LTE TDD系统中下行HARQ机制的研究*

陈发堂，万 翠，樊 玺

（1.重庆邮电大学重庆市移动通信技术重点实验室 重庆400065；2.电子科技大学 成都611731）

1 引言

在LTE系统中，针对无线信道时变和多径衰落对信号带来的传输错误，LTE系统采用了HARQ技术，其中涉及物理层和MAC（媒体接入控制）层。在每个TTI（传输时间间隔）内，物理层会向空中接口发送一个或者两个TB（传输块）。如果该传输块没有被接收端正确解码，那么该传输块将会重传，同时接收端会将错误解码的TB保存。当接收端接收到该重传的TB，会将之前传输的TB和这次的TB合并，以增加解码的正确性。在采用IR（增量冗余）的HARQ机制中，重传的TB会包含一些初始TB中没有的冗余信息，然后进行软合并。当传输次数增加时，合并后的码字冗余信息逐渐增加，获得码字合并增益。

LTE系统提供两种双工方式：一种是频分双工（frequency division duplexing,FDD），另一种是时分双工（time division duplexing,TDD）。在FDD模式中，上行子帧和下行子帧在频域上是独立的，并且HARQ RTT是固定的。然而在TDD中，上下行子帧在时域内是独立的，其中，TDD的帧结构如图1所示。一个10 ms的无线帧由上行子帧、下行子帧和特殊子帧构成[1]。特殊子帧包含3个部分：DwPTS（下行导频时隙）、GP（保护间隔）、UpPTS（上行导频时隙），其中GP是用作上下行子帧转换的保护间隔。DwPTS可以发送下行数据，而GP和UpPTS则不能发送数据。TDD支持7种不同的上下行和特殊子帧的配置[1]，见表1（D代表下行子帧，S代表特殊子帧，U代表上行子帧）。特别是在下行HARQ过程中，由于在有的上下行子帧配置中，下行子帧会比上行子帧多，因此同一个上行子帧上会包含着几个下行HARQ的反馈信息。几个下行HARQ的反馈会以捆绑或复用的方式在同一个上行子帧上传输，这样TDD模式下HARQ RTT就会比FDD模式下的长。当网络侧发送系统消息或者广播消息时，接收端如果解码错误，网络侧会为了避免重传数据的冲突而调整重发数据的时刻。这样，下行异步HARQ的重传可能发生在任意时刻，因此，并不能保证固定的RTT。

表1 上下行子帧配置

当重传发生时，HARQ RTT增加，则数据分组的传输延迟，如果最先收到负反馈的HARQ进程具有最高的重传优先级，则此时HARQ RTT将会得到最小化[2]。在上述准则的基础上，提出了一种根据不同的上下行子帧配置最小化重传时间的方法。

2 HARQ实体

MAC层 控制着HARQ实 体 的运行[3]，HARQ实体维 持着一定平行数量的HARQ进程，上层数据被组装成MAC PDU后，封装至HARQ进程中。下行HARQ过程的发送是通过上行反馈（ACK或NACK）、新数据指示（NDI）、下行资源分配和下行数据重传来完成的。下行HARQ示意如图2所示。

2.1 下行HARQ进程设计

HARQ进程的状态可分为空闲状态、准备状态和传输状态，如图3所示，存储在HARQ实体里的TB被发至空闲状态的HARQ进程中，则该进程的状态转至准备状态；当TB被物理层发至PDSCH（物理下行共享信道）时，则该进程的状态转至传输状态；当该进程收到一个HARQ负反馈时，又会返回至准备状态，准备进行重传；如果收到正反馈，则状态转至空闲状态。

2.2 同步HARQ和异步HARQ

在上下行HARQ过程中，接收端收到HARQ反馈的时刻都是固定的。但另一方面，接收到HARQ负反馈时，进行重传的时间是不同的。对于上行同步HARQ来说，重传的时间是固定的；对于下行异步HARQ来说，为了增加调度的灵活性，重传的时间是不固定的，有可能发生在任意时刻，由网络侧调度。如图4所示，说明了在上下行配置为4时的重传过程。以进程2为例，当所有的进程都被占用时，如图4（a）所示，收到反馈的时刻是子帧2，重传时刻是子帧8；当部分进程被占用时，如图4（b）所示，重传时刻为子帧6，相比之下，时延减少了，相应地，子帧4的HARQ RTT也被减小。

2.3 下行HARQ反馈

在下行HARQ过程中，上层数据在MAC层被组装成MAC PDU，然后被保存在位于MAC层的HARQ进程中。之后，MAC PDU会通过HARQ进程发送至物理层。这里，一个MAC PDU对于物理层来说，是一个TB。物理层通过PDSCH在下行子帧n-l上发送TB至空中接口。接收端在接收到HARQ进程数据后，会通过PUCCH（物理上行控制信道）或者PUSCH（物理上行共享信道）在上行子帧n上发送HARQ反馈。其中，n和l的值见表2[4]。

由于不同上下行子帧配置下的上下行子帧的个数不同，导致在下行子帧多于上行子帧的情况下，几个下行子帧的反馈会被捆绑或复用到同一个上行子帧上，因此，在接收反馈后重传的时间将会高于FDD模式下的重传时间，HARQ RTT也会相应地增加。

表2 TDD下行相关索引集合L：{l0，l1，…，lM-1}

3 下行HARQ RTT算法设计

3.1 HARQ重传原则

在接收到HARQ反馈之后，如果收到的是负反馈，则需要进行重传。对于重传时刻的确定，考虑到两种情况：一种是当所有的下行子帧都被HARQ进程占用时，重传时刻是固定的，此时的情况可以理解为同步HARQ，子帧n的重传时间可由表3中的k′确定；另一种是只有部分下行子帧被占用时，若当前子帧为n，那么之前接收对应的HARQ反馈的时刻为n-k。k′的值见表3，且kmin为网络侧处理上行数据时延，大小为4 ms[5]。

在子帧n上传输的进程的最小HARQ RTT可根据以下步骤获得。

（1）网络侧假定根据表3在子帧n-k上收到HARQ反馈。

（2）根据表2检测是否在子帧n-k-l上存在和子帧n-k的反馈相对应的PDSCH。当网络侧在检测时，l是按照递减的顺序进行的，这样就能保证最先收到HARQ反馈的进程优先得到重传。

（3）如果子帧n-k上没有收到HARQ反馈，则k值递减，并重复上述过程。

最终，HARQ进程号和相应的HARQ重传时刻可以根据当前子帧n得到确定。在这个过程中，网络侧需要同时考虑帧号和子帧号。

3.2 实现步骤

根据上述原则设计出的HARQ的方案如下。

（1）首先为每个HARQ进程设计参数：HARQ缓冲域标志hharq，反馈ffeedback，当前子帧ncursubframe。

每个HARQ进程有一个缓冲域，hharq为1时表示该进程被占用。ffeedback用于接收上次发送下行数据时的反馈。ncursubframe用于记录该进程发送数据时的下行子帧。

（2）如果子帧n收到HARQ反馈，首先扫描所有hharq为1的进程，如果ncursubframe=n-l，则将该进程的ffeedback设置为收到的ACK或NACK。

（3）对于ffeedback为ACK的进程，MAC层将该进程清空，即置hharq为0。对于ffeedback为NACK的进程，首先对这些进程按l从大到小进行排序，然后确定每个进程的重传时刻nnextsubframe，则每个进程的RTT为nnextsubframe-ncursubframe。

在下行数据传输过程中，数据以多个并行的HARQ进程为载体向下层传输，不同的数据速率会导致处于传输状态的HARQ进程数目的增加，但当速率增加到一定程度时，所有的HARQ进程都被占用，相应的下行子帧也被占用，此时的HARQ RTT是固定的。不同配置下，上下行子帧的不对称性导致HARQ RTT也有所区别。下面进行具体分析。

表3 同步HARQ下的子帧n的重传等待时间

4 仿真结果

在LTE TDD系统中，首先分析了HARQ机制，并从上下行配置方面分析了同步HARQ和异步HARQ的HARQ RTT。数据的到达服从随机的泊松分布，并以一定速率被发往HARQ实体。不同HARQ利用率下的HARQ RTT如图5所示。

以配置5为例，当全部HARQ进程都被占用时，为同步HARQ，此时HARQ RTT为16.6 ms，而异步HARQ的RTT要小于同步HARQ。在异步HARQ过程中，当多数HARQ进程处于空闲状态时，将会减小收到反馈与重传之间的时间间隔，因此HARQ RTT也会减小。当数据的速率较大时，处于空闲状态的HARQ进程不存在，也就是说所有的进程都被占用，进程的重传时间是固定的，就演变成了同步HARQ过程，在HARQ RTT方面，二者不存在区别。

此外，当上下行配置为5时，下行子帧和上行子帧的个数比例达到最大；而配置为4和2时，比例减小，且配置为5时的HARQ RTT比配置为4和2时的大。原因如下，当下行子帧和上行子帧的比例较高时，在同一个上行子帧会传输多个下行子帧的HARQ反馈，因此HARQ RTT会随着复用HARQ反馈的个数而增加。但配置为4和2时，二者的上下行子帧个数配比是相同的，但是因为配置4的上下行转换点为周期10 ms，因此其HARQ RTT要大于转换点周期为5 ms的配置2的HARQ RTT。此外，上下行配置为0时是例外的，其HARQ RTT是固定的，这是由协议规定的。因此，可根据应用不同的上下行配置来调节HARQ RTT，从而改善HARQ的性能，满足业务需求。例如，在下行业务量较大并且对时延要求不高时，可选择配置5，比如在访问网络下载视频的情况下；但如果在上下行配比相同的情况下，选择上下行切换点周期为5 ms的配置可减小下行时延。

5 结束语

本文针对LTE TDD系统下行异步HARQ过程中RTT的问题，提出了一种通过网络侧应用不同的上下行配置而最小化HARQ RTT的方法，并从HARQ RTT方面分析了同步HARQ和异步HARQ过程。设计出一种求得HARQ RTT的方案，仿真分析了不同配置和HARQ进程利用率对HARQ RTT的影响。本文将有助于对下行HARQ的研究和理解，并且可根据对比仿真图中的HARQ RTT，为网络侧进行不同业务时的上下行配置提供参考。

1 3GPP TS 36.211 V9.0.1.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Channels and Modulations,2009

2 Dalhlman E,Parkvall S,Skold J,et al.3G Evolution:HSPA and LTE for Mobile Broadband,2nd Ed.Academic Press,2008

3 3GPP TS 36.321 V9.1.0.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)Medium Access Control(MAC)Protocol Specification,2009

4 3GPP TS 36.213 V9.0.1.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Layer Procedures,2009

5 Susitaival R,Meyer M.LTE coverage improvement by TTI bundling.Proceedings of VTC 2009-Spring,Spain,2009