TD-SCDMA HSUPA系統(tǒng)中HARQ方案的研究

摘要　本文介紹了TD-SCDMA HSUPA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及其工作流程，提出了幾種不同的HARQ機(jī)制，并對其性能進(jìn)行了仿真分析，為TD-SCDMA HSUPA系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了參考。

1、引言

為了滿足用戶對上行傳輸?shù)男阅苄枨螅?GPP在HSDPA（High Speed Downlink Packet Access）規(guī)范發(fā)布之后又啟動(dòng)了HSUPA（High Speed Uplink Packet Access）研究項(xiàng)目。HSUPA的目標(biāo)是通過提高小區(qū)的吞吐量和高數(shù)據(jù)速率的覆蓋來提高上行鏈路空中接口容量利用率以及終端用戶的體驗(yàn)。為支持這種高速數(shù)據(jù)傳輸率，HSUPA引入一種新的傳輸信道E-DCH（增強(qiáng)型專用傳輸信道）。E-DCH可以用來傳輸分組業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，它支持變速率傳輸，快速重傳和快速分組調(diào)度等。本文結(jié)合HSUPA協(xié)議，分析了快速重傳的特點(diǎn)，研究了在TD-SCDMA HSUPA系統(tǒng)中進(jìn)行快速重傳的幾種方案。

2、TD-SCDMA HSUPA關(guān)鍵技術(shù)及工作流程

2.1　TD-SCDMA HSUPA的關(guān)鍵技術(shù)

HSUPA是一些無線增強(qiáng)技術(shù)的集合，利用HSUPA技術(shù)可以在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上使得上行峰值速率有很大的提高，并在上行鏈路得到更大的吞吐量。TD-SCDMA HSUPA主要采用了如下兩種技術(shù)：物理層快速混合重傳，基于Node B的快速調(diào)度。

2.1.1　物理層快速混合重傳

在HSUPA中采用的是快速HARQ（混合自動(dòng)重傳請求），該技術(shù)允許Node B對錯(cuò)誤的接收到的數(shù)據(jù)快速請求重傳，其功能在媒體接入控制高速（MAC-hs）層實(shí)現(xiàn)，該層在Node B處終止。而在過去R99中，數(shù)據(jù)包重傳是由RNC控制下的RLC重傳完成的。在透明模式（AM）下，RLC的重傳涉及RLC信令和Iub接口傳輸，重傳延時(shí)超過100 ms[1]。這樣，快速HARQ的重傳時(shí)延遠(yuǎn)低于RLC層的重傳時(shí)延，大大降低了TCP/IP和時(shí)延敏感業(yè)務(wù)的時(shí)延抖動(dòng)。

2.1.2　基于Node B的快速調(diào)度

在上行增強(qiáng)技術(shù)中，為了實(shí)現(xiàn)低時(shí)延和快速資源分配，調(diào)度和混合自動(dòng)重傳請求必須靠近空中接口，因此提出了基于Node B的快速調(diào)度[2]，在HSUPA中通過引入新的MAC實(shí)體，在Node B端加入MAC-e，由MAC-e來負(fù)責(zé)調(diào)度和HARQ。文獻(xiàn)[3]指出，在1.28M TDD模式下，采用基于此項(xiàng)技術(shù)，在5s持續(xù)時(shí)間的游戲業(yè)務(wù)模型中可增加系統(tǒng)容量8%，而500 ms的大概可以增加50%，這是因?yàn)闃I(yè)務(wù)時(shí)間越長，對于縮短時(shí)延的優(yōu)勢就越不明顯。因此，如果分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)都是突發(fā)短分組的情況下，系統(tǒng)的吞吐量會(huì)因?yàn)椴捎没�于Node B的快速調(diào)度而得到顯著的改善。

2.2　TD-SCDMA HSUPA的工作流程

圖1　HSUPA工作流程

圖1給出了HSUPA的工作流程，從圖中可以看出HSUPA把調(diào)度和重傳控制的功能從RNC移到了Node B端。HSUPA工作流程具體步驟描述如下：

（1）UE根據(jù)信道質(zhì)量、可用發(fā)射功率、緩沖區(qū)中待傳輸數(shù)據(jù)量決定要申請的速率，并向Node B發(fā)出申請。

（2）Node B調(diào)度器根據(jù)系統(tǒng)中采用的調(diào)度算法算出各個(gè)用戶的優(yōu)先級，并據(jù)此將各用戶排隊(duì)。

（3）按照優(yōu)先級，Node B根據(jù)系統(tǒng)熱噪聲的增加量（RoT，noise over thermal）或者終端吞吐量，并結(jié)合用戶申請的速率，對隊(duì)列中的各個(gè)用戶決定分配的速率，并通過E-AGCH/E-RGCH發(fā)送調(diào)度指令通知UE。

（4）UE通過E-DPDCH發(fā)送數(shù)據(jù)包，并通過E-DPDCH傳送相應(yīng)控制信息。

（5）Node B對E-DPDCH上的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解調(diào)，并根據(jù)crc的檢錯(cuò)結(jié)果在E-HICH上發(fā)送ACK/NACK響應(yīng)。

（6）UE根據(jù)收到的ACK/NACK決定是否重傳，若收到NACK消息，需重傳，直到收到ACK消息或者到達(dá)系統(tǒng)設(shè)定的最大重傳次數(shù)為止。

3、幾種HARQ方案的比較研究

在HSUPA系統(tǒng)中，系統(tǒng)的吞吐率和傳輸延時(shí)是表征系統(tǒng)性能的重要參數(shù)。Turbo碼出現(xiàn)后，人們開始對turbo碼的3種傳統(tǒng)類型的ARQ重傳機(jī)制進(jìn)行研究[3]。本文通過對不同HARQ方案的比較研究，仿真了其性能，為TD-SCDMA HSUPA的實(shí)現(xiàn)提供了可行的參考。

3.1　傳統(tǒng)HARQ方案

傳統(tǒng)HARQ技術(shù)按其重傳數(shù)據(jù)包所含內(nèi)容的不同，可分為3類：Type-Ⅰ H-ARQ、Type-Ⅱ-ARQ和Type-Ⅲ H-ARQ。文獻(xiàn)[4]中對這3類機(jī)制作了詳細(xì)的描述。

這3類基本的HARQ機(jī)制，在信道條件非常惡劣，為了防止無休止的重傳，需要在接收端設(shè)置一個(gè)最大重傳次數(shù)，如果達(dá)到重傳次數(shù)，無論解碼正確與否，都將解碼結(jié)果輸出給用戶。繼而進(jìn)行下一個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸。另外，這3種基本HARQ編碼方案在收端譯碼前的組合方式有兩種。一種是傳統(tǒng)的CC，即Chase組合譯碼，它的特點(diǎn)是每個(gè)重傳分組都一樣，而且在譯碼前，需要將經(jīng)過信噪比SNR加權(quán)的多個(gè)接收分組進(jìn)行組合。這種方法能帶來分集增益，但因復(fù)雜度比較高，目前研究和應(yīng)用的較少。另一種是IR，即增加冗余組合譯碼，它的特點(diǎn)是重傳分組不是整個(gè)碼塊的簡單重復(fù)，而是需要增加一些附加信息。這里以Type-Ⅱ H-ARQ為例，介紹其碼合并方式。

設(shè)發(fā)送端原始數(shù)據(jù)為m1,1,m1,2，m1,3,m1,4,m1,5……，經(jīng)過turbo編碼后數(shù)據(jù)為：

上式中α1為第一次冗余版本到達(dá)接收端的載干比，α2為第二次冗余版本到達(dá)接收端的載干比。合并時(shí)，對于某一比特位的比特，先后兩個(gè)冗余版本都未將其打掉（打掉比特用0表示），按最大比合并；有一冗余版本被打掉，合并結(jié)果為沒被打掉的冗余版本對應(yīng)的比特值；兩個(gè)冗余版本都被打掉，合并結(jié)果為0。

3.2　CA-HARQ方案

由系統(tǒng)吞吐率的定義知，能夠使接收端正確譯碼的校驗(yàn)比特是必需的有用信息，而額外的校驗(yàn)比特就是冗余的無用信息。減少傳送的無用冗余比特的數(shù)目就可以提高吞吐率。不難看出，傳統(tǒng)的Type-Ⅱ HARQ重傳僅考慮了冗余版本不同的打孔位置，沒有考慮此時(shí)的信道狀況，速率局限于幾個(gè)固定值，造成了系統(tǒng)吞吐率的浪費(fèi)。由此，Mantha提出了一種新的重傳方案CA-HARQ（Capacity-Approaching HARQ），以最小的幅度遞增傳輸校驗(yàn)位，直到接收端正確譯碼。這樣傳輸?shù)娜哂嘈ｒ?yàn)比特的數(shù)目就可以最小化，從而使吞吐率達(dá)到最大[5]。傳送數(shù)據(jù)時(shí)，首先傳送信息位，如果不能正確接收，再傳送校驗(yàn)位。系統(tǒng)通過PSI（Parity Spreading Interleaver）實(shí)現(xiàn)對校驗(yàn)位的抽取。PSI將turbo編碼器輸出的校驗(yàn)位分組，每次收到NACK后，選擇不同子集的校驗(yàn)位傳送。每個(gè)子集的校驗(yàn)位的數(shù)目和位置可以靈活地設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)任意速率的抽取。例如，第1次重傳使用5%的校驗(yàn)位，第2次的重傳使用10%的校驗(yàn)位，依次類推。PSI的抽取矩陣如表1所示：

表1　PSI抽取矩陣

抽取矩陣中，“1”表示該位被傳輸，“0”表示被打掉，不會(huì)被傳輸。tij表示抽取矩陣第i行j列的元素，則次傳送的比特?cái)?shù)為。

CA-HARQ的系統(tǒng)模型如圖2所示。假定反饋信道無錯(cuò)，CRC校驗(yàn)位足夠長，可以忽略未檢測出的錯(cuò)誤概率。發(fā)送端經(jīng)過turbo編碼后得到系統(tǒng)位和擴(kuò)展校驗(yàn)位，首次發(fā)送時(shí)只發(fā)送系統(tǒng)位，接收端進(jìn)行turbo譯碼，若有錯(cuò)誤發(fā)生，則向發(fā)送端發(fā)送NAK信號，要求重傳。此時(shí)發(fā)送端對擴(kuò)展檢驗(yàn)位進(jìn)行校驗(yàn)位交織器PSI編碼器編碼輸出，根據(jù)信道的狀態(tài)和反饋信號選擇發(fā)送的比特。對應(yīng)接收端的PSI解碼器根據(jù)PSI抽取規(guī)則，首先將校驗(yàn)比特還原相應(yīng)的位置，然后將前幾次傳輸?shù)腻e(cuò)誤的數(shù)據(jù)結(jié)合本次重傳的冗余信息進(jìn)行最大比合并，進(jìn)行turbo譯碼。根據(jù)turbo譯碼輸出的CRC值，判定接收的對錯(cuò)。

圖2　CA-HARQ系統(tǒng)模型

ARQ系統(tǒng)的吞吐率指的是接收端正確接收數(shù)據(jù)幀時(shí)，幀中信息比特的數(shù)目k和發(fā)送端發(fā)送所有比特總數(shù)Nαν的比值：，Nαν包括信息比特、CRC校驗(yàn)比特和其他所必須的校驗(yàn)比特。設(shè)經(jīng)過M次重傳，接收端可以正確譯碼，則其中，Pi表示第i次重傳正確接收數(shù)據(jù)的概率；Ni表示第i次重傳的比特?cái)?shù)。初始只傳輸信息比特（k位）和CRC校驗(yàn)比特（r位）（N0=k+r）[6]。

3.3　改進(jìn)的CA-HARQ方案

CA-HARQ存在一個(gè)問題，就是當(dāng)信道條件比較惡劣時(shí)，需要多次重傳才能實(shí)現(xiàn)正確接收，這不僅帶來了很大的延遲，而且也造成了系統(tǒng)吞吐量的浪費(fèi)。針對這一問題，文獻(xiàn)[7]提出了一種改進(jìn)的CA-HARQ重傳方式，該方式根據(jù)信道狀況白適應(yīng)的傳送校驗(yàn)位，減少了傳輸延遲，而且實(shí)現(xiàn)簡便，不需要復(fù)雜的信道估計(jì)。具體改進(jìn)的方法是，根據(jù)信道狀態(tài)選擇初始傳送的校驗(yàn)位數(shù)目，初始傳送校驗(yàn)位的數(shù)目由之前傳送的N幀數(shù)據(jù)決定。

具體實(shí)現(xiàn)如下：

（1）參數(shù)定義

傳送序號：每次重傳的標(biāo)志，對應(yīng)于打孔矩陣中的行。重傳中傳送的比特是打孔矩陣中該行為1位置上的比特。

起始傳送序號：每幀開始時(shí)的傳送序號。傳送的比特是打孔矩陣中從開始到起始傳送序號所對應(yīng)的所有行中為1的位置上的比特。

結(jié)束傳送序號：每幀傳輸結(jié)束（正確接收）時(shí)的傳送序號。

（2）傳輸規(guī)則

起始幀：首先傳送信息比特，如不能正確譯碼，則傳送校驗(yàn)位比特。起始傳送序號為1。每傳輸一次，譯碼器將接收到的符號和前面?zhèn)魉偷姆�號�?lián)合進(jìn)行譯碼。若有錯(cuò)，傳送序號加1，繼續(xù)傳輸，直到接收端正確譯碼，或?qū)⑺�有的校�?yàn)比特傳送完成，仍不能正確譯碼，則重傳所有冗余比特，重傳比特與以前的對應(yīng)比特進(jìn)行chase合并，再進(jìn)行譯碼，直到接收端正確譯碼。

后續(xù)幀：首先傳送信息比特，如不能正確譯碼，則傳送校驗(yàn)位比特。第1次傳輸?shù)男ｒ?yàn)位根據(jù)前N幀的傳輸狀態(tài)確定：如果以前N幀的最小結(jié)束傳送序號是m，則將m設(shè)為本幀的開始傳送序號，那么本次重傳的校驗(yàn)位數(shù)目為。如果第1次的校驗(yàn)位仍然不能使數(shù)據(jù)幀正確接收，則傳送序號加1，繼續(xù)傳輸，直到接收端正確譯碼。

4、仿真及分析

仿真條件：在AWGN和平坦衰落的Rayleigh信道下，用matlab分別仿真了以上方案的性能：吞吐率和傳輸時(shí)延。幀長定為200比特。CRC校驗(yàn)碼采用24比特的crc校驗(yàn)碼，其生成多項(xiàng)式為gCRC24(D)=D24+D23+D6+D5+D+1。采用LOG-MAP算法，碼率為1/3的Turbo譯碼，最大迭代次數(shù)為5。調(diào)制方式為QPSK。SNR范圍為-2～10dB。傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，起始重傳序號是根據(jù)前面?zhèn)鬏數(shù)腘幀的數(shù)據(jù)傳輸情況確定的。這里暫定N=2，即以前兩幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r確定本幀重傳的起始序號。

由圖3-圖6所示�？梢钥吹剑�在高斯信道下，改進(jìn)的CA-HARQ方案的重傳次數(shù)與傳統(tǒng)HARQ的重傳次數(shù)比較接近，與CA-HARQ相比都有了明顯的減少，重傳4次時(shí)已有4db的改善；吞吐率方面改進(jìn)的CA-HARQ和CA-HARQ類似，比傳統(tǒng)HARQ有了較大改善。在Rayleigh信道下，改進(jìn)的CA-HARQ方案重傳次數(shù)優(yōu)勢明顯，不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于CA-HARQ，甚至比傳統(tǒng)的HARQ方案也有一定程度的改善，這說明改進(jìn)方案在信道條件較惡劣時(shí)更為適宜；吞吐率方面在信噪比比較小時(shí)比CA-HARQ略有改善，但并不明顯，SNR＜0時(shí)，大約有0.5db的改善，這是因?yàn)楦倪M(jìn)HARQ的首次重傳是根據(jù)前面的傳送決定的，一定程度上反映了信道狀況，減少了冗余比特的重傳。

圖3　AWGN下不同HARQ方案重傳次數(shù)的對比

圖4　AWGN下不同HARQ方案吞吐率的對比

圖5　Rayleigh信道下的重傳次數(shù)對比

圖6　Rayleigh信道下的吞吐率對比

因此，改進(jìn)的CA-HARQ方案能夠在傳輸延時(shí)和吞吐率上兼容傳統(tǒng)HARQ和CA-HARQ的優(yōu)點(diǎn)，傳輸延時(shí)小、吞吐率高，適合作為TD-SCDMA HSUPA系統(tǒng)的一種HARQ重傳方案。

5、小結(jié)

隨著TD-SCDMA的商用，HSUPA必將得到更廣泛的需求。在擁有良好的發(fā)展前景下，高效的重傳機(jī)制無疑是TD-SCDMA HSUPA占領(lǐng)更大市場份額的有效保證之一。本文通過對幾種HARQ方案的研究，為TD-SCDMA HSUPA系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了切實(shí)可行的參考。

參考文獻(xiàn)

1　彭木根，王文博等.TD-SCDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2007

2　3GPP TR25804-610.Feasibility Study on Uplink Enhancements for UTRA TDD[S].2006

3　Narayanan K R，Stiiber G L.A novel ARQ technique using the turbo coding principle[J].IEEE Communications Letters，1997(1)：49-51

4　王乃博，馬軍.HSDPA終端側(cè)HARQ合并技術(shù)的研究[J].電信快報(bào)，2006(4)：42-44

5　Mantha R，Kschischang F.A capacity-approaching hybrid ARQ scheme using turbo codes，Global Telecommunications Conference-Globecom99[C]，1999：2341-2345

6　彭林，朱小敏，朱凌霄.WCDMA無線通信技術(shù)及演化[M].北京：中國鐵道出版社，2004

7　一種新的使用Turbo碼的HARQ機(jī)制[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(2)：66-69