LTE HARQ原理

1、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(chǎn)生合并增益2. N-process Stop-And-Wait3. DL:      a. 自適應(yīng)異步HARQ      b.UL ACK/NAK 在PUCCH/PUSCH發(fā)送      c.PDCCH 攜帶 HARQ 進(jìn)程號      d.重傳總是通過PDCCH調(diào)度，這是因?yàn)樗捎卯惒阶赃m應(yīng)

2、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(shù)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(shù)，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

3、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(shí)現(xiàn)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(jìn)行再次重傳，隨著重重次數(shù)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(gè)傳輸塊進(jìn)行重傳。    下行HARQ采用多進(jìn)程的“停止-等待”HARQ實(shí)現(xiàn)方式，即對于某一個(gè)HARQ進(jìn)程，在等待ACK/NACK反饋之前，此進(jìn)程暫時(shí)中止傳輸，當(dāng)收到反饋后，再根據(jù)反饋的是ACK還是NACK選擇發(fā)送新的數(shù)據(jù)還是重傳。    按照重傳發(fā)生的時(shí)刻來區(qū)分，可以將HARQ可以分為同

4、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(gè)HARQ進(jìn)程的傳輸(重傳)是發(fā)生在固定的時(shí)刻，由于接收端預(yù)先已知傳輸?shù)陌l(fā)生時(shí)刻，因此不需要額外的信令開銷來標(biāo)示HARQ進(jìn)程的序號，此時(shí)的HARQ進(jìn)程的序號可以從子幀號獲得；異步HARQ是指一個(gè)HARQ進(jìn)程的傳輸可以發(fā)生在任何時(shí)刻，接收端預(yù)先不知道傳輸?shù)陌l(fā)生時(shí)刻，因此HARQ進(jìn)程的處理序號需要連同數(shù)據(jù)一起發(fā)送。    由于同步HARQ的重傳發(fā)生在固定時(shí)刻，在沒有附加進(jìn)程序號的同步HARQ在某一時(shí)刻只能支持一個(gè)HARQ進(jìn)程。實(shí)際上HARQ操作應(yīng)該在一個(gè)時(shí)刻可以同時(shí)支持多個(gè)HARQ進(jìn)程的發(fā)

5、生，此時(shí)同步HARQ需要額外的信令開銷來標(biāo)示HARQ的進(jìn)程序號，而異步HARQ本身可以支持傳輸多個(gè)進(jìn)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(shí)刻，例如為了支持優(yōu)先級較高的HARQ進(jìn)程，則必須中止預(yù)先分配給該時(shí)刻的進(jìn)程，那么此時(shí)仍需要額外的信令信息。    根據(jù)重傳時(shí)的數(shù)據(jù)特征是否發(fā)生變化又可將HARQ分為非自適應(yīng)和自適應(yīng)兩種，其中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)特征包括資源塊的分配、調(diào)制方式、傳輸塊的長度、傳輸?shù)某掷m(xù)時(shí)間。自適應(yīng)傳輸是指在每一次重傳過程中，發(fā)送端可以根據(jù)實(shí)際的信道狀態(tài)信息改變部分的傳輸參數(shù)，因此，在每次傳輸?shù)倪^程中包含傳輸參數(shù)的控制信令信息要一并發(fā)送

6、?？筛淖兊膫鬏攨?shù)包括調(diào)制方式、資源單元的分配和傳輸?shù)某掷m(xù)時(shí)間等。在非自適應(yīng)系統(tǒng)中，這些傳輸參數(shù)相對于接收端而言都是預(yù)先已知的，因此，包含傳輸參數(shù)的控制信令信息在非自適應(yīng)系統(tǒng)中是不需要被傳輸?shù)摹?#160;   在重傳的過程中，可以根據(jù)信道環(huán)境自適應(yīng)地改變重傳包格式和重傳的時(shí)刻的傳輸方式，可以稱為基于IR類型的異步自適應(yīng)HARQ方案。這種方案可以根據(jù)時(shí)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(shí)也帶來了更多的系統(tǒng)復(fù)雜性。在每次重傳過程中包含傳輸參數(shù)的控制信令信息必須與數(shù)據(jù)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(shí)刻都是

7、預(yù)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(shù)都是預(yù)先已知的，不需要標(biāo)示HARQ的進(jìn)程序號。    (2)在非自適應(yīng)系統(tǒng)中接收端操作復(fù)雜度低。    (3)提高了控制信道的可靠性，在非自適應(yīng)系統(tǒng)中，有些情況下，控制信道的信令信息在重傳時(shí)與初始傳輸是相同的，這樣就可以在接收端進(jìn)行軟信息合并從而提高控制信道的性能。    根據(jù)層一/層二的實(shí)際需求，異

8、步HARQ具有以下的優(yōu)勢：    (1)如果采用完全自適應(yīng)的HARQ技術(shù)，同時(shí)在資源分配時(shí)，可以采用離散、連續(xù)的子載波分配方式，調(diào)度將會具有很大的靈活性。    (2)可以支持一個(gè)子幀的多個(gè)HARQ進(jìn)程    (3)重傳調(diào)度的靈活性LTE下行鏈路系統(tǒng)中將采用異步自適應(yīng)的HARQ技術(shù)。因?yàn)橄鄬τ谕椒亲赃m應(yīng)HARQ技術(shù)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(shí)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(jìn)程需要被調(diào)度，

9、但是該時(shí)刻的資源已被分配給某一個(gè)HARQ進(jìn)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(shí)刻，可以有效地避免這個(gè)問題。同時(shí)，LTE系統(tǒng)將在上行鏈路采用同步非自適應(yīng)HARQ技術(shù)。雖然異步自適應(yīng)HARQ技術(shù)相比較同步非自適應(yīng)技術(shù)而言，在調(diào)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(fù)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(gè)用戶實(shí)際的信干比(SINR)值。在自適應(yīng)調(diào)制編碼系統(tǒng)中，一方面自適應(yīng)調(diào)制編碼(AMC)根據(jù)信道的質(zhì)量情況，選擇合適的調(diào)制和編碼方式，能夠提供粗略的數(shù)據(jù)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(diào)節(jié)，由于

10、SINR值的不準(zhǔn)確性導(dǎo)致上行鏈路對于調(diào)制編碼模式(MCS)的選擇不夠精確，所以更多地依賴HARQ技術(shù)來保證系統(tǒng)的性能。因此，上行鏈路的平均傳輸次數(shù)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(yīng)HARQ技術(shù)。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(shù)據(jù)指示、下行資源分配信令傳輸和下行數(shù)據(jù)的重傳來完成的。每次重傳的信道編碼冗余版本是預(yù)定義好的，不需要額外的信令支持。RV的設(shè)計(jì)，由于下行HARQ重傳的信道編碼率已經(jīng)確定，因此不進(jìn)行完全的MCS的選擇，但仍可以進(jìn)行調(diào)制方式的選擇。

11、調(diào)制方式的變化會同時(shí)造成rB數(shù)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(gè)比特的新數(shù)據(jù)指示符（NDI）指示此次傳輸是新數(shù)據(jù)還是重傳。 下行HARQ流程的時(shí)序?qū)嵗缦聢D所示， 圖3.4.5-1 下行HARQ時(shí)序圖假設(shè)下行跟上行是子幀同步，接收發(fā)送之間沒有時(shí)延（實(shí)際上也不可能，只是便于理解）首先eNB在時(shí)刻0的PDSCH信道發(fā)送了一份下行數(shù)據(jù)，UE首先監(jiān)聽到后，進(jìn)行解碼，發(fā)現(xiàn)解碼失敗，它將在時(shí)刻4的上行控制信道（PUCCH）向eNB反饋上次傳輸?shù)腘ACK信息， eNB對PUCCH中的NACK信息進(jìn)行解調(diào)和處理，然后根據(jù)下行資源分配情況對重傳數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)度

12、，此時(shí)的調(diào)度時(shí)間并沒有規(guī)定，eNB根據(jù)情況來調(diào)度，這里假設(shè)在時(shí)刻6在PDSCH上發(fā)送重傳，如果此時(shí)UE成功解碼，那么它就在時(shí)刻10發(fā)送確認(rèn)，那么一個(gè)傳輸就結(jié)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(shù)據(jù)的重傳來完成的，每次重傳的信道編碼RV和傳輸格式是預(yù)定義好的，不需要額外的信令支持，只需通過NDI指示是新數(shù)據(jù)的傳輸還是重傳。上行HARQ流程的時(shí)序如下圖所示，圖3.4.5-2 上行HARQ時(shí)序圖這里不對下行實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)說明，大家仔細(xì)對比兩個(gè)圖就會發(fā)現(xiàn)，相對應(yīng)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

13、行重傳時(shí)并沒有規(guī)定好重傳的時(shí)刻，eNB可以根據(jù)情況來調(diào)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(jìn)程數(shù)量    對于“停止-等待”HARQ，在一個(gè)harq進(jìn)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(shù)據(jù)，還是進(jìn)行舊數(shù)據(jù)的重傳。在這段時(shí)間內(nèi)，eNB/UE當(dāng)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(jìn)程，以充分利用時(shí)域資源。從前面兩個(gè)圖可以看出，HARQ的進(jìn)程數(shù)量跟RTT，也就是傳輸延遲和UE/eNB的處理時(shí)間相關(guān)的，RTT愈大，需要支持的并行HARQ進(jìn)程數(shù)

14、量以填滿RTT，HARQ進(jìn)程的數(shù)量約等于RTT/TTI。對于FDD系統(tǒng)上下行都是采用8個(gè)進(jìn)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(shí)延很大程度跟具體實(shí)現(xiàn)有關(guān)的，另外還要考慮傳輸時(shí)延，因此8個(gè)TTI是一個(gè)比較折中的數(shù)據(jù)。前面主要討論了HARQ的基本知識，以及在LTE實(shí)現(xiàn)中的考慮，下面我們基于MAC協(xié)議來分析上下行處理的原則。3.4.5.2 DL-SCH數(shù)據(jù)傳輸    為了便于說明與理解，暫且只討論動態(tài)調(diào)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    

15、0;  在PDCCH上發(fā)送下行分配信息，用于指示在DL-SCH上的下行數(shù)據(jù)的。如果DL-SCH上有數(shù)據(jù)發(fā)送，則相應(yīng)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(shù)據(jù)，有當(dāng)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(gè)TTI內(nèi)有DL assignment發(fā)送給這個(gè)UE的C-RNTI，·  如果對于這個(gè)HARQ 進(jìn)程，它的上一個(gè)DL assignment是給SPS調(diào)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(rèn)為這是一個(gè)新的傳輸；此時(shí)可以確認(rèn)在這個(gè)TTI內(nèi)有一個(gè)下

16、行分配信息，并把HARQ相關(guān)信息發(fā)送到HARQ實(shí)體。對于SPS的過程稍微復(fù)雜一點(diǎn)，因?yàn)樯婕暗街芷谛再Y源的配置問題、釋放與重傳的問題，因此要稍微麻煩一點(diǎn)。并且因?yàn)樗馁Y源分配好以后不需要PDCCH來指示，因此UE必須自己推到相應(yīng)的信息，例如HARQ進(jìn)程ID。     LTE中還有一個(gè)很有意思的HARQ進(jìn)程就是BCH的HARQ進(jìn)程，它專門來處理廣播消息，我們知道廣播消息不應(yīng)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(jī)會發(fā)送不同版本的廣播消息，在接收端，如果第一個(gè)版本解碼失敗，它可以繼續(xù)接收下一個(gè)版本，然后把他們進(jìn)行合并

17、，從而獲得合并增益。    當(dāng)UE需要讀取BCCH，UE可能會根據(jù)RRC的指示調(diào)度信息來讀取，如果在PDCCH上監(jiān)聽到這個(gè)TTI內(nèi)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(nèi)的

18、子幀數(shù)目  2. 把這個(gè)TTI內(nèi)的DL-assignment以及RV送到特定的廣播HARQ進(jìn)程雖然上面的公式顯得比較復(fù)雜，但是計(jì)算下來它的順序都是0，2，3，1，因此廣播的HARQ進(jìn)程可以根據(jù)TTI來判斷此時(shí)到底是哪一個(gè)版本，然后據(jù)此解碼。 3.4.5.3 HARQ操作3.4.5.3.1 HARQ實(shí)體    在UE端有一個(gè)HARQ實(shí)體，它可以維護(hù)一定數(shù)量的并行HARQ進(jìn)程，每一個(gè)進(jìn)程有一個(gè)標(biāo)識，HARQ實(shí)體會把HARQ信息以及在DL-SCH上收到的傳輸塊(TB)送到相應(yīng)的HARQ進(jìn)程；如果在物理層定義了空間分集，那么在一個(gè)子幀內(nèi)，可以收到一個(gè)或

19、者二個(gè)傳輸塊(TB)，它們都和一個(gè)HARQ進(jìn)程相關(guān)。· 如果在這個(gè)TTI內(nèi)已經(jīng)確認(rèn)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(yīng)的HARQ信息發(fā)送到對應(yīng)的HARQ進(jìn)程；· 如果指示的是發(fā)送到廣播HARQ進(jìn)程的，UE就把收到的傳輸塊送到廣播HARQ進(jìn)程。3.4.5.3.2 HARQ進(jìn)程    如果在一個(gè)子幀內(nèi)有數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€(gè)HARQ進(jìn)程，那么這個(gè)進(jìn)程就會從HARQ實(shí)體收到一個(gè)或兩個(gè)TB以及相應(yīng)的HARQ信息。對于收到的TB以及相應(yīng)的HARQ信息，HARQ進(jìn)程將做如下處理：如果對應(yīng)這個(gè)TB的NDI相對于上一次傳輸發(fā)送了變化；或者這個(gè)TB是發(fā)送到廣播HARQ進(jìn)程的并且通過RRC消息的調(diào)度信息指導(dǎo)這是第一個(gè)收到的廣播消息傳輸