LTE学习笔记 HARQ、HARQ process、HARQ information、同步异步、自适应非自适应、ACKNACK反馈、上行HARQ1

1、20140307 （HARQ、HARQ process、HARQ information、同步/异步、自适应/非自适应、ACK/NACK反馈、上行HARQ（1）一、HARQ介绍      HARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest），混合式自动重传请求，是一种结合FEC（Forward Error Correction）与ARQ（Automatic Repeat reQuest）方法的技术。      FEC通过添加冗余信息，使得接收端能够纠正一部分错误，从而减少重传的次数。 

2、;     对于FEC无法纠正的错误，接收端会通过ARQ机制请求发送端重发数据。接收端使用检错码，通常为CRC校验，来检测接收的数据包是否出错。如果无错，则发送一个肯定的确认（ACK）；如果出错，则接收端会丢弃数据包，并发送一个否定的确认（NACK）给发送端，发送端收到NACK后，会重发相同的数据。      前面介绍的ARQ机制采用丢弃数据包并请求重传的方式。然而，虽然这些数据包无法被正确解码，但其中还是包含了有用的信息，如果丢弃了，这些有用的信息就丢失了。通过使用HARQ with soft comb

3、ining，接收到的错误数据包会保存在一个HARQ buffer中，并与后续接收到的重传数据包进行合并，从而得到一个比单独解码更可靠的数据包。然后对合并后的数据包进行解码，如果还是失败，则再请求重传，再进行软合并。      根据重传的bit信息与原始传输是否相同，HARQ with soft combining分为Chase combining和incremental redundancy（IR，增量冗余）两类。Chase combining中重传的bit信息与原始传输相同；增量冗余中重传的bit信息不需要与原始传输相同。这里我们只介绍增量冗

4、余，因为LTE中使用的是这种机制。      在增量冗余中，每一次重传并不需要与初始传输相同。相反，会生成多个coded bit的集合，每个集合都携带相同的信息。每当需要重传时，通常会传输与前一次不同的coded bit集合，接收端会把重传的数据与前一次传输的数据进行合并。每次重传的coded bit集合称为一个冗余版本（Redundancy Version，RV）      由于重传可能携带了不包含前次传输中的额外奇偶校验比特（parity bit），所以重传的码率会降低。每次重传可以包含与初

5、始传输数目不同的coded bit，且不同重传的调制方式也可以不同。      图1是一个增量冗余的例子：图1：增量冗余的例子       这里我们以DL-SCH的物理层处理步骤来简单介绍一下冗余版本RV的生成过程。UL-SCH的处理与之类似。图2：DL-SCH的物理层处理 图3：速率匹配和HARQ功能 从图2、图3可以看出，在Turbo编码之后，会输出systematic bits，first parity bits和 second parity bits。这些输

6、出会先进行交织，然后插入一个环形缓冲器（circular buffer）中。其中，systematic bits会先插入，然后first parity bits和second parity bits交替着插入。 不同的RV意味着从环形缓冲器的不同起始位置来提取要发送的bit。对于DL-SCH和UL-SCH而言，其信道编码采用了Turbo编码。Turbo编码中的systematic bit比parity bit更重要，在初传(initial transmission)中至少需要包含所有的systematic bit和部分parity bit；而在重传(retransmission)中，

7、会包含初传中没有的parity bit。如果初传（注意：这里是“第一次传输”）的接收质量很差或根本没收到，此时重传只带parity bit的RV不如重传包含全部（或部分）systematic bit的RV来得性能好。这里有两种不同的否定应答：NACK和DTX。NACK要求重传额外的parity bit，而DTX要求重传systematic bit。总之，基于之前传输尝试的信号质量来决定重传中包含多少systematic bit和parity bit是很重要的。  HARQ是通过校验CRC来判断接收到的数据包是否出错，并且校验CRC是在软合并之后进行的。  HARQ功能同时跨

8、越物理层和MAC层。其中发送端生成不同的redundancy version（选用哪个RV是由MAC层告诉物理层的）以及接收端软合并是由物理层负责的。在接收端，HARQ buffer通常位于物理层中，这是因为物理层需要对接收到的数据进行软合并和解码处理。二、HARQ processHARQ protocol是MAC层的功能，HARQ protocol在发送端和接收端都存在。发送端的HARQ操作包括传输和重传TB、接收并处理ACK/NACK；接收端的HARQ操作包括接收TB，软合并处理，生成ACK/NACK。  HARQ使用stop-and-wait protocol（停等协

9、议）来发送数据。  在停等协议中，发送端发送一个TB后，就停下来等待确认信息。只需要1 bit的信息来对该传输块进行肯定（ACK）或否定（NACK）的确认即可。但是每次传输后发送端就停止并等待确认，会导致吞吐量很低。因此LTE使用多个并行的stop-and-wait process：当一个HARQ process在等待确认信息时，发送端可以使用另一个HARQ process来发送数据。如图1所示。  这些HARQ process共同组成了一个HARQ 实体（HARQ entity），这个实体结合了停等协议，同时允许数据的连续传输。图1：多个并行的HARQ proc

10、ess  每个HARQ process一次只处理一个TB（Transport Block，传输块）。  每个HARQ process在接收端都需要有独立的HARQ buffer以便对接收到的数据进行软合并。  每个UE都有一个HARQ实体。在载波聚合中，每个载波单元（Component Carrier）都有各自的HARQ实体。在空分复用中，一个TTI会并行传输2个TB，此时每个TB有各自独立的HARQ确认信息，1个HARQ实体包含2个HARQ process集合。  使用多个并行的stop-and-wait process可能导致接收端的MAC

11、层送往RLC层的数据是乱序的。如图1所示，传输块 5在传输块 1之前成功解码，导致传输块 5先于传输块1送往RLC层，从而出现数据的乱序。因此，RLC层需要对接收到的数据进行重排序。在载波聚合中，RLC层同样需要负责数据的重排序，这是因为RLC层对载波聚合不可见，而每个载波单元有独立的HARQ实体，导致一个RLC层需要从多个HARQ实体中接收数据，而接收自多个HARQ实体的数据很可能是乱序的。   当发送端收到一个确认信息（ACK/NACK）后，需要知道该确认信息对应的HARQ process，这是通过确认信息与传输的数据之间固定的timing关系来确定的（上行、下行都适用

12、。注意：这里是针对某次传输与对应的ACK/NACK之间的timing关系的，而同步/异步是针对重传和初传之间的timing关系的）。三、HARQ information在处理HARQ时，有一些比较重要的信息值得我们关注，我把这些信息整理了一下：图1：HARQ information 注：1）下行DCI包括DCI format 1/1A/1B/1D/2/2A/2B/2C，但不包含DCI format 1C，因为1C不支持HARQ。上行DCI包括DCI format 0/4。  2）重传时TB size是不变的，因此没有必要在重传的DCI中指示新的TB size，但必须保证初传的DCI是

13、正确接收的。  TB size是通过MCS index指定的，MCS index有5 bit，但只使用29种组合（028），剩余的3种组合（2931）是预留的，且这3种组合只用于重传。从36.213的Table 7.1.7.1-1 （用于下行）和Table 8.6.1-1（用于上行）可以看出，对于MCS index 2931，TBS Index都是预留的，这也可以说明，重传是不会改变TB size的。但对于下行而言，Modulation Order是可以改变的，而上行不可以。 当然，使用这3种预留组合的前提是UE成功地接收了初传中的DCI（使用MCS index 028），

14、否则重传中需要显式地指定TB size，即此时不能使用MCS index 2931。 3）关于MCS Index在取值范围028和2931的不同处理，以及上下行中的不同含义，大家需要好好关注一下。 四、同步/异步、自适应/非自适应 HARQ协议在时域上分为同步（synchronous）和异步（asynchronous）两类；在频域上分为自适应（adaptive）和非自适应（non-adaptive）两类。注意：这里的前提是针对同一HARQ process。一个HARQ process在同一TTI只能处理一个TB。 异步HARQ（asynchronous HARQ）意味着重传

15、可以发生在任一时刻，也意味着能以任意顺序使用HARQ process。同步HARQ（synchronous HARQ）意味着重传只能在前一次传输之后的固定时刻发送，也意味着某个特定的子帧，只能使用某个特定的HARQ process。同步HARQ的好处在于HARQ process号可以直接从系统帧号/子帧号中推导出来，而无需显式地发送HARQ process号（如何推导会在上行HARQ时介绍）；异步HARQ的好处在于重传调度更加灵活。  自适应HARQ（adaptive HARQ）意味着可以改变重传所使用的PRB资源以及MCS。非自适应HARQ（non-adaptive HA

16、RQ）意味着重传必须与前一次传输（新传或前一次重传）使用相同的PRB资源和MCS。      在LTE中，下行使用异步、自适应HARQ；上行使用同步HARQ，但重传可以是自适应的，也可以是非自适应的。 HARQDownlinkUplinktime domainasynchronoussynchronousfrequency domainadaptiveadaptive or non-adaptive注意：异步/同步、自适应/非自适应都是针对前一次传输（包括新传和前一次重传）与重传之间的关系的，而不是针对PUSCH传输（包括新传和重传）

17、与ACK/NACK之间的关系的。总结： HARQ是混合式自动重传请求，是一种结合FEC（Forward Error Correction）与ARQ（Automatic Repeat reQuest）方法的技术。Transport Block经过信道编码（turbo coder）的数据包括三段，第一段可以认为是基本数据，其余两段是冗余数据，这三段数据依次放在一个环形缓冲区内。RV版本其实就是指示从这个缓冲区的哪个位置来取数据。NDI是新数据指示信令。3GPP LTE中的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l次传输时的相

18、同。然而，每次重传时采用的调制方式、信道码的集合和传输功率都可能与第1次传输时不同，即每次重传时的可用信道比特数可能不同，即使可用信道比特数相同，在物理信道中传输的信息比特也可能不同。HARQ每次重传使用不同的冗余版本（RV），最多有8个不同的冗余版本，这里每个冗余版本对应了不同的编码比特子集，每个子集包含不同的比特。Chase合并对应单一的冗余版本。发送方在发送数据包的同时设置1比特的新数据指示信令NDI，每当发送新数据包则NDI翻转1次，接收方收到则会把接收数据缓存清空。存储新的数据；而重传数据包时NDI保持不变，接收方收到则把它存在接收数据缓存中，与之前的版本进行合并译码。二、ACK/N

19、ACK反馈：LTE-ACK/NACK bundling与ACK/NACK multiplexingACK/NACK bundling和ACK/NACK multiplexing分别代表什么意思？接收端如何区分各用户的接收状况？ Bundling是多个DL subframe的每个codeword的接收结果通过逻辑与在一个UL subframe用1bit反馈。如果2个codeword就用2个bit反馈。bundling是使用一个ack/nack完成前面若干个下行数据的TTI反馈，几个ack/nack进行and运算，然后用一个ack/nack来反馈，它的缺点是eNB不知道哪个子帧被错误接收

20、，如一个子帧错误，那么就要重传所有的子帧，所以bundling不适合下行覆盖受限的情况。目前协议中默认的ack/nack形式是bundling，协议中引入DAI (in DCI)来指示UE丢失信令的情况，如果DAI miss的话，会给所有的码字生成NACK。 Multiplexing是多个DL subframe的接收结果在一个UL subframe用多个bit反馈。每个DL subframe的多个codeword通过逻辑与变成一个bit。Multiplexing是在一个上行时隙反馈多个ack/nack，即对多个下行数据反馈它们每一个的ack/nack信息。所有的ack/nack信息可

21、以用2bit来表示，利用对应的PDCCH中CCE的信息计算出ack/nack的反馈资源，并用2bit进行反馈，eNB接收反馈信息后根据反馈值和反馈资源查表得到每个下行资源的反馈信息。另外Multiplexing不是协议的默认反馈形式，需要高层1bit信令配置。 无论bundling还是multiplexing，多用户上行ACK/NACK的区分靠的是扩频码和zadoff序列的循环移位值，ACK/NACK和下行接收数据块并不是一对一的关系；实际上，UE在接收过程中，若干个子帧内接收到的多个TB，可能只通过一个ACK/NACK反馈给发送端，根据Bunding模式和Multiplexing模

22、式具体参数定义，可知一个上行ACK/NACK和哪些下行接收TB块的校验结果相对应。总结：Bundling是默认的配置，其方式为bundling使用一个ack/nack完成前面若干个下行数据的TTI反馈，几个ack/nack进行and运算，然后用一个ack/nack来反馈。Multiplexing需要高层1bit信令配置。其方式是多个下行数据反馈它们每一个的ack/nack信息。三、上行HARQ（1）图1是关于上行数据传输的一个示意图（除了SR外，不包含PUCCH）。本文主要介绍其中的上行HARQ处理。图1：上行流程eNodeB使用PHICH来告诉UE是否成功接收PUSCH，一个上行TB对应一个

23、PHICH。 对于FDD而言，如果上行传输模式为TM1，则有8个上行HARQ process；如果上行传输模式为TM2，则有上行HARQ process数将翻倍，为16个，此时每个子帧有2个HARQ process。对于TDD而言，如果上行传输模式为TM1，则不同的TDD上下行配置对应的上行HARQ process数见36.213的Table 8-1所示（如下图）；如果上行传输模式为TM2，则有上行HARQ process数将翻倍，此时每个子帧有2个HARQ process。 这里我们不考虑子帧绑定（subframe bundling）的场景。Table 8-1: Number of sync

24、hronous UL HARQ processes for TDDTDD UL/DL configurationNumber of HARQ processes for normal HARQ operationNumber of HARQ processes for subframe bundling operation07314222N/A33N/A42N/A51N/A663每个UE（而不是每个无线承载）会被配置一个最大传输次数。Msg 3的最大传输次数是通过RACH-ConfigCommon的maxHARQ-Msg3Tx字段来配置的；而除Msg3外的其它上行HARQ process允许的

25、最大传输次数是通过MAC-MainConfig的maxHARQ-Tx字段来配置的。前面已经介绍过，在LTE中，上行使用同步HARQ，但重传可以是自适应的，也可以是非自适应的。 上行HARQ使用同步（synchronous）、非自适应（non-adaptive）的目的是为了降低开销。由于上行重传总是发生在可预知的子帧上（例如：在FDD下，重传总是发生在前一次传输的8个子帧之后；TDD见后续介绍），所以根据timing关系可以直接推导出使用的HARQ process。并且在非自适应重传时，重传与与前一次传输（注意：不是“新传”，这可以在36.300的9.1节和36.321的5.4.2.2

26、节得到答案）使用相同的PRB资源和MCS。因此下行只需要PHICH这一种控制信令，而不需要PDCCH（UL grant），从而降低了开销。而上行HARQ有时使用自适应（adaptive）重传是为了避免分割上行频域资源或避免与随机接入的资源发生碰撞。此时eNodeB不仅会发送PHICH，还会发送PDCCH（UL grant）以指示重传所使用的新的PRB资源和MCS。如果上行同时支持自适应和非自适应HARQ，则要求对应同一上行子帧的PHICH和PDCCH拥有相同的timing，即在同一子帧中发送。如果不满足该条件，则UE不知道是该听从PHICH还是该等待UL grant而不管PHICH，实现的复杂

27、度会大增。HARQ feedback seen by the UEPDCCH seen by the UEUE behaviourretransmission typeACK or NACKnew transmisson(NDI is toggled)new transmission according to PDCCH, and flush the HARQ bufferNAACK or NACKretransmission(NDI is not toggled)retransmission according to PDCCHadaptive retransmissionACKnoneno

28、 (re)transmission, keep data in HARQ buffer and a PDCCH is required to resume retransmissionsNANACKnoneretransmission occurs at the same frequency resources and with the same transmission format as the previous transmissionnon-adaptive retransmission图2：上行HARQ处理（参见36.300的9.1节）上行HARQ处理见图2，这对FDD和TDD是一样的。可以看出：（1）给定某个HARQ process，即使接收到的PHICH指示为ACK，也不会清空HARQ缓存区。此时，还需要通过在当前子帧或后续子帧中接收到的UL grant中的NDI来决定是进行重传（NDI没有反转），还是进行新传（NDI反转，此时会清空HARQ缓存区）。也即，是否清空HARQ缓存区是由UL grant的NDI来决定的。假如UE收到了