TD-SCDMA HSUPA系统中HARQ方案的研究

摘要　本文介绍了TD-SCDMA HSUPA系统的关键技术及其工作流程，提出了几种不同的HARQ机制，并对其性能进行了仿真分析，为TD-SCDMA HSUPA系统的实现提供了参考。

1、引言

为了满足用户对上行传输的性能需求，3GPP在HSDPA（High Speed Downlink Packet Access）规范发布之后又启动了HSUPA（High Speed Uplink Packet Access）研究项目。HSUPA的目标是通过提高小区的吞吐量和高数据速率的覆盖来提高上行链路空中接口容量利用率以及终端用户的体验。为支持这种高速数据传输率，HSUPA引入一种新的传输信道E-DCH（增强型专用传输信道）。E-DCH可以用来传输分组业务数据，它支持变速率传输，快速重传和快速分组调度等。本文结合HSUPA协议，分析了快速重传的特点，研究了在TD-SCDMA HSUPA系统中进行快速重传的几种方案。

2、TD-SCDMA HSUPA关键技术及工作流程

2.1　TD-SCDMA HSUPA的关键技术

HSUPA是一些无线增强技术的集合，利用HSUPA技术可以在现有技术的基础上使得上行峰值速率有很大的提高，并在上行链路得到更大的吞吐量。TD-SCDMA HSUPA主要采用了如下两种技术：物理层快速混合重传，基于Node B的快速调度。

2.1.1　物理层快速混合重传

在HSUPA中采用的是快速HARQ（混合自动重传请求），该技术允许Node B对错误的接收到的数据快速请求重传，其功能在媒体接入控制高速（MAC-hs）层实现，该层在Node B处终止。而在过去R99中，数据包重传是由RNC控制下的RLC重传完成的。在透明模式（AM）下，RLC的重传涉及RLC信令和Iub接口传输，重传延时超过100 ms[1]。这样，快速HARQ的重传时延远低于RLC层的重传时延，大大降低了TCP/IP和时延敏感业务的时延抖动。

2.1.2　基于Node B的快速调度

在上行增强技术中，为了实现低时延和快速资源分配，调度和混合自动重传请求必须靠近空中接口，因此提出了基于Node B的快速调度[2]，在HSUPA中通过引入新的MAC实体，在Node B端加入MAC-e，由MAC-e来负责调度和HARQ。文献[3]指出，在1.28M TDD模式下，采用基于此项技术，在5s持续时间的游戏业务模型中可增加系统容量8%，而500 ms的大概可以增加50%，这是因为业务时间越长，对于缩短时延的优势就越不明显。因此，如果分组数据业务都是突发短分组的情况下，系统的吞吐量会因为采用基于Node B的快速调度而得到显著的改善。

2.2　TD-SCDMA HSUPA的工作流程

图1　HSUPA工作流程

图1给出了HSUPA的工作流程，从图中可以看出HSUPA把调度和重传控制的功能从RNC移到了Node B端。HSUPA工作流程具体步骤描述如下：

（1）UE根据信道质量、可用发射功率、缓冲区中待传输数据量决定要申请的速率，并向Node B发出申请。

（2）Node B调度器根据系统中采用的调度算法算出各个用户的优先级，并据此将各用户排队。

（3）按照优先级，Node B根据系统热噪声的增加量（RoT，noise over thermal）或者终端吞吐量，并结合用户申请的速率，对队列中的各个用户决定分配的速率，并通过E-AGCH/E-RGCH发送调度指令通知UE。

（4）UE通过E-DPDCH发送数据包，并通过E-DPDCH传送相应控制信息。

（5）Node B对E-DPDCH上的数据包进行解调，并根据crc的检错结果在E-HICH上发送ACK/NACK响应。

（6）UE根据收到的ACK/NACK决定是否重传，若收到NACK消息，需重传，直到收到ACK消息或者到达系统设定的最大重传次数为止。

3、几种HARQ方案的比较研究

在HSUPA系统中，系统的吞吐率和传输延时是表征系统性能的重要参数。Turbo码出现后，人们开始对turbo码的3种传统类型的ARQ重传机制进行研究[3]。本文通过对不同HARQ方案的比较研究，仿真了其性能，为TD-SCDMA HSUPA的实现提供了可行的参考。

3.1　传统HARQ方案

传统HARQ技术按其重传数据包所含内容的不同，可分为3类：Type-Ⅰ H-ARQ、Type-Ⅱ-ARQ和Type-Ⅲ H-ARQ。文献[4]中对这3类机制作了详细的描述。

这3类基本的HARQ机制，在信道条件非常恶劣，为了防止无休止的重传，需要在接收端设置一个最大重传次数，如果达到重传次数，无论解码正确与否，都将解码结果输出给用户。继而进行下一个数据包的传输。另外，这3种基本HARQ编码方案在收端译码前的组合方式有两种。一种是传统的CC，即Chase组合译码，它的特点是每个重传分组都一样，而且在译码前，需要将经过信噪比SNR加权的多个接收分组进行组合。这种方法能带来分集增益，但因复杂度比较高，目前研究和应用的较少。另一种是IR，即增加冗余组合译码，它的特点是重传分组不是整个码块的简单重复，而是需要增加一些附加信息。这里以Type-Ⅱ H-ARQ为例，介绍其码合并方式。

设发送端原始数据为m1,1,m1,2，m1,3,m1,4,m1,5……，经过turbo编码后数据为：

上式中α1为第一次冗余版本到达接收端的载干比，α2为第二次冗余版本到达接收端的载干比。合并时，对于某一比特位的比特，先后两个冗余版本都未将其打掉（打掉比特用0表示），按最大比合并；有一冗余版本被打掉，合并结果为没被打掉的冗余版本对应的比特值；两个冗余版本都被打掉，合并结果为0。

3.2　CA-HARQ方案

由系统吞吐率的定义知，能够使接收端正确译码的校验比特是必需的有用信息，而额外的校验比特就是冗余的无用信息。减少传送的无用冗余比特的数目就可以提高吞吐率。不难看出，传统的Type-Ⅱ HARQ重传仅考虑了冗余版本不同的打孔位置，没有考虑此时的信道状况，速率局限于几个固定值，造成了系统吞吐率的浪费。由此，Mantha提出了一种新的重传方案CA-HARQ（Capacity-Approaching HARQ），以最小的幅度递增传输校验位，直到接收端正确译码。这样传输的冗余校验比特的数目就可以最小化，从而使吞吐率达到最大[5]。传送数据时，首先传送信息位，如果不能正确接收，再传送校验位。系统通过PSI（Parity Spreading Interleaver）实现对校验位的抽取。PSI将turbo编码器输出的校验位分组，每次收到NACK后，选择不同子集的校验位传送。每个子集的校验位的数目和位置可以灵活地设定，从而实现任意速率的抽取。例如，第1次重传使用5%的校验位，第2次的重传使用10%的校验位，依次类推。PSI的抽取矩阵如表1所示：

表1　PSI抽取矩阵

抽取矩阵中，"1"表示该位被传输，"0"表示被打掉，不会被传输。tij表示抽取矩阵第i行j列的元素，则次传送的比特数为。

CA-HARQ的系统模型如图2所示。假定反馈信道无错，CRC校验位足够长，可以忽略未检测出的错误概率。发送端经过turbo编码后得到系统位和扩展校验位，首次发送时只发送系统位，接收端进行turbo译码，若有错误发生，则向发送端发送NAK信号，要求重传。此时发送端对扩展检验位进行校验位交织器PSI编码器编码输出，根据信道的状态和反馈信号选择发送的比特。对应接收端的PSI解码器根据PSI抽取规则，首先将校验比特还原相应的位置，然后将前几次传输的错误的数据结合本次重传的冗余信息进行最大比合并，进行turbo译码。根据turbo译码输出的CRC值，判定接收的对错。

图2　CA-HARQ系统模型

ARQ系统的吞吐率指的是接收端正确接收数据帧时，帧中信息比特的数目k和发送端发送所有比特总数Nαν的比值：，Nαν包括信息比特、CRC校验比特和其他所必须的校验比特。设经过M次重传，接收端可以正确译码，则其中，Pi表示第i次重传正确接收数据的概率；Ni表示第i次重传的比特数。初始只传输信息比特（k位）和CRC校验比特（r位）（N0=k+r）[6]。

3.3　改进的CA-HARQ方案

CA-HARQ存在一个问题，就是当信道条件比较恶劣时，需要多次重传才能实现正确接收，这不仅带来了很大的延迟，而且也造成了系统吞吐量的浪费。针对这一问题，文献[7]提出了一种改进的CA-HARQ重传方式，该方式根据信道状况白适应的传送校验位，减少了传输延迟，而且实现简便，不需要复杂的信道估计。具体改进的方法是，根据信道状态选择初始传送的校验位数目，初始传送校验位的数目由之前传送的N帧数据决定。

具体实现如下：

（1）参数定义

传送序号：每次重传的标志，对应于打孔矩阵中的行。重传中传送的比特是打孔矩阵中该行为1位置上的比特。

起始传送序号：每帧开始时的传送序号。传送的比特是打孔矩阵中从开始到起始传送序号所对应的所有行中为1的位置上的比特。

结束传送序号：每帧传输结束（正确接收）时的传送序号。

（2）传输规则

起始帧：首先传送信息比特，如不能正确译码，则传送校验位比特。起始传送序号为1。每传输一次，译码器将接收到的符号和前面传送的符号联合进行译码。若有错，传送序号加1，继续传输，直到接收端正确译码，或将所有的校验比特传送完成，仍不能正确译码，则重传所有冗余比特，重传比特与以前的对应比特进行chase合并，再进行译码，直到接收端正确译码。

后续帧：首先传送信息比特，如不能正确译码，则传送校验位比特。第1次传输的校验位根据前N帧的传输状态确定：如果以前N帧的最小结束传送序号是m，则将m设为本帧的开始传送序号，那么本次重传的校验位数目为。如果第1次的校验位仍然不能使数据帧正确接收，则传送序号加1，继续传输，直到接收端正确译码。

4、仿真及分析

仿真条件：在AWGN和平坦衰落的Rayleigh信道下，用matlab分别仿真了以上方案的性能：吞吐率和传输时延。帧长定为200比特。CRC校验码采用24比特的crc校验码，其生成多项式为gCRC24(D)=D24+D23+D6+D5+D+1。采用LOG-MAP算法，码率为1/3的Turbo译码，最大迭代次数为5。调制方式为QPSK。SNR范围为-2～10dB。传输数据时，起始重传序号是根据前面传输的N帧的数据传输情况确定的。这里暂定N=2，即以前两帧数据传输的情况确定本帧重传的起始序号。

由图3-图6所示。可以看到，在高斯信道下，改进的CA-HARQ方案的重传次数与传统HARQ的重传次数比较接近，与CA-HARQ相比都有了明显的减少，重传4次时已有4db的改善；吞吐率方面改进的CA-HARQ和CA-HARQ类似，比传统HARQ有了较大改善。在Rayleigh信道下，改进的CA-HARQ方案重传次数优势明显，不仅远远小于CA-HARQ，甚至比传统的HARQ方案也有一定程度的改善，这说明改进方案在信道条件较恶劣时更为适宜；吞吐率方面在信噪比比较小时比CA-HARQ略有改善，但并不明显，SNR＜0时，大约有0.5db的改善，这是因为改进HARQ的首次重传是根据前面的传送决定的，一定程度上反映了信道状况，减少了冗余比特的重传。

图3　AWGN下不同HARQ方案重传次数的对比

图4　AWGN下不同HARQ方案吞吐率的对比

图5　Rayleigh信道下的重传次数对比

图6　Rayleigh信道下的吞吐率对比

因此，改进的CA-HARQ方案能够在传输延时和吞吐率上兼容传统HARQ和CA-HARQ的优点，传输延时小、吞吐率高，适合作为TD-SCDMA HSUPA系统的一种HARQ重传方案。

5、小结

随着TD-SCDMA的商用，HSUPA必将得到更广泛的需求。在拥有良好的发展前景下，高效的重传机制无疑是TD-SCDMA HSUPA占领更大市场份额的有效保证之一。本文通过对几种HARQ方案的研究，为TD-SCDMA HSUPA系统的实现提供了切实可行的参考。

参考文献

1　彭木根，王文博等.TD-SCDMA移动通信系统[M].机械工业出版社，2007

2　3GPP TR25804-610.Feasibility Study on Uplink Enhancements for UTRA TDD[S].2006

3　Narayanan K R，Stiiber G L.A novel ARQ technique using the turbo coding principle[J].IEEE Communications Letters，1997(1)：49-51

4　王乃博，马军.HSDPA终端侧HARQ合并技术的研究[J].电信快报，2006(4)：42-44

5　Mantha R，Kschischang F.A capacity-approaching hybrid ARQ scheme using turbo codes，Global Telecommunications Conference-Globecom99[C]，1999：2341-2345

6　彭林，朱小敏，朱凌霄.WCDMA无线通信技术及演化[M].北京：中国铁道出版社，2004

7　一种新的使用Turbo码的HARQ机制[J].北京邮电大学学报，2005(2)：66-69