TD-SCDMA系統(tǒng)中HARQ方案與分析

周海軍，李少斌，景鋒


重慶郵電學(xué)院，重慶400065


　　摘　要：Turbo碼在通用移動通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用特別是與自動重傳請求（ARQ）相結(jié)合使得數(shù)據(jù)傳輸向更可靠的階段發(fā)展。介紹了不同的HARQ方案，對TD－SCDMA模式下的混合自動重傳請求進(jìn)行了分析和仿真，并把沒有ARQ，HARQ類型I與Chase合并作比較。仿真結(jié)果表明，Chase合并能減小誤幀率和提高吞吐率，并在多經(jīng)信道和高速條件下，仍能獲得較高吞吐量。


　　關(guān)鍵詞：TD－SCDMA；高速下行分組接入；混合自動重復(fù)；Chase合并


　　0　引　言


　　高速下行分組接入（HSDPA）把下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率提高到8～10 Mbit／s。該技術(shù)是第三代移動通信提高下行容量和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率的一種重要技術(shù)。HSDPA采用的關(guān)鍵技術(shù)是自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC）和混合自動重復(fù)（HARQ）。而HARQ基于信道條件提供精確的編碼速率調(diào)節(jié)，可自動適應(yīng)瞬時(shí)信道條件，且對延遲和誤差不敏感。


　　當(dāng)前3GPP標(biāo)準(zhǔn)中有2種模式：頻分雙工（FDD）和時(shí)分雙工（TDD），前者相對比較成熟，而后者還存在一些定義的空間，尤其是其中的TD－SCDMA模式。TD－SCDMA的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于它的時(shí)隙結(jié)構(gòu)（下行傳輸可以比上行傳輸獲得更多的時(shí)隙）有利于方便地實(shí)現(xiàn)不對稱傳輸。在HSDPA標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程中，3GPP的RAN4提交的R4－021329中給出了調(diào)制方式為QPSK時(shí)TD－SCDMA混合自動重復(fù)的仿真假設(shè)，并且其采用的HARQ方案為Chase合并［1］。本文將主要提供在TS－SCDMA模式下采用QPSK調(diào)制Chase合并方案的仿真結(jié)果并把其在高斯白噪聲信道下的系統(tǒng)性能與沒有重傳機(jī)制和Type IHARQ的系統(tǒng)性能進(jìn)行比較。


　　1　HARQ方案介紹


　　數(shù)據(jù)通信最初是在有線網(wǎng)上發(fā)展起來的，通常要求較大的帶寬和較高的傳輸質(zhì)量。對于有線連接，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃允峭ㄟ^重傳來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)前一次嘗試傳輸失敗時(shí)，就要求重傳數(shù)據(jù)分組，這樣的傳輸機(jī)制就稱之為ARQ（自動請求重傳）。在無線傳輸環(huán)境下，信道噪聲和由于移動性帶來的衰落以及其他用戶帶來的干擾使得信道傳輸質(zhì)量很差，所以應(yīng)該對數(shù)據(jù)分組加以保護(hù)來抑制各種干擾。這種保護(hù)主要是采用前向糾錯(cuò)編碼（FEC），在分組中傳輸額外的比特。然而，過多的前向糾錯(cuò)編碼會使傳輸效率變低。因此，一種混合方案HARQ，即ARQ和FEC相結(jié)合的方案被提出了。


　　1．1　ARQ的實(shí)現(xiàn)


　　ARQ的實(shí)現(xiàn)機(jī)制主要有2種［2］：選擇重復(fù)（SR： selective repeat）和停止等待（SAW：stop－and－wait）。


　　（1）選擇重復(fù)。基于窗口的SR是一種被許多系統(tǒng)采用的HARQ協(xié)議，包括RLCR99（也稱R3版本，是3GPP目前最成熟、最穩(wěn)定的版本）。SR一般對時(shí)延不敏感，而且具有對接收到有錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行重傳的良好特性。為了完成這個(gè)功能，SR－HARQ傳送端必須對每一個(gè)它發(fā)送的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行序號標(biāo)識。HARQ與SR一同操作，有以下2個(gè)難點(diǎn)。


　�、偎�需UE內(nèi)存較大。UE必須存儲傳送窗口內(nèi)每個(gè)傳輸塊的樣本。需要存儲的傳輸塊數(shù)目越多，UE存儲空間也要求越大，導(dǎo)致成本增加。


　�、贖ARQ需要接收端準(zhǔn)確無誤地確定每個(gè)傳輸塊的傳輸序列號，這就對包含傳輸序列號的信令的傳輸提出了很高的要求。


　�。�2）停止等待。SAW是一種最簡單的HARQ形式，所需系統(tǒng)開銷非常小。在SAW中，發(fā)送方只在發(fā)送的數(shù)據(jù)塊被正確接收到之后才開始對下一個(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行操作，系統(tǒng)只須使用1比特的序列號用來區(qū)分當(dāng)前的數(shù)據(jù)塊和下一個(gè)待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊，使得相應(yīng)的控制開銷較小，傳輸塊所需的確認(rèn)信息開銷也較小，因?yàn)橛糜谥甘緜鬏攭K是否被正確解碼的確認(rèn)信息（使用ACK，NACK）只須簡單地使用一個(gè)比特。另外，因?yàn)樵谕�一時(shí)間內(nèi)只傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)塊，所以對UE內(nèi)存的要求也較低。因此，HARQ使用停止等待機(jī)制能夠有效地降低對UE內(nèi)存和信令帶寬的要求。但是，SAW存在一個(gè)主要的缺點(diǎn)：確認(rèn)信息不及時(shí)，發(fā)送端在發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)塊之前必須等待接收到確認(rèn)消息，這是SAW HARQ的一個(gè)眾所周知的問題。在等待確認(rèn)信息期間，信道處于空閑，系統(tǒng)能力被浪費(fèi)了。在一個(gè)時(shí)隙系統(tǒng)中，發(fā)送端等待確認(rèn)信息的時(shí)延將浪費(fèi)掉至少一半的系統(tǒng)能力。


　　N－channel－SAW－HARQ提供一種防止系統(tǒng)資源被浪費(fèi)的方法，在一個(gè)信道上同時(shí)并列進(jìn)行N個(gè)SAW，當(dāng)下行鏈路被某個(gè)SAW用于傳輸數(shù)據(jù)塊時(shí)，上行鏈路被用于傳輸其他SAW的確認(rèn)信息，這樣系統(tǒng)資源被充分利用，但是這時(shí)就要求接收端必須能夠存儲N個(gè)傳輸塊的信息。


　　1．2　HARQ的分類


　　根據(jù)HARQ中前向糾錯(cuò)編碼在接收端合并的方式［3，4］，HARQ可分為以下3類。


　�。�1）Type IHARQ。當(dāng)前3GPP（R99）規(guī)范中所采用的ARQ方案被稱作Type IHARQ。在這種簡單的Type IHARQ方案中，數(shù)據(jù)被加以CRC并用FEC（forward error correction）編碼。在接收端FEC解碼并用CRC監(jiān)測分組質(zhì)量。如果分組有錯(cuò)誤，就進(jìn)行重傳，而錯(cuò)誤的分組被丟棄，重傳分組采用與前一次相同的編碼。故每次重傳被正確解碼的概率相同且比較低。


　�。�2）TypeⅡHARQ。第二類HARQ方案屬于遞增冗余（incrementalredundancy）的ARQ方案。TypeⅡHARQ方案考慮了無線傳播信道的時(shí)差特性。在首次傳輸數(shù)據(jù)塊時(shí)沒有或帶有較少的冗余。如果傳輸失敗，重傳將開始。重傳的數(shù)據(jù)塊不是首次所傳數(shù)據(jù)塊的復(fù)制，而是增加了其中的冗余部分。在接收端將兩次收到的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行合并，編碼速率會有所降低而提高了編碼增益。第二類HARQ方案的 一個(gè)示例［5］，如圖1所示。





　　圖1中，碼字C0為（L，K）檢錯(cuò)碼，碼字C1為（2L，L）的糾錯(cuò)碼。發(fā)送端第一次發(fā)送數(shù)據(jù)分組I（即C0），接收端對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，如果沒有發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤則發(fā)送ACK信息否則發(fā)送NACK信息。當(dāng)發(fā)端收到來自接收端的NACK信息指示前一傳送數(shù)據(jù)分組出錯(cuò)時(shí)，則另一個(gè)Lbit的數(shù)據(jù)分組P（I）被發(fā)送，接收端把接收到的P（I）與先前的I合并（即構(gòu)成C1）再進(jìn)行解碼和校驗(yàn)。第二次發(fā)送的P（I）就是所說的增量冗余信息，它與第一次發(fā)送的I不同。


　�。�3）TypeⅢHARQ。第三類的HARQ方案也屬于增量冗余（IR）方案，它與第二類HARQ不同的是重傳碼字具有自解碼能力，因此接收端可以直接從重傳碼字當(dāng)中解碼恢復(fù)數(shù)據(jù)，也可以將出錯(cuò)重傳碼字與已有緩存的碼字進(jìn)行合并后解碼。繼續(xù)采用在TypeⅡHARQ當(dāng)中的示例，TypeⅢHARQ的最大不同就是可以根據(jù)重傳的P（I）恢復(fù)出數(shù)據(jù)I。由于重傳的冗余版本不同，第三類HARQ又可進(jìn)一步分為2種：一種是只具有一個(gè)冗余版本的第三類HARQ，也稱為具有軟合并得第一類HARQ，各次重傳冗余版本均與第一次傳輸相同（ChaseCombing）；另一種是具有多個(gè)冗余版本的第三類HARQ。


　　Chase combining（D．Chase最早論述了ARQ技術(shù)，見文獻(xiàn)［6］）的發(fā)送端每次重傳使用相同的FEC編碼數(shù)據(jù)分組，這一點(diǎn)與Type I相同。但錯(cuò)誤的分組被存儲在接收端，接收端的解碼器根據(jù)接收到的SNR加權(quán)組合這些發(fā)送分組的拷貝。這樣，獲得了時(shí)間分集增益。Chase合并所需的接收端緩存較小，信令相對簡單，是一種復(fù)雜度低的碼合并方式。


　　2　TD-SCDMA中HS-DSCH的結(jié)構(gòu)


　　目前TD－SCDMA在HS－DSCH信道上采用HARQ來實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。在TD－SCDMA中每個(gè)無線子幀為5 ms，有7個(gè)時(shí)隙（675μs）。在保證至少有一個(gè)上行和下行時(shí)隙的條件下，其他時(shí)隙可根據(jù)需要用于上行或下行傳輸，這使得TD－SCDMA能夠靈活地進(jìn)行不對稱業(yè)務(wù)傳輸。HS－DSCH信道最多可占用5個(gè)下行時(shí)隙（其中Ts0時(shí)隙用作發(fā)送公共控制消息，還有一時(shí)隙用于上行發(fā)送反饋消息）。HS－DSCH為高速下行共享信道，其突發(fā)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在該突發(fā)結(jié)構(gòu)中有2個(gè)等長的數(shù)據(jù)塊，長為352 chip。這2個(gè)數(shù)據(jù)塊之間是144 chip的訓(xùn)練 序列，此外還有16 chip的保護(hù)碼片。





　　從無線鏈路控制層到物理層，HS－DSCH上傳輸?shù)南�息比特流處理過程為［7］


　�。�1）加入CRC校驗(yàn)碼。


　�。�2）數(shù)據(jù)塊分割。將編碼前的比特序列按編碼方式的不同預(yù)先分成不同大小的塊（卷積碼時(shí)504，Turbo編碼時(shí)5114，不編碼時(shí)無大小限制）。仿真中采用Turbo碼，所以分割后數(shù)據(jù)塊的大小為5114。


　�。�3）Turbo編碼。進(jìn)行R＝1／3基本碼率的Turbo編碼并按標(biāo)準(zhǔn)加入相應(yīng)長度的尾比特，Turbo編碼器如文獻(xiàn)［8］所述。


　�。�4）HARQ速率匹配。使數(shù)據(jù)塊可以放到突發(fā)里，同時(shí)產(chǎn)生各種HARQ方案所需的打孔樣本。


　�。�5）比特加擾。用比特加擾器對比特序列加擾。


　　（6）HS－DSCH交織。完成HS－DSCH交織，對于不同的調(diào)制方式（QPSK／16 QAM），交織方式也隨之不同。


　　（7）物理信道映射。按所采用物理信道格式（占 了多少時(shí)隙、多少碼道）將數(shù)據(jù)映射成相應(yīng)的格式。


　�。�8）調(diào)制。HS－DSCH有2種數(shù)據(jù)調(diào)制方式：


　　QPSK／16 QAM。


　�。�9）擴(kuò)頻，加擾，突發(fā)成型。完成擴(kuò)頻、擾碼和形成突發(fā)的功能。


　　（10）成幀。將突發(fā)按物理層格式（所占時(shí)隙）裝幀。


　�。�11）過采樣與發(fā)送濾波。進(jìn)行過采樣和脈沖成形濾波。成形濾波器是滾降系數(shù)為0．22的根升余弦濾波器，帶寬為1．28 MHz。


　　3　HARQ的仿真


　　3．1　仿真假設(shè)


　　仿真假設(shè)主要是源于R4－021329。仿真假設(shè)為：①調(diào)制方式：QPSK；②信息比特的最大吞吐量：528 kbit／s；③ARQ的實(shí)現(xiàn)機(jī)制（4信道停等機(jī)制）；④每一個(gè)HARQ進(jìn)程的最大重傳次數(shù)為4；⑤在一個(gè)TTI（5 ms）內(nèi)的信息比特負(fù)荷：2 640 bit；⑥用戶總的軟信道比特?cái)?shù)為28 160 bit（7040×4）；⑦每一個(gè)HARQ進(jìn)程的軟信道比特?cái)?shù)為7 040 bit（第一次速率匹配后的比特?cái)?shù)）；⑧在一個(gè)TTI（5 ms）傳輸?shù)木幋a后的信息量為3 520 bit；⑨第一次打孔率為12％，第二次為50％；①0 HS－DSCH占用的時(shí)隙數(shù)為4時(shí)隙；①1每個(gè)時(shí)隙中HS－DSCH占用的碼道數(shù)為10碼道；①2擴(kuò)頻因子為16；①3信道估計(jì)采用理想時(shí)延估計(jì)和最小均方誤差聯(lián)合檢測；①4解碼器的Turbo解碼器的輸入為軟輸入，算法為MaxLogMap，解碼器進(jìn)行4次迭代。


　　3．2　仿真結(jié)果


　　仿真是在高斯白噪聲和多經(jīng)信道下進(jìn)行的。在高斯白噪聲下能得到最佳系統(tǒng)性能的比較，而在從低速到高速的多經(jīng)信道下能得到系統(tǒng)的一個(gè)比較完整的性能分析。文獻(xiàn)［4］給出了WCDMA模式下Chase合并，TypeⅡHARQ和TypeⅢHARQ仿真結(jié)果，仿真結(jié)果表明在采用QPSK調(diào)制時(shí)IR相對Chase合并對系統(tǒng)性能的改善不明顯，綜合考慮解碼和信令的復(fù)雜度，Chase合并比較理想。在R4－021329中，QPSK調(diào)制方式下所采用的HARQ方案為Chase合并，所以本文主要提供Chase合并方式下的仿真結(jié)果，并把其在高斯白噪聲信道下的系統(tǒng)性能與沒有重傳機(jī)制和Type IHARQ的系統(tǒng)性能進(jìn)行比較。


　　仿真中，不采用ARQ方案是指接收端發(fā)現(xiàn)有誤時(shí)，不進(jìn)行重傳；Type IHARQ和Chase合并采用4信道停等機(jī)制，最大重傳次數(shù)為4。


　　圖3給出了不采用ARQ方案，Type IHARQ和Chase合并在高斯白噪聲信道條件下的誤幀率。如理論分析的一樣，Type IHARQ的誤幀率低于不采用ARQ方案的誤幀率，并且在3～4dB之間隨著Ior／Ioc（接收端接收到的所有用戶信號功率與噪聲功率之比，單位dB）的升高，差距在變大；同時(shí)在－2．5～3．5dB之間，Chase合并的誤幀率相對于Type IHARQ的誤幀率有4．5dB左右的增益，即Chase合 并的誤幀率相對于Type IHARQ有了顯著的改善。











　　圖4給出了不采用ARQ方案，Type IHARQ 和Chase合并在高斯白噪聲信道條件下的吞吐量（單位：kbit／s）。不采用ARQ方案和Type IHARQ的吞吐量基本一樣，曲線很陡，在2．7dB吞吐量就幾乎為0。Chase合并的吞吐量曲線相對平滑一些，在1dB處還能達(dá)到220 kbit／s多的吞吐量，直到－3．24 dB，吞吐量才接近0。在自然信道環(huán)境下，往往會出現(xiàn)信噪比比較低的情況，Chase合并的吞吐 量曲線相對平滑使得其在低信噪比的情況下仍能支持一定的吞吐量，因此Chase合并具有實(shí)用價(jià)值。


　　圖5給出了不采用ARQ方案，Type IHARQ 和Chase合并在高斯白噪聲信道條件下的時(shí)延（單位：ms）。Type IHARQ的時(shí)延曲線也很陡，很快上升到最大時(shí)延20 ms。Chase合并在時(shí)延上相對TypeIHARQ有所改善，在Ior／Ioc為1 dB時(shí)有2．2 dB的增益。


　　設(shè)沒有采用ARQ時(shí)的誤幀率為η；時(shí)延為5 ms；
相應(yīng)的吞吐率為（1－η）×2640／5＝（1－η）×528kbit／s。則最大重傳次數(shù)為4的Type Ihybrid ARQ的誤幀率為η4（重傳次數(shù)為4時(shí)）；時(shí)延（1＋η＋η2＋η3）×5 ms；相應(yīng)的吞吐率為［（1－η4）／（（1＋η＋η2＋η3）×5）］×2640＝（1－η）×528 kbit／s。當(dāng)采用





　　綜上所述，Type IHARQ雖然相對于不采用ARQ可以降低誤幀率，但這是以犧牲時(shí)延或帶寬為代價(jià)的。而Chase合并由于并不是簡單地將錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)塊拋掉，通過碼合并有效地利用錯(cuò)誤數(shù)據(jù)塊中正確的bit來獲得時(shí)間增益，故只需較小的時(shí)延卻能得到更高的吞吐量和較小的誤幀率，是一種比較理想，并能夠有效提高吞吐量的方案。


　　Chase合并方案在PA3，PB3，VA30和VA120（各信道的定義見表1）多經(jīng)信道條件下的吞吐量如圖6所示。雖然隨著移動速度的提高，吞吐量有所下降，但在120 km／h的多經(jīng)信道下最高仍能達(dá)到接近500 kbit／s的吞吐量。所以，在QPSK調(diào)制方式下，Chase合并方案是一種有效可行，能夠提高數(shù)據(jù)傳輸速率的方案。








　　4　結(jié)　論


　　作者提出了TD－SCDMA模式下可采用的各種HARQ方案，并且通過鏈路仿真給出了QPSK調(diào)制方式下不采用ARQ方案，Type IHARQ和Chase合并在高斯白噪聲信道條件下的系統(tǒng)性能比較，如誤幀率，吞吐量等及Chase合并方案在多經(jīng)信道條件下的吞吐量。仿真結(jié)果表明，在Turbo解碼前對接收到的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行Chase合并能顯著地改善系統(tǒng)的性能，是一種實(shí)際可行，能夠有效提高數(shù)據(jù)傳輸速率的方案。同時(shí)本文的假設(shè)條件主要是基于R4－021329，所以對HARQ在TD－SCDMA的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程有一定的參考意義。


　　參考文獻(xiàn)


　　［1］　R4－021329－2002．HSDPA simulationassumption update for fixed referencechannel for 1．28 Mcps TDD option［S］．TSG－RANWorking Group 4 meeting＃24．


　�。�2］　TR25．848 V4．0．0（2001－03）．3GPP［S］．


　�。�3］　R2－01－0021－25．835－100－Report on Hybrid　ARQ TypeⅡ＆Ⅲ［R］．


　�。�4］　謝俊松，范平志．移動高速數(shù)據(jù)傳輸與HSDPA　最新進(jìn)展［J］．計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2002，22（2）：1－4．


　　［5］　ZHANG Qian，WONG Tan F，LEHNERTJames S．Performance of a type－ⅡhybridARQ protocol in slotted DS－SSMA packetradio systems［J］．IEEE Transactions onCommunications，1999，47（2）：281－290．


　�。�6］　CHASED．Aclass ofalgorithms for decodingblock codes with channel measurementinformation［J］．IEEE Trans．Inform．Theory，1972，IT－18（1）：170－182．


　�。�7］　TS25．222 V5．1．0（2002－06）．3GPP［S］．


　　［8］　TR25．212 V5．0．0（2002－03）．3GPP［S］．