5G系统中无线链路控制层ARQ机制的研究及算法优化

程渝，程方，张冰莹，邓炳光

（重庆邮电大学 通信与信息工程学院 通信网与测试技术重点实验室，重庆400065）

0 引言

随着网络和信息技术的迅猛发展，人们对无线移动通信网络数据量需求越来越高，以5G为基础的新一代信息技术，将为移动通信带来全新的发展，但同时也对移动通信技术提出了速度更快、效率更高的新要求[1-2]。与4G相比，5G频谱效率提高5～10倍，端时延缩小至原来的1 10，用户数据速率提升10～100倍[3-5]。无线链路控制（Radio Link Control，RLC）层位于5G协议栈中间，是重要的数据处理子层，高效率的数据传输和重传方案将对5G研究有着至关重要的意义。

自动重传请求（Automatic Repeat Request，ARQ）在保证数据可靠传输的同时，也带来了时延、低吞吐的问题。文献[6-7]对LTE ARQ机制做了模块化功能实现；文献[8]提出一种基于SFGs的堆叠式ARQ流程模型，降低了重传时延但实用性低；文献[9]基于媒体接入控制（Medium Access Control，MAC）层的调度和复用提出一种ARQ重传机制资源重分配的复用方案，提高了实时业务的吞吐量，但不适用于5G系统，5G无线链路控制层去除级联功能；文献[10]提出将RLC和MAC层联合优化，有利于重传时延和缓冲区内存的减小，但当信道质量不好时，会持续重发同一数据导致链路重建。以上算法均没有解决5G系统ARQ机制资源浪费和时延问题，因此，本文提出一种适用于5G系统的改进型ARQ机制。

1 ARQ机制研究

1.1 5G系统协议栈简介

NR协议栈架构总体可以概括为“三层两面”：三层，即层1物理层，层2数据链路层，层3网络层；两面，即控制平面和用户平面[11]。NR协议栈控制平面架构和用户平面架构如图1和图2所示，控制平面在用户平面上增加非接入层（Non-Access Stratum，NAS）、无线资源控制（Radio Resource Control，RRC）层，其余协议架构和功能基本一致。

图1 NR协议栈控制平面架构

图2 NR协议栈用户平面架构

1.2 RLC协议研究

NR协议栈的控制面和用户面都有RLC子层，位于PDCP层之下、MAC层之上，主要负责信令和数据业务的分组、重组、重复检测以及重传，然后将数据包正确地交付给对等端的RLC实体[12-13]。RLC子层一共有三种模式：透传模式（Transparent Mode，TM）、非确认模式（Unacknowledged Mode，UM）和AM模式。三种模式分别对应三种不同功能的实体：TM实体、UM实体、AM实体，根据实际功能将TM实体和UM实体划分为发送实体和接收实体，AM实体功能最强大，同一个AM实体兼容收发功能，负责重传机制和状态报告之间的信息交互。RLC层实体功能架构如图3所示。

图3 RLC层实体功能架构

与4G相比，在UM传输模式下，不再固定序列号长度，由RRC层根据无线资源条件动态配置序列号为6 bit或12 bit，增加了序列号的比特位数。另外，当上层业务数据单元映射到RLC层协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）时，不再采用原来4G的级联功能，因此RLC PDU仅包含一个完整的SDU或SDU分段，降低RLC实体接收端的复杂度。同时，5G中RLC实体将RLC SDU组装成RLC PDU时无需等待MAC指示传输机会，仅在MAC指示传输机会时将RLC PDU传递给低层，减小数据传输时延。

1.3 ARQ机制重传原理

AM模式通过ARQ机制保证数据传输的高可靠性。ARQ技术的关键是轮询、状态报告和重传。AM模式下ARQ机制的基本流程如下：AM发送实体，根据MAC资源调度指示对SDU分段组成RLC PDU并发至AM对等接收实体，满足一定条件启动轮询机制，接收AM RLC实体使用滑动重组窗口按序接收PDU，并统计接收情况，基于接收结果组装状态报告发至AM发送实体。AM发送实体解析状态报告，将已正确接收的PDU从备份缓存区删除并传输后续数据，重传未被正确接收的AMD PDU，保证接收AM RLC实体能够正确且完整地接收到每一个AMD PDU。三种情况可以触发轮询事件：发送端的缓存区为空；RLC PDU的发送数达到阈值；AM发送实体将轮询命令发送给对等实体。

ARQ机制状态报告使用RLC STATUS PDU格式，由STATUS PDU有效载荷和RLC控制PDU报头组成，12 bit SN的STATUS PDU结 构 如 图4所 示。RLC控 制PDU报头由D/C和CPT字段组成。STATUS PDU有效载荷从RLC控制PDU报头之后的第一个比特开始，它由一个ACK_SN和一个E1，零个或多个NACK_SN、E1、E2和E3组成；可能还有一对SOstart和SOend或者包含NACK范围字段的NACK_SN组成。

图4 12 bit SN的STATUS PDU结构

2 一种改进型ARQ重传方案

ARQ机制保证数据传输的高可靠性，但与此同时高延时和低吞吐也在重传中引入，降低了系统的吞吐率和效率。MAC层的HARQ机制可以实现传输块（Transport Block，TB）的快速重传，但HARQ重传次数到达阈值则丢弃重传失败的TB，由RLC负责再次重传，但AM实体无法知道哪些TB的哪些PDU丢失，所以只有等待对等实体发送状态报告再重发。如若在信道质量好的情况下，MAC层HARQ过程已知传输结果，并向RLC反馈关于每个PDU的应答，RLC层由此重传或者提前释放重传缓冲区内的PDU。

因此，本文基于无线信道质量提出一种改进型重传机制，通过对信道系数实时监测和信道系数自适应判断重传请求条件，从而重传或者新传，可以提高通信系统的吞吐率，降低时延，具体步骤如下：

步骤1：发送端设定信道系数门限hTH。

步骤2：AM发送实体根据MAC层调度结果组好数据包，设置轮询条件后发送数据至对等实体，并将数据备份。

步骤3：物理层实时信道估计发送信道系数的幅度，并与hTH做比较。

步骤4：当信道系数幅度＜hTH，对等AM接收实体组装状态报告并反馈至发送实体；当信道系数幅度≥hTH，除了对等实体发送状态报告外，基于MAC层的HARQ机制针对每个PDU反馈1 bit的肯定应答或否定应答。

步骤5：发送端接收对等实体或MAC层应答，解析应答后重传或发送下一帧数据，其中，发送端发送数据顺序：Status PDU→重传PDU→HARQ NACK的PDU→新传PDU→Poll PDU。

2.1 信道系数阈值确定

基于接收端的最小平均接收误比特率确定系统hTH，物理层动态做信道估计，基于物理层的反馈可得参数：信道系数h，瑞利衰落信道系数的方差2σ2，AWGN双边功率谱密度N02。信噪比的定义为符号能量和AWGN功率谱密度的比值：

式中Eb,T是每比特发送的能量，并不计入重传所需的能量。而有效接收每比特所需的发送能量实为Eb=E[L]Eb,T，其中，E[L]是平均传输次数。在系统实际传输中，有效信噪比的计算公式为：

假设通信系统能实现理想信道估计，则当信道系数为h时，AM接收实体数据瞬时误比特率为：

式中：erfc为高斯误差函数，表示比特误码事件；常数α由调制方式决定。自动重传请求方法接收端接收帧的误比特率表示为：

在中高信噪比时，式（4）可近似为：

式中：ρ= ||hTH22σ2为归一化信道系数门限；γ为考虑重传能量的有效信噪比。

由此可以得到最小化平均接收误比特率的最佳门限值为：

在瑞利衰落信道下，将信道门限系数分别设置为式（6）、0.5σ和2σ，分析计算接收端平均误比特率，如图5所示。

图5 基于信道系数门限的误码率仿真对比

2.2 AM实体数据发送方案设计

AM实体数据发送方案设计如图6所示。

图6 AM实体数据发送方案设计

AM发送实体接收来自PDCP的PDU，基于PDU的数据情况添加RLC报头结构后放入缓存，然后根据MAC的调度信息对PDU进行分段、更新RLC报头结构以及备份后发送，同时启动轮询机制，若满足轮询条件，则向对等实体请求发送状态报告或者向MAC请求HARQ反馈应答。AM发送实体收到对等实体的状态报告或MAC层的反馈应答解析后，重传未被正确接收或者错误接收的数据，删除已被正确接收的数据备份并新传后续数据。

2.3 AM实体数据接收方案设计

AM实体数据接收方案设计如图7所示。

图7 AM实体数据接收方案设计

AM接收实体收到来自MAC的数据，首先解析数据，检测是否有重复接收的数据，重复则丢弃，否则启动滑动重组窗口接收数据，待同一SN数据包完整接收重组后递交给上层，同时构造状态报告说明接收和未接收的数据情况并发至对等实体。

2.4 基于HARQ反馈的重传方案设计

当信道系数幅度≥hTH时，AM发送实体轮询后能够接收来自MAC的应答，基于HARQ反馈的AM实体数据重传方案设计如图8所示。

图8 基于HARQ反馈的重传方案设计

由于ARQ重传比HARQ重传涉及的协议层次更高，所以时延也就更大。为了减少重传时延，HARQ成功或者失败后，MAC层可以通过向RLC层发送与每个SN相关联的1 bit ACK或 者NACK通 知RLC层进行ARQ重传或者新传，此时不需要等待对等实体的状态报告。HARQ机制也包括新传和重传。若重传超过最大重传次数，则HARQ传输失败；若RLC层需要重传，则根据下层分配的资源判断是否对数据进行重分段；若RLC进行新传，提前释放重传缓冲区内的备份RLC PDU，根据下层指示分段继续传输新数据；若此时AM接收到对等实体的状态报告，则按照步骤5的数据发送顺序首先解析状态报告然后再处理HARQ的反馈应答。

3 性能仿真与分析

3.1 时延分析

假设RLC PDU长度固定且不分段，上层连续发送固定数量PDU，如若错误重传则重传对应未收到的PDU。调用随机函数随机产生误码率模拟信道系数，记录两种机制下重传该PDU的时间。传统ARQ方案和改进方案的平均时延对比如图9所示，其中平均时延表示RLC实体发送PDU与该PDU重传间隔的平均取值，单位为ms。

图9 传统ARQ方案和改进方案的平均时延对比

从图9可以看出，随着误码率的增大，传统ARQ机制时延增大，优化ARQ算法重传时延趋于稳定。传统ARQ机制只能等到对等实体接收PDU组装状态报告后才能重传，其平均时延较大，优化的ARQ机制则在HARQ失败后直接重传，明显缩短了重传时延，提高了系统效率。

3.2 吞吐率分析

假设RLC PDU长度固定且不分段，误码率设置为0，每个PDU都能正确传输到对端，依次输入0～50个PDU记录系统的平均吞吐量，发送最后一个RLC PDU时同时启动轮询。传统ARQ方案和改进方案的吞吐率对比如图10所示，其中吞吐率表示系统单位时间内成功交付数据的平均速率，单位为b/s。

图10 传统ARQ方案和改进方案的吞吐率对比

从图10可以看出，随着传输PDU数量的增大，传统ARQ机制和优化ARQ机制的吞吐量都增大，但是优化ARQ算法的吞吐率更高。可以看出，优化的ARQ机制在接收到来自MAC层的反馈机制后可以提前重传或新传，缩短了等待时间，有利于发送端对下个PDU的快速响应，系统单位时间内数据传输量更大。

4 结语

本文针对现有5G系统无线链路控制层ARQ机制的缺点和不足，分析信道质量对重传的影响，提出一种基于信道系数门限的改进ARQ机制，该算法通过实时监测信道系数动态选择状态报告或HARQ反馈应答，避免了多次重传同一数据而导致链路重建。仿真结果表明，本文所提出的改进型ARQ机制能降低链路层数据重传时延，提高系统可靠性和吞吐量，相对于传统ARQ机制，流程复杂度低并且灵活度高，提高了系统效率。