林挺萃

（新邮通通信设备有限公司 广州 510663）

1 引言

在现代无线通信中，数据传输的准确性与数据传输的速率是同等重要的。视频、语音通话等应用对数据传输速率及稳定性有较高要求，而网页、邮件等应用对数据传输准确性则有较高要求。为保证数据的准确性，现代通信系统都会采取重传机制。

ARQ（automatic repeat request，自动重传请求）是指在数据包出错情况下重发出错的数据包，直至成功。在ARQ系统中，每次重发相同的数据包，接收端正确接收时往发送端返回ACK信号，开始等待下一个数据包；发送采取计时等待方式，接收端超时未收到或者收到译码错误的数据包，将向发送端返回NACK信号，开始等待下一个重传包。

HARQ（hybrid automatic repeat request，混合自动重传请求）是在ARQ的基础上，提高数据准确率同时提高数据传输速率的一个重大改进。HARQ系统并不丢弃错误接收的数据包，而是把数据包存储起来，当收到重传包时，把两个接收包按照一定的比例因子合并起来，由于错误包中依然含有一定的信息量，则合并之后能取得比合并前更好的性能。HARQ合并包括chase合并[1]与IR合并[2]。

本文主要对HARQ在LTE系统中的使用进行研究，在高速移动信道的情况下，改进LTE上行PUSCH接收机的架构模型，把HARQ合并解码与普通数据包解码结合起来，使之既能应付平坦信道下的重传包合并，也能应付高速移动信道下的数据包传输，并从理论上得出这种新型接收机的改进量。

2 PUSCH接收机中的HARQ模型

在3GPP LTE现行协议及草案中，规定了PUSCH上行发送包的模型架构，其中HARQ合并采用的是IR合并法，即发送机两次发送之间不一定发送同样的数据，可以发送不同的数据（可部分重叠），然后在接收端合并后能得到更多的消息，从而提高译码性能。

根据3GPP TS 36.212 v8.7.0和3GPP 36.211 v8.7.0协议[3,4]，可以得到上行PUSCH数据用户端发送机的架构，如图1所示。

为接收端添加HARQ合并模块、信道估计与补偿模块（采用MMSE补偿法），把接收过程逆转，得到传统的上行PUSCH接收机的架构，如图2所示。

当不同数据帧间HARQ合并时间差大于信道相干时间，即用户在一定移动速度下（按数据帧HARQ合并时间差8 ms计算，则用户移动速度大于22 km/h时），传输信道可以视为非相干信道，即对于同一个数据，两次接收结果不相关。对任一数据包，设第i次（0≤i≤N，N为数据帧最大重传次数）重传接收结果为Ai，译码后校验错误；再次重传后，设接收结果为Ai+1，则Ai与Ai+1不相关。根据IR合并原则，把 Ai与 Ai+1分别乘以定值因子 αi和 αi+1（0<αi<1，0<αi+1<1）后合并相加，得到HARQ合并包M，即：

M与Ai+1相关系数为αi+1，即M与Ai+1部分相关。αi+1越小，M与Ai+1相关性越低。

由于HARQ合并是针对码块进行的，而重传是针对整数据包进行的，设码块第i次重传合并后误码块率为pi，码块数目为C，则可以得到数据包的总误码率为：

在信噪比固定的情况下，随着重传次数增多，解码缓存区覆盖度增加，解码成功率升高；同时对于相重叠的缓存区数据的合并，能降低该区域数据的误码率（对该区域而言，相当于两次信道信噪比叠加[5]），因此总体合并的误码率递降，即1>p0>p1>p2>…>pN>0。

相应地，可以计算系统的频谱效率。根据3GPP TS 36.213 v8.7.0协议[6]，当调制编码方式（modulation and coding scheme，MCS）值一定时，PUSCH信道传输数据比特值也可以相应地通过查表得到，即PUSCH一次传输的数据量D只与其MCS值IMCS相关：

为方便计算，假设只有单用户，独占全部带宽，则系统总吞吐量Ttotal为：

系统频谱效率为：

其中W为带宽。

3 改进的HARQ模型

在非相干信道下，可以得到如图3所示的改进的PUSCH接收机模型。

如图3所示，在做HARQ合并的同时，把数据额外保留一个备份，并把该备份直接进行解子信道交织、解码、子块CRC校验、传输块CRC校验。而经HARQ合并的一路数据依然进行解子信道交织、解码、子块CRC校验、传输块CRC校验。在两路数据中选出CRC校验结果为ACK的一路作为最终结果往上发给MAC层。值得注意的是，HARQ重传的首个版本RV0可以自解码，但后续重传版本与MCS、rate-matching等有关，未必可以自解码，因此仅当自解码可行的时候，备份分支的输出才会被予以考虑。

在非相干信道中，信噪比变化速率很快，同一数据包不同传输所经历的信噪比通常不同。由于每次重传是在HARQ合并与非HARQ合并中选取正确的一个，而根据式（1）所述，HARQ合并数据与非HARQ合并数据部分相关。设不做HARQ合并时，第i次重传的误码率为 ；只做HARQ合并，第i次重传合并后误码块率为pi；既做HARQ合并也直接译码（如图3所示的接收机架构），第i次重传合并后的误码率为 p′i。则有： pi≤p′i≤min（ ,pi）=pi(i>0)，当i=0时，该接收机架构退化为非合并情况，即误码率p′i=p0=pi。因此，系统总误码率为：

对比式（2）与式（7）可以得到，当 N>0 时，Padvanced_total

类似§2，可以得到新模型的频谱效率为：

由于 Padvanced_total

4 模型仿真

为综合验证系统模型的性能，下面将分别针对系统误码率、频谱效率、平均重传次数进行仿真验证。

4.1 误码率

固定发送带宽为20 MHz，针对不同信道，对比系统总误码率。平坦信道情况下，对AWGN信道分别取不同信道SNR、MCS值，对比两个系统的总误码率；高速移动信道情况下，采用EVA信道，令UE端时速为100 km/h，分别取不同信道SNR、MCS值，对比两个系统的总误码率，如图4所示，其中不同MCS值对应于不同的发送参数，见表1[6]。

对比图4（a）、（b）可得：改进后的架构在普遍情况下都能取得比原架构更低的误码率，尤其在突变信道中，其对误码率的改进比例相对较为显著。

4.2 频谱效率

固定发送带宽为20 MHz，取普通EVA信道，时速为100 km/h，对比系统频谱效率，如图5所示。

表1 MCS值与调制方式、码率的对应

由图5可以看出，在低信噪比情况下，小的MCS值能取得更高的频谱效率，在高信噪比情况下，大的MCS值能取得更高的频谱效率，这与MAC层对MCS的总体调度算法原则是一致的。改进后的接收机架构可取得比原接收机架构更高的频谱效率。

4.3 平均重传次数

固定发送带宽为20 MHz，取普通EVA信道，时速为100 km/h，对比系统平均重传次数，如图6所示。

从图6可以看出，由于系统总体误码率的下降，改进后的接收机架构在普遍情况下都能取得比原接收机架构更少的平均重传次数，即数据传输的准确度更高。

5 结束语

本文从理论上研究了传统的LTE PUSCH接收机，并提出了一种改进型的PUSCH接收机架构。仿真结果表明，改进的接收机架构适合于各种信道并能提供一定的系统增益，在突变信道中提高较为显著。从接收机实现的角度上，改进的接收机架构相比传统架构需要占用更多的硬件资源，这一点可以通过逻辑算法进行精简。例如，在数据初次传输时，可将两路数据处理合为一路，同时也可考虑通过采用并行运算形式进一步提高改进接收机的处理速度。

1 David Chase.Code combining-a maximum-likelihood decoding approach for combining an arbitrary number of noisy packets.IEEE Transactions on Communications,1985,33(5):385～393

2 PalFrenger,Stefan Parkvall,Erik Dahlman.Performance comparison of HARQ with chase combining and incremental redundandy for HSDPA.In:Proceedings of VTS 54th,March 2001

3 3GPP TS 36.212 v8.7.0.Technical specification group radio access network evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA)multiplexing and channel coding (Release 8),May 2009

4 3GPP TS 36.211 v8.7.0.Technical specification group radio access network evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA)physical channels and modulation (Release 8),May 2009

5 Parkvall S,Dahlman E,Frenger P,et al.The evolution of WCDMA towards higher speed downlink packet data access.In:Proceedings IEEE Vehicular Technology Conference,Rhodes,Greece,May 6-9 2001

6 3GPP TS 36.213 v8.7.0.Technical specification group radio access network evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA)physical layer procedures(release 8),May 2009