5G系統(tǒng)中無線鏈路控制層ARQ機(jī)制的研究及算法優(yōu)化

程渝，程方，張冰瑩，鄧炳光

（重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院 通信網(wǎng)與測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065）

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量需求越來越高，以5G為基礎(chǔ)的新一代信息技術(shù)，將為移動(dòng)通信帶來全新的發(fā)展，但同時(shí)也對移動(dòng)通信技術(shù)提出了速度更快、效率更高的新要求[1-2]。與4G相比，5G頻譜效率提高5～10倍，端時(shí)延縮小至原來的1 10，用戶數(shù)據(jù)速率提升10～100倍[3-5]。無線鏈路控制（Radio Link Control，RLC）層位于5G協(xié)議棧中間，是重要的數(shù)據(jù)處理子層，高效率的數(shù)據(jù)傳輸和重傳方案將對5G研究有著至關(guān)重要的意義。

自動(dòng)重傳請求（Automatic Repeat Request，ARQ）在保證數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)耐瑫r(shí)，也帶來了時(shí)延、低吞吐的問題。文獻(xiàn)[6-7]對LTE ARQ機(jī)制做了模塊化功能實(shí)現(xiàn)；文獻(xiàn)[8]提出一種基于SFGs的堆疊式ARQ流程模型，降低了重傳時(shí)延但實(shí)用性低；文獻(xiàn)[9]基于媒體接入控制（Medium Access Control，MAC）層的調(diào)度和復(fù)用提出一種ARQ重傳機(jī)制資源重分配的復(fù)用方案，提高了實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的吞吐量，但不適用于5G系統(tǒng)，5G無線鏈路控制層去除級聯(lián)功能；文獻(xiàn)[10]提出將RLC和MAC層聯(lián)合優(yōu)化，有利于重傳時(shí)延和緩沖區(qū)內(nèi)存的減小，但當(dāng)信道質(zhì)量不好時(shí)，會持續(xù)重發(fā)同一數(shù)據(jù)導(dǎo)致鏈路重建。以上算法均沒有解決5G系統(tǒng)ARQ機(jī)制資源浪費(fèi)和時(shí)延問題，因此，本文提出一種適用于5G系統(tǒng)的改進(jìn)型ARQ機(jī)制。

1 ARQ機(jī)制研究

1.1 5G系統(tǒng)協(xié)議棧簡介

NR協(xié)議棧架構(gòu)總體可以概括為“三層兩面”：三層，即層1物理層，層2數(shù)據(jù)鏈路層，層3網(wǎng)絡(luò)層；兩面，即控制平面和用戶平面[11]。NR協(xié)議?？刂破矫婕軜?gòu)和用戶平面架構(gòu)如圖1和圖2所示，控制平面在用戶平面上增加非接入層（Non-Access Stratum，NAS）、無線資源控制（Radio Resource Control，RRC）層，其余協(xié)議架構(gòu)和功能基本一致。

圖1 NR協(xié)議?？刂破矫婕軜?gòu)

圖2 NR協(xié)議棧用戶平面架構(gòu)

1.2 RLC協(xié)議研究

NR協(xié)議棧的控制面和用戶面都有RLC子層，位于PDCP層之下、MAC層之上，主要負(fù)責(zé)信令和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的分組、重組、重復(fù)檢測以及重傳，然后將數(shù)據(jù)包正確地交付給對等端的RLC實(shí)體[12-13]。RLC子層一共有三種模式：透傳模式（Transparent Mode，TM）、非確認(rèn)模式（Unacknowledged Mode，UM）和AM模式。三種模式分別對應(yīng)三種不同功能的實(shí)體：TM實(shí)體、UM實(shí)體、AM實(shí)體，根據(jù)實(shí)際功能將TM實(shí)體和UM實(shí)體劃分為發(fā)送實(shí)體和接收實(shí)體，AM實(shí)體功能最強(qiáng)大，同一個(gè)AM實(shí)體兼容收發(fā)功能，負(fù)責(zé)重傳機(jī)制和狀態(tài)報(bào)告之間的信息交互。RLC層實(shí)體功能架構(gòu)如圖3所示。

圖3 RLC層實(shí)體功能架構(gòu)

與4G相比，在UM傳輸模式下，不再固定序列號長度，由RRC層根據(jù)無線資源條件動(dòng)態(tài)配置序列號為6 bit或12 bit，增加了序列號的比特位數(shù)。另外，當(dāng)上層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元映射到RLC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Protocol Data Unit，PDU）時(shí)，不再采用原來4G的級聯(lián)功能，因此RLC PDU僅包含一個(gè)完整的SDU或SDU分段，降低RLC實(shí)體接收端的復(fù)雜度。同時(shí)，5G中RLC實(shí)體將RLC SDU組裝成RLC PDU時(shí)無需等待MAC指示傳輸機(jī)會，僅在MAC指示傳輸機(jī)會時(shí)將RLC PDU傳遞給低層，減小數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。

1.3 ARQ機(jī)制重傳原理

AM模式通過ARQ機(jī)制保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?。ARQ技術(shù)的關(guān)鍵是輪詢、狀態(tài)報(bào)告和重傳。AM模式下ARQ機(jī)制的基本流程如下：AM發(fā)送實(shí)體，根據(jù)MAC資源調(diào)度指示對SDU分段組成RLC PDU并發(fā)至AM對等接收實(shí)體，滿足一定條件啟動(dòng)輪詢機(jī)制，接收AM RLC實(shí)體使用滑動(dòng)重組窗口按序接收PDU，并統(tǒng)計(jì)接收情況，基于接收結(jié)果組裝狀態(tài)報(bào)告發(fā)至AM發(fā)送實(shí)體。AM發(fā)送實(shí)體解析狀態(tài)報(bào)告，將已正確接收的PDU從備份緩存區(qū)刪除并傳輸后續(xù)數(shù)據(jù)，重傳未被正確接收的AMD PDU，保證接收AM RLC實(shí)體能夠正確且完整地接收到每一個(gè)AMD PDU。三種情況可以觸發(fā)輪詢事件：發(fā)送端的緩存區(qū)為空；RLC PDU的發(fā)送數(shù)達(dá)到閾值；AM發(fā)送實(shí)體將輪詢命令發(fā)送給對等實(shí)體。

ARQ機(jī)制狀態(tài)報(bào)告使用RLC STATUS PDU格式，由STATUS PDU有效載荷和RLC控制PDU報(bào)頭組成，12 bit SN的STATUS PDU結(jié) 構(gòu) 如 圖4所 示。RLC控 制PDU報(bào)頭由D/C和CPT字段組成。STATUS PDU有效載荷從RLC控制PDU報(bào)頭之后的第一個(gè)比特開始，它由一個(gè)ACK_SN和一個(gè)E1，零個(gè)或多個(gè)NACK_SN、E1、E2和E3組成；可能還有一對SOstart和SOend或者包含NACK范圍字段的NACK_SN組成。

圖4 12 bit SN的STATUS PDU結(jié)構(gòu)

2 一種改進(jìn)型ARQ重傳方案

ARQ機(jī)制保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃裕c此同時(shí)高延時(shí)和低吞吐也在重傳中引入，降低了系統(tǒng)的吞吐率和效率。MAC層的HARQ機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)傳輸塊（Transport Block，TB）的快速重傳，但HARQ重傳次數(shù)到達(dá)閾值則丟棄重傳失敗的TB，由RLC負(fù)責(zé)再次重傳，但AM實(shí)體無法知道哪些TB的哪些PDU丟失，所以只有等待對等實(shí)體發(fā)送狀態(tài)報(bào)告再重發(fā)。如若在信道質(zhì)量好的情況下，MAC層HARQ過程已知傳輸結(jié)果，并向RLC反饋關(guān)于每個(gè)PDU的應(yīng)答，RLC層由此重傳或者提前釋放重傳緩沖區(qū)內(nèi)的PDU。

因此，本文基于無線信道質(zhì)量提出一種改進(jìn)型重傳機(jī)制，通過對信道系數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測和信道系數(shù)自適應(yīng)判斷重傳請求條件，從而重傳或者新傳，可以提高通信系統(tǒng)的吞吐率，降低時(shí)延，具體步驟如下：

步驟1：發(fā)送端設(shè)定信道系數(shù)門限hTH。

步驟2：AM發(fā)送實(shí)體根據(jù)MAC層調(diào)度結(jié)果組好數(shù)據(jù)包，設(shè)置輪詢條件后發(fā)送數(shù)據(jù)至對等實(shí)體，并將數(shù)據(jù)備份。

步驟3：物理層實(shí)時(shí)信道估計(jì)發(fā)送信道系數(shù)的幅度，并與hTH做比較。

步驟4：當(dāng)信道系數(shù)幅度＜hTH，對等AM接收實(shí)體組裝狀態(tài)報(bào)告并反饋至發(fā)送實(shí)體；當(dāng)信道系數(shù)幅度≥hTH，除了對等實(shí)體發(fā)送狀態(tài)報(bào)告外，基于MAC層的HARQ機(jī)制針對每個(gè)PDU反饋1 bit的肯定應(yīng)答或否定應(yīng)答。

步驟5：發(fā)送端接收對等實(shí)體或MAC層應(yīng)答，解析應(yīng)答后重傳或發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)，其中，發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)順序：Status PDU→重傳PDU→HARQ NACK的PDU→新傳PDU→Poll PDU。

2.1 信道系數(shù)閾值確定

基于接收端的最小平均接收誤比特率確定系統(tǒng)hTH，物理層動(dòng)態(tài)做信道估計(jì)，基于物理層的反饋可得參數(shù)：信道系數(shù)h，瑞利衰落信道系數(shù)的方差2σ2，AWGN雙邊功率譜密度N02。信噪比的定義為符號能量和AWGN功率譜密度的比值：

式中Eb,T是每比特發(fā)送的能量，并不計(jì)入重傳所需的能量。而有效接收每比特所需的發(fā)送能量實(shí)為Eb=E[L]Eb,T，其中，E[L]是平均傳輸次數(shù)。在系統(tǒng)實(shí)際傳輸中，有效信噪比的計(jì)算公式為：

假設(shè)通信系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)理想信道估計(jì)，則當(dāng)信道系數(shù)為h時(shí)，AM接收實(shí)體數(shù)據(jù)瞬時(shí)誤比特率為：

式中：erfc為高斯誤差函數(shù)，表示比特誤碼事件；常數(shù)α由調(diào)制方式?jīng)Q定。自動(dòng)重傳請求方法接收端接收幀的誤比特率表示為：

在中高信噪比時(shí)，式（4）可近似為：

式中：ρ= ||hTH22σ2為歸一化信道系數(shù)門限；γ為考慮重傳能量的有效信噪比。

由此可以得到最小化平均接收誤比特率的最佳門限值為：

在瑞利衰落信道下，將信道門限系數(shù)分別設(shè)置為式（6）、0.5σ和2σ，分析計(jì)算接收端平均誤比特率，如圖5所示。

圖5 基于信道系數(shù)門限的誤碼率仿真對比

2.2 AM實(shí)體數(shù)據(jù)發(fā)送方案設(shè)計(jì)

AM實(shí)體數(shù)據(jù)發(fā)送方案設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 AM實(shí)體數(shù)據(jù)發(fā)送方案設(shè)計(jì)

AM發(fā)送實(shí)體接收來自PDCP的PDU，基于PDU的數(shù)據(jù)情況添加RLC報(bào)頭結(jié)構(gòu)后放入緩存，然后根據(jù)MAC的調(diào)度信息對PDU進(jìn)行分段、更新RLC報(bào)頭結(jié)構(gòu)以及備份后發(fā)送，同時(shí)啟動(dòng)輪詢機(jī)制，若滿足輪詢條件，則向?qū)Φ葘?shí)體請求發(fā)送狀態(tài)報(bào)告或者向MAC請求HARQ反饋應(yīng)答。AM發(fā)送實(shí)體收到對等實(shí)體的狀態(tài)報(bào)告或MAC層的反饋應(yīng)答解析后，重傳未被正確接收或者錯(cuò)誤接收的數(shù)據(jù)，刪除已被正確接收的數(shù)據(jù)備份并新傳后續(xù)數(shù)據(jù)。

2.3 AM實(shí)體數(shù)據(jù)接收方案設(shè)計(jì)

AM實(shí)體數(shù)據(jù)接收方案設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 AM實(shí)體數(shù)據(jù)接收方案設(shè)計(jì)

AM接收實(shí)體收到來自MAC的數(shù)據(jù)，首先解析數(shù)據(jù)，檢測是否有重復(fù)接收的數(shù)據(jù)，重復(fù)則丟棄，否則啟動(dòng)滑動(dòng)重組窗口接收數(shù)據(jù)，待同一SN數(shù)據(jù)包完整接收重組后遞交給上層，同時(shí)構(gòu)造狀態(tài)報(bào)告說明接收和未接收的數(shù)據(jù)情況并發(fā)至對等實(shí)體。

2.4 基于HARQ反饋的重傳方案設(shè)計(jì)

當(dāng)信道系數(shù)幅度≥hTH時(shí)，AM發(fā)送實(shí)體輪詢后能夠接收來自MAC的應(yīng)答，基于HARQ反饋的AM實(shí)體數(shù)據(jù)重傳方案設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 基于HARQ反饋的重傳方案設(shè)計(jì)

由于ARQ重傳比HARQ重傳涉及的協(xié)議層次更高，所以時(shí)延也就更大。為了減少重傳時(shí)延，HARQ成功或者失敗后，MAC層可以通過向RLC層發(fā)送與每個(gè)SN相關(guān)聯(lián)的1 bit ACK或 者NACK通 知RLC層進(jìn)行ARQ重傳或者新傳，此時(shí)不需要等待對等實(shí)體的狀態(tài)報(bào)告。HARQ機(jī)制也包括新傳和重傳。若重傳超過最大重傳次數(shù)，則HARQ傳輸失??；若RLC層需要重傳，則根據(jù)下層分配的資源判斷是否對數(shù)據(jù)進(jìn)行重分段；若RLC進(jìn)行新傳，提前釋放重傳緩沖區(qū)內(nèi)的備份RLC PDU，根據(jù)下層指示分段繼續(xù)傳輸新數(shù)據(jù)；若此時(shí)AM接收到對等實(shí)體的狀態(tài)報(bào)告，則按照步驟5的數(shù)據(jù)發(fā)送順序首先解析狀態(tài)報(bào)告然后再處理HARQ的反饋應(yīng)答。

3 性能仿真與分析

3.1 時(shí)延分析

假設(shè)RLC PDU長度固定且不分段，上層連續(xù)發(fā)送固定數(shù)量PDU，如若錯(cuò)誤重傳則重傳對應(yīng)未收到的PDU。調(diào)用隨機(jī)函數(shù)隨機(jī)產(chǎn)生誤碼率模擬信道系數(shù)，記錄兩種機(jī)制下重傳該P(yáng)DU的時(shí)間。傳統(tǒng)ARQ方案和改進(jìn)方案的平均時(shí)延對比如圖9所示，其中平均時(shí)延表示RLC實(shí)體發(fā)送PDU與該P(yáng)DU重傳間隔的平均取值，單位為ms。

圖9 傳統(tǒng)ARQ方案和改進(jìn)方案的平均時(shí)延對比

從圖9可以看出，隨著誤碼率的增大，傳統(tǒng)ARQ機(jī)制時(shí)延增大，優(yōu)化ARQ算法重傳時(shí)延趨于穩(wěn)定。傳統(tǒng)ARQ機(jī)制只能等到對等實(shí)體接收PDU組裝狀態(tài)報(bào)告后才能重傳，其平均時(shí)延較大，優(yōu)化的ARQ機(jī)制則在HARQ失敗后直接重傳，明顯縮短了重傳時(shí)延，提高了系統(tǒng)效率。

3.2 吞吐率分析

假設(shè)RLC PDU長度固定且不分段，誤碼率設(shè)置為0，每個(gè)PDU都能正確傳輸?shù)綄Χ?，依次輸?～50個(gè)PDU記錄系統(tǒng)的平均吞吐量，發(fā)送最后一個(gè)RLC PDU時(shí)同時(shí)啟動(dòng)輪詢。傳統(tǒng)ARQ方案和改進(jìn)方案的吞吐率對比如圖10所示，其中吞吐率表示系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)成功交付數(shù)據(jù)的平均速率，單位為b/s。

圖10 傳統(tǒng)ARQ方案和改進(jìn)方案的吞吐率對比

從圖10可以看出，隨著傳輸PDU數(shù)量的增大，傳統(tǒng)ARQ機(jī)制和優(yōu)化ARQ機(jī)制的吞吐量都增大，但是優(yōu)化ARQ算法的吞吐率更高。可以看出，優(yōu)化的ARQ機(jī)制在接收到來自MAC層的反饋機(jī)制后可以提前重傳或新傳，縮短了等待時(shí)間，有利于發(fā)送端對下個(gè)PDU的快速響應(yīng)，系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸量更大。

4 結(jié)語

本文針對現(xiàn)有5G系統(tǒng)無線鏈路控制層ARQ機(jī)制的缺點(diǎn)和不足，分析信道質(zhì)量對重傳的影響，提出一種基于信道系數(shù)門限的改進(jìn)ARQ機(jī)制，該算法通過實(shí)時(shí)監(jiān)測信道系數(shù)動(dòng)態(tài)選擇狀態(tài)報(bào)告或HARQ反饋應(yīng)答，避免了多次重傳同一數(shù)據(jù)而導(dǎo)致鏈路重建。仿真結(jié)果表明，本文所提出的改進(jìn)型ARQ機(jī)制能降低鏈路層數(shù)據(jù)重傳時(shí)延，提高系統(tǒng)可靠性和吞吐量，相對于傳統(tǒng)ARQ機(jī)制，流程復(fù)雜度低并且靈活度高，提高了系統(tǒng)效率。