結(jié)合載波聚合的HARQ進(jìn)程映射機(jī)制研究

鮮永菊，武岳，王宇，徐昌彪

(重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065)

1 載波聚合技術(shù)概述

LTE-Advanced系統(tǒng)要求更高的峰值速率，對(duì)比LTE系統(tǒng)的前一個(gè)版本，這一目標(biāo)只能通過(guò)采用合理方式進(jìn)一步增加傳輸帶寬來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，LTE向LTE-Advanced系統(tǒng)的演進(jìn)，將力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)最大傳輸帶寬超過(guò)20 MHz，以達(dá)到甚至超過(guò)100 MHz，且對(duì)下行鏈路和上行鏈路都應(yīng)支持[1]。

要實(shí)現(xiàn)傳輸帶寬的擴(kuò)展,且保持良好的頻譜兼容性，載波聚合技術(shù)是一項(xiàng)值得關(guān)注的技術(shù)。它能夠?qū)⒍鄠€(gè)載波作為基本成員載波聚合成一個(gè)更寬的頻譜。每一個(gè)成員載波都將能夠到達(dá)LTE終端，且能夠提供LTE載波的所有功能。同時(shí)，一個(gè)支持載波聚合的終端將能夠訪(fǎng)問(wèn)多個(gè)成員載波構(gòu)成的整個(gè)聚合頻譜，其帶寬更大，相應(yīng)的數(shù)據(jù)速率也更高。

在LTE-A系統(tǒng)中,每個(gè)成員載波對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，成員載波之間數(shù)據(jù)流的聚合方案可以分成兩種:成員載波的數(shù)據(jù)流在MAC層聚合和成員載波的數(shù)據(jù)流在物理層聚合[1]。

成員載波的數(shù)據(jù)流在MAC層聚合:每個(gè)成員載波上都有一個(gè)傳輸塊，單一的數(shù)據(jù)流在某些點(diǎn)上被分到不同的成員載波，數(shù)據(jù)流的聚合是在MAC層完成的。其中，每個(gè)成員載波都是獨(dú)立設(shè)計(jì)的，維持每個(gè)成員載波原來(lái)的物理層結(jié)構(gòu)，包括成員載波的位置，鏈路自適應(yīng)和HARQ等，該模型可以看作是相同鏈路的聚合并且每個(gè)成員載波的開(kāi)銷(xiāo)相同，總的開(kāi)銷(xiāo)是一個(gè)成員載波開(kāi)銷(xiāo)的N倍，N是成員載波的個(gè)數(shù)。具體MAC層-物理層接口如圖1所示。

成員載波的數(shù)據(jù)流在物理層聚合,所有成員載波共用一個(gè)傳輸塊。在空間復(fù)用的情況下，所有成員載波共用多個(gè)傳輸塊。在不考慮空間復(fù)用的情況下，由于所有成員載波使用同一個(gè)傳輸塊，需要重新設(shè)計(jì)RLC層中PDU的大小。所有成員載波要進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)制編碼，并且共用一個(gè)HARQ進(jìn)程和相應(yīng)的ACK/NAK反饋。這樣就會(huì)與LTE系統(tǒng)原有的物理層/MAC層/RLC層結(jié)構(gòu)發(fā)生沖突。接口模型如圖2所示。

比較來(lái)看，方案一的物理層/MAC層/RLC層與LTE系統(tǒng)完全相同，主要考慮了與LTE系統(tǒng)的后向兼容性，在鏈路自適應(yīng)和HARQ方面也體現(xiàn)出了很好的性能，因而可以支持LTE系統(tǒng)的軟硬件設(shè)備。而方案二由于所有成員載波共用一個(gè)傳輸塊傳輸，傳輸塊包含的數(shù)據(jù)較多，HARQ的使用效率就變得低下，甚至完全不適合使用HARQ。同時(shí)，方案二不兼容LTE系統(tǒng)，也需要重新設(shè)計(jì)物理層/MAC層/RLC層。因此方案一更容易實(shí)現(xiàn)LTE向LTE-A的平滑過(guò)渡，適合開(kāi)展后續(xù)的研究，目前3GPP已經(jīng)基本確定采用方案一。

2 HARQ進(jìn)程與PDSCH/PUSCH映射

在過(guò)去的RAN1#55bis會(huì)議上已經(jīng)通過(guò)了MAC-to-PHY的映射關(guān)系，即每個(gè)調(diào)度成員載波有一個(gè)傳輸塊(不考慮空間復(fù)用)和一個(gè)HARQ實(shí)體(單獨(dú)的UE)；一個(gè)UE可以同時(shí)接收多個(gè)成員載波。

考慮HARQ進(jìn)程與成員載波的對(duì)應(yīng)關(guān)系，目前HARQ進(jìn)程與PDSCH/PUSCH(物理下行共享信道/物理上行共享信道)的映射主要有兩種方式。

(1)固定映射:HARQ進(jìn)程與DL/UL(下行鏈路/上行鏈路)成員載波一一對(duì)應(yīng)[2-3]。這種情況下，PDCCH與HARQ進(jìn)程相關(guān)的內(nèi)容與Rel8 LTE系統(tǒng)相一致。因此，下行鏈路每個(gè)成員載波需要3 bit用于指示HARQ進(jìn)程號(hào)，這里3 bit是由于并行HARQ進(jìn)程數(shù)為8個(gè)。如圖3所示，第一次傳輸在CC B(成員載波B)上，對(duì)應(yīng)B的8個(gè)HARQ進(jìn)程(B,0～B,7)中的(B,4)。假設(shè)校驗(yàn)失敗，發(fā)生重傳，在固定映射模式下，重傳仍然選擇CC B，同時(shí)對(duì)應(yīng)HARQ進(jìn)程(B,4)。圖中的HPN表示HARQ進(jìn)程號(hào)。

(2)可變映射:HARQ進(jìn)程設(shè)置與DL/UL成員載波靈活地映射[2-3]。它允許跨成員載波的重傳，可以獲得更高的頻率分集增益和成員載波間靈活的調(diào)度增益。但是，每個(gè)成員載波需要附加「log2n?bit來(lái)指示HARQ進(jìn)程對(duì)應(yīng)的成員載波序號(hào)。因此，需要的開(kāi)銷(xiāo)更大。在可變映射模式下，假設(shè)第一次傳輸在CC B上,則對(duì)應(yīng)HARQ進(jìn)程(B,4)。如果校驗(yàn)失敗，發(fā)生重傳，則需要計(jì)算最佳的成員載波，可以通過(guò)比較不同成員載波的信道質(zhì)量等因素，將重傳調(diào)度到新的成員載波上，如圖4所示，重傳調(diào)度到CC C上，對(duì)應(yīng)的HARQ進(jìn)程仍然是(B,4)。

3 減少反饋量的排序HARQ進(jìn)程映射

[3]說(shuō)明了可變映射可以利用不同成員載波的信道特性，在重傳數(shù)據(jù)時(shí)獲得更大的增益，但是同時(shí)它也帶來(lái)了更大的開(kāi)銷(xiāo)。因此，如何在利用不同成員載波提高性能的同時(shí)，節(jié)省系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，是非常值得關(guān)注的。本文以此為出發(fā)點(diǎn)，在可變映射的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)仿真證實(shí)了方案的有效性，可以在保證提高系統(tǒng)性能的前提下，有效節(jié)省開(kāi)銷(xiāo)。

3.1 方案基本原理

排序的思想在一定范圍內(nèi)有助于減少反饋量，在此基礎(chǔ)上，對(duì)可變映射進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了能夠減少反饋量的排序映射機(jī)制，其基本思想是:用1比特指示是否改變成員載波，n比特指示最佳成員載波相對(duì)當(dāng)前成員載波的順序改變量，如果順序選擇的下一個(gè)成員載波質(zhì)量不是最佳，則繼續(xù)向再下一個(gè)成員載波跳變，調(diào)整到更好的成員載波上面，如果沒(méi)有更好的，則不去調(diào)整。n的使用比特?cái)?shù)可以根據(jù)系統(tǒng)需求動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。比如n=2時(shí)，若1比特指示為1,則n的取值為00,表示重傳數(shù)據(jù)調(diào)整到下一個(gè)成員載波上傳輸;n的取值為01,表示調(diào)整到再下一個(gè)上，以此類(lèi)推。而如果1比特指示為0，則n=2比特不用，可以節(jié)省下來(lái)給系統(tǒng)做其他用途，如增加CQI反饋等，這樣就節(jié)省了反饋量。圖5是方案的流程圖。

其中，P是用戶(hù)使用的子載波的數(shù)目,SINRp是第P個(gè)子載波的信號(hào)干擾噪聲比，β是尺度因子，可以根據(jù)碼率查表得到。EESM算法最初提出是用于OFDM系統(tǒng)信道質(zhì)量的等效，在MIMO系統(tǒng)中，還要對(duì)不同天線(xiàn)進(jìn)行等效[5]。

得到不同成員載波的信道質(zhì)量后，即可進(jìn)行比較判斷。如果沒(méi)有其他成員載波優(yōu)于本次傳輸所在的成員載波，則不進(jìn)行調(diào)整；反之，進(jìn)行尋優(yōu)和指示。

3.2 1+n比特排序指示

1+n比特排序指示，可以在保證性能的前提下節(jié)省部分反饋。1比特作為是否進(jìn)行成員載波調(diào)整的指示；n比特作為具體調(diào)整結(jié)果的指示，采用排序的方式。當(dāng)判斷有其他成員載波優(yōu)于當(dāng)前成員載波時(shí)，1比特指示為1，通過(guò)n比特進(jìn)行排序指示。當(dāng)前面判斷當(dāng)前成員載波已經(jīng)最優(yōu)時(shí)，則不需要調(diào)整成員載波，1比特指示為0，n比特節(jié)省下來(lái)，由系統(tǒng)安排其他用途。

如圖6所示，假設(shè)初次傳輸采用成員載波CC B，對(duì)

不同成員載波的信道質(zhì)量通過(guò)指數(shù)有效信噪比映射(EESM)算法[4]得到，該方法可以將MIMO-OFDM系統(tǒng)子載波的信道質(zhì)量映射到單一SINR上，其等效公式由式(1)給出。應(yīng)HARQ進(jìn)程(B,4)。如果發(fā)生重傳，若n為1比特，則令n=0對(duì)應(yīng)成員載波CC C，n=1對(duì)應(yīng)成員載波CC D，CC A忽略。若n為2比特，令n=00對(duì)應(yīng)成員載波CC C，n=01對(duì)應(yīng)成員載波CC D，n=10對(duì)應(yīng)成員載波CC A。具體存在的幾種情況如表1所示，假設(shè)初始傳輸發(fā)生在成員載波B上。

表1 n取1比特發(fā)生重傳時(shí)n的排序指示

表1和表2介紹了n比特排序?qū)?yīng)的具體規(guī)律。假設(shè)初始傳輸在成員載波B上，n為1比特具有兩個(gè)狀態(tài):當(dāng)成員載波為3個(gè)(ABC)時(shí)，可以指示除B外的其他兩個(gè)成員載波，性能與可變映射相同，在發(fā)生重傳時(shí)如果需要調(diào)整成員載波則開(kāi)銷(xiāo)和可變映射同樣為2比特，但是如果重傳不需要調(diào)整成員載波，則不需要指示調(diào)整到哪個(gè)成員載波上去，節(jié)省了1比特。雖然1比特不多，但這樣的情況在所有重傳中是占有一定比例的，所以節(jié)省是有意義的。當(dāng)成員載波為4個(gè)時(shí)，n為1比特將忽略一個(gè)成員載波，n為2比特時(shí)將浪費(fèi)n的一種狀態(tài)，而通過(guò)仿真，四個(gè)成員載波時(shí)忽略其中一個(gè)可以達(dá)到優(yōu)于固定映射而接近可變映射四個(gè)成員載波的效果，所以n只需一個(gè)比特，加上1比特指示，與Log24=2同樣是2比特,但利用傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中出現(xiàn)的不調(diào)整成員載波狀態(tài)，可以節(jié)省一些比特。對(duì)于上行信道來(lái)說(shuō)，這些比特具有非常重要的意義，而仿真表明不調(diào)整成員載波的狀態(tài)在所有重傳中占有一定的比重。當(dāng)成員載波為5個(gè)(ABCDE)時(shí)，n為2比特，共3比特指示與可變映射相同，但可以節(jié)省部分比特。當(dāng)成員載波為6個(gè)(ABCDEF)時(shí)，忽略其中1個(gè)成員載波，n為2。值得注意的是，忽略的成員載波在每次重傳時(shí)不一定是固定的，因?yàn)樯洗沃貍骺赡苓x擇的成員載波是不固定的，這樣順序選擇時(shí)忽略的也不固定?？紤]系統(tǒng)的復(fù)雜度，成員載波數(shù)大于6時(shí)的開(kāi)銷(xiāo)很大，所以暫不分析。另外成員載波數(shù)為2，不需要1+n，只要1比特即可。

表2 n取2比特發(fā)生重傳時(shí)n的排序指示

4 仿真分析

在Matlab2009上按照表3給出的條件,進(jìn)行了HARQ映射方案的性能仿真。主要考慮了誤塊率(BLER)和平均傳輸次數(shù)的曲線(xiàn)，以及改進(jìn)方案的節(jié)省比特情況。發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)的信道具有信噪比從低到高的變化。每次出錯(cuò)重發(fā)時(shí)，該方案按照流程，首先比較成員載波的信道質(zhì)量，如果有更好的成員載波，利用1+n比特順序指示，控制重傳調(diào)整到新的成員載波上。

表3 仿真條件

圖7對(duì)固定映射、可變映射和本文改進(jìn)方案的誤塊率性能進(jìn)行了比較，成員載波數(shù)設(shè)置為4，n取1比特，反饋開(kāi)銷(xiāo)為2比特，與可變映射相同。仿真表明,改進(jìn)方案可以得到優(yōu)于固定映射、接近可變映射方案的性能，由于重傳時(shí)才發(fā)生成員載波的映射調(diào)整，所以性能改善集中在低信噪比的區(qū)間。同時(shí)改進(jìn)方案可以利用1比特指示沒(méi)有發(fā)生成員載波調(diào)制的情況，節(jié)省這些情況下的n比特。對(duì)成員載波數(shù)為3和5的情況，n分別取1比特和2比特，性能顯然和可變映射相同，因?yàn)樗衅渌蓡T載波都可以通過(guò)n來(lái)指示。同樣,可以節(jié)省一部分比特反饋。

圖8比較了固定映射、可變映射和本文改進(jìn)方案三者的重傳次數(shù)性能，改進(jìn)方案的重傳次數(shù)在1+1比特指示4個(gè)成員載波的情況可以基本達(dá)到可變映射的性能，同樣由于重傳時(shí)才發(fā)生成員載波的映射調(diào)整，所以性能改善集中在低信噪比的區(qū)間。圖9是對(duì)改進(jìn)方案的比特節(jié)省情況的統(tǒng)計(jì)，這是可變映射沒(méi)有達(dá)到的。從圖9可以看到，在低信噪比的區(qū)間，重傳次數(shù)較多，而這些重傳中，有不小的比例存在映射不變的情況，也就是成員載波不需要調(diào)整。這些情況下，利用1比特指示設(shè)置為0，就可以將每次傳輸?shù)膎(這里為1)比特節(jié)省下來(lái)，或者用作其他用途。仿真及分析證實(shí)了性能同樣可以得到提升。綜合以上分析，改進(jìn)方案可以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，即提高系統(tǒng)性能的同時(shí)，減少系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)。

參考文獻(xiàn)

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