TD?LTE上行HARQ技術設計與實現

任虎強++陳國平

摘 要： 為了應對新興無線寬帶技術的競爭以及滿足更高的峰值速率，3GPP提出了長期演進LTE?；旌献詣诱埱笾貍鳎℉ARQ）技術是保證無線通信系統高速率傳輸和高服務質量的關鍵技術之一。通過介紹TD?LTE上行HARQ過程，設計上行HARQ過程的具體實現流程并以TDD UL/DL Configuration 2為例說明自適應重傳和非自適應重傳的過程以及在下行信道PHICH上ACK/NACK的反饋情況。

關鍵詞： TD?LTE； HARQ； TDD； 上行

中圖分類號： TN92?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）03?0019?03

Design and implementation of up?link HARQ technology in TD?LTE system

REN Hu?qiang， CHEN Guo?ping

（Laboratory of Theory and New Technology of Electrical Engineering， Chongqing University of Posts and Telecommunications， Chongqing 400065， China）

Abstract： In response to the competition with emerging wireless broadband technology and to meet higher peak rate， long term evolution is presented. Hybrid automatic retransmission request （HARQ） technology is one of the key technologies to ensure the high rate and high quality service of wireless communication system transmission. With the introduction of TD?LTE uplink HARQ process， the concrete realization of uplink HARQ process is designed， and the TDD UL/DL Configuration 2 is taken as an example to explain the adaptive and non?adaptive retransmission process and the ACK/NACKs feedback in downlink channel of PHICH.

Keywords： TD?LTE； HARQ； TDD； uplink

0 引 言

在現代無線通信系統中，數據傳輸的有效性和可靠性是衡量一個系統的重要指標[1]。特別對于LTE系統要求高速率、高服務質量以及高靈活性需要中，HARQ技術更體現出其重要性。HARQ技術基于ARQ技術的改進之上，采用有效的差錯控制等技術來保障數據傳輸的可靠性[1]。

1 HARQ技術介紹

1.1 同步和異步HARQ

同步HARQ和異步HARQ是HARQ傳輸的兩種機制。下面以TDD UL/DL Configuration2的重傳為例進行說明，其配置表見表1。同步HARQ是指一個HARQ進程的重傳發(fā)生在固定的時刻，根據表1得知，TDD配置2在子幀3收到基站下發(fā)的DCI后在子幀7進行上行數據的傳輸，由表2得知子幀7是上行時隙。當基站收到數據或數據解碼失敗后，經過6個時隙后返回NACK，即終端需在幀[n+1]中的子幀3時刻進行重傳。由此可見，同步HARQ機制中，對于同一個進程而言數據的新傳和重傳發(fā)生在已知的時刻。因此不需要額外的信令開銷來標示HARQ進程的序號，此時的HARQ進程的序號可以從子幀號獲得[2]。異步HARQ是指一個HARQ進程的傳輸或重傳可以在任何時隙中傳輸。同上，終端在接收到返回的NACK后，不需要在幀[n+1]中的子幀3時刻進行重傳，而是在收到NACK之后的任何一個空閑時隙中均可進行傳輸。接收端不知道傳輸的發(fā)生時刻，因此HARQ進程的處理序號需要連同數據一起發(fā)送[1]，從而花費更多的信令開銷。

表1為LTE TDD的7種配置，根據上下行時隙配比的不同來區(qū)分不同的業(yè)務。每一種配置對應不同數量的進程數，Frame n下的0～9表示第n幀的時隙，由表1可知每幀包含10個時隙。每個時隙中對應的數表示HARQ進程新傳發(fā)生的時刻或重傳時時隙的偏移量。

表2是TDD UL/DL Configuration2的時隙結構，第一行的數字代表的是時隙，第二行的字母表示上行或下行時隙。其中D表示下行時隙，U表示上行時隙，S表示導頻時隙，即可以用來傳輸上行業(yè)務，也可以用來傳輸下行業(yè)務。

表1 TDD UL/DL配置表

[TDD UL/DL Configuration＼&進

程

數＼&Frame n＼&0＼&1＼&2＼&3＼&4＼&5＼&6＼&7＼&8＼&9＼&0＼&7＼&4＼&6＼&＼&＼&＼&4＼&6＼&＼&＼&＼&1＼&4＼&＼&6＼&＼&＼&4＼&＼&6＼&＼&＼&4＼&2＼&2＼&＼&＼&＼&4＼&＼&＼&＼&＼&4＼&＼&3＼&3＼&4＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&4＼&4＼&4＼&2＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&4＼&4＼&5＼&1＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&4＼&＼&6＼&6＼&7＼&7＼&＼&＼&＼&7＼&7＼&＼&＼&5＼&]

表2 配置2的時隙表

[0＼&1＼&2＼&3＼&4＼&5＼&6＼&7＼&8＼&9＼&0＼&1＼&2＼&3＼&4＼&5＼&6＼&7＼&8＼&9＼&0＼&1＼&2＼&3＼&D＼&S＼&U＼&D＼&D＼&D＼&S＼&U＼&D＼&D＼&D＼&S＼&U＼&D＼&D＼&D＼&S＼&U＼&D＼&D＼&D＼&S＼&U＼&D＼&]

1.2 自適應和非自適應HARQ

根據重傳時的數據包格式的特征是否發(fā)生變化可將HARQ分為非自適應和自適應兩種。其中傳輸的數據特征包括資源塊的分配、調制方式、傳輸塊的長度、傳輸的持續(xù)時間[3]。自適應HARQ傳輸是指在每一次重傳過程中，發(fā)送端可以根據實際的信道狀態(tài)信息改變部分的傳輸參數，因此在每次傳輸的過程中包含傳輸參數的控制信令信息要一并發(fā)送?？筛淖兊膫鬏攨蛋ㄕ{制方式、資源單元的分配和傳輸的持續(xù)時間等[3]。在非自適應HARQ系統中，這些傳輸參數相對于接收端而言都是預先已知的，因此包含傳輸參數的控制信令信息在非自適應系統中是不需要被傳輸的[3]。

2 上行HARQ過程

根據3GPP協議，UE在完成RA過程之后與基站建立連接，從而進行數據的傳輸。UE與基站在建立連接之后的信令流程如下：

（1） 基站發(fā)送DCI給UE。

（2） 如果UE成功接收到基站發(fā)送的DCI，則UE根據DCI格式中的NDI參數選擇進行新傳或重傳數據；如果UE沒有收到基站發(fā)送的DCI，則UE選擇進行重傳；

（3） 基站接收UE發(fā)送的數據并進行解碼。如果基站成功解碼UE發(fā)送的數據，則反饋ACK給UE；如果解碼錯誤，則反饋NACK給UE[4]。

2.1 上行HARQ處理流程

基站MAC接收模塊收到通過PUSCH傳輸的上行數據后通過上行HARQ進行處理[5]。處理流程如圖1所示。

圖1 上行HARQ處理流程圖

2.2 基站接收ACK/NACK消息流程

基站MAC層接收模塊收到PUSCH或PUCCH上的ACK/NACK消息數據通過下行HARQ處理[5]。處理流程如圖2所示。

圖2 基站接收ACK/NACK消息流程圖

2.3 上行HARQ時隙流程

下面以TDD UL/DL Configuration 2為例，根據具體時隙對HARQ新傳、自適應HARQ重傳和非自適應HARQ重傳進行分析。

首先UE在接收到DCI0（NDI為0）后第一次發(fā)送數據，基站反饋NACK；在UE收到NACK之后進行非自適應重傳，基站反饋NACK并重新發(fā)送DCI0（NDI為0），UE進行自適應重傳，基站反饋ACK并發(fā)送DCI0（NDI為1），當UE接收到的NDI為1時跟上次傳輸的NDI（為0）進行對比發(fā)現NDI的值進行了翻轉，從而認為UE發(fā)生一次新傳，基站反饋ACK。此時，UE實現了新傳、非自適應重傳跟自適應重傳。具體如表3所示[4，6]。

根據表3可知，基站在（0，3）時刻發(fā)送一個DCI0（NDI為0）給UE一個有效的上行授權，然后UE在（0，7）時刻第一次傳輸一個數據，基站在（1，1）時刻沒有收到UE傳輸的數據，反饋一個NACK；然后UE在（1，5）時刻進行非自適應的重傳，基站在（1，9）時刻又反饋一個NACK并同時發(fā)送一個DCI0（NDI為0），UE在（2，3）時刻進行自適應重傳，基站在（2，7）時刻收到數據傳輸并反饋ACK并同時發(fā)送一個DCI0（NDI為1）來發(fā)送一次新傳，則UE在（3，1）進行新數據傳輸，基站在（3，5）成功接收數據則反饋ACK[6]。

表3 上行HARQ時隙流程表

[（0，0）＼&（0，1）＼&（0，2）＼& （0，3）＼&（0，4）＼&（0，5）＼&（0，6）＼& （0，7）＼&（0，8）＼& （0，9）＼&＼&＼&＼& ↓＼&＼&＼&＼& ↑＼&＼&＼&＼&＼&＼& D（0）＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&（1，0）＼&（1，1）＼&（1，2）＼& （1，3）＼&（1，4）＼&（1，5）＼&（1，6）＼& （1，7）＼&（1，8）＼& （1，9）＼&＼& ↓＼&＼&＼&＼& ↑＼&＼&＼&＼& ↓＼&＼& N＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼& N/D（0）＼&（2，0）＼&（2，1）＼&（2，2）＼& （2，3）＼&（2，4）＼&（2，5）＼&（2，6）＼& （2，7）＼&（2，8）＼& （2，9）＼&＼&＼&＼& ↑＼&＼&＼&＼& ↓＼&＼&＼&＼&＼&＼& D（0）＼&＼&＼&＼& A/D（1）＼&＼&＼&（3，0）＼&（3，1）＼&（3，2）＼& （3，3）＼&（3，4）＼&（3，5）＼&（3，6）＼& （3，7）＼&（3，8）＼& （3，9）＼&＼& ↑＼&＼&＼&＼& ↓＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼& A＼&＼&＼&＼&＼&]

注：表中[A]表示收到ACK，[N]表示收到NACK；[D（0）]表示基站發(fā)送的是DCI0（NDI為0），[D（1）]表示發(fā)送的是DCI0（NDI為1）；[（a，b）]表示數據發(fā)送或接收的時刻。其中[a]表示系統幀，其范圍為[0，1 023]；[b]表示子幀，其范圍為[0，9] [5]。

3 小 結

無線系統中干擾是無法避免的，這使得無線信道環(huán)境有時候會變得很差。所以數據在重傳的過程中，可以根據信道環(huán)境質量的好壞自適應地改變重傳的傳輸方式，稱為基于IR類型的異步自適應HARQ方案。這種方案可以根據時變信道環(huán)境的特性有效地分配資源，但是具有靈活性的同時也帶來了更多的系統復雜性[3]。在每次重傳過程中包含傳輸參數的控制信令信息必須與數據包一起發(fā)送，這樣就會造成額外的信令開銷，而同步HARQ在每次重傳過程中的重傳包格式、重傳時刻都是預先已知的，因此不需要額外的信令信息[3]。

3.1 同步HARQ的優(yōu)點

（1） 從同步HARQ中得知，該機制不需要傳輸HARQ進程號等，故而花費較小的信令開銷。

（2） 同步HARQ不需要額外的調度，這使得在非自適應系統中接收端操作復雜度降低。

（3） 由于同步HARQ控制信道的信令信息在重傳時與初始傳輸是相同的，這樣就可以在接收端進行軟信息合并從而提高控制信道的性能，提高了控制信道的可靠性[3]。

3.2 異步HARQ的優(yōu)點

（1） 雖然異步HARQ花費更多的信令開銷，但是如果采用完全自適應的HARQ技術，同時在資源分配時可以采用離散、連續(xù)的子載波分配方式，這將大大的提高系統調度的靈活性[1]。

（2） 異步HARQ通過ACK Bunding&Multipluxing可支持一個子幀的多個HARQ進程。

（3） 異步HARQ使得重傳調度的靈活性提高。

4 結 語

本文通過對TDD模式 HARQ技術理論的介紹，重點從HARQ技術的協議入手，詳細的分析了上行HARQ新傳、自適應HARQ重傳以及非自適應HARQ重傳的整個過程。通過對上行HARQ流程的研究，得出同步HARQ和異步HARQ各自的優(yōu)點和缺點，使得在工程中能夠根據各自特點得以應用。

參考文獻

[1] SESIA S， TOUFIK I， BAKER M. LTE—the UMTS Long term evolution from theory to practice [M]. USA： Wiley， 2009.

[2] FARES H， GRAELL I AMAT A， LANGLAIS C， et al. Two?level HARQ for turbo coded cooperation： system retransmission gain and optimal time allocation [C]// Proceedings of 2012 IEEE Wireless Communications and Networking Conference. Shanghai， China： WCNC， 2012： 433?437.

[3] 劉洪來.TD?LTE動態(tài)仿真系統下行干擾協調研究與實現[D].北京：北京郵電大學，2011.

[4] 3GPP. TS 36.300 v9.0.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E?UTRA） and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E?UTRAN）； Overall description [S]. USA： 3GPP， 2009.

[5] 3GPP. TS 36.211 v9.0.0 TD?LTE digital cellular mobile telecommunication network Uu Interface Technical Requirement?Part 2： Physical Channels and Modulation [S]. USA： 3GPP， 2009.

[6] 3GPP. TS 36.523 v9.0.0?2009. Evolved universal terrestrial radio access （E?UTRA） and evolved packet core （EPC）； user equipment （UE） conformance specification [S]. USA： 3GPP， 2009.

[7] 3GPP. TS 36.212 v9.0.0 Evolved universal terrestrial radio access （E?UTRA） multiplexing and channel coding–Part 3 ： Multiplexing and Channel Coding [S]. USA： 3GPP， 2009.

[8] 3GPP. TS 36.213 v9.0.0 TD?LTE digital cellular mobile telecommunication network Uu Interface Technical Requirement?Part 3 ： Physical Layer Procedure [S]. USA： 3GPP， 2009.

[9] LI Zhen?xing， ZHAO Wen?shen. Research of HARQ mechanism in 3GPP [EB/OL]. [2008?08?15]. http：//www.paper.edu.cn.

[10] 彭德義，李小文，劉哲哲.TD?LTE系統HARQ重傳機制研究[D/OL]. [2012?05?14]. http：//www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201205?218.

[11] SUSITAIVAL R， MEYER M. LTE coverage improvement by TTI bundling [C]// Proceedings of IEEE 69th Vehicular Technology Conference. Barcelona， Spain： VTC， 2009： 1?5.

3.1 同步HARQ的優(yōu)點

（1） 從同步HARQ中得知，該機制不需要傳輸HARQ進程號等，故而花費較小的信令開銷。

（2） 同步HARQ不需要額外的調度，這使得在非自適應系統中接收端操作復雜度降低。

（3） 由于同步HARQ控制信道的信令信息在重傳時與初始傳輸是相同的，這樣就可以在接收端進行軟信息合并從而提高控制信道的性能，提高了控制信道的可靠性[3]。

3.2 異步HARQ的優(yōu)點

（1） 雖然異步HARQ花費更多的信令開銷，但是如果采用完全自適應的HARQ技術，同時在資源分配時可以采用離散、連續(xù)的子載波分配方式，這將大大的提高系統調度的靈活性[1]。

（2） 異步HARQ通過ACK Bunding&Multipluxing可支持一個子幀的多個HARQ進程。

（3） 異步HARQ使得重傳調度的靈活性提高。

4 結 語

本文通過對TDD模式 HARQ技術理論的介紹，重點從HARQ技術的協議入手，詳細的分析了上行HARQ新傳、自適應HARQ重傳以及非自適應HARQ重傳的整個過程。通過對上行HARQ流程的研究，得出同步HARQ和異步HARQ各自的優(yōu)點和缺點，使得在工程中能夠根據各自特點得以應用。

參考文獻

[1] SESIA S， TOUFIK I， BAKER M. LTE—the UMTS Long term evolution from theory to practice [M]. USA： Wiley， 2009.

[2] FARES H， GRAELL I AMAT A， LANGLAIS C， et al. Two?level HARQ for turbo coded cooperation： system retransmission gain and optimal time allocation [C]// Proceedings of 2012 IEEE Wireless Communications and Networking Conference. Shanghai， China： WCNC， 2012： 433?437.

[3] 劉洪來.TD?LTE動態(tài)仿真系統下行干擾協調研究與實現[D].北京：北京郵電大學，2011.

[4] 3GPP. TS 36.300 v9.0.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E?UTRA） and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E?UTRAN）； Overall description [S]. USA： 3GPP， 2009.

[5] 3GPP. TS 36.211 v9.0.0 TD?LTE digital cellular mobile telecommunication network Uu Interface Technical Requirement?Part 2： Physical Channels and Modulation [S]. USA： 3GPP， 2009.

[6] 3GPP. TS 36.523 v9.0.0?2009. Evolved universal terrestrial radio access （E?UTRA） and evolved packet core （EPC）； user equipment （UE） conformance specification [S]. USA： 3GPP， 2009.

[7] 3GPP. TS 36.212 v9.0.0 Evolved universal terrestrial radio access （E?UTRA） multiplexing and channel coding–Part 3 ： Multiplexing and Channel Coding [S]. USA： 3GPP， 2009.

[8] 3GPP. TS 36.213 v9.0.0 TD?LTE digital cellular mobile telecommunication network Uu Interface Technical Requirement?Part 3 ： Physical Layer Procedure [S]. USA： 3GPP， 2009.

[9] LI Zhen?xing， ZHAO Wen?shen. Research of HARQ mechanism in 3GPP [EB/OL]. [2008?08?15]. http：//www.paper.edu.cn.

[10] 彭德義，李小文，劉哲哲.TD?LTE系統HARQ重傳機制研究[D/OL]. [2012?05?14]. http：//www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201205?218.

[11] SUSITAIVAL R， MEYER M. LTE coverage improvement by TTI bundling [C]// Proceedings of IEEE 69th Vehicular Technology Conference. Barcelona， Spain： VTC， 2009： 1?5.

3.1 同步HARQ的優(yōu)點

（1） 從同步HARQ中得知，該機制不需要傳輸HARQ進程號等，故而花費較小的信令開銷。

（2） 同步HARQ不需要額外的調度，這使得在非自適應系統中接收端操作復雜度降低。

（3） 由于同步HARQ控制信道的信令信息在重傳時與初始傳輸是相同的，這樣就可以在接收端進行軟信息合并從而提高控制信道的性能，提高了控制信道的可靠性[3]。

3.2 異步HARQ的優(yōu)點

（1） 雖然異步HARQ花費更多的信令開銷，但是如果采用完全自適應的HARQ技術，同時在資源分配時可以采用離散、連續(xù)的子載波分配方式，這將大大的提高系統調度的靈活性[1]。

（2） 異步HARQ通過ACK Bunding&Multipluxing可支持一個子幀的多個HARQ進程。

（3） 異步HARQ使得重傳調度的靈活性提高。

4 結 語

本文通過對TDD模式 HARQ技術理論的介紹，重點從HARQ技術的協議入手，詳細的分析了上行HARQ新傳、自適應HARQ重傳以及非自適應HARQ重傳的整個過程。通過對上行HARQ流程的研究，得出同步HARQ和異步HARQ各自的優(yōu)點和缺點，使得在工程中能夠根據各自特點得以應用。

參考文獻

[1] SESIA S， TOUFIK I， BAKER M. LTE—the UMTS Long term evolution from theory to practice [M]. USA： Wiley， 2009.

[2] FARES H， GRAELL I AMAT A， LANGLAIS C， et al. Two?level HARQ for turbo coded cooperation： system retransmission gain and optimal time allocation [C]// Proceedings of 2012 IEEE Wireless Communications and Networking Conference. Shanghai， China： WCNC， 2012： 433?437.

[3] 劉洪來.TD?LTE動態(tài)仿真系統下行干擾協調研究與實現[D].北京：北京郵電大學，2011.

[4] 3GPP. TS 36.300 v9.0.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E?UTRA） and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E?UTRAN）； Overall description [S]. USA： 3GPP， 2009.

[5] 3GPP. TS 36.211 v9.0.0 TD?LTE digital cellular mobile telecommunication network Uu Interface Technical Requirement?Part 2： Physical Channels and Modulation [S]. USA： 3GPP， 2009.

[6] 3GPP. TS 36.523 v9.0.0?2009. Evolved universal terrestrial radio access （E?UTRA） and evolved packet core （EPC）； user equipment （UE） conformance specification [S]. USA： 3GPP， 2009.

[7] 3GPP. TS 36.212 v9.0.0 Evolved universal terrestrial radio access （E?UTRA） multiplexing and channel coding–Part 3 ： Multiplexing and Channel Coding [S]. USA： 3GPP， 2009.

[8] 3GPP. TS 36.213 v9.0.0 TD?LTE digital cellular mobile telecommunication network Uu Interface Technical Requirement?Part 3 ： Physical Layer Procedure [S]. USA： 3GPP， 2009.

[9] LI Zhen?xing， ZHAO Wen?shen. Research of HARQ mechanism in 3GPP [EB/OL]. [2008?08?15]. http：//www.paper.edu.cn.

[10] 彭德義，李小文，劉哲哲.TD?LTE系統HARQ重傳機制研究[D/OL]. [2012?05?14]. http：//www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201205?218.

[11] SUSITAIVAL R， MEYER M. LTE coverage improvement by TTI bundling [C]// Proceedings of IEEE 69th Vehicular Technology Conference. Barcelona， Spain： VTC， 2009： 1?5.