5G系統中CBG HARQ技術的分析與展望*

高月紅，楊昊天，尹 寧，陳 露

（1.北京郵電大學，北京 100876；2.北京機電工程研究所，北京 100074）

0 引言

隨著通信技術的發展，用戶對通信質量的要求越來越高，主要反映在對數據傳輸速率和系統可靠性方面的追求，也給5G通信標準、協議帶來了新的問題與演進需求，即如何在獲得高速率的同時降低用于可靠性控制的資源開銷。

在傳統的4G通信系統中，混合自動重傳請求（Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ）技術是常用的可靠性控制方案。但是，5G eMBB場景下，傳輸塊（Transport Block，TB）的數據量大幅增加，導致HARQ重傳開銷隨之增加，使得這一技術不再適用。

因此，標準化組織3GPP從#88會議開始，便提出了需要依據5G的傳輸特點改進HARQ技術的意見。經過多次會議討論，最終設計了基于碼塊組（Code Block Group，CBG）的HARQ技術作為解決方案，減小重傳粒度，以增強5G通信系統的資源利用效率。

本文主要分析CBG HARQ技術的標準化演進過程，對其機制原理進行解釋說明，并結合近期3GPP會議內容，分析和討論CBG HARQ技術在具體應用場景下有待進一步研究的方向。

1 CBG HARQ技術演進的分析

本章分析CBG HARQ技術的標準化演進過程，先簡述傳統4G LTE中的HARQ，再重點解釋5G NR中的CBG HARQ技術原理。

1.1 LTE中的HARQ

HARQ技術是移動通信系統中常用的差錯控制和效率保障機制。首先利用前向糾錯技術（Forward Error Correction，FEC）糾正接收錯誤的數據。如果糾正失敗，使用自動重傳請求技術（Automatic Repeat-reQuest，ARQ）請求數據重傳。它校驗和重傳的基本單位均為傳輸塊（TB）。

LTE中有SW-ARQ、GBN-ARQ以及SR-ARQ共3種類型的ARQ。5G系統采用多進程的SW-ARQ，不僅易于實現，還可獲得較高的傳輸效率。它最大可支持的并行ARQ進程數量提高為16個[1]。在每個調度周期中，每個HARQ進程只處理一個TB，并且每個進程在接收端有獨立的緩存空間。倘若使用空分復用，每次調度可以并行傳輸2個碼字即兩個TB，這時一個HARQ實體包含2個HARQ進程。

HARQ技術將每次接收到的數據緩存保留，以增加重傳數據解調正確率，稱為軟合并技術。在LTE系統中，軟合并的主要實現方式為跟蹤合并（Chase Combine，CC）和增量冗余（Incremental Redundancy，IR）。其中，CC方式實現簡單但增益較低，IR方式增益高但較為復雜。NR中通常采用IR方式獲得額外增益[2]。

1.2 NR中的HARQ增強

1.2.1 碼塊組的設計

3GPP R15的技術規范中為NR規定了eMBB業務場景的兩個頻率范圍（Frequency Range，FR）：FR1的區間為450 MHz～6 GHz，最大支持100 MHz的帶寬；FR2的區間為24.25～52.6 GHz，最大支持400 MHz的帶寬，屬于毫米波的應用。相比LTE中的20 MHz，NR可支持最大帶寬有了很大提升。因此，NR中每個TB所能包含的比特數增加顯著。然而，接收出錯往往只集中在占比較小的部分區間，重傳整個TB十分低效，故需要對HARQ技術進行演進，減少重傳數據量。

與LTE中不同，NR中數據信道采用低密度奇偶校驗碼（Low Density Parity Check Code，LDPC）編碼，并將一個TB劃分為數個碼塊（Code Block，CB），對每個CB附加CRC校驗碼，使得NR中接收方對數據的主要校驗單位從LTE中的TB轉變為CB，從而為設計小粒度的重傳和避免大量資源浪費提供了方便。顯然，若令接收方告知發送方每個CB的接收情況，發送方以此僅安排出錯CB重新傳輸，即以CB為單位重傳，其實是令冗余重傳量最低的方案。但是，這種方案需要對每個CB設置一位ACK/NACK反饋信息，反饋開銷過大。因此，將若干個CB組合成碼塊組CBG并以CBG為單位重傳的方案得到了共識[3]。

在標準化討論中，CBG的劃分規則主要有3種選項：選項1，固定CBG數，CBG中包含的CB數隨TB大小變化；選項2，固定每個CBG內的CB數，CBG個數隨TB大小變化；選項3，CBG數和每個CBG包含的CB數都由TB大小計算[3]。各公司也相應提出了多種具體劃分方法，并給出了性能測試：三星公司傾向于在劃分CBG時讓盡可能多的CB劃分到同一個CBG內[4]；富士通研究所則提出CBG分級劃分，不同級別CBG內CB數不固定，以降低出錯CB分布在多個不同CBG的概率，減少需要重傳的CBG的數量[5]。

基于CBG的HARQ調度應當建立在原有基于TB的HARQ調度之上。在設計相關技術規范時，應當將引入CBG這一概念所帶來的影響盡量減小，盡量不對上層的操作產生影響，以降低實現復雜度。因此，雖然“非平均”劃分方法能在一定程度上進一步降低冗余重傳量，但綜合權衡不同方案的實現復雜度與重傳效率，與會者們最終在3GPP RAN1#90次會議達成多項共識，規定在劃分CBG時先確定最大可劃分CBG數目，然后將全部CB平均分配到每一個CBG內[6]，具體的劃分步驟如下。

標準規定劃分CBG數目的最大值僅有2、4、6、8這4種選項。倘若使用空分復用，一個HARQ實體內包含2個HARQ進程，并行傳輸兩個TB，則這一最大CBG數目將被兩個TB平分。系統通過RRC配置決定是否啟用CBG HARQ，并決定最大CBG數目N的取值，而TB實際劃分出的CBG數目M=min(N,C)，其中C為TB中包含的CB數目。

然后，遵循平均分配CB的原則將CB分配到各個CBG中。定義如下3個參數：

在全部M個CBG中，第1到M1第個CBG各包含K1個CB，而后第M1+1到M個CBG各包含K2個CB。CBG劃分完成后，整個TB的結構如圖1所示。

圖1 CB、CBG劃分后TB結構

1.2.2 基于碼塊組的重傳流程

在傳統的基于TB的HARQ流程中，對整個TB設置一位反饋信息。TB中任何一個CB接收失敗，則TB接收失敗。

在CBG HARQ中，因重傳改為以CBG為單位，需要增加這一反饋信息比特的位數。在RAN1#89、#90上，參會者達成共識，按照劃分的CBG數量對每一個CBG對應設置一位反饋比特，組成一個反饋比特序列。接收時仍然對每一個CB進行CRC校驗，若CBG內所包含的全部CB均校驗成功，則CBG接收成功，反饋ACK；反之，如果有任何CB接收失敗，則反饋NACK。同時，仍然保留對整個TB設置的反饋比特，用于反饋TB級CRC校驗是否成功。如果TB級CRC校驗成功，則CBG反饋序列按各個CBG的ACK/NACK實際情況設置為1/0；反之，要令全部CBG反饋NACK。倘若使用空分復用，兩個同時存在的TB的反饋序列按順序連接。

發送方在收到反饋后，將在一定間隔后對未成功接收的CBG進行重新傳輸。需要注意的是，重傳時反饋序列長度仍與初傳時相同，且先前傳輸中已經成功接收的CBG所對應的反饋比特直接設為1。例如，假設共有4個CBG且初傳時只有第一個CBG校驗失敗，則初傳反饋為0111。重傳時，只傳輸接收失敗的這第一個CBG。假設重傳成功，則重傳反饋序列為1111，而不是單獨針對重傳的CBG反饋一位1。這種設置增加了一定量的重傳反饋開銷，但是可以更簡單明確地標識出哪個位置的CBG在經歷過重傳后仍出現錯誤并需要重傳。

更進一步地，為了適配上述重傳流程，需要設置幾個新增的指示信令，并規定在DCI中提供單獨的字段支持[7]。

為了讓接收方獲知重傳CBG在初傳中的對應位置，方便解調，新增指示信令碼塊組傳輸信息（Code Block Group Transmission Information,CBGTI）[8]。類似于CBG的接收反饋序列，CBGTI也為長度等于CBG總數的比特序列。其中，比特值為1表示本次重傳包含初傳中對應位置的CBG，反之即為不包含。

為了讓軟合并技術支持部分重傳，定義了一個碼塊組緩存沖洗信息（Code Block Group Flushing out Information，CBGFI），用于指示當前CBG緩存是否受到其他業務等的污染需要進行清理。CBGFI為1，表示需要清理；CBGFI為0，則表示不需要清理。

2 CBG HARQ技術應用的展望

NR中基于CBG的HARQ的設計主要圍繞HARQ-ACK反饋方式、重傳基本流程和新增DCI信令指示幾部分，且相關的標準已經較為完善。為了更好地發揮CBG HARQ的性能，還需要結合不同應用場景來具體討論和設計基于CBG的HARQ調度算法。本章通過理論和仿真分析影響CBG HARQ增益的因素，給出了幾個較適合使用基于CBG HARQ調度的場景，并討論在這些場景下使用CBG HARQ設計調度時需要加強考慮的問題來展望未來CBG HARQ的演進思路。

2.1 CBG HARQ增益的分析

純eMBB場景是CBG HARQ技術的設計初衷，因此本文基于這一場景進行系統級仿真，以eMBB業務吞吐量為指標衡量CBG HARQ帶來的增益。仿真所用參數如表1所示，使用TB HARQ和CBG HARQ情況下吞吐量的累計分布函數，如圖2所示。

表1 仿真核心參數

圖2 兩種HARQ機制下用戶吞吐量曲線

由圖2可見，純eMBB場景下使用CBG HARQ并未對用戶平均吞吐量帶來很大的提升，與CBG HARQ的設計預期不符，需要分析原因。

對于TB HARQ，假設TB初傳出錯的概率為x%，則系統的實際傳輸效率只能達到理想無差錯傳輸的100/(100+x)。對于CBG HARQ，由于實際傳輸中，TB接收錯誤時通常很大概率只錯一個CBG，那么假設TB有k個CBG，在相同的TB初傳錯誤率下，CBG HARQ平均只需付出1/k于TB HARQ情況的重傳資源，故系統的實際傳輸效率可達到理想無差錯傳輸的100/(100+x/k)。因此，可得CBG HARQ在此假設下平均性能增益為：

可見，影響增益的主要因素是TB的初傳錯誤率和所劃分的CBG數目，而極限值基本上是TB的初傳錯誤率。

進一步觀察上述仿真中TB的初傳錯誤率，如圖3所示，兩種機制下均約有40%的用戶初傳錯誤率在0.1以內，即式（4）中x值很小。出錯概率較大的用戶通常處于的信道質量較差，基站端在發送時選擇的調制階數很低，TB包含的數據量很小，包含的CB、CBG數目也就很小，因此重傳一個CBG和重傳整個TB的區別不大。

圖3 兩種HARQ機制下TB初傳錯誤率曲線

經過上述分析，本文認為雖然純eMBB場景是CBG HARQ技術的設計應用初衷，但這一場景下基于CBG HARQ的調度為系統帶來的增益不夠明顯，需要探索新的應用場景。

2.2 CBG HARQ應用的展望

NR eMBB/URLLC業務復用場景是5G部署的下一個關鍵場景。在TDD系統中，它可分為下行URLLC和下行eMBB、上行URLLC和上行eMBB、上行URLLC和下行eMBB、下行URLLC和上行eMBB這4種情況。其中，第二種的上行業務復用的情況由于與下行相比存在額外的問題，因此后兩種情況需要基站臨時切換上下行，實現的代價較高。此外，目前相關的研究工作較少，只有第一種針對URLLC與eMBB的下行業務復用的研究較為成熟，已經得到NR R15標準的支持，這里將基于這一情況進行討論。

URLLC業務具有低時延、高可靠性等特性，一般需要使用一定的頻域帶寬和較少的時域符號來傳輸，以滿足低時延要求。它的業務形式多樣，包含周期性與突發性、小包與大包等多種組合，不確定性較大。周期性URLLC業務可以采用資源預留式復用，預先空出一定頻段給URLLC業務使用，不會對eMBB業務的解碼成功率產生額外影響。突發性URLLC業務主要的復用方式則為穿刺搶占法，允許URLLC業務使用部分已分配給eMBB業務的資源傳輸，以體現URLLC業務的高優先級，滿足其對低時延的需求，同時避免預留頻段空閑導致的資源浪費。顯然，若使用穿刺機制，接收端無法正確解調被穿刺影響的部分eMBB業務數據。由于URLLC突發請求的數據量往往較小，被穿刺影響而無法被成功接收的eMBB數據通常也只是整個TB的較小一部分，集中在URLLC穿刺時刻的某些頻段所對應的連續CB處，顯然這種情況下重傳整個TB沒有必要。相較于純eMBB場景，這種場景下eMBB業務數據接收失敗會因被穿刺而更加頻繁，即式（4）中x值明顯增加。利用CBG HARQ技術只重傳接收失敗的部分eMBB業務，可以更多地減少資源浪費，更能體現CBG HARQ帶來的增益。

eMBB/URLLC業務的下行復用場景可以進一步根據URLLC與eMBB業務屬于不同用戶還是同一用戶細分為用戶間和用戶內兩種子情況。在這兩種場景下設計基于CBG的HARQ調度算法時，eMBB業務的調度方式都可以繼承純eMBB業務場景下的結果。而URLLC業務的資源調度分配應當以減少穿刺所引起的eMBB總重傳資源消耗為目標，此時兩種子情況下有所不同。例如，在用戶間復用情況下應當遍歷在全部已分給不同eMBB用戶的資源中尋找合適的穿刺位置，而在用戶內復用的情況中則應當優先令URLLC業務使用分配給本用戶eMBB業務的資源等。上述具體的資源分配方案均值得深入研究，是CBG HARQ技術很好的應用研究方向。

基于NR的非授權頻譜接入（NR-based Access to Unlicensed Spectrum，NR-U），是對授權頻譜輔助接入技術（Licensed Assisted Access，LAA）技術的演進。NR-U遵循“先聽后說”（Listen Before Talk，LBT）的準則，基站先監聽信道并通過空閑信道評估機制（Clear Channel Assessment，CCA）來判斷信道是否空閑，確認空閑后才能開始調度，且設有最大信道占用時間（Maximum Channel Occupied Time，MCOT）來保證信道利用的公平性[9]。

NR中CBG相關的反饋方式和DCI指示等標準已經較為完善。3GPP自RAN1 #94會議起，開始討論使用對NR-U HARQ進行增強，主要關于NR-U關鍵技術和CBG相關信令之間的適應性更新。在RAN1 #99會議中，諾基亞、華為、vivo以及英特爾等公司，對配置CBG傳輸情況下如何調整LBT中競爭窗口大小、如何使用基于CBG的NR-U一次性HARQ反饋以及考慮功率控制的DCI格式設置的相關建議得到了與會者共識[10]。直至最近的RAN1 #101次會議，華為公司還在繼續討論NR-U中CBG HARQ的碼本使用問題[11]。

NR-U相比如Wi-Fi的其他使用相同非授權頻譜的無線系統，支持更大的帶寬，故可能會出現支持不同大小帶寬的系統同時競爭信道的情況。為此，NR-U的LBT監聽能夠基于分割的子帶分別檢測，并且會略微提高對CCA門限值的要求。這樣不僅降低了監聽檢測的復雜度，也便于和其他多種采用不同信道寬度的使用相同非授權頻譜的系統共存，不易在信道競爭中被完全阻塞。但是，這種共存可能會帶來干擾問題，類似于NR eMBB/URLLC復用場景中eMBB業務遭到URLLC業務穿刺，被干擾的NR-U業務的部分數據可能無法正確解調，NR-U業務重傳需求增加，即式（4）中x值增加，使得這種場景下也較為適合利用CBG HARQ技術減少重傳數據量，獲得系統性能增益。值得注意的是，在這個場景中，窄帶信號的干擾通常是固定頻域范圍、在時域范圍延伸，與URLLC穿刺時中固定時域范圍、在頻域范圍延伸的干擾有所不同。因此，調度算法在設計優化上應有所差異，如重新考慮資源映射方式，以時域而不是頻域優先等，是值得更深入的討論與設計方向。

3 結語

在通信系統中，頻譜資源的匱乏和爆炸式業務需求的矛盾日益加劇。本文通過分析傳統HARQ技術在5G大數據量傳輸的場景下導致的不可忽視的資源浪費問題和CBG HARQ技術原理，通過減少冗余重傳量的方式來充分利用有限的頻譜資源。目前，NR中CBG HARQ技術的基本流程已經被標準化組織確定，而NR-U對CBG技術的支持還在標準化組織的不斷完善中，值得進一步討論。此外，根據系統級仿真和理論分析結果，純NR eMBB場景下不易體現CBG技術的增益；而在eMBB/URLLC復用和NR-U場景中，由于其他業務的干擾，eMBB業務更容易接受失敗，引發重傳請求，更適合CBG HARQ發揮作用。在這些場景中使用CBG HARQ時，更加具體、高效的資源調度方式有待進一步討論，可以作為下一步研究與設計的方向。