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(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用特別是與自動(dòng)重傳請(qǐng)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(duì)TD－SCDMA模式下的混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求進(jìn)行了分析和仿真，并把沒(méi)有ARQ，HARQ類(lèi)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)適應(yīng)瞬時(shí)信道條件，且對(duì)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(duì)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(duì)稱(chēng)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(dòng)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(méi)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(lái)的，通常要求較大的帶寬和較高的傳輸質(zhì)量。對(duì)于有線連接，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃允峭ㄟ^(guò)重傳來(lái)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(chēng)之為ARQ（自動(dòng)請(qǐng)求重傳）。在無(wú)線傳輸環(huán)境下，信道噪聲和由于移動(dòng)性帶來(lái)的衰落以及其他用戶(hù)帶來(lái)的干擾使得信道傳輸質(zhì)量很差，所以應(yīng)該對(duì)數(shù)據(jù)分組加以保護(hù)來(lái)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(guò)多的前向糾錯(cuò)編碼會(huì)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)�；�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(chēng)R3版本，是3GPP目前最成熟、最穩(wěn)定的版本）。SR一般對(duì)時(shí)延不敏感，而且具有對(duì)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(duì)每一個(gè)它發(fā)送的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行序號(hào)標(biāo)識(shí)。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(chǔ)傳送窗口內(nèi)每個(gè)傳輸塊的樣本。需要存儲(chǔ)的傳輸塊數(shù)目越多，UE存儲(chǔ)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(wú)誤地確定每個(gè)傳輸塊的傳輸序列號(hào)，這就對(duì)包含傳輸序列號(hào)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(jiǎn)單的HARQ形式，所需系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)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(kāi)始對(duì)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(hào)用來(lái)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(kāi)銷(xiāo)較小，傳輸塊所需的確認(rèn)信息開(kāi)銷(xiāo)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(jiǎn)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(duì)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(duì)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(wèn)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(chǔ)N個(gè)傳輸塊的信息。


　　1．2　HARQ的分類(lèi)


　　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(lèi)。


　　（1）Type IHARQ。當(dāng)前3GPP（R99）規(guī)范中所采用的ARQ方案被稱(chēng)作Type IHARQ。在這種簡(jiǎn)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(cè)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(lèi)HARQ方案屬于遞增冗余（incrementalredundancy）的ARQ方案。TypeⅡHARQ方案考慮了無(wú)線傳播信道的時(shí)差特性。在首次傳輸數(shù)據(jù)塊時(shí)沒(méi)有或帶有較少的冗余。如果傳輸失敗，重傳將開(kāi)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(huì)有所降低而提高了編碼增益。第二類(lèi)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(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，如果沒(méi)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(lái)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(shuō)的增量冗余信息，它與第一次發(fā)送的I不同。


　　（3）TypeⅢHARQ。第三類(lèi)的HARQ方案也屬于增量冗余（IR）方案，它與第二類(lèi)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(lèi)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(lèi)HARQ，也稱(chēng)為具有軟合并得第一類(lèi)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(lèi)HARQ。


　　Chase combining（D．Chase最早論述了ARQ技術(shù)，見(jiàn)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(chǔ)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(duì)簡(jiǎn)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(lái)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。在TD－SCDMA中每個(gè)無(wú)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(duì)稱(chēng)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(zhǎng)的數(shù)據(jù)塊，長(zhǎng)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(wú)線鏈路控制層到物理層，HS－DSCH上傳輸?shù)南�息比特流處理過(guò)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(wú)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(zhǎng)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(duì)比特序列加擾。


　�。�6）HS－DSCH交織。完成HS－DSCH交織，對(duì)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(guò)采樣與發(fā)送濾波。進(jìn)行過(guò)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(hù)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(cè)；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(duì)Chase合并對(duì)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(méi)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(hù)信號(hào)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(duì)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(duì)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(duì)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(huì)出現(xiàn)信噪比比較低的情況，Chase合并的吞吐 量曲線相對(duì)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(duì)TypeIHARQ有所改善，在Ior／Ioc為1 dB時(shí)有2．2 dB的增益。


　　設(shè)沒(méi)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(duì)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(jiǎn)單地將錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)塊拋掉，通過(guò)碼合并有效地利用錯(cuò)誤數(shù)據(jù)塊中正確的bit來(lái)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(jiàn)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(dòng)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(guò)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(duì)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(duì)HARQ在TD－SCDMA的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程有一定的參考意義。


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