TD-LTE-Advanced系統(tǒng)PUCCH下行HARQ反饋方法研究*

李小文，馮友波，孫 鵬，周 瑤

（重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶400065）

TD-LTE-Advanced系統(tǒng)PUCCH下行HARQ反饋方法研究*

李小文，馮友波，孫 鵬，周 瑤

（重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶400065）

提出了一種減小 TDD （時(shí)分雙工）載波聚合系統(tǒng)下行 Hybrid Automatic Repeat Request（HARQ）反饋時(shí)延的改進(jìn)方法，基站通過(guò)比較當(dāng)前成員載波和主服務(wù)小區(qū)的下行HARQ往返時(shí)延來(lái)決定是否分配PUCCH資源給新的成員載波。經(jīng)過(guò)性能分析表明，使用這種方法后，TDD載波聚合系統(tǒng)的下行HARQ反饋往返時(shí)延明顯減小。

載波聚合；上行控制信道；混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求；低時(shí)延

0 引言

滿足LTE-A系統(tǒng)最大100 MHz傳輸帶寬需求的方法是在LTE系統(tǒng)上定義更寬的傳輸帶寬，但是由于達(dá)到100 MHz帶寬的連續(xù)頻譜很難找到，因此在LTE-A中引入了載波聚合技術(shù)[1]。LTE-A的傳輸帶寬由多個(gè)LTE載波聚合而成，LTE-A可以看作是 LTE多載波的一種延伸技術(shù)。對(duì)于采用載波聚合的UE，有一個(gè)主服務(wù)小區(qū)和一個(gè)或多個(gè)輔服務(wù)小區(qū)，下行反饋的資源只能在主服務(wù)小區(qū)中分配，輔服務(wù)小區(qū)只為用戶設(shè)備提供額外的無(wú)線資源。因?yàn)镻UCCH資源較少，所有來(lái)自輔服務(wù)小區(qū)的下行反饋，包括下行HARQ反饋都只能通過(guò)主服務(wù)小區(qū)的PUCCH來(lái)傳輸。

對(duì)于TDD-LTE-A載波聚合系統(tǒng)，每個(gè)成員載波都有自己的上下行配置用來(lái)指定它的上下行子幀分配，如表1所示。

表1TDD上下行配置

本文提出了一種最大程度減少TD-LTE-A載波聚合系統(tǒng)下行 HARQ反饋時(shí)延的改進(jìn)方法[2]。當(dāng) UE分得一個(gè)輔服務(wù)小區(qū)時(shí)，eNB計(jì)算基于其對(duì)應(yīng)上下行配置的新輔服務(wù)小區(qū)的下行HARQ往返時(shí)延。如果這個(gè)新的輔

服務(wù)小區(qū)往返時(shí)延小于主服務(wù)小區(qū)的往返時(shí)延，eNB就將分配一個(gè)可靠的PUCCH資源給這個(gè)輔服務(wù)小區(qū)用來(lái)傳輸下行HARQ反饋，否則，這個(gè)輔服務(wù)小區(qū)的下行反饋就通過(guò)主服務(wù)小區(qū)的PUCCH傳輸，這樣就明顯減小了下行HARQ的往返時(shí)延。

1 下行HARQ反饋

HARQ技術(shù)是將前向糾錯(cuò)編碼（FEC）技術(shù)和自動(dòng)重傳請(qǐng)求（ARQ）技術(shù)有效結(jié)合起來(lái)的一種差錯(cuò)控制機(jī)制。下行HARQ流程的傳輸時(shí)序示例如圖1所示。

圖1 下行HARQ傳輸時(shí)序

UE首先通過(guò)PUCCH向 eNB反饋上次傳輸?shù)?ACK/ NACK信息。此ACK/NACK信息經(jīng)過(guò)一定的上行傳輸延遲到達(dá)eNB，eNB對(duì)PUCCH的ACK/NACK信息進(jìn)行解調(diào)和處理，并根據(jù)ACK/NACK信息和下行資源分配情況對(duì)重傳數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)度。然后PDSCH按照下行調(diào)度的時(shí)域位置發(fā)送重傳數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)一定的下行傳輸延遲到達(dá)UE端。UE經(jīng)過(guò)一定的處理延遲對(duì)下行重傳完成處理，并通過(guò)PUCCH再次反饋針對(duì)此次重傳的ACK/NACK信息。一個(gè)下行HARQ的RTTs到此結(jié)束。一般用RTTs衡量下行HARQ反饋的時(shí)延性能，本文中，RTTs定義為下行HARQ重傳的時(shí)間周期。

通常假設(shè)，當(dāng)UE或者eNB接收到上行或下行數(shù)據(jù)后，將用3 ms時(shí)間來(lái)處理接收到的數(shù)據(jù)和準(zhǔn)備相應(yīng)ACK/NACK信息的傳輸，因此，基于這種假設(shè) RTTs就能被計(jì)算出來(lái)。在LTE R-11協(xié)議中，引入了成員載波根據(jù)上下行配置進(jìn)行聚合的場(chǎng)景，文獻(xiàn)[3]規(guī)定，當(dāng)不同上下行配置的成員載波被聚合，成員載波的下行HARQ反饋通過(guò)PUCCH的主服務(wù)小區(qū)傳輸，因此，即使輔服務(wù)小區(qū)有用于傳輸下行HARQ反饋的上行子幀，也必須使用或等待主服務(wù)小區(qū)的上行子幀，這樣就導(dǎo)致了很高的時(shí)延。以上下行配置0的第一個(gè)子幀（子幀0）為例，當(dāng)UE在子幀0接收到下行數(shù)據(jù)，需要3 ms（3個(gè)子幀）時(shí)間來(lái)處理接收到的數(shù)據(jù)，然后在子幀3的時(shí)隙發(fā)送ACK/ NACK信息，當(dāng)eNB處理完ACK/NACK信息后，子幀7的時(shí)隙到來(lái)，這是個(gè)上行子幀。eNB必須等待下一個(gè)下行子幀（子幀 0）來(lái)重傳下行數(shù)據(jù)，這樣，下行 HARQ的RTTs就為10 ms，這是子幀0到子幀9（下行數(shù)據(jù)能重傳之前的子幀）之間的時(shí)間周期。

采用上面提到的方法，每個(gè)不同上下行配置的子幀的RTTs就能夠被計(jì)算出來(lái)。表2列出了每個(gè)不同上下行配置的下行HARQ反饋的RTTs，通過(guò)表2可以看出不同上下行配置的小區(qū)，其時(shí)延也不同。

表2 不同上下行配置的下行HARQ反饋RTTs

如果在LTE-A中引入聚合，則所有來(lái)自輔服務(wù)小區(qū)的下行HARQ反饋必須通過(guò)主服務(wù)小區(qū)的上行子幀來(lái)傳輸[4]，在這種情況下 RTTs計(jì)算方法就略微不同。假設(shè)主服務(wù)小區(qū)采用上下行配置4，輔服務(wù)小區(qū)采用上下行配置0。以上下行配置0的第一個(gè)子幀（子幀0）為例，當(dāng)UE在子幀0接收到下行數(shù)據(jù)，它需要3 ms（3個(gè)子幀）來(lái)處理接收到數(shù)據(jù)，在子幀3的時(shí)隙中，UE能夠通過(guò)輔服務(wù)小區(qū)來(lái)發(fā)送ACK/NACK消息。但是，采用上下行配置4的輔服務(wù)小區(qū)的子幀3是一個(gè)下行子幀，所以必須推遲到下一個(gè)上行子幀（下一無(wú)線幀的子幀2）來(lái)發(fā)送ACK/NACK消息。當(dāng)eNB接收并處理完ACK/NACK消息后，能在子幀6（輔服務(wù)小區(qū)的特殊子幀）的時(shí)隙中進(jìn)行重傳。這樣，下行HARQ的RTTs就是16 ms，即子幀0到下一個(gè)無(wú)線幀的子幀5之間的時(shí)間間隔。

表3給出了在不同輔服務(wù)小區(qū)上下行配置和固定主服務(wù)小區(qū)上下行配置（配置 4）情況下，下行 HARQ反饋的RTTs。很明顯，表3中RTTs平均值比表2中的大，原因是當(dāng)不同上下行配置的成員載波被聚合，由于缺少輔服務(wù)小區(qū)的PUCCH，帶來(lái)了較高的輔服務(wù)小區(qū)下行HARQ反饋時(shí)延。因此，應(yīng)該找出一種有效方法來(lái)改善下行HARQ反饋的時(shí)延性能[5]。

表3 不同輔服務(wù)小區(qū)TDD配置和固定主服務(wù)小區(qū)TDD配置4情況下的下行HARQ反饋RTTs

2 一種改進(jìn)的下行HARQ反饋方法

針對(duì)前面描述的問(wèn)題，為了減小TDD載波聚合系統(tǒng)的下行HARQ時(shí)延，提出了一種有效的改進(jìn)方法[6]。

假設(shè)eNB端和UE端處理接收到的數(shù)據(jù)的時(shí)間都為3 ms，可以計(jì)算出不同上下行配置和固定輔服務(wù)小區(qū)配置（從配置0到配置6）的每個(gè)子幀的全部RTTs，最后得到了與表3相同的7個(gè)表。表3中，每種上下行配置的

RTTs平均值能夠被計(jì)算出，例如，采用TDD配置 0的輔服務(wù)小區(qū)的RTTs平均值等于13 ms（（16+15+11+10）/4= 13 ms）。與表2中采用上下行配置0的輔服務(wù)小區(qū)相比，RTTs的值變大了，因此，當(dāng)主服務(wù)小區(qū)采用上下行配置4，新的輔服務(wù)小區(qū)采用上下行配置0時(shí)，eNB應(yīng)該把PUCCH資源分配給輔服務(wù)小區(qū)，進(jìn)行這種選擇主要考慮的因素是時(shí)延性能，基于這種方法得出了全部配置的選擇表格，見(jiàn)表4。需要注意的是如果在eNB或者UE端處理接收到數(shù)據(jù)的假設(shè)時(shí)間改變，表格也要做相應(yīng)的改變。

表4 基于不同TDD上下行配置的決策表

表4通過(guò)比較RTTs，得出了輔服務(wù)小區(qū)反饋或主服務(wù)小區(qū)反饋的最佳選擇方案[7]，當(dāng)分配給 UE一個(gè)新的輔服務(wù)小區(qū)時(shí)，eNB首先比較主服務(wù)小區(qū)和輔服務(wù)小區(qū)的上下行配置，然后決定在主服務(wù)小區(qū)還是輔服務(wù)小區(qū)進(jìn)行下行HARQ反饋。如果eNB決定在新的輔服務(wù)小區(qū)發(fā)送反饋，它將檢查UE是否有與這個(gè)新輔服務(wù)小區(qū)相同上下行配置的輔服務(wù)小區(qū)，目的是為了避免不可用的PUCCH分配，這樣就能夠幫助系統(tǒng)降低信號(hào)開(kāi)銷。如果沒(méi)有這樣的輔服務(wù)小區(qū)，eNB將配置PUCCH，對(duì)輔服務(wù)小區(qū)來(lái)說(shuō)，它是用于傳輸下行HARQ反饋的無(wú)線資源；如果存在這樣的輔服務(wù)小區(qū)，eNB就不會(huì)分配PUCCH資源。當(dāng)接收到來(lái)自eNB輔服務(wù)小區(qū)配置無(wú)線資源控制的信號(hào)后，UE查找與這個(gè)新輔服務(wù)小區(qū)有相同上下行配置的現(xiàn)存的輔服務(wù)小區(qū)，然后，UE就在這個(gè)現(xiàn)存的輔服務(wù)小區(qū)的PUCCH資源上傳輸新輔服務(wù)小區(qū)的下行反饋[8]。

這種方法是根據(jù)eNB進(jìn)行選擇，由于在輔服務(wù)小區(qū)中重新引入了PUCCH分配過(guò)程，因此信息結(jié)構(gòu)需要做一些改變，引入一些新的信息單元（IEs）來(lái)指示PUCCH分配。所以需要對(duì)當(dāng)前的格式做一些改變。如果用來(lái)比較上下行配置的新eNB模塊不可取[9]，本節(jié)改進(jìn)的方法也能用另一種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，決策模塊可以放到UE端，也就是說(shuō)，eNB通常把PUCCH分配給新的輔服務(wù)小區(qū)，當(dāng)UE接收到新的輔服務(wù)小區(qū)配置信息，它要根據(jù)表4比較這個(gè)輔服務(wù)小區(qū)和主服務(wù)小區(qū)的上下行配置。如果結(jié)果是在主服務(wù)小區(qū)反饋，UE就忽視對(duì)本輔服務(wù)小區(qū)的PUCCH分配，下行HARQ反饋將通過(guò)主服務(wù)小區(qū)傳輸；如果結(jié)果是在輔服務(wù)小區(qū)反饋，UE將自然地使用給輔服務(wù)小區(qū)配置的PUCCH，如果決策模塊放到UE端，UE應(yīng)該提供額外的存儲(chǔ)空間來(lái)存儲(chǔ)比較表。除了eNB想更新本表格外，本表格不應(yīng)該被改變。表5是使用本節(jié)改進(jìn)的方法后主服務(wù)小區(qū)采用上下行配置4的RTTs值。

表5 改進(jìn)方法的平均RTTs值

3 性能分析

基于前面所提出的減少TDD-LTE-A載波聚合系統(tǒng)下行HARQ反饋RTTs值的改進(jìn)方法，通過(guò)對(duì)比一般方法的RTTs值（見(jiàn)表3）和改進(jìn)方法的相應(yīng) RTTs值（見(jiàn)表5），發(fā)現(xiàn)當(dāng)輔服務(wù)小區(qū)擁有的上行子幀比主服務(wù)小區(qū)多時(shí)，對(duì)采用上下行配置4的主服務(wù)小區(qū)，采用上下行配置0的輔服務(wù)小區(qū)的下行HARQ的RTTs與表3相比減少了23.1%，原因是上下行配置0比上下行配置4有更多的上行子幀。采用這種方法，這些上行子幀能夠被有效利用。例如主服務(wù)小區(qū)采用上下行配置4，輔服務(wù)小區(qū)采用上下行配置5時(shí)，主服務(wù)小區(qū)有更多的上行子幀來(lái)傳輸下行HARQ反饋。這種情況下，如果仍堅(jiān)持在這個(gè)輔服務(wù)小區(qū)上傳輸下行HARQ反饋，則主服務(wù)小區(qū)的上行子幀就不能得到充分利用。因此，為了避免帶來(lái)的高時(shí)延，eNB將不會(huì)給輔服務(wù)小區(qū)分配 PUCCH資源。表6是一般方法與改進(jìn)方法的RTTs值比較，從表中很容易看出在不同上下行配置下的平均RTTs值。

表6 一般方法和提議方法的平均RTTs值對(duì)比

通過(guò)以上分析可知，本文提出的改進(jìn)方法在減小下行HARQ反饋時(shí)延方面效果顯著，但同時(shí)這種方法對(duì)當(dāng)前的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)也帶來(lái)一些影響，由于引入了eNB為輔服務(wù)小區(qū)配置PUCCH資源的新行為，因此指示輔服務(wù)小區(qū)PUCCH資源的新信息單元應(yīng)該被添加到當(dāng)前的規(guī)范中。

4 結(jié)論

針對(duì)TDD-LTE-A載波聚合系統(tǒng)下行HARQ反饋時(shí)延較大問(wèn)題，提出了一種低時(shí)延的下行HARQ反饋方法來(lái)改善傳輸性能。eNB通過(guò)比較當(dāng)前輔服務(wù)小區(qū)和主服務(wù)小區(qū)的下行 HARQ反饋 RTTs值來(lái)決定是否分配PUCCH資源給新的輔服務(wù)小區(qū)。如果在時(shí)延方面有所改善，eNB在確認(rèn)UE沒(méi)有相同上下行配置的輔服務(wù)小區(qū)后，給新輔服務(wù)小區(qū)分配PUCCH資源。另一種方法是eNB一直為輔服務(wù)小區(qū)分配 PUCCH，由UE來(lái)決定是否使用PUCCH資源。分析表明這種改進(jìn)方法是合理、可接受的，能明顯改善TD-LTE-Advanced系統(tǒng)下行HARQ反饋時(shí)延。

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Research of PUCCH downlink HARQ feedback method in TD-LTE-Advanced system

Li Xiaowen，F(xiàn)eng Youbo，Sun Peng，Zhou Yao
（School of Communication&Information Engineering，Chongqing University of Posts&Telecommunications，Chongqing 400065，China）

This paper proposes a decreasing TDD（time division duplex）carrier aggregation system downlink Hybrid Automatic Repeat Request（HARQ）feedback delay method.By comparing the current members of the carrier and the main serving cell downlink HARQ round trip delay，eNB decides whether to allocate resources to the new member PUCCH carrier.The analysis shows that，using this method，the TDD carrier aggregation system downlink HARQ feedback delay decreases obviously.

carrier aggregation；uplink control channel；hybrid automatic repeat request；low delay

TN929.5

A

0258-7998（2015）05-0098-03

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.05.023

2014-11-13）

李小文（1955-），男，教授，研究員，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：移動(dòng)通信，LTE、LTE-A系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2011ZX03001-003-01）；重慶郵電大學(xué)青年科學(xué)基金工程（A2012-89）

馮友波（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：LTEA物理層算法及多核DSP軟件開(kāi)發(fā)、Mass MIMO導(dǎo)頻。