h_arq技术在第三代移动通信系统中的应用.pdf

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1、 60 H-ARQ 技术在第三代移动通信系统中的应用 牛 昱，罗青全（东南大学 移动通信国家重点实验室，江苏 南京 210006）摘 要 介绍了 H-ARQ 技术的原理及其分类，简述了 H-ARQ 技术在 3G 各个标准，如 WCDMA R99、HSDPA 和 CDMA 2000 1X EV 中的应用，并与以往移动通信标准中的 H-ARQ 技术的运用进行了对比，展望了 H-ARQ 在未来通信系统中的发展和演化。关键词 H-ARQ；快速 HARQ；HSDPA；CDMA2000 中图分类号 TN929.5 Applications of the H-ARQ Technology in 3G Tel

2、ecommunication Systems Niu Yu,Luo Qingquan(State Key Laboratory of Mobile Communication,Southeast University,Nanjing 210006,China)Abstract This paper introduces the basic principles of H-ARQ technology and its classification and then discusses its different applications in the third generation(3G)st

3、andards,e.g.WCDMA R99,HSDPA and CDMA2000.It also compares these applications with those in previous telecommunication standards.Finally this paper discusses the development and evolution of H-ARQ in future communication systems.Keywords H-ARQ;Fast HARQ;HSDPA;CDMA2000 1 引 言 1 引 言 任何一个通信环境，无论是有线还是无线，无

4、论移动通信还是光纤通信，都存在一个关键问题：即如何抵抗信道噪声和干扰而造成的传输错误，使得用户能够准确无误地接收数据。通常，人们利用各类差错控制技术来解决这一问题。ARQ和FEC是分别利用检错码和纠错码进行差错控制的技术。重传反馈方式（ARQ，Automatic Repeat reQuest）的原理是接收端通过反向信道反馈信息，使发送端重发检查出错误的数据包，直到接收端认为已正确接收；前向纠错方式（FEC，Forward Error Correction）是通过在发送端发送可以被纠错的码，接收端自动纠正码字中的错误。卷积码和 收稿日期：2005-08-12 作者简介：牛昱（1980），男，硕士

5、研究生，研究方向：第三代移动通信中的基带处理算法和硬件实现。罗青全（1979），男，硕士研究生，研究方向：移动通信中的基带处理算法和硬件实现。Turbo码便是常用的纠错码。ARQ方式纠错能力强，但需要反向信道，且通信实时性差。相反，FEC方式的实时性好，收发控制系统简单，但是往往以最坏的信道条件设计纠错码，所以编码效率较低。混合自动重传（Hybrid-ARQ）系统综合了上述两种方法的优点，发送的码字不仅能检测出错误，还具备一定的纠错能力。接收端在超出纠错能力的情况下，才通知发送端重发。这在一定程度上，避免了ARQ通信迟滞性和FEC的译码复杂性的缺点，同时能达到较高的传信率。目前广泛关注的第三代

6、移动通信系统（3G）中普遍采用了H-ARQ技术，以达到低时延条件下高速数据传输的目的。2 H-ARQ 技术简介 2 H-ARQ 技术简介 H-ARQ技术按其重传数据包所含内容的不同，可分为三类1。2.1 I 型（Type-I）H-ARQ 此类H-ARQ技术是单纯地将ARQ与FEC技电子科技 2006 年第 1 期（总第 196 期）H-ARQ 技术在第三代移动通信系统中的应用 电子科技/2006 年 1 月 15 日 61术结合，对于收到的数据包进行解码纠错，若能纠正其中的的错误，则接受此包，并向发送端发送ACK信令指示已正确接收；否则，丢弃此包并向发送端发送NACK，通知发端重发和先前一样的

7、数据包。此种方法无需保留错误包，所以发送和接收端占用的存储器都很少，同时信令结构也很简单，实现起来相对比较容易。2.2 II 型（Type-II）H-ARQ I型H-ARQ中，对于错误的数据包进行了简单的丢弃，而并没有充分利用其中有用的信息。从信息论角度看，充分利用每次重传所携带的冗余信息量对同一个数据包进行解码，必然比只利用一次重传信息而解码的正确率高。这一点便是II型H-ARQ相对于I型H-ARQ最大的改进。II型H-ARQ中接收端保留错误的数据包与重发的包进行合并后解码，获得额外的编码增益。重发的数据包可以与原数据包完全相同，那么收端把每个包中的对应比特一一相加，再送入译码器，这种合并方

8、式称为分集合并（Diversity Combining），也称Chase Combining（D.Chase 最早论述了该技术,见文献3）；如果信道条件恶劣，简单的合并相同的数据包不能保证接收端的正确接收，那么可以采用递增冗余技术（IR，Incremental Redundancy）。每次重发的数据包将采用包含更多纠错码的编码方式因而含有更多的冗余信息量，甚至可以是内容全部为冗余比特的数据包（对应于Full IR技术）。此时在接收端对每次发送的包进行编码合并（Code Combining）输出译码结果。II型H-ARQ技术实现起来更复杂，需要更多的存储空间，译码时还需要合并，但是它对于吞吐量的

9、提高是显著的，足以弥补它在实现中的复杂度。2.3 III 型（Type-III）H-ARQ III型（Type-III）H-ARQ是II型中IR技术的改进版本，对于每次发送的数据包，采用互补删除方式（Complementary Punctured Code）。数据包可单独译码，也可合并成一个具有更大冗余的数据包进行合并译码。编码的冗余比特的删除方式是经过精心设计的，使得删除的码字是互补的、等效的，最后合并的码字完全覆盖了码字中的每个比特位，译码信息变得更全面，更利于正确解码。一系列仿真表明，III型H-ARQ能有效地提升系统吞吐量，特别是在低信噪比情况下，这种优势更为明显。3 H-ARQ 在

10、3G 中的应用 3 H-ARQ 在 3G 中的应用 移动通信进入3G时代，各种新的数据业务层出不穷，比如移动游戏、视频流业务、VoIP（Voice over IP）、多方可视会议等。这些业务都有着共同的特点，那就是需要很高的数据传输速率和较低的传输延时。3G各标准中普遍采用的扩频CDMA、高阶调制和纠错编码技术，保证了系统在信道恶劣条件如高速移动环境下的基本数据传输能力或在步行及室内环境等较好的信道条件中的高速数据传输能力。但是对数据实时性要求的提高，使得具有较大重传间隔的传统H-ARQ技术无法应对。为了解决这一问题，3G（及其增强型）中大都采用了物理层H-ARQ技术（PARQ，Physica

11、l ARQ），也称快速H-ARQ（Fast-HARQ）。这种技术的原理是在物理层中增加重传机制，这样减少了重传时与上层的信令交换，从而降低了延时。具体地说，快速H-ARQ在物理层中添加了额外的发送和接收缓存以及反向反馈信道。接收端对FEC数据包进行纠错处理，然后反馈纠错后的数据是否仍有错误，根据结果反馈ACK或NACK消息，同时将该数据包保存起来，以便与重传包联合解码。发送端如果收到ACK，则继续发送新的数据；假如收到NACK消息，则从发送缓存中提取原先的数据包进行新的编码调制处理后，再次发送。物理层设有最大重发次数的限制，防止由于慢衰落条件下的信道长时间恶劣导致的某个用户的数据包一味地重发而

12、浪费信道资源。表1比较了物理层重发和上层重发的若干不同。3G的各个协议标准为了解决高速数据的低时延传输，不约而同地引入了物理层H-ARQ技术。它在每个协议中的实现方式却不尽相同。3.1 WCDMA-HSDPA WCDMA Release 99中数据业务采用了简单的H-ARQ 技术在第三代移动通信系统中的应用 IT Age/Jan.15,2006 62停止等待（SAW）H-ARQ技术，其中FEC是在物理层使用卷积码和Turbo码实现的，而ARQ重传协议是处在L2的RLC子层上，基于RNC与UE之间。R99所支持的最大数据速率为2Mb/s。表 1 物理层 H-ARQ 与 L2 层 H-ARQ 的比

13、较 物理层 H-ARQ L2 层 H-ARQ 目的 对于一定的误码率，工作点降到更低的 SNR，以适应更恶劣的环境。通过重传达到无错传输（error-free delivery）。途径 设立物理层快速反馈信道和额外缓存，在物理层直接重传出错数据，接收端进行合并。通过上层从反向数据信道反馈信令，经过相对长时间后重传。优点?自适应于信道质量，按需添加冗余；?采用合并解码，每次传输均帮助最终译码的成功；?低时延的高速数据传输。?较长时间间隔的重传带来的时间分集增益。缺点?需要额外开销：存储空间、解码复杂度、重传调度等。?重传延时大，不利于实时性要求高的业务。结论 两种 H-ARQ 技术应同时使用，缺

14、一不可。随着WCDMA协议的发展,陆续出现了R4、R5和R6标准。在R5也就是熟知的HSDPA标准中，最大下行数据速率高达10.8Mb/s。为了实现高速数据传输，HSDPA与R99相比引入了多条信道，它们是HS-DSCH（高速下行共享信道）以及相应的HS-SCCH（高速下行共享控制信道）和HS-DPCCH（高速上行专用物理控制信道）。HS-DSCH是高阶调制的时分多码数据传输信道，负责高速数据传输。HS-SCCH承载从Node-B到UE的控制信息，包括UE身份标记、HARQ相关参数以及HS-DSCH使用的传输格式，这些信息每隔2 ms从Node-B发向UE。HS-DPCCH是上行信道，由UE用

15、来向Node-B报告下行信道质量状况（CQI，Channel Quality Indicator），并反馈ACK/NACK信号。HSDPA中引入前述的物理层H-ARQ机制，在Node-B和UE之间加入了快速重传协议，它不需要Iub接口，因而减少了重传时延。具体的说，HSDPA在新增的HS-DSCH信道中采用N信道并行SAW型的H-ARQ。它克服了R99中的简单SAW协议带来的停等过程中信道资源的闲置，通过N个并行的传输实体，在某个实体等待反馈时，传输其他实体的数据包。HS-DSCH中使用15个SF为16的扩频码作为信道码，同时设定2ms的传输时间间隔（TTI，Transport Time In

16、terval）。用户占用一个或多个码道信道和传输时间，构成一个或多个并行的传输实体。对同一用户最大可有8个并发的实体（不同的HSDPA phase略有不同），一般取46。最大重发次数依据不同的发送速率而定。图14是HSDPA中用户复用HS-DSCH信道的一个例子。图1 HSDPA中不同用户按TTI码分复用HS-DSCH信道 HSDPA中支持两种不同的重传包解码合并方案，分别对应II型H-ARQ中的Chase Combining和IR技术。IR较CC用更高的译码复杂度和存储要求换取性能的提升。文献2中表明，低编码速率（0.5）下，两者性能相近；而在高码率（0.5）下，IR的编码增益有13dB。3

17、.2 CDMA2000 1X EV CDMA2000包括两个IS-2000和IS-856两个标准码道最大并 发数用户 1用户 2 用户 3时间H-ARQ 技术在第三代移动通信系统中的应用 电子科技/2006 年 1 月 15 日 63系列。IS-2000在完全兼容IS-95C的基础上，全面加强了对数据业务的支持，支持的最高传输速率可达307.2kb/s。其中采用的H-ARQ技术是基于L2子层LAC和RLP（Radio Link Protocol）上的选择重传协议（SR-HARQ）。真正达到3G标准中所要求的数据传输速率的是CDMA2000 1X的两个演进版本（EV，Evolution），即IS

18、-856（EV-DO）标 准 和IS-2000 Release C（EV-DV）。3.2.1 CDMA2000 EV-DO IS-856也就是CDMA2000 1X EV-DO（Data Only）系列。基于目前的Release 0协议，它在独立的载波上所能提供的前向链路数据传输速率可达2.4Mb/s，最大反向链路数据传输速率为153.6kb/s。由于不需要兼顾语音业务，因此EV-DO具有建网方便、开发成本低等特点。在新的IS-856 Release A协议中，前向链路数据传输速率将提高到3.1Mb/s，反向链路提高到1.8Mb/s。EV-DO的物理层中增加了快速H-ARQ机制。FEC采用可变

19、速率的Turbo码。重传机制上采用N信道并行SAW，N固定为4，即同时有4个并行的停等重传实体，每个用户一般只对应一个实体。最大重发次数根据不同发送速率可取1、2、4、9，速率越低，重发次数越多。合并方式属于TypeII Chase Combining，重发包的调制方式，编码速率以及编码穿孔方式都不做调整。EV-DO前向的高速数据信道（FTC，Forward Traffic Channel）含有16个码道，采用QPSK、8PSK或16QAM调制，不同用户以1.66ms的时隙（slot）时分。反向添加了ACK信道，接收端如果CRC校验正确，则在此信道上反馈ACK，否则反馈NACK。FEC包 以

20、四 个 时 隙 为 间 隔 传 输，而 反 向 的ACK/NACK反馈在下一个应发时隙之前的半个时隙到达，以供发送端判断是发送新的数据包还是重发错误的数据包。在重发间隔的时隙上，系统服务于其他用户，同样遵循N-SWARQ。这样，基站传输不中断，始终以最大功率发送数据，与一定的时隙调度算法相结合，可以达到近乎于系统最大数据吞吐量的传输。图25是EV-DO前向链路中发送速率为153.6kb/s情况下的H-ARQ实现。在该例中，一个大小为1024bit的物理层包分别经过添加CRC、1/5的Turbo编码、加扰、信道交织、QPSK调制、串并转换、16倍扩频和2.4倍重复后共98304 chip，和Pr

21、eamble，Pilot，MAC共同组成4个时隙进行传输。接收端将根据包的正确与否反馈ACK或NACK，反馈信息在下次发送时隙前的半个时隙到达，以抵消路径延时和处理延时。由于数据包的重复倍数为2.4，每个时隙0.6个含完整的数据包，所以至少经过2个时隙后才能接收完一个完整的包进行CRC校验，其中重复的数据信息应进行软合并后再解码。对应于重复次数，ACK信号可能在后三次反馈的任意一次到来，一旦收到ACK则停止发送该包。如果在第四个时隙的反馈中仍收到NACK，也终止发送，实际上，此时已达到预设的最大重发次数。图 2 EV-DO 前向链路中发送速率为 153.6kb/s 情况下的 H-ARQ 实现

22、相比于Release 0，EV-DO Release A的改进主要体现在反向信道的传输能力上。为此，它也引入了类似前向的快速H-ARQ技术。重传机制仍然采用N信道并行SAW，N取3。传输间隔（TTI）为前向发送速率 为 153.6kb/s 反向半时隙传输ACK 消息 H-ARQ 技术在第三代移动通信系统中的应用 IT Age/Jan.15,2006 644 slots（6.64ms）。最大重发次数可取1到12。并行重传实体分别传输属于不同物理层包的子包。其他诸如FEC和合并方式则均未改变。前向链路中也仅仅增加了小数据包的最大重传次数。3.2.2 CDMA2000 EV-DV CDMA2000

23、1X EV-DV是在CDMA2000 1X的基础上融合了EV-DO的关键技术形成的，可以同时支持语音和分组数据。根据IS-2000 Release C协议，EV-DV完全保留1X原有的信道和信令结构，通过修改L3消息的内容来支持新增EV-DV信道。新增加的前向分组数据信道（F-PDCH）时分地实现 高 速 数 据 传 输，前 向 分 组 数 据 控 制 信 道（F-PDCCH）用于向移动台发送高速数据包的接收信息，反向信道质量指示信道（R-CQICH）将移动台评估的信道质量反馈给基站，反向确认信道（R-ACKCH）用于移动台向基站反馈是否正确接收到了分组包。可以看出这些特点与HSDPA的改进相

24、类似。EV-DV的下行数据传输速率达到3.1Mb/s，在新的Release D中，着重提高了上行速率，将它提高到1.8Mb/s。EV-DV下行信道中的H-ARQ技术仍属于N信道并行SAW，但是和EV-DO相比，它的重传间隔更灵活，不再固定在若干个时隙后重传而是由上层统一调度。重传包可以等到此用户信道条件好时再重发。同时，采用了III型H-ARQ技术，通过准互补Turbo码（QCTC，Quasi Complementary Turbo Code）使重发包的冗余度可以自适应地递增，调制方式也可以改变，在接收端实行Code Combining。这种灵活的机制要求更多的控制信令开销，但是对传输性能的改

25、善是明显的。文献1表明，采用QCTC，QPSK情况下的III型H-ARQ要比同样情况下采用Chase Combing的II型H-ARQ吞吐量性能好12dB。下面将HSDPA、EV-DO和EV-DV下行链路中的H-ARQ技术做一简单的比较。表 2 3G 不同标准中 H-ARQ 技术实现的比较 标准 HSDPA EV-DO EV-DV 重传机制 N-SAW，重传间隔灵活。N-SAW，重传间隔固定为 4 个时隙。N-SAW，重传间隔灵活。重传包内容 II 型 H-ARQ，可以是相同的数据包，也可以是增加冗余的数据包。II 型 H-ARQ，重传包内容相同。III 型 H-ARQ，采 用QCTC，重传包

26、递增冗余，且纠错比特具有互补特性。译码合并方式 Chase Combing，可能有Code Combining。Chase Combining Code Combining 4 H-ARQ 技术将来的发展 4 H-ARQ 技术将来的发展 随着移动通信中新业务的层出不穷，对数据传输速率的要求不断提高，H-ARQ技术也需要进一步改进。现存的H-ARQ技术对不同分组业务没有区别，无法根据不同业务内在的特点进行优化。未来的H-ARQ将朝着细分业务特性从而决定重传参数的特性上发展，着重提高重传延时和系统通过率。同时，H-ARQ技术也应该和AMC、OFDM、MIMO和智能天线等新技术尽可能多的融合，对重传

27、数据和参数进行联合优化，进一步提高系统总体性能。参考文献 参考文献 1 杨大成.CDMA2000 1X 通信系统.北京:机械工业出版社,2001.2 Kolding T E,Pedersen K I,Wigard J,et al,High Speed Downlink Packet Access:WCDMA Evolution.IEEE Vehicular Technology Society News,February 2003.3 Chase D.Code CombiningA Maximum-Likelihood Decod-ing Approach for Combining an Arbitrary Number of Noisy Packets.IEEE Tran.Communication,1985,33(5):385393.4 Dottling M,Michel J,Raaf B.Hybrid ARQ and Adaptive Modulation and Coding for High Speed Downlink Packet Access,PMIRC IEEE 2002.5 3GPP2 C.S0024 CDMA2000 High Rate Packet Data Air Interface Specification,Version 4.0 2002.