TD-LTE-Advanced系统PUCCH下行HARQ反馈方法研究*

李小文，冯友波，孙 鹏，周 瑶

（重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆400065）

TD-LTE-Advanced系统PUCCH下行HARQ反馈方法研究*

李小文，冯友波，孙 鹏，周 瑶

（重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆400065）

提出了一种减小 TDD （时分双工）载波聚合系统下行 Hybrid Automatic Repeat Request（HARQ）反馈时延的改进方法，基站通过比较当前成员载波和主服务小区的下行HARQ往返时延来决定是否分配PUCCH资源给新的成员载波。经过性能分析表明，使用这种方法后，TDD载波聚合系统的下行HARQ反馈往返时延明显减小。

载波聚合；上行控制信道；混合自动重传请求；低时延

0 引言

满足LTE-A系统最大100 MHz传输带宽需求的方法是在LTE系统上定义更宽的传输带宽，但是由于达到100 MHz带宽的连续频谱很难找到，因此在LTE-A中引入了载波聚合技术[1]。LTE-A的传输带宽由多个LTE载波聚合而成，LTE-A可以看作是 LTE多载波的一种延伸技术。对于采用载波聚合的UE，有一个主服务小区和一个或多个辅服务小区，下行反馈的资源只能在主服务小区中分配，辅服务小区只为用户设备提供额外的无线资源。因为PUCCH资源较少，所有来自辅服务小区的下行反馈，包括下行HARQ反馈都只能通过主服务小区的PUCCH来传输。

对于TDD-LTE-A载波聚合系统，每个成员载波都有自己的上下行配置用来指定它的上下行子帧分配，如表1所示。

表1TDD上下行配置

本文提出了一种最大程度减少TD-LTE-A载波聚合系统下行 HARQ反馈时延的改进方法[2]。当 UE分得一个辅服务小区时，eNB计算基于其对应上下行配置的新辅服务小区的下行HARQ往返时延。如果这个新的辅

服务小区往返时延小于主服务小区的往返时延，eNB就将分配一个可靠的PUCCH资源给这个辅服务小区用来传输下行HARQ反馈，否则，这个辅服务小区的下行反馈就通过主服务小区的PUCCH传输，这样就明显减小了下行HARQ的往返时延。

1 下行HARQ反馈

HARQ技术是将前向纠错编码（FEC）技术和自动重传请求（ARQ）技术有效结合起来的一种差错控制机制。下行HARQ流程的传输时序示例如图1所示。

图1 下行HARQ传输时序

UE首先通过PUCCH向 eNB反馈上次传输的 ACK/ NACK信息。此ACK/NACK信息经过一定的上行传输延迟到达eNB，eNB对PUCCH的ACK/NACK信息进行解调和处理，并根据ACK/NACK信息和下行资源分配情况对重传数据进行调度。然后PDSCH按照下行调度的时域位置发送重传数据，并经过一定的下行传输延迟到达UE端。UE经过一定的处理延迟对下行重传完成处理，并通过PUCCH再次反馈针对此次重传的ACK/NACK信息。一个下行HARQ的RTTs到此结束。一般用RTTs衡量下行HARQ反馈的时延性能，本文中，RTTs定义为下行HARQ重传的时间周期。

通常假设，当UE或者eNB接收到上行或下行数据后，将用3 ms时间来处理接收到的数据和准备相应ACK/NACK信息的传输，因此，基于这种假设 RTTs就能被计算出来。在LTE R-11协议中，引入了成员载波根据上下行配置进行聚合的场景，文献[3]规定，当不同上下行配置的成员载波被聚合，成员载波的下行HARQ反馈通过PUCCH的主服务小区传输，因此，即使辅服务小区有用于传输下行HARQ反馈的上行子帧，也必须使用或等待主服务小区的上行子帧，这样就导致了很高的时延。以上下行配置0的第一个子帧（子帧0）为例，当UE在子帧0接收到下行数据，需要3 ms（3个子帧）时间来处理接收到的数据，然后在子帧3的时隙发送ACK/ NACK信息，当eNB处理完ACK/NACK信息后，子帧7的时隙到来，这是个上行子帧。eNB必须等待下一个下行子帧（子帧 0）来重传下行数据，这样，下行 HARQ的RTTs就为10 ms，这是子帧0到子帧9（下行数据能重传之前的子帧）之间的时间周期。

采用上面提到的方法，每个不同上下行配置的子帧的RTTs就能够被计算出来。表2列出了每个不同上下行配置的下行HARQ反馈的RTTs，通过表2可以看出不同上下行配置的小区，其时延也不同。

表2 不同上下行配置的下行HARQ反馈RTTs

如果在LTE-A中引入聚合，则所有来自辅服务小区的下行HARQ反馈必须通过主服务小区的上行子帧来传输[4]，在这种情况下 RTTs计算方法就略微不同。假设主服务小区采用上下行配置4，辅服务小区采用上下行配置0。以上下行配置0的第一个子帧（子帧0）为例，当UE在子帧0接收到下行数据，它需要3 ms（3个子帧）来处理接收到数据，在子帧3的时隙中，UE能够通过辅服务小区来发送ACK/NACK消息。但是，采用上下行配置4的辅服务小区的子帧3是一个下行子帧，所以必须推迟到下一个上行子帧（下一无线帧的子帧2）来发送ACK/NACK消息。当eNB接收并处理完ACK/NACK消息后，能在子帧6（辅服务小区的特殊子帧）的时隙中进行重传。这样，下行HARQ的RTTs就是16 ms，即子帧0到下一个无线帧的子帧5之间的时间间隔。

表3给出了在不同辅服务小区上下行配置和固定主服务小区上下行配置（配置 4）情况下，下行 HARQ反馈的RTTs。很明显，表3中RTTs平均值比表2中的大，原因是当不同上下行配置的成员载波被聚合，由于缺少辅服务小区的PUCCH，带来了较高的辅服务小区下行HARQ反馈时延。因此，应该找出一种有效方法来改善下行HARQ反馈的时延性能[5]。

表3 不同辅服务小区TDD配置和固定主服务小区TDD配置4情况下的下行HARQ反馈RTTs

2 一种改进的下行HARQ反馈方法

针对前面描述的问题，为了减小TDD载波聚合系统的下行HARQ时延，提出了一种有效的改进方法[6]。

假设eNB端和UE端处理接收到的数据的时间都为3 ms，可以计算出不同上下行配置和固定辅服务小区配置（从配置0到配置6）的每个子帧的全部RTTs，最后得到了与表3相同的7个表。表3中，每种上下行配置的

RTTs平均值能够被计算出，例如，采用TDD配置 0的辅服务小区的RTTs平均值等于13 ms（（16+15+11+10）/4= 13 ms）。与表2中采用上下行配置0的辅服务小区相比，RTTs的值变大了，因此，当主服务小区采用上下行配置4，新的辅服务小区采用上下行配置0时，eNB应该把PUCCH资源分配给辅服务小区，进行这种选择主要考虑的因素是时延性能，基于这种方法得出了全部配置的选择表格，见表4。需要注意的是如果在eNB或者UE端处理接收到数据的假设时间改变，表格也要做相应的改变。

表4 基于不同TDD上下行配置的决策表

表4通过比较RTTs，得出了辅服务小区反馈或主服务小区反馈的最佳选择方案[7]，当分配给 UE一个新的辅服务小区时，eNB首先比较主服务小区和辅服务小区的上下行配置，然后决定在主服务小区还是辅服务小区进行下行HARQ反馈。如果eNB决定在新的辅服务小区发送反馈，它将检查UE是否有与这个新辅服务小区相同上下行配置的辅服务小区，目的是为了避免不可用的PUCCH分配，这样就能够帮助系统降低信号开销。如果没有这样的辅服务小区，eNB将配置PUCCH，对辅服务小区来说，它是用于传输下行HARQ反馈的无线资源；如果存在这样的辅服务小区，eNB就不会分配PUCCH资源。当接收到来自eNB辅服务小区配置无线资源控制的信号后，UE查找与这个新辅服务小区有相同上下行配置的现存的辅服务小区，然后，UE就在这个现存的辅服务小区的PUCCH资源上传输新辅服务小区的下行反馈[8]。

这种方法是根据eNB进行选择，由于在辅服务小区中重新引入了PUCCH分配过程，因此信息结构需要做一些改变，引入一些新的信息单元（IEs）来指示PUCCH分配。所以需要对当前的格式做一些改变。如果用来比较上下行配置的新eNB模块不可取[9]，本节改进的方法也能用另一种方式来实现，决策模块可以放到UE端，也就是说，eNB通常把PUCCH分配给新的辅服务小区，当UE接收到新的辅服务小区配置信息，它要根据表4比较这个辅服务小区和主服务小区的上下行配置。如果结果是在主服务小区反馈，UE就忽视对本辅服务小区的PUCCH分配，下行HARQ反馈将通过主服务小区传输；如果结果是在辅服务小区反馈，UE将自然地使用给辅服务小区配置的PUCCH，如果决策模块放到UE端，UE应该提供额外的存储空间来存储比较表。除了eNB想更新本表格外，本表格不应该被改变。表5是使用本节改进的方法后主服务小区采用上下行配置4的RTTs值。

表5 改进方法的平均RTTs值

3 性能分析

基于前面所提出的减少TDD-LTE-A载波聚合系统下行HARQ反馈RTTs值的改进方法，通过对比一般方法的RTTs值（见表3）和改进方法的相应 RTTs值（见表5），发现当辅服务小区拥有的上行子帧比主服务小区多时，对采用上下行配置4的主服务小区，采用上下行配置0的辅服务小区的下行HARQ的RTTs与表3相比减少了23.1%，原因是上下行配置0比上下行配置4有更多的上行子帧。采用这种方法，这些上行子帧能够被有效利用。例如主服务小区采用上下行配置4，辅服务小区采用上下行配置5时，主服务小区有更多的上行子帧来传输下行HARQ反馈。这种情况下，如果仍坚持在这个辅服务小区上传输下行HARQ反馈，则主服务小区的上行子帧就不能得到充分利用。因此，为了避免带来的高时延，eNB将不会给辅服务小区分配 PUCCH资源。表6是一般方法与改进方法的RTTs值比较，从表中很容易看出在不同上下行配置下的平均RTTs值。

表6 一般方法和提议方法的平均RTTs值对比

通过以上分析可知，本文提出的改进方法在减小下行HARQ反馈时延方面效果显著，但同时这种方法对当前的协议标准也带来一些影响，由于引入了eNB为辅服务小区配置PUCCH资源的新行为，因此指示辅服务小区PUCCH资源的新信息单元应该被添加到当前的规范中。

4 结论

针对TDD-LTE-A载波聚合系统下行HARQ反馈时延较大问题，提出了一种低时延的下行HARQ反馈方法来改善传输性能。eNB通过比较当前辅服务小区和主服务小区的下行 HARQ反馈 RTTs值来决定是否分配PUCCH资源给新的辅服务小区。如果在时延方面有所改善，eNB在确认UE没有相同上下行配置的辅服务小区后，给新辅服务小区分配PUCCH资源。另一种方法是eNB一直为辅服务小区分配 PUCCH，由UE来决定是否使用PUCCH资源。分析表明这种改进方法是合理、可接受的，能明显改善TD-LTE-Advanced系统下行HARQ反馈时延。

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[8]王文涛.载波聚合下ACK/NACK信息反馈及SRS技术的研究[D].成都：电子科技大学，2012.

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Research of PUCCH downlink HARQ feedback method in TD-LTE-Advanced system

Li Xiaowen，Feng Youbo，Sun Peng，Zhou Yao
（School of Communication&Information Engineering，Chongqing University of Posts&Telecommunications，Chongqing 400065，China）

This paper proposes a decreasing TDD（time division duplex）carrier aggregation system downlink Hybrid Automatic Repeat Request（HARQ）feedback delay method.By comparing the current members of the carrier and the main serving cell downlink HARQ round trip delay，eNB decides whether to allocate resources to the new member PUCCH carrier.The analysis shows that，using this method，the TDD carrier aggregation system downlink HARQ feedback delay decreases obviously.

carrier aggregation；uplink control channel；hybrid automatic repeat request；low delay

TN929.5

A

0258-7998（2015）05-0098-03

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.05.023

2014-11-13）

李小文（1955-），男，教授，研究员，硕士生导师，主要研究方向：移动通信，LTE、LTE-A系统开发。

国家科技重大专项（2011ZX03001-003-01）；重庆邮电大学青年科学基金工程（A2012-89）

冯友波（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向：LTEA物理层算法及多核DSP软件开发、Mass MIMO导频。