LTE TDD系統(tǒng)中下行HARQ機(jī)制的研究*

陳發(fā)堂，萬 翠，樊 璽

（1.重慶郵電大學(xué)重慶市移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶400065；2.電子科技大學(xué) 成都611731）

1 引言

在LTE系統(tǒng)中，針對無線信道時(shí)變和多徑衰落對信號帶來的傳輸錯(cuò)誤，LTE系統(tǒng)采用了HARQ技術(shù)，其中涉及物理層和MAC（媒體接入控制）層。在每個(gè)TTI（傳輸時(shí)間間隔）內(nèi)，物理層會(huì)向空中接口發(fā)送一個(gè)或者兩個(gè)TB（傳輸塊）。如果該傳輸塊沒有被接收端正確解碼，那么該傳輸塊將會(huì)重傳，同時(shí)接收端會(huì)將錯(cuò)誤解碼的TB保存。當(dāng)接收端接收到該重傳的TB，會(huì)將之前傳輸?shù)腡B和這次的TB合并，以增加解碼的正確性。在采用IR（增量冗余）的HARQ機(jī)制中，重傳的TB會(huì)包含一些初始TB中沒有的冗余信息，然后進(jìn)行軟合并。當(dāng)傳輸次數(shù)增加時(shí)，合并后的碼字冗余信息逐漸增加，獲得碼字合并增益。

LTE系統(tǒng)提供兩種雙工方式：一種是頻分雙工（frequency division duplexing,FDD），另一種是時(shí)分雙工（time division duplexing,TDD）。在FDD模式中，上行子幀和下行子幀在頻域上是獨(dú)立的，并且HARQ RTT是固定的。然而在TDD中，上下行子幀在時(shí)域內(nèi)是獨(dú)立的，其中，TDD的幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。一個(gè)10 ms的無線幀由上行子幀、下行子幀和特殊子幀構(gòu)成[1]。特殊子幀包含3個(gè)部分：DwPTS（下行導(dǎo)頻時(shí)隙）、GP（保護(hù)間隔）、UpPTS（上行導(dǎo)頻時(shí)隙），其中GP是用作上下行子幀轉(zhuǎn)換的保護(hù)間隔。DwPTS可以發(fā)送下行數(shù)據(jù)，而GP和UpPTS則不能發(fā)送數(shù)據(jù)。TDD支持7種不同的上下行和特殊子幀的配置[1]，見表1（D代表下行子幀，S代表特殊子幀，U代表上行子幀）。特別是在下行HARQ過程中，由于在有的上下行子幀配置中，下行子幀會(huì)比上行子幀多，因此同一個(gè)上行子幀上會(huì)包含著幾個(gè)下行HARQ的反饋信息。幾個(gè)下行HARQ的反饋會(huì)以捆綁或復(fù)用的方式在同一個(gè)上行子幀上傳輸，這樣TDD模式下HARQ RTT就會(huì)比FDD模式下的長。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)送系統(tǒng)消息或者廣播消息時(shí)，接收端如果解碼錯(cuò)誤，網(wǎng)絡(luò)側(cè)會(huì)為了避免重傳數(shù)據(jù)的沖突而調(diào)整重發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)刻。這樣，下行異步HARQ的重傳可能發(fā)生在任意時(shí)刻，因此，并不能保證固定的RTT。

表1 上下行子幀配置

當(dāng)重傳發(fā)生時(shí)，HARQ RTT增加，則數(shù)據(jù)分組的傳輸延遲，如果最先收到負(fù)反饋的HARQ進(jìn)程具有最高的重傳優(yōu)先級，則此時(shí)HARQ RTT將會(huì)得到最小化[2]。在上述準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，提出了一種根據(jù)不同的上下行子幀配置最小化重傳時(shí)間的方法。

2 HARQ實(shí)體

MAC層 控制著HARQ實(shí) 體 的運(yùn)行[3]，HARQ實(shí)體維 持著一定平行數(shù)量的HARQ進(jìn)程，上層數(shù)據(jù)被組裝成MAC PDU后，封裝至HARQ進(jìn)程中。下行HARQ過程的發(fā)送是通過上行反饋（ACK或NACK）、新數(shù)據(jù)指示（NDI）、下行資源分配和下行數(shù)據(jù)重傳來完成的。下行HARQ示意如圖2所示。

2.1 下行HARQ進(jìn)程設(shè)計(jì)

HARQ進(jìn)程的狀態(tài)可分為空閑狀態(tài)、準(zhǔn)備狀態(tài)和傳輸狀態(tài)，如圖3所示，存儲(chǔ)在HARQ實(shí)體里的TB被發(fā)至空閑狀態(tài)的HARQ進(jìn)程中，則該進(jìn)程的狀態(tài)轉(zhuǎn)至準(zhǔn)備狀態(tài)；當(dāng)TB被物理層發(fā)至PDSCH（物理下行共享信道）時(shí)，則該進(jìn)程的狀態(tài)轉(zhuǎn)至傳輸狀態(tài)；當(dāng)該進(jìn)程收到一個(gè)HARQ負(fù)反饋時(shí)，又會(huì)返回至準(zhǔn)備狀態(tài)，準(zhǔn)備進(jìn)行重傳；如果收到正反饋，則狀態(tài)轉(zhuǎn)至空閑狀態(tài)。

2.2 同步HARQ和異步HARQ

在上下行HARQ過程中，接收端收到HARQ反饋的時(shí)刻都是固定的。但另一方面，接收到HARQ負(fù)反饋時(shí)，進(jìn)行重傳的時(shí)間是不同的。對于上行同步HARQ來說，重傳的時(shí)間是固定的；對于下行異步HARQ來說，為了增加調(diào)度的靈活性，重傳的時(shí)間是不固定的，有可能發(fā)生在任意時(shí)刻，由網(wǎng)絡(luò)側(cè)調(diào)度。如圖4所示，說明了在上下行配置為4時(shí)的重傳過程。以進(jìn)程2為例，當(dāng)所有的進(jìn)程都被占用時(shí)，如圖4（a）所示，收到反饋的時(shí)刻是子幀2，重傳時(shí)刻是子幀8；當(dāng)部分進(jìn)程被占用時(shí)，如圖4（b）所示，重傳時(shí)刻為子幀6，相比之下，時(shí)延減少了，相應(yīng)地，子幀4的HARQ RTT也被減小。

2.3 下行HARQ反饋

在下行HARQ過程中，上層數(shù)據(jù)在MAC層被組裝成MAC PDU，然后被保存在位于MAC層的HARQ進(jìn)程中。之后，MAC PDU會(huì)通過HARQ進(jìn)程發(fā)送至物理層。這里，一個(gè)MAC PDU對于物理層來說，是一個(gè)TB。物理層通過PDSCH在下行子幀n-l上發(fā)送TB至空中接口。接收端在接收到HARQ進(jìn)程數(shù)據(jù)后，會(huì)通過PUCCH（物理上行控制信道）或者PUSCH（物理上行共享信道）在上行子幀n上發(fā)送HARQ反饋。其中，n和l的值見表2[4]。

由于不同上下行子幀配置下的上下行子幀的個(gè)數(shù)不同，導(dǎo)致在下行子幀多于上行子幀的情況下，幾個(gè)下行子幀的反饋會(huì)被捆綁或復(fù)用到同一個(gè)上行子幀上，因此，在接收反饋后重傳的時(shí)間將會(huì)高于FDD模式下的重傳時(shí)間，HARQ RTT也會(huì)相應(yīng)地增加。

表2 TDD下行相關(guān)索引集合L：{l0，l1，…，lM-1}

3 下行HARQ RTT算法設(shè)計(jì)

3.1 HARQ重傳原則

在接收到HARQ反饋之后，如果收到的是負(fù)反饋，則需要進(jìn)行重傳。對于重傳時(shí)刻的確定，考慮到兩種情況：一種是當(dāng)所有的下行子幀都被HARQ進(jìn)程占用時(shí)，重傳時(shí)刻是固定的，此時(shí)的情況可以理解為同步HARQ，子幀n的重傳時(shí)間可由表3中的k′確定；另一種是只有部分下行子幀被占用時(shí)，若當(dāng)前子幀為n，那么之前接收對應(yīng)的HARQ反饋的時(shí)刻為n-k。k′的值見表3，且kmin為網(wǎng)絡(luò)側(cè)處理上行數(shù)據(jù)時(shí)延，大小為4 ms[5]。

在子幀n上傳輸?shù)倪M(jìn)程的最小HARQ RTT可根據(jù)以下步驟獲得。

（1）網(wǎng)絡(luò)側(cè)假定根據(jù)表3在子幀n-k上收到HARQ反饋。

（2）根據(jù)表2檢測是否在子幀n-k-l上存在和子幀n-k的反饋相對應(yīng)的PDSCH。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)側(cè)在檢測時(shí)，l是按照遞減的順序進(jìn)行的，這樣就能保證最先收到HARQ反饋的進(jìn)程優(yōu)先得到重傳。

（3）如果子幀n-k上沒有收到HARQ反饋，則k值遞減，并重復(fù)上述過程。

最終，HARQ進(jìn)程號和相應(yīng)的HARQ重傳時(shí)刻可以根據(jù)當(dāng)前子幀n得到確定。在這個(gè)過程中，網(wǎng)絡(luò)側(cè)需要同時(shí)考慮幀號和子幀號。

3.2 實(shí)現(xiàn)步驟

根據(jù)上述原則設(shè)計(jì)出的HARQ的方案如下。

（1）首先為每個(gè)HARQ進(jìn)程設(shè)計(jì)參數(shù)：HARQ緩沖域標(biāo)志hharq，反饋ffeedback，當(dāng)前子幀ncursubframe。

每個(gè)HARQ進(jìn)程有一個(gè)緩沖域，hharq為1時(shí)表示該進(jìn)程被占用。ffeedback用于接收上次發(fā)送下行數(shù)據(jù)時(shí)的反饋。ncursubframe用于記錄該進(jìn)程發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的下行子幀。

（2）如果子幀n收到HARQ反饋，首先掃描所有hharq為1的進(jìn)程，如果ncursubframe=n-l，則將該進(jìn)程的ffeedback設(shè)置為收到的ACK或NACK。

（3）對于ffeedback為ACK的進(jìn)程，MAC層將該進(jìn)程清空，即置hharq為0。對于ffeedback為NACK的進(jìn)程，首先對這些進(jìn)程按l從大到小進(jìn)行排序，然后確定每個(gè)進(jìn)程的重傳時(shí)刻nnextsubframe，則每個(gè)進(jìn)程的RTT為nnextsubframe-ncursubframe。

在下行數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)以多個(gè)并行的HARQ進(jìn)程為載體向下層傳輸，不同的數(shù)據(jù)速率會(huì)導(dǎo)致處于傳輸狀態(tài)的HARQ進(jìn)程數(shù)目的增加，但當(dāng)速率增加到一定程度時(shí)，所有的HARQ進(jìn)程都被占用，相應(yīng)的下行子幀也被占用，此時(shí)的HARQ RTT是固定的。不同配置下，上下行子幀的不對稱性導(dǎo)致HARQ RTT也有所區(qū)別。下面進(jìn)行具體分析。

表3 同步HARQ下的子幀n的重傳等待時(shí)間

4 仿真結(jié)果

在LTE TDD系統(tǒng)中，首先分析了HARQ機(jī)制，并從上下行配置方面分析了同步HARQ和異步HARQ的HARQ RTT。數(shù)據(jù)的到達(dá)服從隨機(jī)的泊松分布，并以一定速率被發(fā)往HARQ實(shí)體。不同HARQ利用率下的HARQ RTT如圖5所示。

以配置5為例，當(dāng)全部HARQ進(jìn)程都被占用時(shí)，為同步HARQ，此時(shí)HARQ RTT為16.6 ms，而異步HARQ的RTT要小于同步HARQ。在異步HARQ過程中，當(dāng)多數(shù)HARQ進(jìn)程處于空閑狀態(tài)時(shí)，將會(huì)減小收到反饋與重傳之間的時(shí)間間隔，因此HARQ RTT也會(huì)減小。當(dāng)數(shù)據(jù)的速率較大時(shí)，處于空閑狀態(tài)的HARQ進(jìn)程不存在，也就是說所有的進(jìn)程都被占用，進(jìn)程的重傳時(shí)間是固定的，就演變成了同步HARQ過程，在HARQ RTT方面，二者不存在區(qū)別。

此外，當(dāng)上下行配置為5時(shí)，下行子幀和上行子幀的個(gè)數(shù)比例達(dá)到最大；而配置為4和2時(shí)，比例減小，且配置為5時(shí)的HARQ RTT比配置為4和2時(shí)的大。原因如下，當(dāng)下行子幀和上行子幀的比例較高時(shí)，在同一個(gè)上行子幀會(huì)傳輸多個(gè)下行子幀的HARQ反饋，因此HARQ RTT會(huì)隨著復(fù)用HARQ反饋的個(gè)數(shù)而增加。但配置為4和2時(shí)，二者的上下行子幀個(gè)數(shù)配比是相同的，但是因?yàn)榕渲?的上下行轉(zhuǎn)換點(diǎn)為周期10 ms，因此其HARQ RTT要大于轉(zhuǎn)換點(diǎn)周期為5 ms的配置2的HARQ RTT。此外，上下行配置為0時(shí)是例外的，其HARQ RTT是固定的，這是由協(xié)議規(guī)定的。因此，可根據(jù)應(yīng)用不同的上下行配置來調(diào)節(jié)HARQ RTT，從而改善HARQ的性能，滿足業(yè)務(wù)需求。例如，在下行業(yè)務(wù)量較大并且對時(shí)延要求不高時(shí)，可選擇配置5，比如在訪問網(wǎng)絡(luò)下載視頻的情況下；但如果在上下行配比相同的情況下，選擇上下行切換點(diǎn)周期為5 ms的配置可減小下行時(shí)延。

5 結(jié)束語

本文針對LTE TDD系統(tǒng)下行異步HARQ過程中RTT的問題，提出了一種通過網(wǎng)絡(luò)側(cè)應(yīng)用不同的上下行配置而最小化HARQ RTT的方法，并從HARQ RTT方面分析了同步HARQ和異步HARQ過程。設(shè)計(jì)出一種求得HARQ RTT的方案，仿真分析了不同配置和HARQ進(jìn)程利用率對HARQ RTT的影響。本文將有助于對下行HARQ的研究和理解，并且可根據(jù)對比仿真圖中的HARQ RTT，為網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行不同業(yè)務(wù)時(shí)的上下行配置提供參考。

1 3GPP TS 36.211 V9.0.1.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Channels and Modulations,2009

2 Dalhlman E,Parkvall S,Skold J,et al.3G Evolution:HSPA and LTE for Mobile Broadband,2nd Ed.Academic Press,2008

3 3GPP TS 36.321 V9.1.0.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)Medium Access Control(MAC)Protocol Specification,2009

4 3GPP TS 36.213 V9.0.1.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Layer Procedures,2009

5 Susitaival R,Meyer M.LTE coverage improvement by TTI bundling.Proceedings of VTC 2009-Spring,Spain,2009