混合自動請求重傳HARQ研究綜述

何元權

摘 要 混合自動請求重傳技術（HARQ）是HSDPA中的關鍵技術，能夠很好的解決準確，高速下載的難題。文章介紹了混合自動請求重傳技術（HARQ）的算法原理以及當前的研究動態(tài)如RB-HARQ，DDB-HARQ，Chase CombiningHARQ等，對這些HARQ方案進行了分析，并給出了自動請求重傳技術（HARQ）發(fā)展趨勢。

關鍵詞 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）技術是實現(xiàn)提高WCDMA網(wǎng)絡高速下行數(shù)據(jù)速率最為重要的技術，適用于對時延要求不敏感的應用，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。HARQ 技術是 HSDPA 系統(tǒng)中的關鍵技術，它使得 HSDPA 系統(tǒng)獲得更高的吞吐量和更小的時延。

隨著無線通信業(yè)務的發(fā)展，HSDPA在無線通信領域里扮演著越來越關鍵的角色。這主要有幾個方面的原因：一、將來的無線業(yè)務將會是上下性不對稱、突發(fā)性的分組數(shù)據(jù)業(yè)務，例如對移動在線視頻的需求，無線下載業(yè)務的需要，以及現(xiàn)在人們所使用的高清電視，這些業(yè)務對傳輸?shù)馁|量提出了很高的要求。二、無線傳播環(huán)境特別復雜，對接收信號而言，不僅存在各種衰落、移動引起的多普勒平移，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差錯和突發(fā)錯誤，將嚴重影響傳輸質量，HADPA中關鍵技術HARQ能通過碼率調整，能夠既保證時延，又保證傳輸質量，能夠克服以上問題。

隨著對高數(shù)據(jù)率以及高質量業(yè)務的迅速發(fā)展，HARQ成為無線通信系統(tǒng)中的一項關鍵技術并得到了深入的研究，并已經(jīng)應用于3G LTE系統(tǒng)中。本文結構如下，第一節(jié)介紹HARQ的原理，第二節(jié)對相關的HARQ研究情況進行調研，第三節(jié)對相應的HARQ方案進行分析，第四節(jié)給出本文的結論。

2 HARQ原理

HARQ（Hybrid-ARQ）混合自動重傳請求技術，將ARQ技術與FEC（前向糾錯編碼）技術完美的結合起來。信息在傳輸?shù)倪^程中，由于不可避免的噪聲干擾的影響，在接收端都會出現(xiàn)一些信息錯誤的情況，而ARQ雖然可以保證得到較高的準確率，但是當信道條件惡劣，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)，前向糾錯編碼（FEC）能夠對錯誤的碼字進行差錯保護，并且糾正錯誤的碼字，使得信息在信道中得到很好的保護，但是FEC并沒有反饋機制，只是一種盡力而為的信息保護方式，不能充分的保證信息傳輸?shù)恼_率，因此 ARQ和FEC的有效結合不僅提供了比單獨的FEC系統(tǒng)更高的可靠性，而且提供了比單獨的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制，隨著HARQ應用越來越廣泛，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請求重傳（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，接收端接收并進行譯碼和校驗，當判斷有錯，則對接收到的數(shù)據(jù)的可靠度進行判定，當數(shù)據(jù)的可靠度低于門限值，則將這些數(shù)據(jù)的位置進行反饋，發(fā)送端進行重傳，因此如何選擇合適的門限值在RB-HARQ中顯的尤為重要，同時因為反饋發(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)進行重發(fā)，知道接收ACK或者達到最大重發(fā)次數(shù)。經(jīng)過分析，該類HARQ由于反饋數(shù)據(jù)較為復雜和龐大，因此反饋時延比較長，實現(xiàn)也較為復雜，同時，由于反饋的比特位置信息與譯碼正確與否關系很大，因此現(xiàn)在的研究重點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)送整個幀，當收到來自接收端的NACK時，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)不一樣來進行選取，因此該HARQ方案選用不規(guī)則LDPC來進行描述，如圖3所示。

3.3 Chase Combining HARQ

Chase Combining HARQ：由科學家Chase在1985年提出的一種HARQ方式，因此被命名為Chase Combining HARQ[4，5]。當接收端校驗錯誤，反饋（NACK）信號給發(fā)送端，并將接收的數(shù)據(jù)進行存儲，發(fā)送端接收到NACK，重發(fā)與上一幀相同的數(shù)據(jù)包，接收端對當前接收到的數(shù)據(jù)包與上一次接收到的數(shù)據(jù)包進行合并，再對合并后的數(shù)據(jù)包進行譯碼，判斷數(shù)據(jù)包是否正確。Chase Combining由以前的單一調制方式，轉變成采用不同的調制方式來實現(xiàn)對編碼比特的保護重傳，由于這種方法實現(xiàn)簡單，無需再次編碼，同時接收方譯碼器的復雜度不高，這已經(jīng)得到了廣泛的應用，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)錯誤，向發(fā)送端反饋（NACK），同時錯誤的幀不被丟棄而是存儲在接收端，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較低碼率的碼字進行譯碼，重發(fā)幀和已發(fā)數(shù)據(jù)幀的內容是不一樣的，如圖5所示。

3.5 PIR-HARQ

PIR-HARQ部分遞增冗余（Partial Incremental Redundancy HARQ）[8]，發(fā)送端對所要傳送的信息進行編碼，并進行發(fā)送，當接收端發(fā)現(xiàn)錯誤，反饋NACK，錯誤的數(shù)據(jù)包并不被丟棄，而是存儲在接收端，發(fā)送方重新對信息比特中的部分信息進行編碼，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行自我譯碼或者與先前發(fā)送的編碼后信息進行合并譯碼，從而達到正確譯碼的目的，如圖6所示。

4 HARQ調研總結

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相關，反饋重傳的位置點越重要，就越能正確譯碼，因此尋找一個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，當信道條件較好時，門限值不能選的太高，重傳比特過多，會造成信道資源的浪費，當信道條件較差時，門限值不能選的太小，重傳比特過少，極有可能導致譯碼不成功，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)進行合并譯碼，因此在發(fā)送端和接收端。相關的復雜度都會上升。Chase Combining HARQ方法簡單，但是因為每次重傳分組都是先前傳輸?shù)姆纸M，不能提高信道帶寬的利用率，當信道條件較差時，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)對應不同的調制解調方式，因此，盡管編譯碼的復雜度較為簡單，但是調制，解調的復雜度也上升。PIR-HARQ由于重傳冗余比特能夠進行單獨的解碼，因此發(fā)送端，接收端需要多個編碼器，譯碼器，使得編譯碼相對應，在實現(xiàn)過程中，不光增加了復雜度，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，同時也能提高信道的利用率，同時發(fā)送，接送端只需要一個編碼，譯碼器，便能進行編譯碼，降低了系統(tǒng)復雜度。在現(xiàn)有的HARQ方案中，得到應用的是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量，增加吞吐量。

5 結論

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

HARQ以縮短正確接受時延，增加系統(tǒng)吞吐量，保證傳輸服務質量為目標，為解決這些問題進行了一系列的研究，其中以IR-HARQ和Chase Combining HARQ得到了應用，隨著對無線下載需求業(yè)務的增大，會有越來越多的HARQ方案會被采用到這些無線業(yè)務。因此，HARQ具有廣闊的應用前景，具有深遠的研究價值。

參 考 文 獻

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