相關專題：
重慶郵電學院，重慶400065
摘 要：Turbo碼在通用移動通信系統(tǒng)標準中的應用特別是與自動重傳請求（ARQ）相結合使得數據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。仿真結果表明，Chase合并能減小誤幀率和提高吞吐率，并在多經信道和高速條件下，仍能獲得較高吞吐量。
關鍵詞：TD－SCDMA；高速下行分組接入；混合自動重復；Chase合并
0 引 言
高速下行分組接入（HSDPA）把下行數據業(yè)務速率提高到8～10 Mbit／s。該技術是第三代移動通信提高下行容量和數據業(yè)務速率的一種重要技術。HSDPA采用的關鍵技術是自適應調制編碼（AMC）和混合自動重復（HARQ）。而HARQ基于信道條件提供精確的編碼速率調節(jié)，可自動適應瞬時信道條件，且對延遲和誤差不敏感。
當前3GPP標準中有2種模式：頻分雙工（FDD）和時分雙工（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的一個優(yōu)點在于它的時隙結構（下行傳輸可以比上行傳輸獲得更多的時隙）有利于方便地實現(xiàn)不對稱傳輸。在HSDPA標準化的進程中，3GPP的RAN4提交的R4－021329中給出了調制方式為QPSK時TD－SCDMA混合自動重復的仿真假設，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調制Chase合并方案的仿真結果并把其在高斯白噪聲信道下的系統(tǒng)性能與沒有重傳機制和Type IHARQ的系統(tǒng)性能進行比較。
1 HARQ方案介紹
數據通信最初是在有線網上發(fā)展起來的，通常要求較大的帶寬和較高的傳輸質量。對于有線連接，數據傳輸的可靠性是通過重傳來實現(xiàn)的。當前一次嘗試傳輸失敗時，就要求重傳數據分組，這樣的傳輸機制就稱之為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量很差，所以應該對數據分組加以保護來抑制各種干擾。這種保護主要是采用前向糾錯編碼（FEC），在分組中傳輸額外的比特。然而，過多的前向糾錯編碼會使傳輸效率變低。因此，一種混合方案HARQ，即ARQ和FEC相結合的方案被提出了。
1．1 ARQ的實現(xiàn)
ARQ的實現(xiàn)機制主要有2種［2］：選擇重復（SR： selective repeat）和停止等待（SAW：stop－and－wait）。
�。�1）選擇重復�；诖翱诘腟R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一般對時延不敏感，而且具有對接收到有錯誤的數據塊進行重傳的良好特性。為了完成這個功能，SR－HARQ傳送端必須對每一個它發(fā)送的數據塊進行序號標識。HARQ與SR一同操作，有以下2個難點。
①所需UE內存較大。UE必須存儲傳送窗口內每個傳輸塊的樣本。需要存儲的傳輸塊數目越多，UE存儲空間也要求越大，導致成本增加。
�、贖ARQ需要接收端準確無誤地確定每個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)送的數據塊被正確接收到之后才開始對下一個數據塊進行操作，系統(tǒng)只須使用1比特的序列號用來區(qū)分當前的數據塊和下一個待傳輸的數據塊，使得相應的控制開銷較小，傳輸塊所需的確認信息開銷也較小，因為用于指示傳輸塊是否被正確解碼的確認信息（使用ACK，NACK）只須簡單地使用一個比特。另外，因為在同一時間內只傳輸一個數據塊，所以對UE內存的要求也較低。因此，HARQ使用停止等待機制能夠有效地降低對UE內存和信令帶寬的要求。但是，SAW存在一個主要的缺點：確認信息不及時，發(fā)送端在發(fā)送下一個數據塊之前必須等待接收到確認消息，這是SAW HARQ的一個眾所周知的問題。在等待確認信息期間，信道處于空閑，系統(tǒng)能力被浪費了。在一個時隙系統(tǒng)中，發(fā)送端等待確認信息的時延將浪費掉至少一半的系統(tǒng)能力。
N－channel－SAW－HARQ提供一種防止系統(tǒng)資源被浪費的方法，在一個信道上同時并列進行N個SAW，當下行鏈路被某個SAW用于傳輸數據塊時，上行鏈路被用于傳輸其他SAW的確認信息，這樣系統(tǒng)資源被充分利用，但是這時就要求接收端必須能夠存儲N個傳輸塊的信息。
1．2 HARQ的分類
根據HARQ中前向糾錯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，數據被加以CRC并用FEC（forward error correction）編碼。在接收端FEC解碼并用CRC監(jiān)測分組質量。如果分組有錯誤，就進行重傳，而錯誤的分組被丟棄，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差特性。在首次傳輸數據塊時沒有或帶有較少的冗余。如果傳輸失敗，重傳將開始。重傳的數據塊不是首次所傳數據塊的復制，而是增加了其中的冗余部分。在接收端將兩次收到的數據塊進行合并，編碼速率會有所降低而提高了編碼增益。第二類HARQ方案的 一個示例［5］，如圖1所示。
圖1中，碼字C0為（L，K）檢錯碼，碼字C1為（2L，L）的糾錯碼。發(fā)送端第一次發(fā)送數據分組I（即C0），接收端對接收到的數據進行校驗，如果沒有發(fā)現(xiàn)錯誤則發(fā)送ACK信息否則發(fā)送NACK信息。當發(fā)端收到來自接收端的NACK信息指示前一傳送數據分組出錯時，則另一個Lbit的數據分組P（I）被發(fā)送，接收端把接收到的P（I）與先前的I合并（即構成C1）再進行解碼和校驗。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中解碼恢復數據，也可以將出錯重傳碼字與已有緩存的碼字進行合并后解碼。繼續(xù)采用在TypeⅡHARQ當中的示例，TypeⅢHARQ的最大不同就是可以根據重傳的P（I）恢復出數據I。由于重傳的冗余版本不同，第三類HARQ又可進一步分為2種：一種是只具有一個冗余版本的第三類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）；另一種是具有多個冗余版本的第三類HARQ。
Chase combining（D．Chase最早論述了ARQ技術，見文獻［6］）的發(fā)送端每次重傳使用相同的FEC編碼數據分組，這一點與Type I相同。但錯誤的分組被存儲在接收端，接收端的解碼器根據接收到的SNR加權組合這些發(fā)送分組的拷貝。這樣，獲得了時間分集增益。Chase合并所需的接收端緩存較小，信令相對簡單，是一種復雜度低的碼合并方式。
2 TD-SCDMA中HS-DSCH的結構
目前TD－SCDMA在HS－DSCH信道上采用HARQ來實現(xiàn)高速數據傳輸。在TD－SCDMA中每個無線子幀為5 ms，有7個時隙（675μs）。在保證至少有一個上行和下行時隙的條件下，其他時隙可根據需要用于上行或下行傳輸，這使得TD－SCDMA能夠靈活地進行不對稱業(yè)務傳輸。HS－DSCH信道最多可占用5個下行時隙（其中Ts0時隙用作發(fā)送公共控制消息，還有一時隙用于上行發(fā)送反饋消息）。HS－DSCH為高速下行共享信道，其突發(fā)結構如圖2所示。在該突發(fā)結構中有2個等長的數據塊，長為352 chip。這2個數據塊之間是144 chip的訓練 序列，此外還有16 chip的保護碼片。
從無線鏈路控制層到物理層，HS－DSCH上傳輸的消息比特流處理過程為［7］
�。�1）加入CRC校驗碼。
�。�2）數據塊分割。將編碼前的比特序列按編碼方式的不同預先分成不同大小的塊（卷積碼時504，Turbo編碼時5114，不編碼時無大小限制）。仿真中采用Turbo碼，所以分割后數據塊的大小為5114。
�。�3）Turbo編碼。進行R＝1／3基本碼率的Turbo編碼并按標準加入相應長度的尾比特，Turbo編碼器如文獻［8］所述。
（4）HARQ速率匹配。使數據塊可以放到突發(fā)里，同時產生各種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 了多少時隙、多少碼道）將數據映射成相應的格式。
�。�8）調制。HS－DSCH有2種數據調制方式：
QPSK／16 QAM。
�。�9）擴頻，加擾，突發(fā)成型。完成擴頻、擾碼和形成突發(fā)的功能。
�。�10）成幀。將突發(fā)按物理層格式（所占時隙）裝幀。
�。�11）過采樣與發(fā)送濾波。進行過采樣和脈沖成形濾波。成形濾波器是滾降系數為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
仿真假設主要是源于R4－021329。仿真假設為：①調制方式：QPSK；②信息比特的最大吞吐量：528 kbit／s；③ARQ的實現(xiàn)機制（4信道停等機制）；④每一個HARQ進程的最大重傳次數為4；⑤在一個TTI（5 ms）內的信息比特負荷：2 640 bit；⑥用戶總的軟信道比特數為28 160 bit（7040×4）；⑦每一個HARQ進程的軟信道比特數為7 040 bit（第一次速率匹配后的比特數）；⑧在一個TTI（5 ms）傳輸的編碼后的信息量為3 520 bit；⑨第一次打孔率為12％，第二次為50％；①0 HS－DSCH占用的時隙數為4時隙；①1每個時隙中HS－DSCH占用的碼道數為10碼道；①2擴頻因子為16；①3信道估計采用理想時延估計和最小均方誤差聯(lián)合檢測；①4解碼器的Turbo解碼器的輸入為軟輸入，算法為MaxLogMap，解碼器進行4次迭代。
3．2 仿真結果
仿真是在高斯白噪聲和多經信道下進行的。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信道下能得到系統(tǒng)的一個比較完整的性能分析。文獻［4］給出了WCDMA模式下Chase合并，TypeⅡHARQ和TypeⅢHARQ仿真結果，仿真結果表明在采用QPSK調制時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雜度，Chase合并比較理想。在R4－021329中，QPSK調制方式下所采用的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)性能與沒有重傳機制和Type IHARQ的系統(tǒng)性能進行比較。
仿真中，不采用ARQ方案是指接收端發(fā)現(xiàn)有誤時，不進行重傳；Type IHARQ和Chase合并采用4信道停等機制，最大重傳次數為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合并具有實用價值。
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延（單位：ms）。Type IHARQ的時延曲線也很陡，很快上升到最大時延20 ms。Chase合并在時延上相對TypeIHARQ有所改善，在Ior／Ioc為1 dB時有2．2 dB的增益。
設沒有采用ARQ時的誤幀率為η；時延為5 ms；
相應的吞吐率為（1－η）×2640／5＝（1－η）×528kbit／s。則最大重傳次數為4的Type Ihybrid ARQ的誤幀率為η4（重傳次數為4時）；時延（1＋η＋η2＋η3）×5 ms；相應的吞吐率為［（1－η4）／（（1＋η＋η2＋η3）×5）］×2640＝（1－η）×528 kbit／s。當采用
綜上所述，Type IHARQ雖然相對于不采用ARQ可以降低誤幀率，但這是以犧牲時延或帶寬為代價的。而Chase合并由于并不是簡單地將錯誤的數據塊拋掉，通過碼合并有效地利用錯誤數據塊中正確的bit來獲得時間增益，故只需較小的時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的多經信道下最高仍能達到接近500 kbit／s的吞吐量。所以，在QPSK調制方式下，Chase合并方案是一種有效可行，能夠提高數據傳輸速率的方案。
4 結 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合并方案在多經信道條件下的吞吐量。仿真結果表明，在Turbo解碼前對接收到的數據塊進行Chase合并能顯著地改善系統(tǒng)的性能，是一種實際可行，能夠有效提高數據傳輸速率的方案。同時本文的假設條件主要是基于R4－021329，所以對HARQ在TD－SCDMA的標準化進程有一定的參考意義。
參考文獻
�。�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．移動高速數據傳輸與HSDPA 最新進展［J］．計算機應用，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］．
