鍵。首先，PHY對接收到的TB進行CRC校驗，執行分段功能，標準[14]中對分段做了詳細的規范，包括分段數目、分段大小及速率匹配輸出。圖1顯示了數據的流程及各個模塊的相互關系，其中分段后的CRC、速率匹配分別包含在分段、Turbo編碼模塊中，這些處理位于MAC層之下。因此，物理層流程處理的這些信息對于HARQ實體而言是無從而知的。

圖1 傳統方案傳輸的簡要框圖

在PHY添加分段功能有三個優勢：（1）對分段執行編碼，降低了Turbo編碼器內交織器的交織深度；（2）對各分段并行編碼調制，有效降低了編碼時延；（3）當接收端檢測到一個分段數據塊出錯，即可停止檢測，觸發快速重傳，且用一個比特向發送端反饋接收錯誤指示。

傳統方案存在一定的缺陷：當接收端檢測到一個分段數據塊出錯，不顧后面的分段數據正確與否，即刻停止檢測之后的分段數據塊。此外，假如只有最后一個分段數據出錯，也會觸發整個TB的重傳，這對于一些正確接收的分段數據塊而言帶來了不必要的重傳，且是對資源的極大浪費。

3 改進方案

經過上面的分析，如何避免正確接收數據塊的重傳是提高LTE系統吞吐量的重點之一。基于此，本文提出在HARQ實體內加入分段的功能，取消物理層的分段功能，這樣可以更好地控制重傳，也可以避免第2章提到的傳統方案的弊端，實際分段數目由TB大小決定。改進后的HARQ實體的處理過程，如圖2中虛線框內所示（其中CRC為循環冗余校驗，maxseg為判斷分段與否的上限值）。

圖2 改進方案的HARQ實體內處理過程圖

發送端接收到接收端的反饋信息后的處理流程如圖3所示。處于等待反饋信息的HARQ實體收到分段Sn的反饋消息若為ACK（Acknowledgement），則釋放對應進程的Sn分段占用的資源。這些釋放后的資源可供調度器重新分配，若全部分段正確接收，則釋放進程并刪除TB；若收到Sn的NACK（Negtive Acknowledgement），將此分段加入進程ID的重傳內容。重傳時的重傳數據僅為此ID內目前未被正確接收的分段。圖3中的結束并非進程的結束，而是表示程序對反饋信息處理完畢。

圖3 接收反饋信息的處理流程圖

與傳統方案相比，新方案會提前釋放成功接收分段占用的資源，而不用等待全部分段被成功接收，可明顯提高吞吐量。此外，由于將分段移至HARQ實體內，對于PHY而言，接收端對單個分段分別判斷正確與否，可以看做對整個TB判為錯誤接收的概率降低了，有利于降低重傳次數。但是接收端反饋信息時必須攜帶分段號，這會給反饋機制帶來壓力，但本文暫沒有考慮反饋的限制和不可靠性。

4 改進方案仿真與結果分析

4.1 仿真模型

首先，搭建仿真模型，如圖4所示。由于采用單用戶單進程仿真，因此忽略了3GPP關于層映射、預編碼[15]等過程，其中采用Turbo編碼、QPSK調制方式。為了方便仿真，采用較小的maxseg值，并傳輸兩個不同TB以便對比，反饋傳輸假設為無差錯反饋，并忽略無線傳輸時延和處理時延。其他仿真參數如表1所示。

圖4 仿真模型圖

表1 仿真參數配置

4.2 仿真結果及分析

按照表1參數和圖1模型進程仿真，得到的仿真結果如圖5和圖6所示，分別代表了吞吐量和重傳次數的性能對比。吞吐量按式（1）計算，式中Successbit是仿真時間內成功傳輸數據總數，單位為256 bit，TTI為總仿真時間。平均重傳次數按式（2）計算，其中i變化范圍為從0到Totalpackets，Totalpackets為5 000TTI內傳輸TB總數，timesi為第i個分組傳輸次數，最小為1，最大為4。

圖5 改進方案與傳統方案的吞吐量曲線圖

圖6 改進方案與傳統方案的重傳次數曲線圖

從圖5可以看出，對于1 024 bit傳輸情況，改進方案曲線一直位于傳統方案左邊，性能明顯有所改善，512 bit傳輸情況也有類似情況。同時也可以看出，改進方案的兩個曲線具有大致平行的趨勢，而傳統方案則是交叉的，這是由于對分段后的數據塊具有一致的大小的原因，只是1 024 bit傳輸情況比512 bit傳輸情況時的分段數目要多。在信道條件較好時整個TB就可以正確傳輸，改進方案和傳統方案曲線逐漸趨于一致。

如圖6可知，傳統方案中1 024 bit傳輸情況要比512 bit傳輸情況重傳次數少，兩種情況的改進方案的分組按照分段數計算，因此，具有一致的平均重傳次數，而圖6中顯示也近似重合，且均低于傳統方案。當信道條件較好時，傳輸一次就可以正確接收，因此，傳輸次數趨于1。

5 結束語

為優化較大傳輸塊易傳輸失敗且長期占用較多資源的情況，提出在不對其他不相關系統模塊造成任何影響的情況下，在MAC層的HARQ實體內加入分段的功能，忽略物理層分段。如果一個分段成功傳輸，可釋放該分段對應部分資源；另外，也可以釋放其他分段占用的資源，可為下次傳輸提供頻率分集增益，本文仿真未考慮頻率分集。通過建立的模型仿真及分析，驗證了本文改進方案在系統性能和重傳次數方面的優良性能，即提出的新型方案可實際應用。

[1]王玲，朱光喜，吳偉民，等.LTE系統跨層HARQ重傳技術研究[J].小型微型計算機系統，2010，31（11）：2222-2226.

[2]3GPP.TS 36.321 V9.6.0 Medium Access Control（MAC）protocol specification（Release 9）[S].2012.

[3]3GPP.TS 36.322 V9.3.0 Radio Link Control（RLC）protocol specification（Release 9）[S].2010.

[4]Gan Xiaoying，Cao Zhongren.Instantaneous packet information based on-demand adaptive retransmission for HARQ[C]//Proceedings of the 2010 Military Communications Conference，San Jose，Canada，Oct 31-Nov 3，2010：1496-1501.

[5]Peng Mugen，Wang Wenbo.Advanced HARQ and scheduler schemes in TDD-CDMA HSDPA systems[C]//Proceedings of the 10th Asia-Pacific Conference and Communications and 5th International Symposium on Multi-Dimensional Mobile Communications，Aug 29-Sept 1，2004：67-70.

[6]Wengerter C，von Elbwart A G E，Seidel E，el al.Advanced hybrid ARQ technique employing a signal constellation rearrangement[C]//Proceedings of the IEEE 56th Vehicular Technology Conference（VTC 2002-Fall），2002：2002-2006.

[7]童曉兵，吳啟暉，王金龍.比特軟值的部分重傳混合ARQ方案[J].電子科技大學學報，2008，37（6）：851-854.

[8]Ramli H A M，Sandrasegaran K，Basukala R，el al.HARQ aware scheduling algorithm for the downlink LTE system[C]//Proceedings of the 4th Modeling，Simulation and Applied Optimization（ICMSAO），April 19-21，Kuala Lumpur，2011：1-4.

[9]Zhang Jinbao，Zhang Zaichen，Heng Wei，el al.LA and HARQ combined optimization based on QoS prediction[C]//Proceedings of the International Symposium on Signals Systems and Electronics（ISSSE），Sept 17-20，Nanjing，China，2010：1-4.

[10]周秦英.HARQ系統及其編譯碼技術研究[D].西安：西安電子科技大學，2006.

[11]史碩.TD-LTE系統中混合自動重傳技術（HARQ）重傳機制的研究[D].北京：北京郵電大學，2010.

[12]王亞峰，楊鴻文，楊大成.采用Turbo碼的Type III HARQ性能分析[J].通信學報，2004，25（6）：139-146.

[13]3GPP.TS 36.213 V9.3.0 Physical layer procedures（Release 9）[S].2010.

[14]3GPP.TS 36.212 V9.4.0 Multiplexing and channel coding（Release 9）[S].2011.

[15]3GPP.TS 36.211 V9.1.0.Physical channels and modulation（Release 9）[S].2010.

ZHANG Kuili,SU Hansong,LIU Gaohua,WANG Peng

School of Electronic Information Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China

In LTE（3G Long Term Evolution）,larger TB（Transport Block）occupies more time-frequency resources and is prone to error so as to a waste of resources.In view of this case,a novel transmission scheme of Hybrid Automatic Retransmission Request（HARQ）is proposed.The new transmission scheme takes segmentation based on the TB size in the HARQ entity instead of the segment function of physical layer.Then multiple segment data blocks can be transported parallelly in a single process.If the data are needed to be retransmitted,the transmitter only transports the error segmentation data.Simulation results show that the proposed new transmission scheme is obviously better than the traditional scheme in regard to system throughput and the average number of transmissions.

Long Term Evolution（LTE）;Hybrid Automatic Repeat Request（HARQ）;physical layer;segmentation

針對LTE中較大TB（Transport Block）傳輸時占用較多時頻資源且容易出現錯誤致使資源浪費的情況，提出了一種新型混合自動重傳請求（HARQ）傳輸方案。新型傳輸方案在HARQ實體內根據TB大小對其進行分段，取消物理層的分段功能，形成單進程下多分段數據塊并行傳輸，在需要重新傳輸時，僅傳輸接收檢測出錯的分段數據即可。仿真結果表明，提出的新型傳輸方案在系統吞吐量和平均傳輸次數方面明顯優于傳統方案。

長期演進；混合自動重傳；物理層；分段

A

TN914；TP393

10.3778/j.issn.1002-8331.1301-0016

ZHANG Kuili,SU Hansong,LIU Gaohua,et al.New hybrid automatic retransmission scheme in LTE.Computer Engineering and Applications,2013,49（19）：92-95.

張奎力（1988—），男，碩士研究生，研究方向為LTE協議棧開發；蘇寒松（1960—），男，博士，教授，研究方向為光通信，移動通信；劉高華（1987—），女，碩士，研究方向為移動通信；王鵬（1987—），男，碩士研究生，研究方向為LTE MAC層。E-mail：zkuili1988@126.com

2013-01-05

2013-04-08

1002-8331（2013）19-0092-04

CNKI出版日期：2013-05-03http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20130503.1707.001.html