一種新型LTE混合自動(dòng)重傳方案

張奎力，蘇寒松，劉高華，王鵬

天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300072

一種新型LTE混合自動(dòng)重傳方案

張奎力，蘇寒松，劉高華，王鵬

天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300072

1 引言

無線信道的衰落和時(shí)變性影響了數(shù)據(jù)的可靠接收。LTE為了保證數(shù)據(jù)的及時(shí)可靠到達(dá)，使用了雙層[1]的重傳機(jī)制。在發(fā)送端接收到負(fù)反饋時(shí)，MAC[2]（Medium Access Control）層的混合重傳技術(shù)能夠及時(shí)觸發(fā)重傳，降低延時(shí)。RLC[3]（Radio Link Control）層的重傳機(jī)制僅適用于AM（Acknowledged Mode）實(shí)體，保證了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的可靠到達(dá)及按序提交高層。本文重點(diǎn)研究MAC層的HARQ技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)[2]規(guī)定了HARQ的最大傳輸次數(shù)為4，考慮到調(diào)度的靈活性及終端的能力有限，標(biāo)準(zhǔn)[2]決定采用上行同步非自適應(yīng)、下行異步自適應(yīng)重傳方案。同步/異步，即重傳與初傳的時(shí)間關(guān)系是否有周期性，若初傳發(fā)生后通過計(jì)算即可知重傳的時(shí)間即為同步，否則視為異步。自適應(yīng)/非自適應(yīng)，可以理解為重傳時(shí)采用的MCS（調(diào)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(yīng)，否則為自適應(yīng)[4-5]。

目前，針對(duì)LTE中HARQ的研究有三個(gè)主要方向。第一個(gè)方向，映射方式變化[6-7]。在物理層調(diào)制時(shí)，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(hào)內(nèi)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(diào)度器[8]或者鏈路自適應(yīng)[9]相結(jié)合。第二個(gè)方向，重傳內(nèi)容的變化[10-11]。如重傳與初傳具有相同的數(shù)據(jù)，或者發(fā)送更多的校驗(yàn)比特。典型的有IR（Increment Redundancy）[12-13]和CC（Chase Combing）方案。重傳不同的內(nèi)容，接收端的合并方式也不盡相同。第三個(gè)方向，重傳機(jī)制研究。一般有停等式、滑動(dòng)窗口和回退N步等。此方向與計(jì)算機(jī)通信的重傳機(jī)制一致，目前已經(jīng)趨于成熟。LTE中上下行均采用了N通道停等式HARQ，N的數(shù)量與TDD（Time Division Duplexing）模式或者FDD（Frequency Division Duplexing）有關(guān)。在研究LTE的現(xiàn)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(tǒng)吞吐量和降低平均傳輸次數(shù)。

2 傳統(tǒng)方案

LTE接入網(wǎng)延續(xù)了傳統(tǒng)分層的設(shè)計(jì)理念，自上而下代表了數(shù)據(jù)的流動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的重發(fā)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(nèi)容和機(jī)制改變都體現(xiàn)在PHY的處理差異上。因此，可以認(rèn)為HARQ是跨層設(shè)計(jì)的。

對(duì)于單層傳輸，一個(gè)TTI（Transport Time Interval）內(nèi)，一個(gè)用戶只能發(fā)送一個(gè)TB，TB的大小由調(diào)度模塊根據(jù)當(dāng)前信道狀況查詢文獻(xiàn)[13]中的表7.1.7.2.1-1決定。當(dāng)數(shù)據(jù)塊組裝完成之后，交給HARQ模塊，HARQ分配進(jìn)程ID并保存該TB的相關(guān)信息，如MCS、Rv（冗余版本）等，以備接收出錯(cuò)后重傳查詢，但并不對(duì)數(shù)據(jù)做實(shí)際處理，PHY才是對(duì)數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵。首先，PHY對(duì)接收到的TB進(jìn)行CRC校驗(yàn)，執(zhí)行分段功能，標(biāo)準(zhǔn)[14]中對(duì)分段做了詳細(xì)的規(guī)范，包括分段數(shù)目、分段大小及速率匹配輸出。圖1顯示了數(shù)據(jù)的流程及各個(gè)模塊的相互關(guān)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(duì)于HARQ實(shí)體而言是無從而知的。

圖1 傳統(tǒng)方案?jìng)鬏數(shù)暮?jiǎn)要框圖

在PHY添加分段功能有三個(gè)優(yōu)勢(shì)：（1）對(duì)分段執(zhí)行編碼，降低了Turbo編碼器內(nèi)交織器的交織深度；（2）對(duì)各分段并行編碼調(diào)制，有效降低了編碼時(shí)延；（3）當(dāng)接收端檢測(cè)到一個(gè)分段數(shù)據(jù)塊出錯(cuò)，即可停止檢測(cè)，觸發(fā)快速重傳，且用一個(gè)比特向發(fā)送端反饋接收錯(cuò)誤指示。

傳統(tǒng)方案存在一定的缺陷：當(dāng)接收端檢測(cè)到一個(gè)分段數(shù)據(jù)塊出錯(cuò)，不顧后面的分段數(shù)據(jù)正確與否，即刻停止檢測(cè)之后的分段數(shù)據(jù)塊。此外，假如只有最后一個(gè)分段數(shù)據(jù)出錯(cuò)，也會(huì)觸發(fā)整個(gè)TB的重傳，這對(duì)于一些正確接收的分段數(shù)據(jù)塊而言帶來了不必要的重傳，且是對(duì)資源的極大浪費(fèi)。

3 改進(jìn)方案

經(jīng)過上面的分析，如何避免正確接收數(shù)據(jù)塊的重傳是提高LTE系統(tǒng)吞吐量的重點(diǎn)之一?；诖?，本文提出在HARQ實(shí)體內(nèi)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(tǒng)方案的弊端，實(shí)際分段數(shù)目由TB大小決定。改進(jìn)后的HARQ實(shí)體的處理過程，如圖2中虛線框內(nèi)所示（其中CRC為循環(huán)冗余校驗(yàn)，maxseg為判斷分段與否的上限值）。

圖2 改進(jìn)方案的HARQ實(shí)體內(nèi)處理過程圖

發(fā)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(shí)體收到分段Sn的反饋消息若為ACK（Acknowledgement），則釋放對(duì)應(yīng)進(jìn)程的Sn分段占用的資源。這些釋放后的資源可供調(diào)度器重新分配，若全部分段正確接收，則釋放進(jìn)程并刪除TB；若收到Sn的NACK（Negtive Acknowledgement），將此分段加入進(jìn)程ID的重傳內(nèi)容。重傳時(shí)的重傳數(shù)據(jù)僅為此ID內(nèi)目前未被正確接收的分段。圖3中的結(jié)束并非進(jìn)程的結(jié)束，而是表示程序?qū)Ψ答佇畔⑻幚硗戤叀?/p>

圖3 接收反饋信息的處理流程圖

與傳統(tǒng)方案相比，新方案會(huì)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(shí)體內(nèi)，對(duì)于PHY而言，接收端對(duì)單個(gè)分段分別判斷正確與否，可以看做對(duì)整個(gè)TB判為錯(cuò)誤接收的概率降低了，有利于降低重傳次數(shù)。但是接收端反饋信息時(shí)必須攜帶分段號(hào)，這會(huì)給反饋機(jī)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(jìn)方案仿真與結(jié)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(jìn)程仿真，因此忽略了3GPP關(guān)于層映射、預(yù)編碼[15]等過程，其中采用Turbo編碼、QPSK調(diào)制方式。為了方便仿真，采用較小的maxseg值，并傳輸兩個(gè)不同TB以便對(duì)比，反饋傳輸假設(shè)為無差錯(cuò)反饋，并忽略無線傳輸時(shí)延和處理時(shí)延。其他仿真參數(shù)如表1所示。

圖4 仿真模型圖

表1 仿真參數(shù)配置

4.2 仿真結(jié)果及分析

按照表1參數(shù)和圖1模型進(jìn)程仿真，得到的仿真結(jié)果如圖5和圖6所示，分別代表了吞吐量和重傳次數(shù)的性能對(duì)比。吞吐量按式（1）計(jì)算，式中Successbit是仿真時(shí)間內(nèi)成功傳輸數(shù)據(jù)總數(shù)，單位為256 bit，TTI為總仿真時(shí)間。平均重傳次數(shù)按式（2）計(jì)算，其中i變化范圍為從0到Totalpackets，Totalpackets為5 000TTI內(nèi)傳輸TB總數(shù)，timesi為第i個(gè)分組傳輸次數(shù)，最小為1，最大為4。

圖5 改進(jìn)方案與傳統(tǒng)方案的吞吐量曲線圖

圖6 改進(jìn)方案與傳統(tǒng)方案的重傳次數(shù)曲線圖

從圖5可以看出，對(duì)于1 024 bit傳輸情況，改進(jìn)方案曲線一直位于傳統(tǒng)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(shí)也可以看出，改進(jìn)方案的兩個(gè)曲線具有大致平行的趨勢(shì)，而傳統(tǒng)方案則是交叉的，這是由于對(duì)分段后的數(shù)據(jù)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(shí)的分段數(shù)目要多。在信道條件較好時(shí)整個(gè)TB就可以正確傳輸，改進(jìn)方案和傳統(tǒng)方案曲線逐漸趨于一致。

如圖6可知，傳統(tǒng)方案中1 024 bit傳輸情況要比512 bit傳輸情況重傳次數(shù)少，兩種情況的改進(jìn)方案的分組按照分段數(shù)計(jì)算，因此，具有一致的平均重傳次數(shù)，而圖6中顯示也近似重合，且均低于傳統(tǒng)方案。當(dāng)信道條件較好時(shí)，傳輸一次就可以正確接收，因此，傳輸次數(shù)趨于1。

5 結(jié)束語

為優(yōu)化較大傳輸塊易傳輸失敗且長(zhǎng)期占用較多資源的情況，提出在不對(duì)其他不相關(guān)系統(tǒng)模塊造成任何影響的情況下，在MAC層的HARQ實(shí)體內(nèi)加入分段的功能，忽略物理層分段。如果一個(gè)分段成功傳輸，可釋放該分段對(duì)應(yīng)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(yàn)證了本文改進(jìn)方案在系統(tǒng)性能和重傳次數(shù)方面的優(yōu)良性能，即提出的新型方案可實(shí)際應(yīng)用。

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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(duì)LTE中較大TB（Transport Block）傳輸時(shí)占用較多時(shí)頻資源且容易出現(xiàn)錯(cuò)誤致使資源浪費(fèi)的情況，提出了一種新型混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求（HARQ）傳輸方案。新型傳輸方案在HARQ實(shí)體內(nèi)根據(jù)TB大小對(duì)其進(jìn)行分段，取消物理層的分段功能，形成單進(jìn)程下多分段數(shù)據(jù)塊并行傳輸，在需要重新傳輸時(shí)，僅傳輸接收檢測(cè)出錯(cuò)的分段數(shù)據(jù)即可。仿真結(jié)果表明，提出的新型傳輸方案在系統(tǒng)吞吐量和平均傳輸次數(shù)方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方案。

長(zhǎng)期演進(jìn)；混合自動(dòng)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?yàn)長(zhǎng)TE協(xié)議棧開發(fā)；蘇寒松（1960—），男，博士，教授，研究方向?yàn)楣馔ㄐ?，移?dòng)通信；劉高華（1987—），女，碩士，研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信；王鵬（1987—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)長(zhǎng)TE 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