LTE中的HARQ原理應用-(1).doc

3.4.5 HARQ基本原理3.4.5.1 LTE HARQ1. 快速重傳，只涉及到L2/L1層，重傳合并產生合并增益2. N-process Stop-And-Wait3. DL: a. 自適應異步HARQ b.UL ACK/NAK 在PUCCH/PUSCH發(fā)送c.PDCCH 攜帶 HARQ 進程號 d.重傳總是通過PDCCH調度，這是因為它采用異步自適應HARQ 4.UL: a.同步HARQ，相對于第一次傳輸，會在固定的地方重傳 b.最大傳輸次數是針對UE的而不是RB c.在PHICH 發(fā)送DL ACK/NAK3.4.5.1.1 概述 除了傳統(tǒng)的Chase合并的HARQ技術，LTE還采用了增量冗余（IR）HARQ，既通過第一次傳輸發(fā)送信息bit和一部分的冗余bit，而通過重重發(fā)送額外的冗余bit，如果第一次傳輸沒有成功解碼，則可以通過重傳更多的冗余bit降低信道的編碼率，從而實現更高的解碼成功率。如果加上重重的冗余bit仍無法正確解碼，則進行再次重傳，隨著重重次數的增加，冗余bit不斷積累，信道編碼率不斷降低，從而可以獲得更好的解碼效果。HARQ正對每個傳輸塊進行重傳。 下行HARQ采用多進程的“停止-等待”HARQ實現方式，即對于某一個HARQ進程，在等待ACK/NACK反饋之前，此進程暫時中止傳輸，當收到反饋后，再根據反饋的是ACK還是NACK選擇發(fā)送新的數據還是重傳。 按照重傳發(fā)生的時刻來區(qū)分，可以將HARQ可以分為同步和異步兩類。這也是目前在3G LTE中討論比較多的話題之一。同步HARQ是指一個HARQ進程的傳輸(重傳)是發(fā)生在固定的時刻，由于接收端預先已知傳輸的發(fā)生時刻，因此不需要額外的信令開銷來標示HARQ進程的序號，此時的HARQ進程的序號可以從子幀號獲得；異步HARQ是指一個HARQ進程的傳輸可以發(fā)生在任何時刻，接收端預先不知道傳輸的發(fā)生時刻，因此HARQ進程的處理序號需要連同數據一起發(fā)送。 由于同步HARQ的重傳發(fā)生在固定時刻，在沒有附加進程序號的同步HARQ在某一時刻只能支持一個HARQ進程。實際上HARQ操作應該在一個時刻可以同時支持多個HARQ進程的發(fā)生，此時同步HARQ需要額外的信令開銷來標示HARQ的進程序號，而異步HARQ本身可以支持傳輸多個進程。另外，在同步HARQ方案中，發(fā)送端不能充分利用重傳的所有時刻，例如為了支持優(yōu)先級較高的HARQ進程，則必須中止預先分配給該時刻的進程，那么此時仍需要額外的信令信息。 根據重傳時的數據特征是否發(fā)生變化又可將HARQ分為非自適應和自適應兩種，其中傳輸的數據特征包括資源塊的分配、調制方式、傳輸塊的長度、傳輸的持續(xù)時間。自適應傳輸是指在每一次重傳過程中，發(fā)送端可以根據實際的信道狀態(tài)信息改變部分的傳輸參數，因此，在每次傳輸的過程中包含傳輸參數的控制信令信息要一并發(fā)送?？筛淖兊膫鬏攨蛋ㄕ{制方式、資源單元的分配和傳輸的持續(xù)時間等。在非自適應系統(tǒng)中，這些傳輸參數相對于接收端而言都是預先已知的，因此，包含傳輸參數的控制信令信息在非自適應系統(tǒng)中是不需要被傳輸的。 在重傳的過程中，可以根據信道環(huán)境自適應地改變重傳包格式和重傳的時刻的傳輸方式，可以稱為基于IR類型的異步自適應HARQ方案。這種方案可以根據時變信道環(huán)境的特性有效地分配資源，但是具有靈活性的同時也帶來了更多的系統(tǒng)復雜性。在每次重傳過程中包含傳輸參數的控制信令信息必須與數據包一起發(fā)送，這樣就會造成額外的信令開銷。而同步HARQ在每次重傳過程中的重傳包格式，重傳時刻都是預先已知的，因此不需要額外的信令信息。 與異步HARQ相比較，同步HARQ具有以下的優(yōu)勢： (1)控制信令開銷小，在每次傳輸過程中的參數都是預先已知的，不需要標示HARQ的進程序號。 (2)在非自適應系統(tǒng)中接收端操作復雜度低。 (3)提高了控制信道的可靠性，在非自適應系統(tǒng)中，有些情況下，控制信道的信令信息在重傳時與初始傳輸是相同的，這樣就可以在接收端進行軟信息合并從而提高控制信道的性能。 根據層一/層二的實際需求，異步HARQ具有以下的優(yōu)勢： (1)如果采用完全自適應的HARQ技術，同時在資源分配時，可以采用離散、連續(xù)的子載波分配方式，調度將會具有很大的靈活性。 (2)可以支持一個子幀的多個HARQ進程 (3)重傳調度的靈活性LTE下行鏈路系統(tǒng)中將采用異步自適應的HARQ技術。因為相對于同步非自適應HARQ技術而言，異步HARQ更能充分利用信道的狀態(tài)信息，從而提高系統(tǒng)的吞吐量，另一方面異步HARQ可以避免重傳時資源分配發(fā)生沖突從而造成性能損失。例如：在同步HARQ中，如果優(yōu)先級較高的進程需要被調度，但是該時刻的資源已被分配給某一個HARQ進程，那么資源分配就會發(fā)生沖突；而異步HARQ的重傳不是發(fā)生在固定時刻，可以有效地避免這個問題。同時，LTE系統(tǒng)將在上行鏈路采用同步非自適應HARQ技術。雖然異步自適應HARQ技術相比較同步非自適應技術而言，在調度方面的靈活性更高，但是后者所需的信令開銷更少。由于上行鏈路的復雜性，來自其他小區(qū)用戶的干擾是不確定的，因此基站無法精確估測出各個用戶實際的信干比(SINR)值。在自適應調制編碼系統(tǒng)中，一方面自適應調制編碼(AMC)根據信道的質量情況，選擇合適的調制和編碼方式，能夠提供粗略的數據速率的選擇；另一方面HARQ基于信道條件提供精確的編碼速率調節(jié)，由于SINR值的不準確性導致上行鏈路對于調制編碼模式(MCS)的選擇不夠精確，所以更多地依賴HARQ技術來保證系統(tǒng)的性能。因此，上行鏈路的平均傳輸次數會高于下行鏈路。所以，考慮到控制信令的開銷問題，在上行鏈路確定使用同步非自適應HARQ技術。3.4.5.1.2 下行HARQ流程 下行異步HARQ操作是通過上行ACK/NACK信令傳輸、新數據指示、下行資源分配信令傳輸和下行數據的重傳來完成的。每次重傳的信道編碼冗余版本是預定義好的，不需要額外的信令支持。RV的設計，由于下行HARQ重傳的信道編碼率已經確定，因此不進行完全的MCS的選擇，但仍可以進行調制方式的選擇。調制方式的變化會同時造成rB數的不同，因此需要通過下行的信令資源分配指示給UE，另外，還需要通過一個比特的新數據指示符（NDI）指示此次傳輸是新數據還是重傳。下行HARQ流程的時序實例如下圖所示，圖3.4.5-1 下行HARQ時序圖假設下行跟上行是子幀同步，接收發(fā)送之間沒有時延（實際上也不可能，只是便于理解）首先eNB在時刻0的PDSCH信道發(fā)送了一份下行數據，UE首先監(jiān)聽到后，進行解碼，發(fā)現解碼失敗，它將在時刻4的上行控制信道（PUCCH）向eNB反饋上次傳輸的NACK信息， eNB對PUCCH中的NACK信息進行解調和處理，然后根據下行資源分配情況對重傳數據進行調度，此時的調度時間并沒有規(guī)定，eNB根據情況來調度，這里假設在時刻6在PDSCH上發(fā)送重傳，如果此時UE成功解碼，那么它就在時刻10發(fā)送確認，那么一個傳輸就結束了。3.4.5.1.3 上行HARQ流程上行同步HARQ操作室通過下行ACK。NACK信令傳輸，NDI和上行數據的重傳來完成的，每次重傳的信道編碼RV和傳輸格式是預定義好的，不需要額外的信令支持，只需通過NDI指示是新數據的傳輸還是重傳。上行HARQ流程的時序如下圖所示，圖3.4.5-2 上行HARQ時序圖這里不對下行實例進行詳細說明，大家仔細對比兩個圖就會發(fā)現，相對應下行來說，反饋跟重傳的位置都是固定的按照n+4來處理，而下行重傳時并沒有規(guī)定好重傳的時刻，eNB可以根據情況來調度下行重傳。因此這也就是為什么上行叫同步HARQ，而下行叫異步HARQ的原因。3.4.5.1.4 HARQ的進程數量 對于“停止-等待”HARQ，在一個harq進程中，一次傳輸發(fā)出后，需要等待的長度為RTT才能決定一下次傳輸是傳輸新數據，還是進行舊數據的重傳。在這段時間內，eNB/UE當然不能停止傳輸而白白地等待。因此，必須發(fā)起其它的并行HARQ進程，以充分利用時域資源。從前面兩個圖可以看出，HARQ的進程數量跟RTT，也就是傳輸延遲和UE/eNB的處理時間相關的，RTT愈大，需要支持的并行HARQ進程數量以填滿RTT，HARQ進程的數量約等于RTT/TTI。對于FDD系統(tǒng)上下行都是采用8個進程的。TDD有很大的不同，不在本系列之中講解。UE和eNB的處理時延很大程度跟具體實現有關的，另外還要考慮傳輸時延，因此8個TTI是一個比較折中的數據。前面主要討論了HARQ的基本知識，以及在LTE實現中的考慮，下面我們基于MAC協議來分析上下行處理的原則。3.4.5.2 DL-SCH數據傳輸 為了便于說明與理解，暫且只討論動態(tài)調度的情況，對于半靜態(tài)部分暫且不說明。3.4.5.2.1 DL assignment接收 在PDCCH上發(fā)送下行分配信息，用于指示在DL-SCH上的下行數據的。如果DL-SCH上有數據發(fā)送，則相應的DL assignment 會在PDCCH上發(fā)送，UE就會監(jiān)聽PDCCH獲得必要的信息用于解碼DL-SCH數據，有當UE具有C-RNTI，它就需要監(jiān)聽PDCCH信道，除了DRX情況，如果在這個TTI內有DL assignment發(fā)送給這個UE的C-RNTI， 如果對于這個HARQ 進程，它的上一個DL assignment是給SPS調度或者是配置好的下行分配，那么無論NDI的值是否改變，那么認為這是一個新的傳輸；此時可以確認在這個TTI內有一個下行分配信息，并把HARQ相關信息發(fā)送到HARQ實體。對于SPS的過程稍微復雜一點，因為涉及到周期性資源的配置問題、釋放與重傳的問題，因此要稍微麻煩一點。并且因為它的資源分配好以后不需要PDCCH來指示，因此UE必須自己推到相應的信息，例如HARQ進程ID。 LTE中還有一個很有意思的HARQ進程就是BCH的HARQ進程，它專門來處理廣播消息，我們知道廣播消息不應該有反饋的。但是這并不妨礙它可以使用HARQ重傳的合并增益相同的原理，通過不同發(fā)送機會發(fā)送不同版本的廣播消息，在接收端，如果第一個版本解碼失敗，它可以繼續(xù)接收下一個版本，然后把他們進行合并，從而獲得合并增益。 當UE需要讀取BCCH，UE可能會根據RRC的指示調度信息來讀取，如果在PDCCH上監(jiān)聽到這個TTI內針對SI-RNTI的下行分配信息， 1. RV(冗余版本)：RVK = ceiling(3/2*k) modulo 4, k依賴于系統(tǒng)信息類型 SystemInformationBlockType1 消息, k = (SFN/2) modulo 4, 對于SystemInformation 消息，k=i modulo 4, i =0,1, nsw-1, i就是SI窗口nsw內的子幀數目 2. 把這個TTI內的DL-assignment以及RV送到特定的廣播HARQ進程雖然上面的公式顯得比較復雜，但是計算下來它的順序都是0，2，3，1，因此廣播的HARQ進程可以根據TTI來判斷此時到底是哪一個版本，然后據此解碼。3.4.5.3 HARQ操作3.4.5.3.1 HARQ實體 在UE端有一個HARQ實體，它可以維護一定數量的并行HARQ進程，每一個進程有一個標識，HARQ實體會把HARQ信息以及在DL-SCH上收到的傳輸塊(TB)送到相應的HARQ進程；如果在物理層定義了空間分集，那么在一個子幀內，可以收到一個或者二個傳輸塊(TB)，它們都和一個HARQ進程相關。 如果在這個TTI內已經確認了有下行的分配信息，那么就把從物理層接收到的傳輸塊以及相應的HARQ信息發(fā)送到對應的HARQ進程； 如果指示的是發(fā)送到廣播HARQ進程的，UE就把收到的傳輸塊送到廣播HARQ進程。3.4.5.3.2 HARQ進程 如果在一個子幀內有數據傳輸到一個HARQ進程，那么這個進程就會從HARQ實體收到一個或兩個TB以及相應的HARQ信息。對于收到的TB以及相應的HARQ信息，HARQ進程將做如下處理：如果對應這個TB的NDI相對于上一次傳輸發(fā)送了變化；或者這個TB是發(fā)送到廣播HARQ進程的并且通過RRC消息的調度信息指導這是第一個收到的廣播消息傳輸塊；或者這是收到的第一個收到的傳輸塊，那么就認為這是一個新的傳輸；否則，就認為是重傳；UE根據上面的判斷進行處理， 如果這是一個新的傳輸，那么就把當前soft buffer里的數據替換成收到的數據， 如果這是一個重傳，并且這個數據還沒有成功解碼，那么把這個傳輸塊收到的數據和soft buffer的數據合并；如果收到的數據跟soft buffer里的數據大小不一致，需要那么就把當前soft buffer里的數據替換成收到的數據。 然后嘗試解碼這個TB的soft buffer里的數據，如果解碼成功，就要看這個進程是哪一個，然后做相應的處理，假如，這個HARQ進程是廣播HARQ進程，則把數據送到上層協議層，因為廣播消息在整個層2都是透明傳輸的，也就是不