基于LTE的HARQ系統(tǒng)分析與仿真

摘要:隨著未來移動通信對高速率和高可靠性的要求，LTE協(xié)議采用HARQ作為其關鍵技術之一。為了研究LTE協(xié)議中HARQ系統(tǒng)性能，對LTE的HARQ系統(tǒng)進行了仿真。介紹了LTE協(xié)議中HARQ類型以及重傳合并類型，搭建了LTE中HARQ仿真平臺，給出了仿真結果，并對其做了分析。

關鍵字:LTE;HARQ;重傳合并;分類;吞吐量;誤幀率

中圖分類號:TN914文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)36-10435-02

Analysis and Simulation for HARQ System in LTE

TANG Yi， ZHOU Rong-hui， MA Ru

(College of Information Science and Technology SWJTU， Chengdu 610031， China)

Abstract: With the high speed and high reliability requirement of the future mobile communication， HARQ technology is accepted by LTE protocol as one of the key technologies. In order to research HARQ system performance in LTE protocol， the HARQ system is simulated based on LTE protocol. HARQ classification and repeat combining in LTE protocol are introduced， the HARQ simulating system is established， and the results is given and analyzed.

Key words: LTE; HARQ; repeat combine; classify; throughput; FER

隨著人們對高速率、高可靠性的移動通信業(yè)務的需求的不斷增長，3GPP于2004年啟動了LTE長期演進項目，2008年底3GPP完成了Release 8版本LTE協(xié)議的定稿，并于2009年初啟動了LTE Advanced項目。LTE是3G技術的演進即業(yè)界所稱“準4G”技術或“3.9G”技術。作為3G技術和4G技術的一個過渡，為達到高速率、高可靠性的移動通信業(yè)務，LTE將采用OFDM、MIMO和HARQ等關鍵技術[1]。

HARQ即混合自動重傳請求技術，是前向糾錯編碼(FEC)和自動重傳請求(ARQ)相結合的技術。為了降低移動通信信道時變性和多徑衰落造成的較高誤碼率，提高系統(tǒng)吞吐量，確保服務質量(QoS)，LTE采用HARQ關鍵技術[2]。本文將通過對LTE的HARQ技術分析，建立仿真模型，搭建仿真平臺，得出仿真結果以及仿真結果分析，以達到研究LTE中HARQ系統(tǒng)性能與特點。

1 LTE中HARQ技術分析

1.1 LTE中HARQ重傳機制

常見的HARQ重傳機制有停止等待協(xié)議(SAW)、回退N步和選擇重傳三種[3]。停止等待協(xié)議，指發(fā)送端每發(fā)一幀數(shù)據(jù)后，等待接收端反饋應答;當發(fā)送端接收到接收端反饋的NACK失敗信息后，進行重發(fā);當發(fā)送端接收到接收端反饋的ACK成功信息后，發(fā)送新數(shù)據(jù)。回退N步，指發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)幀后，不必停下來等待，而可以按照數(shù)據(jù)幀順序繼續(xù)發(fā)送后面的數(shù)據(jù)幀;發(fā)送過程中，可以接收由接收端的應答反饋;當發(fā)送端接收到接收端反饋的NACK失敗信息后，發(fā)送端將重傳出錯數(shù)據(jù)幀及其以后的所有數(shù)據(jù)幀;當發(fā)送端接收到接收端反饋的ACK成功信息后，發(fā)送端可以繼續(xù)發(fā)送新的數(shù)據(jù)幀。選擇重傳，指發(fā)送端按序連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀并存儲下來，當發(fā)送端接收到接收端反饋的某數(shù)據(jù)幀NACK失敗信息后，發(fā)送端將停止新數(shù)據(jù)幀發(fā)送而重傳出錯的數(shù)據(jù)幀;當發(fā)送端接收到接收端反饋的ACK確認信息后，發(fā)送端可以繼續(xù)發(fā)送新的數(shù)據(jù)幀。

LTE上行鏈路采用非自適應同步8窗口停止等待協(xié)議，即重傳固定時隙進行，采用相同的資源、編碼和調(diào)制等，擁有8個獨立停止等待協(xié)議機制進程，可以節(jié)省信令開銷;下行鏈路采用自適應異步8窗口停止等待協(xié)議，即重傳時隙、資源、編碼格式以及調(diào)制格式等均需通過調(diào)度產(chǎn)生，擁有8個獨立停止等待協(xié)議機制進程。

1.2 LTE中HARQ技術分類與合并

目前廣泛使用的HARQ技術分為第一類HARQ、第二類HARQ和第三類HARQ[4]。第一類HARQ技術，即單純的將FEC和ARQ結合，接收到的數(shù)據(jù)幀出錯，就將數(shù)據(jù)幀丟棄，并向接收端發(fā)送重傳請求;發(fā)送端接收到重傳請求后，會再次發(fā)送原來的數(shù)據(jù)幀，接收端不進行任何合并，直接譯碼。第二類HARQ，即完全增量冗余(IR)HARQ，接收端接收的錯誤的數(shù)據(jù)幀將不被丟棄，而是和發(fā)送端重傳的冗余信息合并后進行再次解碼，但重傳數(shù)據(jù)不具備自解碼能力。第三類HARQ，又稱部分增量冗余HARQ，與第二類HARQ相似，接收錯誤的數(shù)據(jù)幀不被丟棄，而是和發(fā)送端重傳的數(shù)據(jù)合并后進行再次解碼，但每次重傳的數(shù)據(jù)幀是可以自解碼的;第三類HARQ又可分為兩種，只有一個冗余版本的第三類HARQ，各次重傳冗余版本均與第一次傳輸相同，采用Chase合并;另一種是具有多個冗余版本的第三類HARQ，每次重傳的冗余版本不同。

LTE中將采用第二類HARQ和第三類HARQ相結合的傳輸方式，采用IR合并和Chase合并兩種合并方式相結合的合并方式。LTE中HARQ有四個冗余版本順序為0、2、3、1;當采用高碼率傳輸時，數(shù)據(jù)是不可以自解碼的，即為第二類HARQ，采用IR合并方式;當采用低碼率傳輸時，數(shù)據(jù)是可以自解碼的，即為第三類HARQ，若每次重傳冗余版本相同，將采用Chase合并方式，若每次重傳冗余版本按照上述版本順序進行，則采用IR合并方式。另外，LTE確定了最大重傳次數(shù)為4次，如果三次重傳后仍無法成功解碼，則交給高層處理。

2 HARQ系統(tǒng)模型建立

本文建立LTE的HARQ系統(tǒng)模型如下圖1所示，信道編碼采用1/3碼率Tubro編碼，采用MAX_LOG_MAP解碼算法;碼率控制主要通過速率匹配來完全;采用BPSK調(diào)制和解調(diào)方法;采用AWGN信道;通過CRC校驗判斷數(shù)據(jù)幀接收正確與錯誤;HARQ調(diào)度和管理功能將負責第二類HARQ和第三類HARQ以及IR合并方式與Chase合并方式的調(diào)度與控制。HARQ進程將控制冗余版本順序，IR合并方式下，采用0、2、3、1冗余版本順序重傳數(shù)據(jù)幀，Chase合并方式下，采用0冗余版本重傳數(shù)據(jù)幀。HARQ合并有IR合并方式和Chase合并兩種。

3 結果與分析

該HARQ系統(tǒng)在AWGN信道下采用BPSK、MAX_LOG_MAP解碼算法，在不同SNR和不同的HARQ類型以及不同的HARQ合并方式下，數(shù)據(jù)幀長200bits進行50000次仿真得到結果如圖2、圖3所示。

通過仿真結果我們很容易得到:第三類HARQ、IR合并方式的誤幀率性能比第三類HARQ、Chase合并方式的誤幀率性能略有提升，但比第二類HARQ、IR合并方式的誤幀率性能有3db的增益。當SNR較低時，第二類HARQ、IR合并方式的吞吐量性能最差，隨著SNR的增高，第二類HARQ、IR合并方式的吞吐量性能逐漸變得最好;第三類HARQ、IR合并方式的吞吐量性能比第三類HARQ、Chase合并方式的吞吐量性能有一定優(yōu)勢。另外，碼率越低，誤幀率性能和吞吐量性能越好，1/2碼率、2/3碼率和5/6碼率的誤幀率性能依次降低2db、吞吐量性能依次降低1db。

4 結論

該文用C語言和Matlab對LTE中HARQ系統(tǒng)進行了仿真，模擬LTE協(xié)議中不同的HARQ類型、不同的HARQ合并方式、AWGN信道以及不同碼率條件下，誤幀率和吞吐量的性能，并對上述條件下的LTE中HARQ系統(tǒng)性能做出分析和評價。

參考文獻:

[1] 包東智.LTE產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].移動通信，2008，8(下):43-47.

[2] Boujemaa H，Chelly A，Siala M.Performance of HARQⅡandⅢover multipath fading channels[A]. 2008 International Conference on Signals，Circuits and Systems IEEE，2008，978-1-4244-2628-7.

[3] 傘亮，傅曉婷，劉元安.3GPP中的ARQ技術的研究[C].中國通信學會第五屆學術年會論文集，中國科技文獻，2008.

[4] 熊芳.四代移動通信系統(tǒng)中混合自動重傳請求技術研究[D].北京:北京郵電大學，2008.

[5] 3GPP TS 36.211 V8.6.0，Physical Channels and Modulation[S].

[6] 3GPP TS 36.212 V8.6.0，Multiplexing and Channel Coding[S].

[7] 3GPP TS 36.213 V8.6.0，Physical Layer Procedures[S].

[8] 3GPP TS 36.321 V8.5.0，Medium Access Control(MAC) Protocol Specification[S].

[9] 3GPP TS 36.322 V8.5.0，Radio Link Control(RLC) Protocol Specification[S].