何元權(quán)

摘 要 混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳技術(shù)（HARQ）是HSDPA中的關(guān)鍵技術(shù)，能夠很好的解決準(zhǔn)確，高速下載的難題。文章介紹了混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳技術(shù)（HARQ）的算法原理以及當(dāng)前的研究動(dòng)態(tài)如RB-HARQ，DDB-HARQ，Chase CombiningHARQ等，對(duì)這些HARQ方案進(jìn)行了分析，并給出了自動(dòng)請(qǐng)求重傳技術(shù)（HARQ）發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞 HARQ RB-HARQ DDB-HARQ Chase Combining HARQ

1 引言

HSDPA（高速下行分組接入，High Speed Downlink Packages Access）技術(shù)是實(shí)現(xiàn)提高WCDMA網(wǎng)絡(luò)高速下行數(shù)據(jù)速率最為重要的技術(shù)，適用于對(duì)時(shí)延要求不敏感的應(yīng)用，例如無線下載，在線視頻等，能夠給用戶提高良好的通信體驗(yàn)。HARQ 技術(shù)是 HSDPA 系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，它使得 HSDPA 系統(tǒng)獲得更高的吞吐量和更小的時(shí)延。

隨著無線通信業(yè)務(wù)的發(fā)展，HSDPA在無線通信領(lǐng)域里扮演著越來越關(guān)鍵的角色。這主要有幾個(gè)方面的原因：一、將來的無線業(yè)務(wù)將會(huì)是上下性不對(duì)稱、突發(fā)性的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，例如對(duì)移動(dòng)在線視頻的需求，無線下載業(yè)務(wù)的需要，以及現(xiàn)在人們所使用的高清電視，這些業(yè)務(wù)對(duì)傳輸?shù)馁|(zhì)量提出了很高的要求。二、無線傳播環(huán)境特別復(fù)雜，對(duì)接收信號(hào)而言，不僅存在各種衰落、移動(dòng)引起的多普勒平移，還存在其他類型的電磁干擾，以及各種各樣的噪聲，這些衰落和干擾在通信中引起隨機(jī)差錯(cuò)和突發(fā)錯(cuò)誤，將嚴(yán)重影響傳輸質(zhì)量，HADPA中關(guān)鍵技術(shù)HARQ能通過碼率調(diào)整，能夠既保證時(shí)延，又保證傳輸質(zhì)量，能夠克服以上問題。

隨著對(duì)高數(shù)據(jù)率以及高質(zhì)量業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，HARQ成為無線通信系統(tǒng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)并得到了深入的研究，并已經(jīng)應(yīng)用于3G LTE系統(tǒng)中。本文結(jié)構(gòu)如下，第一節(jié)介紹HARQ的原理，第二節(jié)對(duì)相關(guān)的HARQ研究情況進(jìn)行調(diào)研，第三節(jié)對(duì)相應(yīng)的HARQ方案進(jìn)行分析，第四節(jié)給出本文的結(jié)論。

2 HARQ原理

HARQ（Hybrid-ARQ）混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求技術(shù)，將ARQ技術(shù)與FEC（前向糾錯(cuò)編碼）技術(shù)完美的結(jié)合起來。信息在傳輸?shù)倪^程中，由于不可避免的噪聲干擾的影響，在接收端都會(huì)出現(xiàn)一些信息錯(cuò)誤的情況，而ARQ雖然可以保證得到較高的準(zhǔn)確率，但是當(dāng)信道條件惡劣，發(fā)送的信息在接收端都不能正確接收的情況下，就會(huì)出現(xiàn)通信鏈路擁塞的情況，從而一直處于信息重發(fā)狀態(tài)，前向糾錯(cuò)編碼（FEC）能夠?qū)﹀e(cuò)誤的碼字進(jìn)行差錯(cuò)保護(hù)，并且糾正錯(cuò)誤的碼字，使得信息在信道中得到很好的保護(hù)，但是FEC并沒有反饋機(jī)制，只是一種盡力而為的信息保護(hù)方式，不能充分的保證信息傳輸?shù)恼_率，因此 ARQ和FEC的有效結(jié)合不僅提供了比單獨(dú)的FEC系統(tǒng)更高的可靠性，而且提供了比單獨(dú)的ARQ系統(tǒng)更高的系統(tǒng)吞吐量，如圖1所示。

3 HARQ研究方案

HARQ是帶有反饋重傳的一種機(jī)制，隨著HARQ應(yīng)用越來越廣泛，出現(xiàn)了眾多的HARQ方案，下面將一一介紹。

3.1 RB-HARQ

RB-HARQ基于可靠度的混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳（Reliability-based hybrid ARQ）[1]，發(fā)送端發(fā)送經(jīng)過編碼后的信息，通過信道后，接收端接收并進(jìn)行譯碼和校驗(yàn)，當(dāng)判斷有錯(cuò)，則對(duì)接收到的數(shù)據(jù)的可靠度進(jìn)行判定，當(dāng)數(shù)據(jù)的可靠度低于門限值，則將這些數(shù)據(jù)的位置進(jìn)行反饋，發(fā)送端進(jìn)行重傳，因此如何選擇合適的門限值在RB-HARQ中顯的尤為重要，同時(shí)因?yàn)榉答伆l(fā)送端的包含有NACK和需要重發(fā)的比特位置信息，發(fā)送端接收到反饋信息，根據(jù)反饋的比特位置信息將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行重發(fā)，知道接收ACK或者達(dá)到最大重發(fā)次數(shù)。經(jīng)過分析，該類HARQ由于反饋數(shù)據(jù)較為復(fù)雜和龐大，因此反饋時(shí)延比較長，實(shí)現(xiàn)也較為復(fù)雜，同時(shí)，由于反饋的比特位置信息與譯碼正確與否關(guān)系很大，因此現(xiàn)在的研究重點(diǎn)在與如何選擇合適的位置判斷方案，以及重傳數(shù)據(jù)的簡短[2]，如圖2所示。

3.2 DDB-HARQ

DDB-HARQ基于度分布的HARQ 方案（Degree Distribution Based HARQ）[3]，將編碼后的數(shù)據(jù)根據(jù)其度的不同劃分成不同的集合，第一次發(fā)送整個(gè)幀，當(dāng)收到來自接收端的NACK時(shí)，便發(fā)送分組編碼比特。每次重發(fā)的分組以特定的比例從不同度的集合來提取，一旦信道發(fā)生變化，在每個(gè)度集合中選擇數(shù)據(jù)的比特也發(fā)生變化。因此該方案根據(jù)編碼后的比特度數(shù)不一樣來進(jìn)行選取，因此該HARQ方案選用不規(guī)則LDPC來進(jìn)行描述，如圖3所示。

3.3 Chase Combining HARQ

Chase Combining HARQ：由科學(xué)家Chase在1985年提出的一種HARQ方式，因此被命名為Chase Combining HARQ[4，5]。當(dāng)接收端校驗(yàn)錯(cuò)誤，反饋（NACK）信號(hào)給發(fā)送端，并將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，發(fā)送端接收到NACK，重發(fā)與上一幀相同的數(shù)據(jù)包，接收端對(duì)當(dāng)前接收到的數(shù)據(jù)包與上一次接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行合并，再對(duì)合并后的數(shù)據(jù)包進(jìn)行譯碼，判斷數(shù)據(jù)包是否正確。Chase Combining由以前的單一調(diào)制方式，轉(zhuǎn)變成采用不同的調(diào)制方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)編碼比特的保護(hù)重傳，由于這種方法實(shí)現(xiàn)簡單，無需再次編碼，同時(shí)接收方譯碼器的復(fù)雜度不高，這已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，如圖4所示。

3.4 IR-HARQ

IR-HARQ全增量冗余ARQ（Incremental Redundancy HARQ）[6，7]，發(fā)送端先以低碼率編碼，經(jīng)過刪余得到高碼率碼字并發(fā)送，刪余的比特被存儲(chǔ)起來，并不是被刪除，只是不發(fā)送。如接收端發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，向發(fā)送端反饋（NACK），同時(shí)錯(cuò)誤的幀不被丟棄而是存儲(chǔ)在接收端，發(fā)送端發(fā)送額外的冗余比特并與重發(fā)幀合并起來形成一個(gè)較低碼率的碼字進(jìn)行譯碼，重發(fā)幀和已發(fā)數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容是不一樣的，如圖5所示。

3.5 PIR-HARQ

PIR-HARQ部分遞增冗余（Partial Incremental Redundancy HARQ）[8]，發(fā)送端對(duì)所要傳送的信息進(jìn)行編碼，并進(jìn)行發(fā)送，當(dāng)接收端發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，反饋NACK，錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包并不被丟棄，而是存儲(chǔ)在接收端，發(fā)送方重新對(duì)信息比特中的部分信息進(jìn)行編碼，并再次發(fā)送編碼后的冗余比特，發(fā)送的冗余比特能夠進(jìn)行自我譯碼或者與先前發(fā)送的編碼后信息進(jìn)行合并譯碼，從而達(dá)到正確譯碼的目的，如圖6所示。

4 HARQ調(diào)研總結(jié)

在前面小節(jié)的介紹中得知：RB-HARQ的性能與反饋重傳的位置點(diǎn)相關(guān)，反饋重傳的位置點(diǎn)越重要，就越能正確譯碼，因此尋找一個(gè)合適的可靠度門限來確定反饋的信息的位置顯得尤為重要，當(dāng)信道條件較好時(shí)，門限值不能選的太高，重傳比特過多，會(huì)造成信道資源的浪費(fèi)，當(dāng)信道條件較差時(shí)，門限值不能選的太小，重傳比特過少，極有可能導(dǎo)致譯碼不成功，再次重傳。DDB-HARQ：每次發(fā)送重傳分組都需要從不同的度集合中選取不同的比例來組合并發(fā)送，接收端將重傳數(shù)據(jù)和先前接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并譯碼，因此在發(fā)送端和接收端。相關(guān)的復(fù)雜度都會(huì)上升。Chase Combining HARQ方法簡單，但是因?yàn)槊看沃貍鞣纸M都是先前傳輸?shù)姆纸M，不能提高信道帶寬的利用率，當(dāng)信道條件較差時(shí)，多次重傳都不能正確譯碼，降低了信道的利用率，現(xiàn)在新的研究方向在于不同的重傳次數(shù)對(duì)應(yīng)不同的調(diào)制解調(diào)方式，因此，盡管編譯碼的復(fù)雜度較為簡單，但是調(diào)制，解調(diào)的復(fù)雜度也上升。PIR-HARQ由于重傳冗余比特能夠進(jìn)行單獨(dú)的解碼，因此發(fā)送端，接收端需要多個(gè)編碼器，譯碼器，使得編譯碼相對(duì)應(yīng)，在實(shí)現(xiàn)過程中，不光增加了復(fù)雜度，還占用大量的硬件資源。IR-HARQ僅僅需要重傳冗余比特，將碼率由高碼率降低到低碼率，不僅僅可以提高譯碼性能，同時(shí)也能提高信道的利用率，同時(shí)發(fā)送，接送端只需要一個(gè)編碼，譯碼器，便能進(jìn)行編譯碼，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。在現(xiàn)有的HARQ方案中，得到應(yīng)用的是Chase Combining HARQ和IR-HARQ，在3GPP-LTE，TD-SCDMA，WCDMA中，他們均被很好的用于改善通信質(zhì)量，增加吞吐量。

5 結(jié)論

本文總結(jié)HARQ研究發(fā)展情況，對(duì)不同HARQ方案進(jìn)行了分析，即RB-HARQ，DDB-HARQ，Chase Combining HARQ，IR-HARQ，PIR HARQ，對(duì)這幾種HARQ方案進(jìn)行了比較分析，為后續(xù)對(duì)HARQ的研究具有參考意義。

HARQ以縮短正確接受時(shí)延，增加系統(tǒng)吞吐量，保證傳輸服務(wù)質(zhì)量為目標(biāo)，為解決這些問題進(jìn)行了一系列的研究，其中以IR-HARQ和Chase Combining HARQ得到了應(yīng)用，隨著對(duì)無線下載需求業(yè)務(wù)的增大，會(huì)有越來越多的HARQ方案會(huì)被采用到這些無線業(yè)務(wù)。因此，HARQ具有廣闊的應(yīng)用前景，具有深遠(yuǎn)的研究價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Shea， J.M.， “Reliability-based hybrid ARQ，” Electronics Letters ， vol.38， no.13， pp.644-645， 20 Jun 2002，

[2] Inaba， Y.； Saito， T.； Ohtsuki， T.， "WLC16-2： Reliability-Based Hybrid ARQ （RB-HARQ） Schemes using Low-Density Parity-Check （LDPC） Codes，" Global Telecommunications Conference， 2006. GLOBECOM '06. IEEE ， vol.， no.， pp.1-5， Nov. 27 2006-Dec. 1 2006

[3] Cao， Y.； Gu， J.； Qi， L.； Yang， D.， "Degree distribution based HARQ for irregular LDPC，" Electronics Letters ， vol.42， no.6， pp. 363-364， 16 March 2006

[4] Chase， D.， "Code Combining--A Maximum-Likelihood Decoding Approach for Combining an Arbitrary Number of Noisy Packets，" Communications， IEEE Transactions on ， vol.33， no.5， pp. 385-393， May 1985

[5] Et Tolba， M.； Saoudi， S.； Visoz， R.； Ait-Idir， T.， "Chip-Level LMMSE Based HARQ Chase Combining for HSUPA，" Vehicular Technology Conference， 2009. VTC Spring 2009. IEEE 69th ， vol.， no.， pp.1-5， 26-29 April 2009

[6] Jia Minli； He Zunwen； Kuang Jingming； Fei Zesong， "LDPC Coded Link Adaptation Based on Irregular Modulation Integrated with Full Incremental Redundancy，" Wireless Communications， Networking and Mobile Computing， 2007. WiCom 2007. International Conference on ， vol.， no.， pp.1406-1409， 21-25 Sept. 2007

[7] Fei Zesong； Zhu Miao； Kuang Jingming， "A Type-II Hybrid ARQ Scheme Based on Rate-compatible LDPC Code，" Communications， Circuits and Systems Proceedings， 2006 International Conference on ， vol.2， no.， pp.879-882， 25-28 June 2006

[8] Dammer， U.； Naroska， E.； Schmermbeck， S.； Schwiegelshohn， U.， "A data puncturing IR-scheme for type-II hybrid ARQ protocols using LDPC codes，" Global Telecommunications Conference， 2004. GLOBECOM '04. IEEE ， vol.5， no.， pp. 3012-3016 Vol.5， 29 Nov.-3 Dec. 2004