5G和LTE中的HARQ協議

 

LTE中有兩種重傳機制：MAC層的HARQ機制，以及RLC層的ARQ（只針對AM（aknowledgement mode確認模式）數據傳輸）機制。

HARQ：

HARQ（HybridAutomatic Repeat reQuest混合自動重傳請求），是一種結合FEC（ForwardError Correction，前向糾錯）與ARQ（Automatic RepeatreQuest）方法的技術。

FEC經過添加冗餘信息，使得接收端可以糾正一部分錯誤，從而減小重傳的次數。

對於FEC沒法糾正的錯誤，接收端會經過ARQ機制請求發送端重發數據。接收端使用檢錯碼，一般爲CRC校驗，來檢測接收到的數據包是否出錯。若是無錯，則接收端會發送一個確定的確認（ACK）給發送端，發送端收到ACK後，會接着發送下一個數據包。若是出錯，則接收端會丟棄該數據包，併發送一個否認的確認（NACK）給發送端，發送端收到NACK後，會重發相同的數據。

前面介紹的ARQ機制採用丟棄數據包並請求重傳的方式。雖然這些數據包沒法被正確解碼，但其中仍是包含了有用的信息，若是丟棄了，這些有用的信息就丟失了。經過使用HARQ with softcombining（帶軟合併的HARQ），接收到的錯誤數據包會保存在一個HARQ buffer中，並與後續接收到的重傳數據包進行合併，從而獲得一個比單獨解碼更可靠的數據包（「軟合併」的過程）。而後對合並後的數據包進行解碼，若是仍是失敗，則重複「請求重傳，再進行軟合併」的過程。

根據重傳的比特信息與原始傳輸是否相同，HARQ with softcombining分爲chase combining和incrementalredundancy（增量冗餘）兩類。chase combining中重傳的比特信息與原始傳輸相同；incremental redundancy 中重傳的比特信息不須要與原始傳輸相同。LTE中只使用incremental redundancy機制。

只有DLSCH和ULSCH傳輸支持HARQ，其餘信道不支持HARQ。

 

HARQ process：

HARQ使用stop-and-waitprotocol（停等協議）來發送數據。

在停等協議中，發送端發送一個TB後，就停下來等待確認信息。接收端會使用1比特的信息對該TB進行確定（ACK）或否認（NACK）的確認。可是每次傳輸後發送端就停下來等待確認，會致使吞吐量很低。所以LTE使用多個並行的stop-and-wait process：當一個HARQprocess在等待確認信息時，發送端可使用另外一個HARQ process來繼續發送數據。

這些HARQ process共同組成了一個HARQ實體（HARQ entity），這個實體結合了停等協議，同時容許數據的連續傳輸。 

每一個UE都有一個HARQ實體。但在載波聚合中，一個UE對應每一個載波單元（Component Carrier）都有各自的HARQ實體。

每一個HARQ process在一個TTI只處理一個TB（TransportBlock，傳輸塊）。

每一個HARQ process在接收端都須要有獨立的HARQbuffer，以便對接收到的數據進行軟合併。

在空分複用中，一個TTI會並行傳輸2個TB，此時每一個TB有各自獨立的HARQ確認信息，1個HARQ實體包含2個HARQprocess集合。

 

HARQ相關概念：

HARQ process number：也稱爲HARQprocess ID，惟一地指定一個HARQ process。

NDI：New Data Indicator的縮寫。每一個HARQprocess會保存一個NDI值，該值使用1比特來指示被調度的數據是新傳仍是重傳。若是同一HARQ process的NDI值與以前相比發生了變化（NDItoggled），則表示當前傳輸是一個新的TB的初傳，不然（NDI not toggled）表示當前傳輸是同一個TB的重傳。

RV：Redundancy Version的縮寫。用於指示傳輸所使用的冗餘版本，其取值範圍爲0~3。

MCS：Modulation and CodingScheme的縮寫。DCI使用5比特的MCSindex（0~31）來指示當前傳輸所使用的調製和編碼樣式，並影響到TBS的選擇。MCS共計32種組合，其中3種組合（索引爲29~31）是預留的，且這3種組合只用於重傳。 

同步/異步、自適應/非自適應

HARQ協議在時域上分爲同步（synchronous）和異步（asynchronous）兩類；在頻域上分爲自適應（adaptive）和非自適應（non-adaptive）兩類。

異步HARQ（asynchronousHARQ）意味着重傳能夠發生在任一時刻，也意味着能以任意順序使用HARQ process。同步HARQ（synchronousHARQ）意味着重傳只能在前一次傳輸以後的固定時刻發送，也意味着某個特定的子幀，只能使用某個特定的HARQ process。

同步HARQ的好處在於HARQprocess號能夠直接從系統幀號/子幀號中推導出來，而無需顯式地發送HARQ process number；異步HARQ的好處在於重傳調度更加靈活。

自適應HARQ（adaptiveHARQ）意味着能夠改變重傳所使用的PRB資源以及MCS。非自適應HARQ（non-adaptiveHARQ）意味着重傳必須與前一次傳輸（新傳或前一次重傳）使用相同的PRB資源和MCS。

在LTE中，下行使用異步、自適應HARQ；上行使用同步HARQ，但重傳能夠是自適應的，也能夠是非自適應的。