TD-SCDMA系统中HARQ方案与分析

2019-11-03 09:17:55

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供稿：网友

周海军，李少斌，景锋

重庆邮电学院，重庆400065

　　摘　要：Turbo码在通用移动通信系统标准中的应用特别是与自动重传请求（ARQ）相结合使得数据传输向更可靠的阶段发展。介绍了不同的HARQ方案，对TD－SCDMA模式下的混合自动重传请求进行了分析和仿真，并把没有ARQ，HARQ类型I与Chase合并作比较。仿真结果表明，Chase合并能减小误帧率和提高吞吐率，并在多经信道和高速条件下，仍能获得较高吞吐量。

　　关键词：TD－SCDMA；高速下行分组接入；混合自动重复；Chase合并

　　0　引　言

　　高速下行分组接入（HSDPA）把下行数据业务速率提高到8～10 Mbit／s。该技术是第三代移动通信提高下行容量和数据业务速率的一种重要技术。HSDPA采用的关键技术是自适应调制编码（AMC）和混合自动重复（HARQ）。而HARQ基于信道条件提供精确的编码速率调节，可自动适应瞬时信道条件，且对延迟和误差不敏感。

　　当前3GPP标准中有2种模式：频分双工（FDD）和时分双工（TDD），前者相对比较成熟，而后者还存在一些定义的空间，尤其是其中的TD－SCDMA模式。TD－SCDMA的一个优点在于它的时隙结构（下行传输可以比上行传输获得更多的时隙）有利于方便地实现不对称传输。在HSDPA标准化的进程中，3GPP的RAN4提交的R4－021329中给出了调制方式为QPSK时TD－SCDMA混合自动重复的仿真假设，并且其采用的HARQ方案为Chase合并［1］。本文将主要提供在TS－SCDMA模式下采用QPSK调制Chase合并方案的仿真结果并把其在高斯白噪声信道下的系统性能与没有重传机制和Type IHARQ的系统性能进行比较。

　　1　HARQ方案介绍

　　数据通信最初是在有线网上发展起来的，通常要求较大的带宽和较高的传输质量。对于有线连接，数据传输的可靠性是通过重传来实现的。当前一次尝试传输失败时，就要求重传数据分组，这样的传输机制就称之为ARQ（自动请求重传）。在无线传输环境下，信道噪声和由于移动性带来的衰落以及其他用户带来的干扰使得信道传输质量很差，所以应该对数据分组加以保护来抑制各种干扰。这种保护主要是采用前向纠错编码（FEC），在分组中传输额外的比特。然而，过多的前向纠错编码会使传输效率变低。因此，一种混合方案HARQ，即ARQ和FEC相结合的方案被提出了。

　　1．1　ARQ的实现

　　ARQ的实现机制主要有2种［2］：选择重复（SR： selective repeat）和停止等待（SAW：stop－and－wait）。

　　（1）选择重复。基于窗口的SR是一种被许多系统采用的HARQ协议，包括RLCR99（也称R3版本，是3GPP目前最成熟、最稳定的版本）。SR一般对时延不敏感，而且具有对接收到有错误的数据块进行重传的良好特性。为了完成这个功能，SR－HARQ传送端必须对每一个它发送的数据块进行序号标识。HARQ与SR一同操作，有以下2个难点。

　　①所需UE内存较大。UE必须存储传送窗口内每个传输块的样本。需要存储的传输块数目越多，UE存储空间也要求越大，导致成本增加。

　　②HARQ需要接收端准确无误地确定每个传输块的传输序列号，这就对包含传输序列号的信令的传输提出了很高的要求。

　　（2）停止等待。SAW是一种最简单的HARQ形式，所需系统开销非常小。在SAW中，发送方只在发送的数据块被正确接收到之后才开始对下一个数据块进行操作，系统只须使用1比特的序列号用来区分当前的数据块和下一个待传输的数据块，使得相应的控制开销较小，传输块所需的确认信息开销也较小，因为用于指示传输块是否被正确解码的确认信息（使用ACK，NACK）只须简单地使用一个比特。另外，因为在同一时间内只传输一个数据块，所以对UE内存的要求也较低。因此，HARQ使用停止等待机制能够有效地降低对UE内存和信令带宽的要求。但是，SAW存在一个主要的缺点：确认信息不及时，发送端在发送下一个数据块之前必须等待接收到确认消息，这是SAW HARQ的一个众所周知的问题。在等待确认信息期间，信道处于空闲，系统能力被浪费了。在一个时隙系统中，发送端等待确认信息的时延将浪费掉至少一半的系统能力。

　　N－channel－SAW－HARQ提供一种防止系统资源被浪费的方法，在一个信道上同时并列进行N个SAW，当下行链路被某个SAW用于传输数据块时，上行链路被用于传输其他SAW的确认信息，这样系统资源被充分利用，但是这时就要求接收端必须能够存储N个传输块的信息。

　　1．2　HARQ的分类

　　根据HARQ中前向纠错编码在接收端合并的方式［3，4］，HARQ可分为以下3类。

　　（1）Type IHARQ。当前3GPP（R99）规范中所采用的ARQ方案被称作Type IHARQ。在这种简单的Type IHARQ方案中，数据被加以CRC并用FEC（forward error correction）编码。在接收端FEC解码并用CRC监测分组质量。如果分组有错误，就进行重传，而错误的分组被丢弃，重传分组采用与前一次相同的编码。故每次重传被正确解码的概率相同且比较低。

　　（2）TypeⅡHARQ。第二类HARQ方案属于递增冗余（incrementalredundancy）的ARQ方案。TypeⅡHARQ方案考虑了无线传播信道的时差特性。在首次传输数据块时没有或带有较少的冗余。如果传输失败，重传将开始。重传的数据块不是首次所传数据块的复制，而是增加了其中的冗余部分。在接收端将两次收到的数据块进行合并，编码速率会有所降低而提高了编码增益。第二类HARQ方案的一个示例［5］，如图1所示。

　　图1中，码字C0为（L，K）检错码，码字C1为（2L，L）的纠错码。发送端第一次发送数据分组I（即C0），接收端对接收到的数据进行校验，如果没有发现错误则发送ACK信息否则发送NACK信息。当发端收到来自接收端的NACK信息指示前一传送数据分组出错时，则另一个Lbit的数据分组P（I）被发送，接收端把接收到的P（I）与先前的I合并（即构成C1）再进行解码和校验。第二次发送的P（I）就是所说的增量冗余信息，它与第一次发送的I不同。

　　（3）TypeⅢHARQ。第三类的HARQ方案也属于增量冗余（IR）方案，它与第二类HARQ不同的是重传码字具有自解码能力，因此接收端可以直接从重传码字当中解码恢复数据，也可以将出错重传码字与已有缓存的码字进行合并后解码。继续采用在TypeⅡHARQ当中的示例，TypeⅢHARQ的最大不同就是可以根据重传的P（I）恢复出数据I。由于重传的冗余版本不同，第三类HARQ又可进一步分为2种：一种是只具有一个冗余版本的第三类HARQ，也称为具有软合并得第一类HARQ，各次重传冗余版本均与第一次传输相同（ChaseCombing）；另一种是具有多个冗余版本的第三类HARQ。

　　Chase combining（D．Chase最早论述了ARQ技术，见文献［6］）的发送端每次重传使用相同的FEC编码数据分组，这一点与Type I相同。但错误的分组被存储在接收端，接收端的解码器根据接收到的SNR加权组合这些发送分组的拷贝。这样，获得了时间分集增益。Chase合并所需的接收端缓存较小，信令相对简单，是一种复杂度低的码合并方式。

　　2　TD-SCDMA中HS-DSCH的结构

　　目前TD－SCDMA在HS－DSCH信道上采用HARQ来实现高速数据传输。在TD－SCDMA中每个无线子帧为5 ms，有7个时隙（675μs）。在保证至少有一个上行和下行时隙的条件下，其他时隙可根据需要用于上行或下行传输，这使得TD－SCDMA能够灵活地进行不对称业务传输。HS－DSCH信道最多可占用5个下行时隙（其中Ts0时隙用作发送公共控制消息，还有一时隙用于上行发送反馈消息）。HS－DSCH为高速下行共享信道，其突发结构如图2所示。在该突发结构中有2个等长的数据块，长为352 chip。这2个数据块之间是144 chip的训练序列，此外还有16 chip的保护码片。

　　从无线链路控制层到物理层，HS－DSCH上传输的消息比特流处理过程为［7］

　　（1）加入CRC校验码。

　　（2）数据块分割。将编码前的比特序列按编码方式的不同预先分成不同大小的块（卷积码时504，Turbo编码时5114，不编码时无大小限制）。仿真中采用Turbo码，所以分割后数据块的大小为5114。

　　（3）Turbo编码。进行R＝1／3基本码率的Turbo编码并按标准加入相应长度的尾比特，Turbo编码器如文献［8］所述。

　　（4）HARQ速率匹配。使数据块可以放到突发里，同时产生各种HARQ方案所需的打孔样本。

　　（5）比特加扰。用比特加扰器对比特序列加扰。

　　（6）HS－DSCH交织。完成HS－DSCH交织，对于不同的调制方式（QPSK／16 QAM），交织方式也随之不同。

　　（7）物理信道映射。按所采用物理信道格式（占了多少时隙、多少码道）将数据映射成相应的格式。

　　（8）调制。HS－DSCH有2种数据调制方式：

　　QPSK／16 QAM。

　　（9）扩频，加扰，突发成型。完成扩频、扰码和形成突发的功能。

　　（10）成帧。将突发按物理层格式（所占时隙）装帧。

　　（11）过采样与发送滤波。进行过采样和脉冲成形滤波。成形滤波器是滚降系数为0．22的根升余弦滤波器，带宽为1．28 MHz。

　　3　HARQ的仿真

　　3．1　仿真假设

　　仿真假设主要是源于R4－021329。仿真假设为：①调制方式：QPSK；②信息比特的最大吞吐量：528 kbit／s；③ARQ的实现机制（4信道停等机制）；④每一个HARQ进程的最大重传次数为4；⑤在一个TTI（5 ms）内的信息比特负荷：2 640 bit；⑥用户总的软信道比特数为28 160 bit（7040×4）；⑦每一个HARQ进程的软信道比特数为7 040 bit（第一次速率匹配后的比特数）；⑧在一个TTI（5 ms）传输的编码后的信息量为3 520 bit；⑨第一次打孔率为12％，第二次为50％；①0 HS－DSCH占用的时隙数为4时隙；①1每个时隙中HS－DSCH占用的码道数为10码道；①2扩频因子为16；①3信道估计采用理想时延估计和最小均方误差联合检测；①4解码器的Turbo解码器的输入为软输入，算法为MaxLogMap，解码器进行4次迭代。

　　3．2　仿真结果

　　仿真是在高斯白噪声和多经信道下进行的。在高斯白噪声下能得到最佳系统性能的比较，而在从低速到高速的多经信道下能得到系统的一个比较完整的性能分析。文献［4］给出了WCDMA模式下Chase合并，TypeⅡHARQ和TypeⅢHARQ仿真结果，仿真结果表明在采用QPSK调制时IR相对Chase合并对系统性能的改善不明显，综合考虑解码和信令的复杂度，Chase合并比较理想。在R4－021329中，QPSK调制方式下所采用的HARQ方案为Chase合并，所以本文主要提供Chase合并方式下的仿真结果，并把其在高斯白噪声信道下的系统性能与没有重传机制和Type IHARQ的系统性能进行比较。

　　仿真中，不采用ARQ方案是指接收端发现有误时，不进行重传；Type IHARQ和Chase合并采用4信道停等机制，最大重传次数为4。

　　图3给出了不采用ARQ方案，Type IHARQ和Chase合并在高斯白噪声信道条件下的误帧率。如理论分析的一样，Type IHARQ的误帧率低于不采用ARQ方案的误帧率，并且在3～4dB之间随着Ior／Ioc（接收端接收到的所有用户信号功率与噪声功率之比，单位dB）的升高，差距在变大；同时在－2．5～3．5dB之间，Chase合并的误帧率相对于Type IHARQ的误帧率有4．5dB左右的增益，即Chase合并的误帧率相对于Type IHARQ有了显著的改善。

　　图4给出了不采用ARQ方案，Type IHARQ 和Chase合并在高斯白噪声信道条件下的吞吐量（单位：kbit／s）。不采用ARQ方案和Type IHARQ的吞吐量基本一样，曲线很陡，在2．7dB吞吐量就几乎为0。Chase合并的吞吐量曲线相对平滑一些，在1dB处还能达到220 kbit／s多的吞吐量，直到－3．24 dB，吞吐量才接近0。在自然信道环境下，往往会出现信噪比比较低的情况，Chase合并的吞吐量曲线相对平滑使得其在低信噪比的情况下仍能支持一定的吞吐量，因此Chase合并具有实用价值。

　　图5给出了不采用ARQ方案，Type IHARQ 和Chase合并在高斯白噪声信道条件下的时延（单位：ms）。Type IHARQ的时延曲线也很陡，很快上升到最大时延20 ms。Chase合并在时延上相对TypeIHARQ有所改善，在Ior／Ioc为1 dB时有2．2 dB的增益。

　　设没有采用ARQ时的误帧率为η；时延为5 ms；相应的吞吐率为（1－η）×2640／5＝（1－η）×528kbit／s。则最大重传次数为4的Type Ihybrid ARQ的误帧率为η4（重传次数为4时）；时延（1＋η＋η2＋η3）×5 ms；相应的吞吐率为［（1－η4）／（（1＋η＋η2＋η3）×5）］×2640＝（1－η）×528 kbit／s。当采用

　　综上所述，Type IHARQ虽然相对于不采用ARQ可以降低误帧率，但这是以牺牲时延或带宽为代价的。而Chase合并由于并不是简单地将错误的数据块抛掉，通过码合并有效地利用错误数据块中正确的bit来获得时间增益，故只需较小的时延却能得到更高的吞吐量和较小的误帧率，是一种比较理想，并能够有效提高吞吐量的方案。

　　Chase合并方案在PA3，PB3，VA30和VA120（各信道的定义见表1）多经信道条件下的吞吐量如图6所示。虽然随着移动速度的提高，吞吐量有所下降，但在120 km／h的多经信道下最高仍能达到接近500 kbit／s的吞吐量。所以，在QPSK调制方式下，Chase合并方案是一种有效可行，能够提高数据传输速率的方案。

　　4　结　论

　　作者提出了TD－SCDMA模式下可采用的各种HARQ方案，并且通过链路仿真给出了QPSK调制方式下不采用ARQ方案，Type IHARQ和Chase合并在高斯白噪声信道条件下的系统性能比较，如误帧率，吞吐量等及Chase合并方案在多经信道条件下的吞吐量。仿真结果表明，在Turbo解码前对接收到的数据块进行Chase合并能显著地改善系统的性能，是一种实际可行，能够有效提高数据传输速率的方案。同时本文的假设条件主要是基于R4－021329，所以对HARQ在TD－SCDMA的标准化进程有一定的参考意义。

　　参考文献

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　　［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］　谢俊松，范平志．移动高速数据传输与HSDPA　最新进展［J］．计算机应用，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］．　

　　
摘自《重庆邮电学院学报》

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