LTE學(xué)習(xí)筆記 HARQ、HARQ process、HARQ information、同步異步、自適應(yīng)非自適應(yīng)、ACKNACK反饋、上行HARQ1

1、20140307 （HARQ、HARQ process、HARQ information、同步/異步、自適應(yīng)/非自適應(yīng)、ACK/NACK反饋、上行HARQ（1）一、HARQ介紹      HARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest），混合式自動(dòng)重傳請(qǐng)求，是一種結(jié)合FEC（Forward Error Correction）與ARQ（Automatic Repeat reQuest）方法的技術(shù)。      FEC通過添加冗余信息，使得接收端能夠糾正一部分錯(cuò)誤，從而減少重傳的次數(shù)。 

2、;     對(duì)于FEC無(wú)法糾正的錯(cuò)誤，接收端會(huì)通過ARQ機(jī)制請(qǐng)求發(fā)送端重發(fā)數(shù)據(jù)。接收端使用檢錯(cuò)碼，通常為CRC校驗(yàn)，來(lái)檢測(cè)接收的數(shù)據(jù)包是否出錯(cuò)。如果無(wú)錯(cuò)，則發(fā)送一個(gè)肯定的確認(rèn)（ACK）；如果出錯(cuò)，則接收端會(huì)丟棄數(shù)據(jù)包，并發(fā)送一個(gè)否定的確認(rèn)（NACK）給發(fā)送端，發(fā)送端收到NACK后，會(huì)重發(fā)相同的數(shù)據(jù)。      前面介紹的ARQ機(jī)制采用丟棄數(shù)據(jù)包并請(qǐng)求重傳的方式。然而，雖然這些數(shù)據(jù)包無(wú)法被正確解碼，但其中還是包含了有用的信息，如果丟棄了，這些有用的信息就丟失了。通過使用HARQ with soft comb

3、ining，接收到的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包會(huì)保存在一個(gè)HARQ buffer中，并與后續(xù)接收到的重傳數(shù)據(jù)包進(jìn)行合并，從而得到一個(gè)比單獨(dú)解碼更可靠的數(shù)據(jù)包。然后對(duì)合并后的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼，如果還是失敗，則再請(qǐng)求重傳，再進(jìn)行軟合并。      根據(jù)重傳的bit信息與原始傳輸是否相同，HARQ with soft combining分為Chase combining和incremental redundancy（IR，增量冗余）兩類。Chase combining中重傳的bit信息與原始傳輸相同；增量冗余中重傳的bit信息不需要與原始傳輸相同。這里我們只介紹增量冗

4、余，因?yàn)長(zhǎng)TE中使用的是這種機(jī)制。      在增量冗余中，每一次重傳并不需要與初始傳輸相同。相反，會(huì)生成多個(gè)coded bit的集合，每個(gè)集合都攜帶相同的信息。每當(dāng)需要重傳時(shí)，通常會(huì)傳輸與前一次不同的coded bit集合，接收端會(huì)把重傳的數(shù)據(jù)與前一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行合并。每次重傳的coded bit集合稱為一個(gè)冗余版本（Redundancy Version，RV）      由于重傳可能攜帶了不包含前次傳輸中的額外奇偶校驗(yàn)比特（parity bit），所以重傳的碼率會(huì)降低。每次重傳可以包含與初

5、始傳輸數(shù)目不同的coded bit，且不同重傳的調(diào)制方式也可以不同。      圖1是一個(gè)增量冗余的例子：圖1：增量冗余的例子       這里我們以DL-SCH的物理層處理步驟來(lái)簡(jiǎn)單介紹一下冗余版本RV的生成過程。UL-SCH的處理與之類似。圖2：DL-SCH的物理層處理 圖3：速率匹配和HARQ功能 從圖2、圖3可以看出，在Turbo編碼之后，會(huì)輸出systematic bits，first parity bits和 second parity bits。這些輸

6、出會(huì)先進(jìn)行交織，然后插入一個(gè)環(huán)形緩沖器（circular buffer）中。其中，systematic bits會(huì)先插入，然后first parity bits和second parity bits交替著插入。 不同的RV意味著從環(huán)形緩沖器的不同起始位置來(lái)提取要發(fā)送的bit。對(duì)于DL-SCH和UL-SCH而言，其信道編碼采用了Turbo編碼。Turbo編碼中的systematic bit比parity bit更重要，在初傳(initial transmission)中至少需要包含所有的systematic bit和部分parity bit；而在重傳(retransmission)中，

7、會(huì)包含初傳中沒有的parity bit。如果初傳（注意：這里是“第一次傳輸”）的接收質(zhì)量很差或根本沒收到，此時(shí)重傳只帶parity bit的RV不如重傳包含全部（或部分）systematic bit的RV來(lái)得性能好。這里有兩種不同的否定應(yīng)答：NACK和DTX。NACK要求重傳額外的parity bit，而DTX要求重傳systematic bit?？傊?，基于之前傳輸嘗試的信號(hào)質(zhì)量來(lái)決定重傳中包含多少systematic bit和parity bit是很重要的。  HARQ是通過校驗(yàn)CRC來(lái)判斷接收到的數(shù)據(jù)包是否出錯(cuò)，并且校驗(yàn)CRC是在軟合并之后進(jìn)行的。  HARQ功能同時(shí)跨

8、越物理層和MAC層。其中發(fā)送端生成不同的redundancy version（選用哪個(gè)RV是由MAC層告訴物理層的）以及接收端軟合并是由物理層負(fù)責(zé)的。在接收端，HARQ buffer通常位于物理層中，這是因?yàn)槲锢韺有枰獙?duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行軟合并和解碼處理。二、HARQ processHARQ protocol是MAC層的功能，HARQ protocol在發(fā)送端和接收端都存在。發(fā)送端的HARQ操作包括傳輸和重傳TB、接收并處理ACK/NACK；接收端的HARQ操作包括接收TB，軟合并處理，生成ACK/NACK。  HARQ使用stop-and-wait protocol（停等協(xié)

9、議）來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)。  在停等協(xié)議中，發(fā)送端發(fā)送一個(gè)TB后，就停下來(lái)等待確認(rèn)信息。只需要1 bit的信息來(lái)對(duì)該傳輸塊進(jìn)行肯定（ACK）或否定（NACK）的確認(rèn)即可。但是每次傳輸后發(fā)送端就停止并等待確認(rèn)，會(huì)導(dǎo)致吞吐量很低。因此LTE使用多個(gè)并行的stop-and-wait process：當(dāng)一個(gè)HARQ process在等待確認(rèn)信息時(shí)，發(fā)送端可以使用另一個(gè)HARQ process來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)。如圖1所示。  這些HARQ process共同組成了一個(gè)HARQ 實(shí)體（HARQ entity），這個(gè)實(shí)體結(jié)合了停等協(xié)議，同時(shí)允許數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸。圖1：多個(gè)并行的HARQ proc

10、ess  每個(gè)HARQ process一次只處理一個(gè)TB（Transport Block，傳輸塊）。  每個(gè)HARQ process在接收端都需要有獨(dú)立的HARQ buffer以便對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行軟合并。  每個(gè)UE都有一個(gè)HARQ實(shí)體。在載波聚合中，每個(gè)載波單元（Component Carrier）都有各自的HARQ實(shí)體。在空分復(fù)用中，一個(gè)TTI會(huì)并行傳輸2個(gè)TB，此時(shí)每個(gè)TB有各自獨(dú)立的HARQ確認(rèn)信息，1個(gè)HARQ實(shí)體包含2個(gè)HARQ process集合。  使用多個(gè)并行的stop-and-wait process可能導(dǎo)致接收端的MAC

11、層送往RLC層的數(shù)據(jù)是亂序的。如圖1所示，傳輸塊 5在傳輸塊 1之前成功解碼，導(dǎo)致傳輸塊 5先于傳輸塊1送往RLC層，從而出現(xiàn)數(shù)據(jù)的亂序。因此，RLC層需要對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行重排序。在載波聚合中，RLC層同樣需要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的重排序，這是因?yàn)镽LC層對(duì)載波聚合不可見，而每個(gè)載波單元有獨(dú)立的HARQ實(shí)體，導(dǎo)致一個(gè)RLC層需要從多個(gè)HARQ實(shí)體中接收數(shù)據(jù)，而接收自多個(gè)HARQ實(shí)體的數(shù)據(jù)很可能是亂序的。   當(dāng)發(fā)送端收到一個(gè)確認(rèn)信息（ACK/NACK）后，需要知道該確認(rèn)信息對(duì)應(yīng)的HARQ process，這是通過確認(rèn)信息與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)之間固定的timing關(guān)系來(lái)確定的（上行、下行都適用

12、。注意：這里是針對(duì)某次傳輸與對(duì)應(yīng)的ACK/NACK之間的timing關(guān)系的，而同步/異步是針對(duì)重傳和初傳之間的timing關(guān)系的）。三、HARQ information在處理HARQ時(shí)，有一些比較重要的信息值得我們關(guān)注，我把這些信息整理了一下：圖1：HARQ information 注：1）下行DCI包括DCI format 1/1A/1B/1D/2/2A/2B/2C，但不包含DCI format 1C，因?yàn)?C不支持HARQ。上行DCI包括DCI format 0/4。  2）重傳時(shí)TB size是不變的，因此沒有必要在重傳的DCI中指示新的TB size，但必須保證初傳的DCI是

13、正確接收的。  TB size是通過MCS index指定的，MCS index有5 bit，但只使用29種組合（028），剩余的3種組合（2931）是預(yù)留的，且這3種組合只用于重傳。從36.213的Table 7.1.7.1-1 （用于下行）和Table 8.6.1-1（用于上行）可以看出，對(duì)于MCS index 2931，TBS Index都是預(yù)留的，這也可以說明，重傳是不會(huì)改變TB size的。但對(duì)于下行而言，Modulation Order是可以改變的，而上行不可以。 當(dāng)然，使用這3種預(yù)留組合的前提是UE成功地接收了初傳中的DCI（使用MCS index 028），

14、否則重傳中需要顯式地指定TB size，即此時(shí)不能使用MCS index 2931。 3）關(guān)于MCS Index在取值范圍028和2931的不同處理，以及上下行中的不同含義，大家需要好好關(guān)注一下。 四、同步/異步、自適應(yīng)/非自適應(yīng) HARQ協(xié)議在時(shí)域上分為同步（synchronous）和異步（asynchronous）兩類；在頻域上分為自適應(yīng)（adaptive）和非自適應(yīng)（non-adaptive）兩類。注意：這里的前提是針對(duì)同一HARQ process。一個(gè)HARQ process在同一TTI只能處理一個(gè)TB。 異步HARQ（asynchronous HARQ）意味著重傳

15、可以發(fā)生在任一時(shí)刻，也意味著能以任意順序使用HARQ process。同步HARQ（synchronous HARQ）意味著重傳只能在前一次傳輸之后的固定時(shí)刻發(fā)送，也意味著某個(gè)特定的子幀，只能使用某個(gè)特定的HARQ process。同步HARQ的好處在于HARQ process號(hào)可以直接從系統(tǒng)幀號(hào)/子幀號(hào)中推導(dǎo)出來(lái)，而無(wú)需顯式地發(fā)送HARQ process號(hào)（如何推導(dǎo)會(huì)在上行HARQ時(shí)介紹）；異步HARQ的好處在于重傳調(diào)度更加靈活。  自適應(yīng)HARQ（adaptive HARQ）意味著可以改變重傳所使用的PRB資源以及MCS。非自適應(yīng)HARQ（non-adaptive HA

16、RQ）意味著重傳必須與前一次傳輸（新傳或前一次重傳）使用相同的PRB資源和MCS。      在LTE中，下行使用異步、自適應(yīng)HARQ；上行使用同步HARQ，但重傳可以是自適應(yīng)的，也可以是非自適應(yīng)的。 HARQDownlinkUplinktime domainasynchronoussynchronousfrequency domainadaptiveadaptive or non-adaptive注意：異步/同步、自適應(yīng)/非自適應(yīng)都是針對(duì)前一次傳輸（包括新傳和前一次重傳）與重傳之間的關(guān)系的，而不是針對(duì)PUSCH傳輸（包括新傳和重傳）

17、與ACK/NACK之間的關(guān)系的。總結(jié)： HARQ是混合式自動(dòng)重傳請(qǐng)求，是一種結(jié)合FEC（Forward Error Correction）與ARQ（Automatic Repeat reQuest）方法的技術(shù)。Transport Block經(jīng)過信道編碼（turbo coder）的數(shù)據(jù)包括三段，第一段可以認(rèn)為是基本數(shù)據(jù)，其余兩段是冗余數(shù)據(jù)，這三段數(shù)據(jù)依次放在一個(gè)環(huán)形緩沖區(qū)內(nèi)。RV版本其實(shí)就是指示從這個(gè)緩沖區(qū)的哪個(gè)位置來(lái)取數(shù)據(jù)。NDI是新數(shù)據(jù)指示信令。3GPP LTE中的HARQ采用了多通道停等機(jī)制，最大通道數(shù)可達(dá)8，合并方法采用了Chase和IR兩種。HARQ每次重傳的傳輸塊都與第l次傳輸時(shí)的相

18、同。然而，每次重傳時(shí)采用的調(diào)制方式、信道碼的集合和傳輸功率都可能與第1次傳輸時(shí)不同，即每次重傳時(shí)的可用信道比特?cái)?shù)可能不同，即使可用信道比特?cái)?shù)相同，在物理信道中傳輸?shù)男畔⒈忍匾部赡懿煌?。HARQ每次重傳使用不同的冗余版本（RV），最多有8個(gè)不同的冗余版本，這里每個(gè)冗余版本對(duì)應(yīng)了不同的編碼比特子集，每個(gè)子集包含不同的比特。Chase合并對(duì)應(yīng)單一的冗余版本。發(fā)送方在發(fā)送數(shù)據(jù)包的同時(shí)設(shè)置1比特的新數(shù)據(jù)指示信令NDI，每當(dāng)發(fā)送新數(shù)據(jù)包則NDI翻轉(zhuǎn)1次，接收方收到則會(huì)把接收數(shù)據(jù)緩存清空。存儲(chǔ)新的數(shù)據(jù)；而重傳數(shù)據(jù)包時(shí)NDI保持不變，接收方收到則把它存在接收數(shù)據(jù)緩存中，與之前的版本進(jìn)行合并譯碼。二、ACK/N

19、ACK反饋：LTE-ACK/NACK bundling與ACK/NACK multiplexingACK/NACK bundling和ACK/NACK multiplexing分別代表什么意思？接收端如何區(qū)分各用戶的接收狀況？ Bundling是多個(gè)DL subframe的每個(gè)codeword的接收結(jié)果通過邏輯與在一個(gè)UL subframe用1bit反饋。如果2個(gè)codeword就用2個(gè)bit反饋。bundling是使用一個(gè)ack/nack完成前面若干個(gè)下行數(shù)據(jù)的TTI反饋，幾個(gè)ack/nack進(jìn)行and運(yùn)算，然后用一個(gè)ack/nack來(lái)反饋，它的缺點(diǎn)是eNB不知道哪個(gè)子幀被錯(cuò)誤接收

20、，如一個(gè)子幀錯(cuò)誤，那么就要重傳所有的子幀，所以bundling不適合下行覆蓋受限的情況。目前協(xié)議中默認(rèn)的ack/nack形式是bundling，協(xié)議中引入DAI (in DCI)來(lái)指示UE丟失信令的情況，如果DAI miss的話，會(huì)給所有的碼字生成NACK。 Multiplexing是多個(gè)DL subframe的接收結(jié)果在一個(gè)UL subframe用多個(gè)bit反饋。每個(gè)DL subframe的多個(gè)codeword通過邏輯與變成一個(gè)bit。Multiplexing是在一個(gè)上行時(shí)隙反饋多個(gè)ack/nack，即對(duì)多個(gè)下行數(shù)據(jù)反饋它們每一個(gè)的ack/nack信息。所有的ack/nack信息可

21、以用2bit來(lái)表示，利用對(duì)應(yīng)的PDCCH中CCE的信息計(jì)算出ack/nack的反饋資源，并用2bit進(jìn)行反饋，eNB接收反饋信息后根據(jù)反饋值和反饋資源查表得到每個(gè)下行資源的反饋信息。另外Multiplexing不是協(xié)議的默認(rèn)反饋形式，需要高層1bit信令配置。 無(wú)論bundling還是multiplexing，多用戶上行ACK/NACK的區(qū)分靠的是擴(kuò)頻碼和zadoff序列的循環(huán)移位值，ACK/NACK和下行接收數(shù)據(jù)塊并不是一對(duì)一的關(guān)系；實(shí)際上，UE在接收過程中，若干個(gè)子幀內(nèi)接收到的多個(gè)TB，可能只通過一個(gè)ACK/NACK反饋給發(fā)送端，根據(jù)Bunding模式和Multiplexing模

22、式具體參數(shù)定義，可知一個(gè)上行ACK/NACK和哪些下行接收TB塊的校驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng)?？偨Y(jié)：Bundling是默認(rèn)的配置，其方式為bundling使用一個(gè)ack/nack完成前面若干個(gè)下行數(shù)據(jù)的TTI反饋，幾個(gè)ack/nack進(jìn)行and運(yùn)算，然后用一個(gè)ack/nack來(lái)反饋。Multiplexing需要高層1bit信令配置。其方式是多個(gè)下行數(shù)據(jù)反饋它們每一個(gè)的ack/nack信息。三、上行HARQ（1）圖1是關(guān)于上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€(gè)示意圖（除了SR外，不包含PUCCH）。本文主要介紹其中的上行HARQ處理。圖1：上行流程eNodeB使用PHICH來(lái)告訴UE是否成功接收PUSCH，一個(gè)上行TB對(duì)應(yīng)一個(gè)

23、PHICH。 對(duì)于FDD而言，如果上行傳輸模式為TM1，則有8個(gè)上行HARQ process；如果上行傳輸模式為TM2，則有上行HARQ process數(shù)將翻倍，為16個(gè)，此時(shí)每個(gè)子幀有2個(gè)HARQ process。對(duì)于TDD而言，如果上行傳輸模式為TM1，則不同的TDD上下行配置對(duì)應(yīng)的上行HARQ process數(shù)見36.213的Table 8-1所示（如下圖）；如果上行傳輸模式為TM2，則有上行HARQ process數(shù)將翻倍，此時(shí)每個(gè)子幀有2個(gè)HARQ process。 這里我們不考慮子幀綁定（subframe bundling）的場(chǎng)景。Table 8-1: Number of sync

24、hronous UL HARQ processes for TDDTDD UL/DL configurationNumber of HARQ processes for normal HARQ operationNumber of HARQ processes for subframe bundling operation07314222N/A33N/A42N/A51N/A663每個(gè)UE（而不是每個(gè)無(wú)線承載）會(huì)被配置一個(gè)最大傳輸次數(shù)。Msg 3的最大傳輸次數(shù)是通過RACH-ConfigCommon的maxHARQ-Msg3Tx字段來(lái)配置的；而除Msg3外的其它上行HARQ process允許的

25、最大傳輸次數(shù)是通過MAC-MainConfig的maxHARQ-Tx字段來(lái)配置的。前面已經(jīng)介紹過，在LTE中，上行使用同步HARQ，但重傳可以是自適應(yīng)的，也可以是非自適應(yīng)的。 上行HARQ使用同步（synchronous）、非自適應(yīng)（non-adaptive）的目的是為了降低開銷。由于上行重傳總是發(fā)生在可預(yù)知的子幀上（例如：在FDD下，重傳總是發(fā)生在前一次傳輸?shù)?個(gè)子幀之后；TDD見后續(xù)介紹），所以根據(jù)timing關(guān)系可以直接推導(dǎo)出使用的HARQ process。并且在非自適應(yīng)重傳時(shí)，重傳與與前一次傳輸（注意：不是“新傳”，這可以在36.300的9.1節(jié)和36.321的5.4.2.2

26、節(jié)得到答案）使用相同的PRB資源和MCS。因此下行只需要PHICH這一種控制信令，而不需要PDCCH（UL grant），從而降低了開銷。而上行HARQ有時(shí)使用自適應(yīng)（adaptive）重傳是為了避免分割上行頻域資源或避免與隨機(jī)接入的資源發(fā)生碰撞。此時(shí)eNodeB不僅會(huì)發(fā)送PHICH，還會(huì)發(fā)送PDCCH（UL grant）以指示重傳所使用的新的PRB資源和MCS。如果上行同時(shí)支持自適應(yīng)和非自適應(yīng)HARQ，則要求對(duì)應(yīng)同一上行子幀的PHICH和PDCCH擁有相同的timing，即在同一子幀中發(fā)送。如果不滿足該條件，則UE不知道是該聽從PHICH還是該等待UL grant而不管PHICH，實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜

27、度會(huì)大增。HARQ feedback seen by the UEPDCCH seen by the UEUE behaviourretransmission typeACK or NACKnew transmisson(NDI is toggled)new transmission according to PDCCH, and flush the HARQ bufferNAACK or NACKretransmission(NDI is not toggled)retransmission according to PDCCHadaptive retransmissionACKnoneno

28、 (re)transmission, keep data in HARQ buffer and a PDCCH is required to resume retransmissionsNANACKnoneretransmission occurs at the same frequency resources and with the same transmission format as the previous transmissionnon-adaptive retransmission圖2：上行HARQ處理（參見36.300的9.1節(jié)）上行HARQ處理見圖2，這對(duì)FDD和TDD是一樣的?？梢钥闯觯海?）給定某個(gè)HARQ process，即使接收到的PHICH指示為ACK，也不會(huì)清空HARQ緩存區(qū)。此時(shí)，還需要通過在當(dāng)前子幀或后續(xù)子幀中接收到的UL grant中的NDI來(lái)決定是進(jìn)行重傳（NDI沒有反轉(zhuǎn)），還是進(jìn)行新傳（NDI反轉(zhuǎn)，此時(shí)會(huì)清空HARQ緩存區(qū)）。也即，是否清空HARQ緩存區(qū)是由UL grant的NDI來(lái)決定的。假如UE收到了