一种新型LTE混合自动重传方案

张奎力，苏寒松，刘高华，王鹏

天津大学电子信息工程学院，天津 300072

一种新型LTE混合自动重传方案

张奎力，苏寒松，刘高华，王鹏

天津大学电子信息工程学院，天津 300072

1 引言

无线信道的衰落和时变性影响了数据的可靠接收。LTE为了保证数据的及时可靠到达，使用了双层[1]的重传机制。在发送端接收到负反馈时，MAC[2]（Medium Access Control）层的混合重传技术能够及时触发重传，降低延时。RLC[3]（Radio Link Control）层的重传机制仅适用于AM（Acknowledged Mode）实体，保证了业务数据的可靠到达及按序提交高层。本文重点研究MAC层的HARQ技术，标准[2]规定了HARQ的最大传输次数为4，考虑到调度的灵活性及终端的能力有限，标准[2]决定采用上行同步非自适应、下行异步自适应重传方案。同步/异步，即重传与初传的时间关系是否有周期性，若初传发生后通过计算即可知重传的时间即为同步，否则视为异步。自适应/非自适应，可以理解为重传时采用的MCS（调制编码方式）、资源块是否必须与初始传输一致，若必须一致则为非自适应，否则为自适应[4-5]。

目前，针对LTE中HARQ的研究有三个主要方向。第一个方向，映射方式变化[6-7]。在物理层调制时，重传与初始传输采用不同的星座图映射或者映射到不同的频率资源，这是由于符号内不同位置的比特可靠性有差异和重传选择不同的频率资源可带来频率分集增益，一般与资源调度器[8]或者链路自适应[9]相结合。第二个方向，重传内容的变化[10-11]。如重传与初传具有相同的数据，或者发送更多的校验比特。典型的有IR（Increment Redundancy）[12-13]和CC（Chase Combing）方案。重传不同的内容，接收端的合并方式也不尽相同。第三个方向，重传机制研究。一般有停等式、滑动窗口和回退N步等。此方向与计算机通信的重传机制一致，目前已经趋于成熟。LTE中上下行均采用了N通道停等式HARQ，N的数量与TDD（Time Division Duplexing）模式或者FDD（Frequency Division Duplexing）有关。在研究LTE的现有传输方案后，为了提高重传效率，提出了一种新型HARQ传输方案。该方案将HARQ中增加分段功能，用于提升系统吞吐量和降低平均传输次数。

2 传统方案

LTE接入网延续了传统分层的设计理念，自上而下代表了数据的流动走向，将功能分层划分，依次处理，如图1所示。HARQ位于MAC层的最底层，实现对数据的重发管理，但他是MAC层和PHY（physical layer）交互最紧密的功能模块，HARQ三大主要研究方向中的映射、内容和机制改变都体现在PHY的处理差异上。因此，可以认为HARQ是跨层设计的。

对于单层传输，一个TTI（Transport Time Interval）内，一个用户只能发送一个TB，TB的大小由调度模块根据当前信道状况查询文献[13]中的表7.1.7.2.1-1决定。当数据块组装完成之后，交给HARQ模块，HARQ分配进程ID并保存该TB的相关信息，如MCS、Rv（冗余版本）等，以备接收出错后重传查询，但并不对数据做实际处理，PHY才是对数据处理的关键。首先，PHY对接收到的TB进行CRC校验，执行分段功能，标准[14]中对分段做了详细的规范，包括分段数目、分段大小及速率匹配输出。图1显示了数据的流程及各个模块的相互关系，其中分段后的CRC、速率匹配分别包含在分段、Turbo编码模块中，这些处理位于MAC层之下。因此，物理层流程处理的这些信息对于HARQ实体而言是无从而知的。

图1 传统方案传输的简要框图

在PHY添加分段功能有三个优势：（1）对分段执行编码，降低了Turbo编码器内交织器的交织深度；（2）对各分段并行编码调制，有效降低了编码时延；（3）当接收端检测到一个分段数据块出错，即可停止检测，触发快速重传，且用一个比特向发送端反馈接收错误指示。

传统方案存在一定的缺陷：当接收端检测到一个分段数据块出错，不顾后面的分段数据正确与否，即刻停止检测之后的分段数据块。此外，假如只有最后一个分段数据出错，也会触发整个TB的重传，这对于一些正确接收的分段数据块而言带来了不必要的重传，且是对资源的极大浪费。

3 改进方案

经过上面的分析，如何避免正确接收数据块的重传是提高LTE系统吞吐量的重点之一。基于此，本文提出在HARQ实体内加入分段的功能，取消物理层的分段功能，这样可以更好地控制重传，也可以避免第2章提到的传统方案的弊端，实际分段数目由TB大小决定。改进后的HARQ实体的处理过程，如图2中虚线框内所示（其中CRC为循环冗余校验，maxseg为判断分段与否的上限值）。

图2 改进方案的HARQ实体内处理过程图

发送端接收到接收端的反馈信息后的处理流程如图3所示。处于等待反馈信息的HARQ实体收到分段Sn的反馈消息若为ACK（Acknowledgement），则释放对应进程的Sn分段占用的资源。这些释放后的资源可供调度器重新分配，若全部分段正确接收，则释放进程并删除TB；若收到Sn的NACK（Negtive Acknowledgement），将此分段加入进程ID的重传内容。重传时的重传数据仅为此ID内目前未被正确接收的分段。图3中的结束并非进程的结束，而是表示程序对反馈信息处理完毕。

图3 接收反馈信息的处理流程图

与传统方案相比，新方案会提前释放成功接收分段占用的资源，而不用等待全部分段被成功接收，可明显提高吞吐量。此外，由于将分段移至HARQ实体内，对于PHY而言，接收端对单个分段分别判断正确与否，可以看做对整个TB判为错误接收的概率降低了，有利于降低重传次数。但是接收端反馈信息时必须携带分段号，这会给反馈机制带来压力，但本文暂没有考虑反馈的限制和不可靠性。

4 改进方案仿真与结果分析

4.1 仿真模型

首先，搭建仿真模型，如图4所示。由于采用单用户单进程仿真，因此忽略了3GPP关于层映射、预编码[15]等过程，其中采用Turbo编码、QPSK调制方式。为了方便仿真，采用较小的maxseg值，并传输两个不同TB以便对比，反馈传输假设为无差错反馈，并忽略无线传输时延和处理时延。其他仿真参数如表1所示。

图4 仿真模型图

表1 仿真参数配置

4.2 仿真结果及分析

按照表1参数和图1模型进程仿真，得到的仿真结果如图5和图6所示，分别代表了吞吐量和重传次数的性能对比。吞吐量按式（1）计算，式中Successbit是仿真时间内成功传输数据总数，单位为256 bit，TTI为总仿真时间。平均重传次数按式（2）计算，其中i变化范围为从0到Totalpackets，Totalpackets为5 000TTI内传输TB总数，timesi为第i个分组传输次数，最小为1，最大为4。

图5 改进方案与传统方案的吞吐量曲线图

图6 改进方案与传统方案的重传次数曲线图

从图5可以看出，对于1 024 bit传输情况，改进方案曲线一直位于传统方案左边，性能明显有所改善，512 bit传输情况也有类似情况。同时也可以看出，改进方案的两个曲线具有大致平行的趋势，而传统方案则是交叉的，这是由于对分段后的数据块具有一致的大小的原因，只是1 024 bit传输情况比512 bit传输情况时的分段数目要多。在信道条件较好时整个TB就可以正确传输，改进方案和传统方案曲线逐渐趋于一致。

如图6可知，传统方案中1 024 bit传输情况要比512 bit传输情况重传次数少，两种情况的改进方案的分组按照分段数计算，因此，具有一致的平均重传次数，而图6中显示也近似重合，且均低于传统方案。当信道条件较好时，传输一次就可以正确接收，因此，传输次数趋于1。

5 结束语

为优化较大传输块易传输失败且长期占用较多资源的情况，提出在不对其他不相关系统模块造成任何影响的情况下，在MAC层的HARQ实体内加入分段的功能，忽略物理层分段。如果一个分段成功传输，可释放该分段对应部分资源；另外，也可以释放其他分段占用的资源，可为下次传输提供频率分集增益，本文仿真未考虑频率分集。通过建立的模型仿真及分析，验证了本文改进方案在系统性能和重传次数方面的优良性能，即提出的新型方案可实际应用。

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[3]3GPP.TS 36.322 V9.3.0 Radio Link Control（RLC）protocol specification（Release 9）[S].2010.

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[15]3GPP.TS 36.211 V9.1.0.Physical channels and modulation（Release 9）[S].2010.

ZHANG Kuili,SU Hansong,LIU Gaohua,WANG Peng

School of Electronic Information Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China

In LTE（3G Long Term Evolution）,larger TB（Transport Block）occupies more time-frequency resources and is prone to error so as to a waste of resources.In view of this case,a novel transmission scheme of Hybrid Automatic Retransmission Request（HARQ）is proposed.The new transmission scheme takes segmentation based on the TB size in the HARQ entity instead of the segment function of physical layer.Then multiple segment data blocks can be transported parallelly in a single process.If the data are needed to be retransmitted,the transmitter only transports the error segmentation data.Simulation results show that the proposed new transmission scheme is obviously better than the traditional scheme in regard to system throughput and the average number of transmissions.

Long Term Evolution（LTE）;Hybrid Automatic Repeat Request（HARQ）;physical layer;segmentation

针对LTE中较大TB（Transport Block）传输时占用较多时频资源且容易出现错误致使资源浪费的情况，提出了一种新型混合自动重传请求（HARQ）传输方案。新型传输方案在HARQ实体内根据TB大小对其进行分段，取消物理层的分段功能，形成单进程下多分段数据块并行传输，在需要重新传输时，仅传输接收检测出错的分段数据即可。仿真结果表明，提出的新型传输方案在系统吞吐量和平均传输次数方面明显优于传统方案。

长期演进；混合自动重传；物理层；分段

A

TN914；TP393

10.3778/j.issn.1002-8331.1301-0016

ZHANG Kuili,SU Hansong,LIU Gaohua,et al.New hybrid automatic retransmission scheme in LTE.Computer Engineering and Applications,2013,49（19）：92-95.

张奎力（1988—），男，硕士研究生，研究方向为LTE协议栈开发；苏寒松（1960—），男，博士，教授，研究方向为光通信，移动通信；刘高华（1987—），女，硕士，研究方向为移动通信；王鹏（1987—），男，硕士研究生，研究方向为LTE MAC层。E-mail：zkuili1988@126.com

2013-01-05

2013-04-08

1002-8331（2013）19-0092-04

CNKI出版日期：2013-05-03http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20130503.1707.001.html