5G系統(tǒng)中CBG HARQ技術(shù)的分析與展望*

高月紅，楊昊天，尹 寧，陳 露

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

0 引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，用戶對通信質(zhì)量的要求越來越高，主要反映在對數(shù)據(jù)傳輸速率和系統(tǒng)可靠性方面的追求，也給5G通信標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議帶來了新的問題與演進(jìn)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(tǒng)的4G通信系統(tǒng)中，混合自動重傳請求（Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ）技術(shù)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(shù)據(jù)量大幅增加，導(dǎo)致HARQ重傳開銷隨之增加，使得這一技術(shù)不再適用。

因此，標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP從#88會議開始，便提出了需要依據(jù)5G的傳輸特點(diǎn)改進(jìn)HARQ技術(shù)的意見。經(jīng)過多次會議討論，最終設(shè)計了基于碼塊組（Code Block Group，CBG）的HARQ技術(shù)作為解決方案，減小重傳粒度，以增強(qiáng)5G通信系統(tǒng)的資源利用效率。

本文主要分析CBG HARQ技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化演進(jìn)過程，對其機(jī)制原理進(jìn)行解釋說明，并結(jié)合近期3GPP會議內(nèi)容，分析和討論CBG HARQ技術(shù)在具體應(yīng)用場景下有待進(jìn)一步研究的方向。

1 CBG HARQ技術(shù)演進(jìn)的分析

本章分析CBG HARQ技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化演進(jìn)過程，先簡述傳統(tǒng)4G LTE中的HARQ，再重點(diǎn)解釋5G NR中的CBG HARQ技術(shù)原理。

1.1 LTE中的HARQ

HARQ技術(shù)是移動通信系統(tǒng)中常用的差錯控制和效率保障機(jī)制。首先利用前向糾錯技術(shù)（Forward Error Correction，F(xiàn)EC）糾正接收錯誤的數(shù)據(jù)。如果糾正失敗，使用自動重傳請求技術(shù)（Automatic Repeat-reQuest，ARQ）請求數(shù)據(jù)重傳。它校驗(yàn)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(tǒng)采用多進(jìn)程的SW-ARQ，不僅易于實(shí)現(xiàn)，還可獲得較高的傳輸效率。它最大可支持的并行ARQ進(jìn)程數(shù)量提高為16個[1]。在每個調(diào)度周期中，每個HARQ進(jìn)程只處理一個TB，并且每個進(jìn)程在接收端有獨(dú)立的緩存空間。倘若使用空分復(fù)用，每次調(diào)度可以并行傳輸2個碼字即兩個TB，這時一個HARQ實(shí)體包含2個HARQ進(jìn)程。

HARQ技術(shù)將每次接收到的數(shù)據(jù)緩存保留，以增加重傳數(shù)據(jù)解調(diào)正確率，稱為軟合并技術(shù)。在LTE系統(tǒng)中，軟合并的主要實(shí)現(xiàn)方式為跟蹤合并（Chase Combine，CC）和增量冗余（Incremental Redundancy，IR）。其中，CC方式實(shí)現(xiàn)簡單但增益較低，IR方式增益高但較為復(fù)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(qiáng)

1.2.1 碼塊組的設(shè)計

3GPP R15的技術(shù)規(guī)范中為NR規(guī)定了eMBB業(yè)務(wù)場景的兩個頻率范圍（Frequency Range，F(xiàn)R）：FR1的區(qū)間為450 MHz～6 GHz，最大支持100 MHz的帶寬；FR2的區(qū)間為24.25～52.6 GHz，最大支持400 MHz的帶寬，屬于毫米波的應(yīng)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(shù)增加顯著。然而，接收出錯往往只集中在占比較小的部分區(qū)間，重傳整個TB十分低效，故需要對HARQ技術(shù)進(jìn)行演進(jìn)，減少重傳數(shù)據(jù)量。

與LTE中不同，NR中數(shù)據(jù)信道采用低密度奇偶校驗(yàn)碼（Low Density Parity Check Code，LDPC）編碼，并將一個TB劃分為數(shù)個碼塊（Code Block，CB），對每個CB附加CRC校驗(yàn)碼，使得NR中接收方對數(shù)據(jù)的主要校驗(yàn)單位從LTE中的TB轉(zhuǎn)變?yōu)镃B，從而為設(shè)計小粒度的重傳和避免大量資源浪費(fèi)提供了方便。顯然，若令接收方告知發(fā)送方每個CB的接收情況，發(fā)送方以此僅安排出錯CB重新傳輸，即以CB為單位重傳，其實(shí)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)化討論中，CBG的劃分規(guī)則主要有3種選項(xiàng)：選項(xiàng)1，固定CBG數(shù)，CBG中包含的CB數(shù)隨TB大小變化；選項(xiàng)2，固定每個CBG內(nèi)的CB數(shù)，CBG個數(shù)隨TB大小變化；選項(xiàng)3，CBG數(shù)和每個CBG包含的CB數(shù)都由TB大小計算[3]。各公司也相應(yīng)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(nèi)[4]；富士通研究所則提出CBG分級劃分，不同級別CBG內(nèi)CB數(shù)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(shù)量[5]。

基于CBG的HARQ調(diào)度應(yīng)當(dāng)建立在原有基于TB的HARQ調(diào)度之上。在設(shè)計相關(guān)技術(shù)規(guī)范時，應(yīng)當(dāng)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(chǎn)生影響，以降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。因此，雖然“非平均”劃分方法能在一定程度上進(jìn)一步降低冗余重傳量，但綜合權(quán)衡不同方案的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度與重傳效率，與會者們最終在3GPP RAN1#90次會議達(dá)成多項(xiàng)共識，規(guī)定在劃分CBG時先確定最大可劃分CBG數(shù)目，然后將全部CB平均分配到每一個CBG內(nèi)[6]，具體的劃分步驟如下。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定劃分CBG數(shù)目的最大值僅有2、4、6、8這4種選項(xiàng)。倘若使用空分復(fù)用，一個HARQ實(shí)體內(nèi)包含2個HARQ進(jìn)程，并行傳輸兩個TB，則這一最大CBG數(shù)目將被兩個TB平分。系統(tǒng)通過RRC配置決定是否啟用CBG HARQ，并決定最大CBG數(shù)目N的取值，而TB實(shí)際劃分出的CBG數(shù)目M=min(N,C)，其中C為TB中包含的CB數(shù)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(shù)：

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(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CB、CBG劃分后TB結(jié)構(gòu)

1.2.2 基于碼塊組的重傳流程

在傳統(tǒng)的基于TB的HARQ流程中，對整個TB設(shè)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(shù)。在RAN1#89、#90上，參會者達(dá)成共識，按照劃分的CBG數(shù)量對每一個CBG對應(yīng)設(shè)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(jìn)行CRC校驗(yàn)，若CBG內(nèi)所包含的全部CB均校驗(yàn)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(shè)置的反饋比特，用于反饋TB級CRC校驗(yàn)是否成功。如果TB級CRC校驗(yàn)成功，則CBG反饋序列按各個CBG的ACK/NACK實(shí)際情況設(shè)置為1/0；反之，要令全部CBG反饋NACK。倘若使用空分復(fù)用，兩個同時存在的TB的反饋序列按順序連接。

發(fā)送方在收到反饋后，將在一定間隔后對未成功接收的CBG進(jìn)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(jīng)成功接收的CBG所對應(yīng)的反饋比特直接設(shè)為1。例如，假設(shè)共有4個CBG且初傳時只有第一個CBG校驗(yàn)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(shè)重傳成功，則重傳反饋序列為1111，而不是單獨(dú)針對重傳的CBG反饋一位1。這種設(shè)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(biāo)識出哪個位置的CBG在經(jīng)歷過重傳后仍出現(xiàn)錯誤并需要重傳。

更進(jìn)一步地，為了適配上述重傳流程，需要設(shè)置幾個新增的指示信令，并規(guī)定在DCI中提供單獨(dú)的字段支持[7]。

為了讓接收方獲知重傳CBG在初傳中的對應(yīng)位置，方便解調(diào)，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(shù)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(yīng)位置的CBG，反之即為不包含。

為了讓軟合并技術(shù)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(dāng)前CBG緩存是否受到其他業(yè)務(wù)等的污染需要進(jìn)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(shù)應(yīng)用的展望

NR中基于CBG的HARQ的設(shè)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(guān)的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)較為完善。為了更好地發(fā)揮CBG HARQ的性能，還需要結(jié)合不同應(yīng)用場景來具體討論和設(shè)計基于CBG的HARQ調(diào)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(diào)度的場景，并討論在這些場景下使用CBG HARQ設(shè)計調(diào)度時需要加強(qiáng)考慮的問題來展望未來CBG HARQ的演進(jìn)思路。

2.1 CBG HARQ增益的分析

純eMBB場景是CBG HARQ技術(shù)的設(shè)計初衷，因此本文基于這一場景進(jìn)行系統(tǒng)級仿真，以eMBB業(yè)務(wù)吞吐量為指標(biāo)衡量CBG HARQ帶來的增益。仿真所用參數(shù)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(shù)，如圖2所示。

表1 仿真核心參數(shù)

圖2 兩種HARQ機(jī)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(shè)計預(yù)期不符，需要分析原因。

對于TB HARQ，假設(shè)TB初傳出錯的概率為x%，則系統(tǒng)的實(shí)際傳輸效率只能達(dá)到理想無差錯傳輸?shù)?00/(100+x)。對于CBG HARQ，由于實(shí)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(shè)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(tǒng)的實(shí)際傳輸效率可達(dá)到理想無差錯傳輸?shù)?00/(100+x/k)。因此，可得CBG HARQ在此假設(shè)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(shù)目，而極限值基本上是TB的初傳錯誤率。

進(jìn)一步觀察上述仿真中TB的初傳錯誤率，如圖3所示，兩種機(jī)制下均約有40%的用戶初傳錯誤率在0.1以內(nèi)，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(zhì)量較差，基站端在發(fā)送時選擇的調(diào)制階數(shù)很低，TB包含的數(shù)據(jù)量很小，包含的CB、CBG數(shù)目也就很小，因此重傳一個CBG和重傳整個TB的區(qū)別不大。

圖3 兩種HARQ機(jī)制下TB初傳錯誤率曲線

經(jīng)過上述分析，本文認(rèn)為雖然純eMBB場景是CBG HARQ技術(shù)的設(shè)計應(yīng)用初衷，但這一場景下基于CBG HARQ的調(diào)度為系統(tǒng)帶來的增益不夠明顯，需要探索新的應(yīng)用場景。

2.2 CBG HARQ應(yīng)用的展望

NR eMBB/URLLC業(yè)務(wù)復(fù)用場景是5G部署的下一個關(guān)鍵場景。在TDD系統(tǒng)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(yè)務(wù)復(fù)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(shí)現(xiàn)的代價較高。此外，目前相關(guān)的研究工作較少，只有第一種針對URLLC與eMBB的下行業(yè)務(wù)復(fù)用的研究較為成熟，已經(jīng)得到NR R15標(biāo)準(zhǔn)的支持，這里將基于這一情況進(jìn)行討論。

URLLC業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)形式多樣，包含周期性與突發(fā)性、小包與大包等多種組合，不確定性較大。周期性URLLC業(yè)務(wù)可以采用資源預(yù)留式復(fù)用，預(yù)先空出一定頻段給URLLC業(yè)務(wù)使用，不會對eMBB業(yè)務(wù)的解碼成功率產(chǎn)生額外影響。突發(fā)性URLLC業(yè)務(wù)主要的復(fù)用方式則為穿刺搶占法，允許URLLC業(yè)務(wù)使用部分已分配給eMBB業(yè)務(wù)的資源傳輸，以體現(xiàn)URLLC業(yè)務(wù)的高優(yōu)先級，滿足其對低時延的需求，同時避免預(yù)留頻段空閑導(dǎo)致的資源浪費(fèi)。顯然，若使用穿刺機(jī)制，接收端無法正確解調(diào)被穿刺影響的部分eMBB業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。由于URLLC突發(fā)請求的數(shù)據(jù)量往往較小，被穿刺影響而無法被成功接收的eMBB數(shù)據(jù)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(yīng)的連續(xù)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(yè)務(wù)數(shù)據(jù)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(shù)只重傳接收失敗的部分eMBB業(yè)務(wù)，可以更多地減少資源浪費(fèi)，更能體現(xiàn)CBG HARQ帶來的增益。

eMBB/URLLC業(yè)務(wù)的下行復(fù)用場景可以進(jìn)一步根據(jù)URLLC與eMBB業(yè)務(wù)屬于不同用戶還是同一用戶細(xì)分為用戶間和用戶內(nèi)兩種子情況。在這兩種場景下設(shè)計基于CBG的HARQ調(diào)度算法時，eMBB業(yè)務(wù)的調(diào)度方式都可以繼承純eMBB業(yè)務(wù)場景下的結(jié)果。而URLLC業(yè)務(wù)的資源調(diào)度分配應(yīng)當(dāng)以減少穿刺所引起的eMBB總重傳資源消耗為目標(biāo)，此時兩種子情況下有所不同。例如，在用戶間復(fù)用情況下應(yīng)當(dāng)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(nèi)復(fù)用的情況中則應(yīng)當(dāng)優(yōu)先令URLLC業(yè)務(wù)使用分配給本用戶eMBB業(yè)務(wù)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(shù)很好的應(yīng)用研究方向。

基于NR的非授權(quán)頻譜接入（NR-based Access to Unlicensed Spectrum，NR-U），是對授權(quán)頻譜輔助接入技術(shù)（Licensed Assisted Access，LAA）技術(shù)的演進(jìn)。NR-U遵循“先聽后說”（Listen Before Talk，LBT）的準(zhǔn)則，基站先監(jiān)聽信道并通過空閑信道評估機(jī)制（Clear Channel Assessment，CCA）來判斷信道是否空閑，確認(rèn)空閑后才能開始調(diào)度，且設(shè)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(guān)的反饋方式和DCI指示等標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)較為完善。3GPP自RAN1 #94會議起，開始討論使用對NR-U HARQ進(jìn)行增強(qiáng)，主要關(guān)于NR-U關(guān)鍵技術(shù)和CBG相關(guān)信令之間的適應(yīng)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(diào)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(shè)置的相關(guān)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(xù)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(quán)頻譜的無線系統(tǒng)，支持更大的帶寬，故可能會出現(xiàn)支持不同大小帶寬的系統(tǒng)同時競爭信道的情況。為此，NR-U的LBT監(jiān)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(jiān)聽檢測的復(fù)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(quán)頻譜的系統(tǒng)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(fù)用場景中eMBB業(yè)務(wù)遭到URLLC業(yè)務(wù)穿刺，被干擾的NR-U業(yè)務(wù)的部分?jǐn)?shù)據(jù)可能無法正確解調(diào)，NR-U業(yè)務(wù)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(shù)減少重傳數(shù)據(jù)量，獲得系統(tǒng)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(diào)度算法在設(shè)計優(yōu)化上應(yīng)有所差異，如重新考慮資源映射方式，以時域而不是頻域優(yōu)先等，是值得更深入的討論與設(shè)計方向。

3 結(jié)語

在通信系統(tǒng)中，頻譜資源的匱乏和爆炸式業(yè)務(wù)需求的矛盾日益加劇。本文通過分析傳統(tǒng)HARQ技術(shù)在5G大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)膱鼍跋聦?dǎo)致的不可忽視的資源浪費(fèi)問題和CBG HARQ技術(shù)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(shù)的基本流程已經(jīng)被標(biāo)準(zhǔn)化組織確定，而NR-U對CBG技術(shù)的支持還在標(biāo)準(zhǔn)化組織的不斷完善中，值得進(jìn)一步討論。此外，根據(jù)系統(tǒng)級仿真和理論分析結(jié)果，純NR eMBB場景下不易體現(xiàn)CBG技術(shù)的增益；而在eMBB/URLLC復(fù)用和NR-U場景中，由于其他業(yè)務(wù)的干擾，eMBB業(yè)務(wù)更容易接受失敗，引發(fā)重傳請求，更適合CBG HARQ發(fā)揮作用。在這些場景中使用CBG HARQ時，更加具體、高效的資源調(diào)度方式有待進(jìn)一步討論，可以作為下一步研究與設(shè)計的方向。