TD-LTE系統(tǒng)中ACK復用反饋算法研究

孫靈芝,魏 淮

(北京交通大學電子信息工程學院,北京100044)

TD-LTE系統(tǒng)中ACK復用反饋算法研究

孫靈芝,魏 淮

(北京交通大學電子信息工程學院,北京100044)

當TD-LTE系統(tǒng)中用戶使用ACK/NACK Multiplexing模式進行HARQ反饋時,在PUCCH信道上承載反饋結(jié)果,反饋結(jié)果的取值存在二義性,使得演進型基站(eNB)無法獲取確切的反饋結(jié)果。為此,提出一種基于終端(UE)空口質(zhì)量的ACK/NACK Multiplexing反饋結(jié)果判決算法。eNB根據(jù)每個UE上報的CQI/PMI/RI等表征UE空口質(zhì)量的參數(shù),并結(jié)合eNB監(jiān)控的UE數(shù)據(jù)發(fā)送和接收誤塊率,對上報的CQI參數(shù)進行修正,將經(jīng)過處理后的CQI反饋參數(shù)輸出至分組調(diào)度器。對存在二義性的反饋結(jié)果進行判決,以便獲取較準確的反饋結(jié)果。相應的平臺仿真結(jié)果表明,該算法能夠降低系統(tǒng)誤塊率,增加系統(tǒng)吞吐量。

長期演進;混合自動重傳請求;反饋算法;信道質(zhì)量指示;空口質(zhì)量;誤塊率

1 概述

HARQ(混合自動重傳請求)是ARQ的改進,常用的自動重傳請求協(xié)議包括停等式(SAW)、后退N步式(Go-back-N)和選擇重發(fā)式(SR)等[1]。HARQ實體負責發(fā)送和接收HARQ操作。發(fā)送HARQ操作包括發(fā)送和重傳傳輸塊、接收和處理ACK/NACK信令。接收HARQ操作包括接收數(shù)據(jù)塊、對接收到的數(shù)據(jù)進行組合以及生成ACK/ NACK信令[2]。通常,HARQ方案可分為同步或異步,在每個情況下的重傳可以是自適應或非自適應的[3]。HARQ已經(jīng)成為TD-LTE(長期演進)系統(tǒng)中不可或缺的關鍵技術之一[4]。但目前對HARQ的研究主要表現(xiàn)在對HARQ類型及相關技術的研究,如信道編碼技術(Turbo編碼)、速率控制技術等,而對于HARQ反饋信息機制的研究卻相對要少。因此,本文提出一種基于 UE空口質(zhì)量的HARQ ACK/NACK復用反饋判決算法,增加判斷的可靠性,并減小數(shù)據(jù)誤判的次數(shù),以提高系統(tǒng)資源的利用率。

2 TD-LTE系統(tǒng)的HARQ-ACK反饋方案

對于TD-LTE系統(tǒng)支持的2種ACK/NACK反饋模式[5],由高信令面(Control Plan)進行配置: ACK/NACK bundling和ACK/NACK multiplexing。

在TD-LTE系統(tǒng)中,根據(jù)PDCCH(物理下行控制信道)與PDSCH(物理下行共享信道)的對應關系,分成如下3類[6]:(1)有對應PDCCH的PDSCH,即通常的eNB通過PDCCH控制信道調(diào)度PDSCH信道的方式;(2)沒有對應PDCCH的PDSCH,即SPS(半持續(xù)調(diào)度)非連續(xù)類型的資源調(diào)度方式;(3)沒有對應PDSCH的PDCCH,即SPS資源釋放的PDCCH控制指示信道。針對上述3種方式,不同的UL-DL Config下會有不同的ACK/NACK信息反饋方式。

對于TDD HARQ-ACK multiplexing模式,當子幀n對應的M＞1(M為表1中定義的K集合中的元素數(shù)量)時,則要對M個下行子幀中同一個子幀中多個碼字的ACK/NACK反饋信息進行邏輯與(又稱空間合并),即每個下行子幀對應1 bit反饋信息。當UE被配置了一個服務小區(qū)時,UE將使用PUCCH(物理上行控制信道)format 1b[7]選擇信道傳輸HARQ-ACK。當子幀n對應的M=1時,將不進行同一個下行子幀中多個碼字反饋信息的邏輯與操作,直接使用PUCCH format 1a或format 1b傳輸1 bit或2 bit的HARQ-ACK信息。

表1 TDD下行相關的K:{k0,k1,…,kM-1}索引

3 基于UE空口質(zhì)量的反饋結(jié)果判決算法

3.1 二義性反饋結(jié)果的現(xiàn)有處理方案

表2 ACK/NACK傳輸復用表(M=4)

把上述二義性的反饋值分為2類:第①類,UE空口質(zhì)量比較好的反饋結(jié)果,①_1和①_2這2種反饋結(jié)果是等效的,兩者的選擇具有一定的隨意性采用試探發(fā)送;第②類,UE空口質(zhì)量很差時的反饋結(jié)果。

目前的商用設備實現(xiàn)算法是不考慮UE當前的空口質(zhì)量,直接取最差的反饋結(jié)果,即第②類。由于這種方案不綜合考慮UE在空口的質(zhì)量,采用最簡單的方式,按照最差的情況進行處理,增加數(shù)據(jù)被誤判和重傳的次數(shù),浪費了空口資源。如果基于UE在空口的質(zhì)量進行判決,可以提高判斷的準確性,減少空口資源的浪費。

3.2 基于UE空口質(zhì)量的判決算法

本文提出一種基于監(jiān)控本小區(qū)用戶的上行反饋空口狀態(tài)進行反饋結(jié)果的判決的算法,即在LTE中一種基于UE空口質(zhì)量的ACK_NACK Multiplexing反饋結(jié)果判決算法。在LTE的調(diào)度系統(tǒng)中,eNB根據(jù)每個UE上報的CQI(信道質(zhì)量指示)/PMI/RI等表征UE空口質(zhì)量的參數(shù),且由于當前TTI反饋的CQI參數(shù)與具有ACK回傳的CQI反饋參數(shù)間具有高度的相關性[8],并結(jié)合eNB監(jiān)控的UE數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的BLER對上報的CQI參數(shù)進行修正,將經(jīng)過處理后的CQI反饋參數(shù)輸出至分組調(diào)度器。最后,由分組調(diào)度器判決當前為哪個待調(diào)度UE提供服務。這已經(jīng)充分證明了eNB通過修正得到的UE空口的質(zhì)量是可靠的。本文算法基于eNB通過上述方式得到UE長期的空口質(zhì)量統(tǒng)計值,進行HARQ反饋值的判決。

設置如下參數(shù):

BLER_High_Threshold:判斷UE空口質(zhì)量的誤塊率高門限,當用戶的誤塊率高于該門限時,UE的空口質(zhì)量很差。

BLER_Low_Threshold:判斷UE空口質(zhì)量的誤塊率低門限,當用戶的誤塊率低于該門限時,UE的空口質(zhì)量很好。

Eff_High_Threshold:頻譜效率的高門限,高于該值,認為用戶的空口質(zhì)量很好。

Eff_Low_Threshold:頻譜效率的低門限,低于該值,認為用戶的空口質(zhì)量很差。

Mcs_eff(i):在當前第i個調(diào)度間隔內(nèi)經(jīng)過CQI修正算法修正后的輸出頻譜效率。

Mcs_BLER(i):在當前第i個調(diào)度間隔內(nèi)UE誤塊率的統(tǒng)計值。

算法步驟如下:

(1)確認UE的空口質(zhì)量:Mcs_BLER(i)＜BLER_Low_Threshold,且Mcs_eff(i)＞Eff_High_Threshold,則UE的空口質(zhì)量較好;如果Mcs_BLER(i)＞BLER_High_Threshold并且Mcs_eff(i)＜Eff_Low_Threshold,則UE的空口質(zhì)量較差;其他情況為用戶空口質(zhì)量一般。

(2)根據(jù)用戶的空口質(zhì)量進行HARQ反饋的判決:如果用戶的空口質(zhì)量很好,則取第①類結(jié)果;如果用戶的空口質(zhì)量很差,則取第②類結(jié)果;如果用戶的空口質(zhì)量一般,則取第②類結(jié)果;判決流程如圖1所示。

圖1 算法總體流程

(3)對第①類結(jié)果的判決:因為第①類結(jié)果存在2種結(jié)果的二義性,并且這2種二義性結(jié)果的選取是等效的,eNB采用隨機選擇方式。由于前后2次數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)果的相關性不僅是由UE的信道快衰決定的,還需要考慮來自鄰區(qū)的干擾,而鄰區(qū)的干擾是快速變化且不可預測的[9],同時還要考慮每次調(diào)度的頻域位置,因為不同頻域位置的快衰落情況也是會有很大差別的,所以首次重傳時隨機選擇①_1和①_2。如果UE下次反饋的結(jié)果不存在二義性,則本次預判決成功;如果eNB選擇①_1的結(jié)果后,UE反饋的結(jié)果仍然具有二義性,則eNB選擇①_2的結(jié)果作為本次的反饋結(jié)果如果UE下次反饋的結(jié)果不存在二義性,則本次預判決成功。如果UE仍然反饋的結(jié)果具有二義性,則eNB選擇第②類進行全部的重傳。eNB選擇①_1和①_2的流程相同。以隨機選①_1的判決為例,判決流程如圖2所示。

圖2 第①類結(jié)果的判決流程

由文獻[8]可知,組合測試修正后的CQI表達式為:

其中,+1為對當前TTI反饋的CQI參數(shù)的最終修正值;pi(n+1)為第i種單項預測方法在組合預測中的加權(quán)平均系數(shù),i=1或2,為第i種單項預測方法在第(n+1)時刻的預測值,i=1或2。其中,CQI的參數(shù)值單項預測1是采用指數(shù)平滑預測模型[10],單項預測2的關系表達式[11]為:

其中,2(n+1)為二次移動平均預測值;2(n+1)為一次移動平均值,即,{xi,i=1,2,…,n}為當前TTI之前實際接收到的具有連續(xù)ACK回傳的n個CQI參數(shù)值;為二次移動平均值,即為當前TTI之前實際接收到的具有連續(xù)ACK回傳的n個CQI參數(shù)值所分別對應的n個二次移動平均預測值。

4 仿真結(jié)果與分析

TD-LTE系統(tǒng)的仿真參數(shù)設置如表3所示。

表3 TD-LTE系統(tǒng)級仿真參數(shù)

4.1 系統(tǒng)誤塊率

在實際的商用設備測試中,測試20 000次并進行次數(shù)統(tǒng)計,反饋結(jié)果中①_1,①_2,②和全都是ACK這4種情況分別出現(xiàn)的次數(shù)比例約為1∶1∶1∶1,則依據(jù)概率論中的平均理論可以得到,①_1,①_2,②和反饋全都是ACK這4種情況概率相等,且均為0.25。按目前的方案把①_1和①_2都判為第②類,所以誤塊率為(0.25+0.25+0.25)×0.5= 0.375。而本文反饋算法的誤塊率則為 0.25× 0.25+0.25×0.25+0.25×0.5=0.25。因此,本文算法可使系統(tǒng)的誤塊率由37.5%降低到25%。即使4種情況不是等概率出現(xiàn),該算法仍然有效。因為算法本身具有閉環(huán)控制功能可以進行相應的修正調(diào)整。由系統(tǒng)仿真曲線(如圖3所示)也可以看出系統(tǒng)誤塊率有一定程度的下降。

圖3 誤塊率變化對比

4.2 系統(tǒng)吞吐量

系統(tǒng)吞吐量表達式為:

其中,Ri(t)為第i個用戶的平均吞吐量[12]。

如表4所示,通過設置不同誤塊率與頻譜效率的高低門限值得出某時間段內(nèi)相應的系統(tǒng)吞吐量,進而找到設置需要的誤碼率和頻譜效率的最佳高低門限。

表4 BLER與Eff相關值對應曲線

在這個過程中,為了減少誤判,誤塊率的門限和頻譜效率的門限應該比較嚴格,比如一般認為用戶的誤塊率在10%以內(nèi)是可以接受的,這里的誤塊率低門限應該設置為1%附近,通過這種嚴格的判斷門限,確保判斷出來的用戶質(zhì)量保守一些。該算法不考慮DTX。

如圖4為不同情況下系統(tǒng)吞吐量的對比。在圖4中,Case_0對應的是未進行CQI修正之前吞吐量的走向;Case_1對應的曲線是CQI進行修正但沒有對HARQ反饋結(jié)果進行判決的情況下吞吐量的統(tǒng)計值。由圖可知,進行HARQ反饋結(jié)果判決算法,系統(tǒng)吞吐量有一定程度的提高。且在BLER的高低門限分別為10%,1%,Eff的高低門限分別為0.8,0.3時,系統(tǒng)吞吐量最佳。

圖4 不同情況下系統(tǒng)吞吐量的對比

5 結(jié)束語

在TD-LTE系統(tǒng)中,當用戶使用HARQ ACK/ NACK Multiplexing模式進行反饋,且一個上行子幀對應4個下行子幀時,反饋結(jié)果存在二義性。因此,本文提出一種優(yōu)化HARQ ACK/NACK Multiplexing反饋方案的判決算法。該算法相對于現(xiàn)有技術,其主要優(yōu)點表現(xiàn)在減小了數(shù)據(jù)誤判的次數(shù),提高了系統(tǒng)資源的利用率;基于UE空口質(zhì)量進行判決,提高了判斷的可靠性;采用保守的判決門限確保結(jié)果準確性,降低了誤判的概率;實現(xiàn)簡單且具有良好的兼容性?？紤]到本文僅針對M=4情況下的分析,其通用性還需進一步驗證。因此,以后研究的重點是如何高效驗證該算法的通用性。

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編輯 任吉慧

Research on ACK Multiplexing Feedback Algorithm in TD-LTE System

SUN Ling-zhi,WEI Huai
(School of Electronic and Information Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

When the users adopt the HARQ ACK/NACK Multiplexing model feedback in TD-LTE,the PUCCH channel carries feedback results,which sometimes are ambiguous.So evolved Node B(eNB)cannot obtain the exact feedback results.Therefore,this paper puts forward a method called ACK/NACK multiplexing feedback results judgment algorithm based on User Equipment(UE)air interface quality,which judges the ambiguous feedback results to be more accurate.In the scheduling system,UE reports CQI/PMI/RI parameters as characterizations of UE air quality to eNB.And eNB amends reported CQI parameters,based on the parameters of each UE and the

UE Block Error Rate(BLER),which are output to the packet scheduler to decide which UE to be scheduled in next scheduling period. And through the corresponding platform simulations it proves that the algorithm can decrease BLER and increase the system throughput.

Long Term Evolution(LTE);hybrid automatic repeat request;feedback algorithm;Channel Quality Indicator(CQI);air interface quality;Block Error Rate(BLER)

1000-3428(2014)10-0104-05

A

TN929.5

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.10.020

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(2012JBM001)。

孫靈芝(1987-),女,碩士研究生,主研方向:無線通信,光通信;魏 淮,副教授、博士研究生。

2013-10-06

2013-12-20E-mail:slz916@163.com

中文引用格式:孫靈芝,魏 淮.TD-LTE系統(tǒng)中ACK復用反饋算法研究[J].計算機工程,2014,40(10):104-108.

英文引用格式:Sun Lingzhi,Wei Huai.Research on ACK Multiplexing Feedback Algorithm in TD-LTE System[J]. Computer Engineering,2014,40(10):104-108.