楊桂芹，胡 瀅，趙春和

(蘭州交通大學電子與信息工程學院，甘肅蘭州730070)

0 引言

為了保證LTE通信系統(tǒng)的傳輸質量，提高系統(tǒng)的吞吐量，3GPP LTE在原有差錯控制技術的基礎上進一步優(yōu)化，采用前向糾錯(FEC)和自動請求重傳(ARQ)相結合的差錯控制方式，稱為混合自動請求重傳技術(HARQ)［1］。在LTE下行鏈路仿真平臺TDD模式下，分別在不同調制方式下對沒有加入HARQ的系統(tǒng)、重傳要求強制執(zhí)行的系統(tǒng)和加入HARQ的系統(tǒng)的吞吐量性能進行分析研究，證明HARQ技術可有效改善LTE系統(tǒng)吞吐量性能，提高LTE系統(tǒng)的傳輸質量。

1 3GPP LTE中的HARQ技術

HARQ技術即ARQ和FEC混合方式。在接收端，對少量差錯自動糾正，而超過前向糾錯能力的差錯則向發(fā)送端發(fā)送錯誤報告要求發(fā)送端重傳以糾正。因此，HARQ技術是對ARQ和FEC兩種差錯方式進行了折中，具有較高的可靠性及較短的時延，從而提高了系統(tǒng)性能［2，3］。

根據(jù)HARQ的合并方式，可將HARQ分為3類:第 I類 HARQ、第 II類 HARQ 和第 III類 HARQ［4］。第I類HARQ在接收端檢測到數(shù)據(jù)出錯時，直接將數(shù)據(jù)包丟棄，并發(fā)送重傳請求，要求發(fā)送端重傳數(shù)據(jù);第II類HARQ在接收端檢測到數(shù)據(jù)出錯時，將錯誤的數(shù)據(jù)包保留下來，與發(fā)送端重傳過來的數(shù)據(jù)冗余信息進行合并之后，再進行解碼。新數(shù)據(jù)與原接收的數(shù)據(jù)一起形成糾錯能力更強的糾錯碼，使糾錯能力進一步提升;第 III類 HARQ與第 II類HARQ相似，接收到的錯誤數(shù)據(jù)不會被丟棄，但新數(shù)據(jù)帶有系統(tǒng)信息位，接收到的新數(shù)據(jù)可自行解碼，解碼正確則將緩存的錯誤數(shù)據(jù)丟棄，解碼出錯則與緩存數(shù)據(jù)合并后再解碼［5，6］。3GPP LTE 采用第 II類和第III類混合的HARQ合并技術。

2 系統(tǒng)仿真平臺設計

在LTE下行鏈路 Matlab仿真平臺上基于高斯信道對HARQ的吞吐量性能進行仿真分析比較，仿真模型如圖 1 所示［7，8］。

圖1 基于HARQ技術的LTE系統(tǒng)仿真模型

發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)，并將所發(fā)送數(shù)據(jù)備份暫存在緩存器中，待接收端反饋信息。接收端收到數(shù)據(jù)后，先將數(shù)據(jù)存儲在接收端緩存器中，若譯碼成功，則釋放緩存數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)，并向發(fā)送端發(fā)送ACK，發(fā)送端收到ACK后便釋放存儲在緩存器中的數(shù)據(jù)，并發(fā)送新的數(shù)據(jù)。若譯碼失敗，將解碼錯誤的數(shù)據(jù)暫存于接收端緩存器中，并向發(fā)送端返回NACK要求重傳數(shù)據(jù)，當發(fā)送端收到NACK反饋后，將緩存器中原數(shù)據(jù)更改冗余版本，再重傳原數(shù)據(jù)，同時在接收端先與緩存器中解碼失敗的數(shù)據(jù)合并，然后再進行譯碼［9］。

3 系統(tǒng)吞吐量性能仿真結果分析

LTE系統(tǒng)吞吐量是指系統(tǒng)單位時間內(nèi)成功地傳送數(shù)據(jù)的數(shù)量，對于鏈路級仿真系統(tǒng)，以幀為單位傳送數(shù)據(jù)，每幀時間為10 ms，則系統(tǒng)的吞吐量為:

式中，Rightbits為系統(tǒng)正確接收的總比特數(shù);Totalfream為系統(tǒng)發(fā)送總幀。

在LTE下行鏈路Matlab仿真平臺上，基于高斯信道分別在QPSK、16QAM和64QAM三種不同調制方式下，對HARQ的吞吐量性能進行了仿真研究。仿真采用單天線1*1模式，主要仿真參數(shù)如下:信道帶寬為 10 M，PRB 為 50，1 024點 FFT，QPSK、16QAM調制方式下采用的冗余版本序列為(0，1，2，3)，64QAM調制方式下采用的冗余版本序列為(0，2，3，1)。仿真結果如圖2、圖3和圖4所示。圖中不重傳是指仿真鏈路沒有加入HARQ，數(shù)據(jù)到達接收端譯碼錯誤的話則報錯，但并不重傳原數(shù)據(jù);強制重傳則是指不管接收端是否譯碼成功，都重傳原數(shù)據(jù)，重新傳過來的數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)合并后再譯碼。

圖2 QPSK調制時系統(tǒng)的吞吐量性能

圖4 64QAM調制時系統(tǒng)的吞吐量性能

上述仿真中，分別在QPSK、16QAM和64QAM調制方式下，對系統(tǒng)不重傳數(shù)據(jù)、強制重傳及加入HARQ時的吞吐量性能進行了研究。由仿真結果圖可以得出各種情況下達到最大吞吐量70%時所對應的SNR值，如表1所示。

表1 各種情況下的SNR (單位:dB)

由仿真結果可知，每多重傳一次數(shù)據(jù)，吞吐量性能便會有所改善，強制重傳數(shù)據(jù)次數(shù)越多，系統(tǒng)吞吐量越高，但是由于反復重傳原數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的傳輸速率受到嚴重影響。在系統(tǒng)加入HARQ技術后，錯誤譯碼則重傳原數(shù)據(jù)，成功譯碼則傳送新數(shù)據(jù)，在一定程度上提高了系統(tǒng)的有效性。由表1可知，加入HARQ時的吞吐量性能介于不重傳數(shù)據(jù)和重傳3次數(shù)據(jù)之間而且吞吐量性能基本達到3PGG LTE中要求。

4 結束語

主要針對LTE下行鏈路中不同情況下的吞吐量性能進行了分析研究。分別在 QPSK、16QAM、64QAM三種調制方式下，對系統(tǒng)不加HARQ、強制重傳及加入HARQ時系統(tǒng)的吞吐量性能進行了綜合比較。仿真結果表明，加入HARQ技術后在保證一定的系統(tǒng)有效性的同時，可有效改善LTE系統(tǒng)吞吐量性能，提高LTE系統(tǒng)的傳輸質量。

［1］胡宏林，徐 景.3GPP LTE無線鏈路關鍵技術［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［2］彭德文，李小文，劉哲哲.TD-LTE系統(tǒng)HARQ重傳機制研究［J］.中國科技論文，2012，4(1):263 －266.

［3］丁志剛.LTE系統(tǒng)中的 HARQ機制［J］.電信技術，2010，2(1):76 －77.

［4］李旭虹，劉 燕，王安義.LTE系統(tǒng)下行鏈路中HARQ技術的研究與仿真［J］.工礦自動化，2012，1(1):62－65.

［5］3GPP TS 36.213 V9.11.0.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Layer Procedures［S］，2012.

［6］3GPP TS 36.214 V9.11.0.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Layer Measurements［S］，2012.

［7］李小文，童 超，李偉博.LTE PUSCH信道中HARQACK/NAK信息編碼算法［J］.計算機應用研究，2011，28(9):3 485－3 487.

［8］徐志文，李小文.TD-LTE系統(tǒng)HARQ機制的設計與仿真［J］.廣東通信技術，2012，5(1):27－30.

［9］3GPP TS 36.211 V9.11.0.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Channels and Modulation［S］，2012.