LTE-A終端HARQ機(jī)制的實現(xiàn)與測試*

［張涵嫣 方一鳴］

LTE-A終端HARQ機(jī)制的實現(xiàn)與測試*

［張涵嫣 方一鳴］

為了盡可能地保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，LTE-A系統(tǒng)采用RLC層ARQ機(jī)制與MAC層HARQ機(jī)制進(jìn)行雙重保障。相比ARQ的簡單重傳，HARQ的混合自動重傳以及軟合并機(jī)制對可靠性的保障更優(yōu)。文章從LTE-A協(xié)議出發(fā)對終端HARQ過程進(jìn)行深入分析，并結(jié)合測試用例設(shè)計了RRM一致性測試平臺與測試方案，在設(shè)計的平臺下進(jìn)行測試，最后對測試結(jié)果進(jìn)行分析，證明本文設(shè)計的終端HARQ機(jī)制的正確與穩(wěn)定，滿足協(xié)議的要求。

LTE-A MAC HARQ RRM一致性測試

張涵嫣

重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，碩士研究生，主要研究方向：LTE高層協(xié)議棧。

方一鳴

重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，碩士研究生，研究方向：LTE協(xié)議棧的開發(fā)與測試。

1　引言

運(yùn)營商從2009年開始投入LTE商用網(wǎng)絡(luò)，LTE用戶飛速增長，現(xiàn)在已經(jīng)超越10億人。而LTE-A是LTE的一種增強(qiáng)版本，LTE-A使用載波聚合（Carrier Aggregation，CA）技術(shù)提高系統(tǒng)帶寬和增加系統(tǒng)容量，使用高階多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）增加用戶吞吐量，使用無線中繼技術(shù)減小信號傳輸距離，從而有效提高通信質(zhì)量和邊緣用戶性能［1］。同時在復(fù)雜的無線通信中，時變性和信號的多普勒頻移等都可能導(dǎo)致信號失真［2］，為了能夠盡可能正確地傳輸數(shù)據(jù)，需要重傳沒有被正確解碼的數(shù)據(jù)。LTE-A系統(tǒng)有兩級重傳機(jī)制：MAC （Medium Access Control，媒體接入控制）層HARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest，混合自動重傳請求）技術(shù)和RLC層的ARQ（Automatic Repeat Request，自動重傳請求機(jī)制）。所以HARQ機(jī)制是保障無線通信可靠性的至關(guān)重要的一步。

2　上行HARQ基本過程

LTE-A系統(tǒng)上行HARQ在時域上采用同步的HARQ［3］，數(shù)據(jù)重傳和HARQ反饋都在規(guī)定子幀進(jìn)行。在頻域上一方面為了節(jié)省上行資源，采用非自適應(yīng)傳輸，數(shù)據(jù)重傳使用上次傳輸?shù)馁Y源和調(diào)制解調(diào)方式，另一方面，為了保持資源調(diào)度的靈活性，也使用自適應(yīng)重傳避免信息發(fā)生碰撞。由終端發(fā)起的上行傳輸如圖1。

圖1　上行HARQ傳輸

上行HARQ過程通過上行資源授權(quán)、下行ACK/ NACK、新數(shù)據(jù)指示（New Data Indication，NDI）和上行數(shù)據(jù)重傳來完成的。下面詳細(xì)介紹上行HARQ傳輸過程。

①上行數(shù)據(jù)傳輸必須有上行資源，網(wǎng)絡(luò)端發(fā)送上行鏈路授權(quán)給終端分配上行資源。上行授權(quán)的發(fā)送有兩種方式，一種是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)端接收到上行隨機(jī)接入請求時，在消息2中會分配上行資源給終端用來發(fā)送Msg3；另一種是在連接狀態(tài)下，終端有數(shù)據(jù)要發(fā)送而沒有資源時，發(fā)送調(diào)度請求給網(wǎng)絡(luò)端來請求上行資源，網(wǎng)絡(luò)端接收到調(diào)度請求或者緩存狀態(tài)報告之后，根據(jù)終端需要發(fā)送上行授權(quán)UL-Grant。終端接收到上行授權(quán)以后標(biāo)識應(yīng)該被處理的HARQ進(jìn)程，并將上行授權(quán)、HARQ反饋、調(diào)制解調(diào)方式等保存在該HARQ進(jìn)程中，然后在分配的資源上發(fā)送上行數(shù)據(jù)。如果是非自適應(yīng)傳輸，終端不需要上行授權(quán)直接在上次傳輸?shù)馁Y源上發(fā)送重傳數(shù)據(jù)。

圖2為上行HARQ過程數(shù)據(jù)發(fā)送流程。

②處理中的HARQ進(jìn)程接收到上行授權(quán)和相關(guān)的HARQ參數(shù)信息之后，會在發(fā)送數(shù)據(jù)之前判斷是新傳還是重傳數(shù)據(jù)，如果上行授權(quán)不是用TC_RNTI加擾，并且NDI相對于上次有翻轉(zhuǎn)，或者進(jìn)程緩存是空的，或者是隨機(jī)接入響應(yīng)中的上行授權(quán)，則終端發(fā)送新數(shù)據(jù)。否則，終端非自適應(yīng)重傳數(shù)據(jù)。

③網(wǎng)絡(luò)端收到終端數(shù)據(jù)后，物理層通過循環(huán)冗余校驗碼（Cyclic Redundancy Code，CRC）對接收數(shù)據(jù)解碼，如果解碼正確，向終端反饋ACK，同時翻轉(zhuǎn)新數(shù)據(jù)傳輸指示（New Data Indication，NDI）；如果解碼失敗，向終端反饋NACK。數(shù)據(jù)發(fā)送和反饋都有固定的時序關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)端在規(guī)定的子幀上向終端發(fā)送HARQ反饋。

圖2　上行HARQ流程

④終端接收到HARQ反饋和下行控制信息0（Downlink Control Information0，DCI0）之后，根據(jù)以下原則判斷是重傳數(shù)據(jù)還是新數(shù)據(jù)：（1） 如果終端接收到下行控制信息DCI0，根據(jù)DCI0中字段NDI是否翻轉(zhuǎn)判斷是重傳還是新數(shù)據(jù)，不考慮HARQ反饋；（2） 終端沒有接收到DCI0指示，根據(jù)HARQ反饋來判斷重傳還是新數(shù)據(jù)，如果收到NACK反饋，終端在規(guī)定時頻資源上發(fā)送非自適應(yīng)重傳數(shù)據(jù)，如果收到ACK，為了防止解碼失敗，終端不清空緩存，也不進(jìn)行重傳或者新傳而是等待網(wǎng)絡(luò)端進(jìn)一步指示。上行HARQ的處理方式如表1。

表1　上行HARQ處理

⑤上行HARQ時序保證，HARQ同步指在一個HARQ進(jìn)程中初傳和重傳之間的時間關(guān)系。終端發(fā)送數(shù)據(jù)之后，網(wǎng)絡(luò)端在規(guī)定的子幀上反饋給終端是否解碼成功；終端收到NACK反饋或者NDI指示之后，在規(guī)定子幀進(jìn)行非自適應(yīng)重傳或自適應(yīng)重傳。研究HARQ的時序關(guān)系，有利于代碼實現(xiàn)的正確性。

網(wǎng)絡(luò)端發(fā)送上行授權(quán)或者HARQ反饋后，終端在規(guī)定子幀進(jìn)行HARQ數(shù)據(jù)傳輸，正常模式下，即非TTI綁定，其時序關(guān)系如表2。

表2　TDD配置0-6下的k值

如表2，在TDD1-6情況下，如果UE在子幀n接收到PDCCH中的DCI0指示或者接收到NACK反饋，就在子幀n+k發(fā)送重傳數(shù)據(jù)。k值如表2，例如在TDD1模式下，UE如果在子幀1收到HARQ反饋，由表可知k=6，UE在子幀7發(fā)送重傳。在TDD0配置下，上行子幀數(shù)目大于下行子幀，因此一個下行子幀可能會攜帶2個上行子幀的反饋信息，這種功能用DCI0中字段ULindex實現(xiàn)，用IPHICH區(qū)分不同子幀。TDD0配置下上行子幀4或子幀9的PUSCH數(shù)據(jù)對應(yīng)的IPHICH=1，其他情況IPHICH=0。如果接收到的ULindex最高有效位（Most Significant Bit，MSB）是1，或者在0子幀或5子幀接收到的IPHICH=0，即不是對于子幀4或子幀9的反饋，UE在n+k 子幀發(fā)送對應(yīng)的HARQ數(shù)據(jù)；如果最低有效位（Physical Uplink Shared Channel，LSB）是1，或者在0子幀或5子幀接收到的IPHICH=1，UE在n+7子幀發(fā)送PUSCH數(shù)據(jù)；如果MSB和LSB全部為1，則UE在n+7和n+k 子幀全部都發(fā)送上行數(shù)據(jù)。

UE發(fā)送上行數(shù)據(jù)以后，網(wǎng)絡(luò)端在規(guī)定子幀發(fā)送HARQ反饋，時序關(guān)系如表3。如果網(wǎng)絡(luò)端在子幀k收到上行數(shù)據(jù)，則在k+n 子幀進(jìn)行反饋。

3　功能設(shè)計與測試平臺

3.1 HARQ功能設(shè)計

在實際項目中，終端對于下行HARQ的接收主要由物理層處理，MAC層對失敗次數(shù)疊加，如果重傳達(dá)到最大次數(shù)，MAC層通知物理層丟棄數(shù)據(jù)。對于上行傳輸，

作為發(fā)送端，終端MAC層的處理相對比較復(fù)雜，下面詳細(xì)敘述上行HARQ發(fā)送過程的函數(shù)實現(xiàn)。

表3　kPHICHfor TDD

具體的函數(shù)實現(xiàn)流程如圖3。

圖3　上行HARQ發(fā)送函數(shù)實現(xiàn)

（1） mac05_12MAC_DATA_REQ（T-HeaderInfo *header）

在RLC層發(fā)送數(shù)據(jù)給MAC層之前，使用該函數(shù)向MAC層通知邏輯信道號和數(shù)據(jù)大?。籑AC層收到之后調(diào)用函數(shù)mac05_13createMAC_DATA_IND（），為RLC層邏輯信道分配資源，收到資源以后RLC層將數(shù)據(jù)分段級聯(lián)成RLC SDU，再次通過函數(shù)mac05_12MAC_ DATA_REQ（）將數(shù)據(jù)發(fā)送給MAC層。由此可知，函數(shù)mac05_12MAC_DATA_REQ（）實現(xiàn)了兩種功能。

（2） u16mac05_13createMAC_DATA_IND（）

MAC層根據(jù)網(wǎng)絡(luò)端指示的資源大小來確定RLC層在下一個TTI可發(fā)送的數(shù)據(jù)塊大小，并對RLC層邏輯信道進(jìn)行資源分配，通過原語MAC_DATA_IND將分配結(jié)果通知給RLC層。

（3） u16 mac20_13assemblelyPHY_UL_TASK_ REQ（u16 queId，u16 rachcause， u16 lochttype）

MAC層發(fā)送給物理層的上行數(shù)據(jù)都通過本函數(shù)實現(xiàn)，主要包括隨機(jī)接入狀態(tài)下隨機(jī)接入前導(dǎo)和消息3的組裝發(fā)送以及連接狀態(tài)下用戶數(shù)據(jù)發(fā)送。消息類型通過函數(shù)的三個參數(shù)來區(qū)分，參數(shù)queId表示HARQ進(jìn)程號，如果是隨機(jī)接入前導(dǎo)的發(fā)送此參數(shù)為無效值，rachcause表示隨機(jī)接入是否成功，lochttype參數(shù)表示邏輯信道ID，邏輯信道ID不同，實現(xiàn)的功能不同，主要用于區(qū)分消息類型。

（4） u16 mac20_30assemblelyPHY_DL_RECE_ IND（T_HeaderInfo *header）

物理層通過該函數(shù)將接收到的上行數(shù)據(jù)HARQ反饋通知給MAC層，判斷是新數(shù)據(jù)傳輸或者重傳數(shù)據(jù)。如果是新數(shù)據(jù)則分配新數(shù)據(jù)傳輸子幀號New_send_ subframe［k］.subframe和New_send_subframe［k］.sfn；如果是重傳數(shù)據(jù)，則使用上一次傳輸?shù)臅r域資源。之后通過發(fā)送函數(shù)在分配子幀上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

（5） u16 mac20_13RetransPHY_UL_TASK_ REQ（u16 queId）

使用該函數(shù)實現(xiàn)上行HARQ數(shù)據(jù)重傳。實現(xiàn)步驟如下：

① 申請內(nèi)存，空間大小為H_T_PHY_UL_TASK_REQ。

② 將重傳數(shù)據(jù)打包進(jìn)原語中，并使用上一次傳輸?shù)臅r域資源。

③ 發(fā)送原語至物理層。

3.2 測試平臺

本文使用無線資源管理（RadioResourceManagement，RRM）一致性測試來驗證功能實現(xiàn)的正確性。RRM一致性測試方法是模擬實際通信環(huán)境來測試終端的行為是否符合協(xié)議中的規(guī)定［4］。RRM一致性測試主要包括小區(qū)選擇、小區(qū)重選、傳輸定時提前等。

終端和網(wǎng)絡(luò)端是進(jìn)行相互通信的，終端要按要求完成測試?yán)?，需要通過網(wǎng)絡(luò)端的控制和調(diào)度，本文通過在一致性測試中測試?yán)瓿汕闆r來驗證終端的MAC層功能。

在測試與測試控制第三版（Testing and Test Control Notation version 3，TTCN-3）中編寫測試?yán)?，TTCN-3中規(guī)定了自己的語法結(jié)構(gòu)［5］，這使得能夠更加便捷地編寫測試?yán)?，同時測試?yán)矔右?guī)范，除此之外，TTCN-3還支持使用原語通信，也可以發(fā)送/接收信令，這增加了測試的兼容性和可移植性。

本文采用的RRM一致性測試平臺框架如圖4［6］，整個測試平臺包括PC機(jī)，主控和UE。PC機(jī)中安裝TTCN-3測試軟件，通過網(wǎng)口和主控進(jìn)行UDP通信，TTCN-3信息經(jīng)過主控處理后進(jìn)入LTE-A的系統(tǒng)模擬器［7］，在模擬器中實現(xiàn)了LTE-A網(wǎng)絡(luò)中的各層功能，主控通過無線接口和UE進(jìn)行通信。

圖4　LTE-A RRM一致性測試平臺框架

如圖4，在TTCN-3測試軟件架構(gòu)中的各組件功能如下。

測試管理模塊：實現(xiàn)交互接口并管理測試?yán)\(yùn)行情況；

測試日志模塊：記錄測試?yán)\(yùn)行過程中日志［8］；

編解碼模塊：對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和解碼處理；

TE：執(zhí)行TTCN-3測試套件并解釋；

系統(tǒng)適配器：負(fù)責(zé)測試系統(tǒng)與TE間的交互以及調(diào)用外部函數(shù)；

平臺適配器：負(fù)責(zé)外部函數(shù)的實現(xiàn)以及為TE提供計時器管理。

TTCN-3信息發(fā)送到主控中，根據(jù)指示，主控會改變小區(qū)參數(shù)或者直接將消息傳送給系統(tǒng)模擬器，消息發(fā)送之后主控會反饋給TTCN-3證實消息。系統(tǒng)模擬器實現(xiàn)了協(xié)議棧和物理層的功能，經(jīng)過處理之后，系統(tǒng)模擬器的消息通過主控傳輸給PC機(jī)。系統(tǒng)模擬器中RF是終端和系統(tǒng)模擬器通信使用的射頻接口，發(fā)送由PHY處理過的比特信息串，協(xié)議棧之間用原語通信，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和處理［9］。

4　測試結(jié)果與分析

終端進(jìn)入3A態(tài)以后，網(wǎng)絡(luò)端處于RRC層連接狀態(tài)。在連接狀態(tài)下，UE和網(wǎng)絡(luò)端可以進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)交互，在交互過程中使用Arm Tracer終端追蹤軟件跟蹤DHI原語交互信息。DHI接口顯示了物理層和MAC層之間的信息交互，能夠清晰看出數(shù)據(jù)傳輸和HARQ反饋的信息。通過數(shù)據(jù)交互來驗證HARQ功能。

圖5　HARQ數(shù)據(jù)初次傳輸

如圖5，進(jìn)入到RRC_CONNECTED狀態(tài)后，圖4中選中原語表示上行數(shù)據(jù)發(fā)送，左邊參數(shù)配置中可以看出發(fā)送數(shù)據(jù)的HARQ進(jìn)程號是2，發(fā)送之后等待反饋。進(jìn)程2的HARQ反饋如圖6。

圖6　NACK反饋

從圖6可以看出，終端收到進(jìn)程號為2的HARQ反饋，從字段ackOrNack中數(shù)據(jù)算出反饋的是ACK還是NACK，兩個16進(jìn)制數(shù)據(jù)按位或之后可以得出是0，0代表HARQ反饋了NACK，表示之前發(fā)送數(shù)據(jù)解碼失敗，下一步進(jìn)行數(shù)據(jù)重傳。

圖7　HARQ數(shù)據(jù)重傳

如圖7，收到NACK反饋之后，重新組裝進(jìn)程2數(shù)據(jù)進(jìn)行重傳數(shù)據(jù)發(fā)送。

如圖8，根據(jù)字段ackOrNack可以算出接收ACK反饋，表示接收端解碼成功，進(jìn)程號為2的HARQ進(jìn)程結(jié)束，清空緩存。

MAC層進(jìn)入連接狀態(tài)后消息傳輸和HARQ反饋一直進(jìn)行，通過消息內(nèi)部的參數(shù)變化，可以看出在上行HARQ過程中，發(fā)送和反饋都能正確完成。從而驗證了HARQ流程的正確性。

5　 結(jié)束語

首先介紹了上行HARQ的原理及過程，接著根據(jù)RRM一致性測試的要求，針對LTE-A終端MAC層HARQ機(jī)制設(shè)計了測試?yán)约皽y試平臺，最后在RRM一致性測試平臺上使用TTCN-3核心語言開發(fā)測試?yán)?，對測試?yán)M(jìn)行了實現(xiàn)，驗證了設(shè)計的正確性以及RRM一致性。

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