LTE、WiMAX与WiFi应用中的HARQ技术

【中心议题】

•     *对影响无线通信容量的关键技术HARQ进行分析讨论
•     *对当前应用该技术的LTE、WiMAX、WiFi三种体制进行比较分析

【解决方案】

•     *LTE HARQ技术
•     * WiMAX HARQ技术
•     * WiFi HARQ技术

为了克服无线移动通信信道时变和多径衰落对信号传输的影响，可以采用基于前向纠错（FEC）和自动请求重传（ARQ）等差错控制方法降低系统误码率，确保服务质量。

ARQ是一种检错重发的技术，一旦在接收端发现错误（利用系统中的检错码），立即通过反馈信道通知发送端重发该信息码元，直到接收端确认收到正确消息为止。其优点是系统的纠错能力极强，且适应性好，与信道干扰的变化基本无关。缺点是要求有反馈信道，收发两端需要较复杂的控制系统，且通信的连贯性、实时性较差。

FEC是利用系统中的纠错码在接收端自动发现并纠正传输中出现的错误，无需反馈信道，故传输效率高、实时性好。但是随着纠错能力的提高，编译码处理过于复杂。

将FEC与ARQ相结合形成了混合自动请求重传（HARQ）。其具体处理流程为：在发送的每个数据包中含有纠错和检错的校验比特，如果接收包中的出错比特数目在纠错能力之内，则错误被自行纠正。当差错严重，超出FEC的纠错能力时，则让发端重发。

HARQ能自动地适应信道条件的变化，并且对测量误差和时延不敏感。

1 HARQ的分类

首先分析重传机制，当前主要的重传机制有3种：停等协议（SAW）、回退N协议（Go-back-N）和选择重传协议（SR）。停等协议是一种最简单的重传机制，但效率最低。选择重传协议增加了信令开销和接收方缓存资源，但是效率最高。回退N协议效率介于SAW与SR之间。

1）停等协议

发送端每发送一个数据分组包后暂时停下来，等待接收端的确认信息。当数据包到达接收端时，接收端对其进行检错，若接收正确，返回确认（ACK）信号，错误则返回不确认（NACK）信号。发送端收到ACK信号后，发送新的数据，否则重新发送上次传输的数据包。在等待确认信息期间，信道是空闲的，不发送任何数据。由于收发双方在同一时间内仅对同一个数据包进行操作，因此实现起来比较简单，相应的信令开销小，对接收端的缓存容量要求低。但由于在等待确认信号过程中不发送数据，导致太多资源被浪费，尤其在信道传输时延很大时。因此，停等协议造成通信信道的利用率不高，系统吞吐量较低。

2）回退N协议

发送端发送完一个数据分组后，并不停下来等待确认信息，而是连续发送若干个数据分组信息。接收端将每个数据包相应的ACK或NACK信息反馈回发送端，同时反馈的还有数据包分组号。当接收到一个NACK信号时，发送端重新发送包括错误数据的N个数据包。接收端只需按序接收数据包，在接收到错误数据包后，即使又接收到正确数据包，还是必须将正确数据包丢弃，并重新发送确认信息。与停等协议相比，采用该协议虽然因发送端连续发送数据提高了系统吞吐量，但同时也增大了系统的信令开销。另外，由于接收端仅按序接收数据，那么在重传时又必须把原来已正确传送过的数据重新传送（仅因为之前有一个数据分组出错），使信道利用率降低。

3）选择重传协议

选择重传协议只重传出现差错的数据包，但此时接收端不再按序接收数据分组信息，那么在接收端则需要相当容量的缓存空间来存储已经成功译码但还没能按序输出的分组。同时，接收端在组合数据包前必须知道数据包的序列号，因此，序列号要和数据分别编码，而且序列号需要更可靠的编码以克服任何时候出现在数据里的错误，这样就增加了对信令的要求。相比之下，选择重传协议的信道利用率最高，但是要求的存储空间和信令开销也最大。

根据HARQ中前向纠错编码在接收端合并的方式，HARQ主流技术有三类：第一类HARQ、第二类HARQ和第三类HARQ。

第一类HARQ又称为传统HARQ，它比较简单，数据加循环冗余码校验（CRC），并用FEC编码。在接收端FEC解码并用CRC校验数据的正确性。如果数据包出错，直接丢弃并返回重传请求，发送端收到重传请求后，重新发送原来的编码数据包，在接收端不进行任何合并，而是直接译码。此类HARQ信令开销很小，物理层结构及解码都比较简单。但是这种固定的前向纠错编码意味着固定的冗余信息，所以每次重传被正确解码的概率相同，且比较低，系统吞吐量不如第二、三类HARQ。

第二类HARQ称为增加冗余（IR）的HARQ机制。这种机制下，接收错误的数据包不会丢弃，而是与重传的冗余信息合并之后再进行解码。新的冗余信息与先前收到的初次传输的信息一起，形成纠错能力更强的前向纠错码，使错误率进一步降低。例如：在初次传送时，以高速率编码，冗余度较小，若未能正确解码，则降低编码率，增大冗余度，再次发送，接收端将两次接收到的数据帧合并解码，从而提高纠错能力。也就是说，IR并不是每次重传都采用同一个码字、同一种编码率的，而是根据前一次解码的结果来决定下一次发送的码字的编码率。若是没能正确解码，接收端给发送端回一个NAK，于是发送端自动降低下一次重传的码字的编码率，也就是增大其冗余度，以更好适应当前信道的情况。

Chase Combining（追赶合并）可以看作是一种特殊的IR，当发送端收到接收端的NAK后，发送端只是将刚刚发送的、解码失败的那个数据帧重新发送，被重传的数据帧和首次发送的数据帧完全一样。

接收端收到的都是关于同一个数据帧的、经过重传的不同结果。这种分集合并的方法保留收到的同一个数据帧的首次传送以及重传的结果，然后译码时把这些结果中的每个对应的符号一一相加，然后将相加后的结果作为一个码字，输入译码器进行译码。

第三类HARQ又称为部分冗余HARQ，也属于增加冗余机制。与第二类相似，但是编码生成的数据包不同。第一次传输的数据包通常采用第一类HARQ，重传时所传输的数据包包含不同的打孔校验比特。它与第二类HARQ最大的区别在于重传的数据包可以自解码，所以可以由重传的数据包直接解码出用户信息，如果仍不能正确解码，则将多次传输的数据包合并，再进行解码。

2 LTE HARQ技术

HARQ技术能提高系统性能，并能灵活调整有效码元速率，还可以补充由链路适配带来的误码。但是可靠性不高，不足以满足高层业务的需求，所以还需要位于RLC（无线链路控制）子层的ARQ协议进一步确保数据的可靠性。LTE（长期演进）中采用两级自动请求重传：位于RLC层的ARQ协议和位于MAC（媒体访问控制）层的HARQ协议。

在3GPP标准中包括了上述第二、三类混合自动重传请求机制。LTE的重传采用改进的停等重传协议，这种机制不仅简单可靠，系统信令开销小，还降低了对接收机缓存空间的要求，但是该协议的信道利用效率较低。为了避免这种不利，LTE系统采用了N通道的停等式协议，即发送端在信道上并行地运行N套不同的停等协议，利用不同信道间的间隙交错传递数据和信令，从而提高了信道利用率。

具体来讲，LTE物理层HARQ采用了多通道停等机制，最大通道数可达8，合并方法采用了Chase和IR两种。HARQ每次重传的传输块都与第一次传输时相同，但重传时采用的调制方式、信道码的集合及传输功率都可能与第一次不同。

LTE的MAC层HARQ功能根据其重传是否在固定时隙而分为两类：异步HARQ和同步HARQ。在下行采用异步自适应HARQ，在上行采用同步HARQ。

LTE还在RLC层引入了ARQ协议（选择重传协议），虽然它也带来时延，不适合对时延敏感的业务（如VoIP），但是它以很高的可靠性保证了数据业务的QoS和控制信令的准确性，是数据链路层一项重要的功能。

LTE传输信道根据不同的业务类型选用咬尾卷积码和Turbo码两种编码方法。Turbo编译码复杂度高，时延大，但误码性能优异。卷积码的编译码复杂度低，处理时延小，适合小编码块和对时延敏感的数据及信令传输。另外，控制信道除了采用咬尾卷积码外，还采用了分组码和重复码等简单的编码方法。

3 WiMAX HARQ技术

WiMAX（全球微波互联接入）中的HARQ主要有两种方式：Chase和IR（可选）。

Chase适用于所有的编码方式，包括CC（卷积编码）、CTC（卷积Turbo码）、LDPC（低密度奇偶校验码）等，它只产生一种版本的编码包，采用固定的编码率和编码阶数，即DIUC（下行间隔使用码）/UIUC（上行间隔使用码）不变。

WiMAX中的IR只采用CC和CTC两种编码方式，相应的可进一步划分为CC IR和CTC IR。这两种IR均在指物理层产生不同版本的编码子包，每个子包用子包指示（SPID）来表示。子包的传输规则如下：（1）第一次传00子包（因为00子包包含所有信息）。（2）可以以任何顺序发送00、01、10、11中的任一个子包。（3）可以多次发送任一子包，也可忽略任一子包，但是00子包必须发送。CC IR特点是以CC 1/2的编码为基础，通过不同的删余模式产生不同的子包。各个子包的编码效率保持不变，但是调制阶数可以改变。

CTC IR特点是以CTC 1/3为基础，通过不同的删余模式产生不同的子包，可以自适应调整编码效率和调制阶数。

WiMAX也采用了与LTE类似的N通道停等协议，几个通道可以支持不同的FEC编码，这样可以提高吞吐率。WiMAX采用异步机制ACK，当一个通道在等待时，另外一个通道可以发送更多数据。另外异步机制也可以使重传有不同的延时，增加了时序设计的灵活性。

4 WiFi HARQ技术

WiFi（802.11g）采用的是第一类HARQ编码，即采用CRC机制进行检错，用FEC进行纠错。用一个CCITT CRC-16帧校验序列（FCS）保护SIGNAL、SERVICE和LENGTH字段。PLCP字段是被多项式x16+x12+x15+1除以所产生的余项模2的二进制补码，即为CCITT CRC-16 FCS。

FEC纠错编码采用卷积编码，码率为1/2、2/3和3/4三种。

WiFi只是在物理层采用了最简单的重传机制和最简单的纠错编码方案，所以在效率方面差一些。

WiFi也没有像LTE那样专门针对VoIP进行优化。

5 LTE、WiMAX、WiFi的HARQ比较分析

表1说明了LTE、WiMAX、WiFi三种技术体制的HARQ的异同点。LTE与WiMAX的HARQ基本相同，都基于Chase和IR的第二类HARQ，采用多通道SAW。

WiFi采用第一类HARQ和SAW，技术比较成熟，易于实现，成本较低，在WiFi的后续版本中（802.11n）也同样进行了HARQ的改进，以提升数据吞吐量。

考虑到HARQ对移动通信的重要性，在LTE和WiMAX的后续演进版本（IMT-Advanced）中继续对其进行优化改进。一个重要的研究方向就是考虑对MAC层的HARQ与RLC层的ARQ进行联合优化，这样就可以满足既需要保证时延，又有很高可靠性要求的业务需求，如在线游戏。