混合自动请求重传HARQ研究综述

何元权

摘 要 混合自动请求重传技术（HARQ）是HSDPA中的关键技术，能够很好的解决准确，高速下载的难题。文章介绍了混合自动请求重传技术（HARQ）的算法原理以及当前的研究动态如RB-HARQ，DDB-HARQ，Chase CombiningHARQ等，对这些HARQ方案进行了分析，并给出了自动请求重传技术（HARQ）发展趋势。

关键词 HARQ RB-HARQ DDB-HARQ Chase Combining HARQ

1 引言

HSDPA（高速下行分组接入，High Speed Downlink Packages Access）技术是实现提高WCDMA网络高速下行数据速率最为重要的技术，适用于对时延要求不敏感的应用，例如无线下载，在线视频等，能够给用户提高良好的通信体验。HARQ 技术是 HSDPA 系统中的关键技术，它使得 HSDPA 系统获得更高的吞吐量和更小的时延。

随着无线通信业务的发展，HSDPA在无线通信领域里扮演着越来越关键的角色。这主要有几个方面的原因：一、将来的无线业务将会是上下性不对称、突发性的分组数据业务，例如对移动在线视频的需求，无线下载业务的需要，以及现在人们所使用的高清电视，这些业务对传输的质量提出了很高的要求。二、无线传播环境特别复杂，对接收信号而言，不仅存在各种衰落、移动引起的多普勒平移，还存在其他类型的电磁干扰，以及各种各样的噪声，这些衰落和干扰在通信中引起随机差错和突发错误，将严重影响传输质量，HADPA中关键技术HARQ能通过码率调整，能够既保证时延，又保证传输质量，能够克服以上问题。

随着对高数据率以及高质量业务的迅速发展，HARQ成为无线通信系统中的一项关键技术并得到了深入的研究，并已经应用于3G LTE系统中。本文结构如下，第一节介绍HARQ的原理，第二节对相关的HARQ研究情况进行调研，第三节对相应的HARQ方案进行分析，第四节给出本文的结论。

2 HARQ原理

HARQ（Hybrid-ARQ）混合自动重传请求技术，将ARQ技术与FEC（前向纠错编码）技术完美的结合起来。信息在传输的过程中，由于不可避免的噪声干扰的影响，在接收端都会出现一些信息错误的情况，而ARQ虽然可以保证得到较高的准确率，但是当信道条件恶劣，发送的信息在接收端都不能正确接收的情况下，就会出现通信链路拥塞的情况，从而一直处于信息重发状态，前向纠错编码（FEC）能够对错误的码字进行差错保护，并且纠正错误的码字，使得信息在信道中得到很好的保护，但是FEC并没有反馈机制，只是一种尽力而为的信息保护方式，不能充分的保证信息传输的正确率，因此 ARQ和FEC的有效结合不仅提供了比单独的FEC系统更高的可靠性，而且提供了比单独的ARQ系统更高的系统吞吐量，如图1所示。

3 HARQ研究方案

HARQ是带有反馈重传的一种机制，随着HARQ应用越来越广泛，出现了众多的HARQ方案，下面将一一介绍。

3.1 RB-HARQ

RB-HARQ基于可靠度的混合自动请求重传（Reliability-based hybrid ARQ）[1]，发送端发送经过编码后的信息，通过信道后，接收端接收并进行译码和校验，当判断有错，则对接收到的数据的可靠度进行判定，当数据的可靠度低于门限值，则将这些数据的位置进行反馈，发送端进行重传，因此如何选择合适的门限值在RB-HARQ中显的尤为重要，同时因为反馈发送端的包含有NACK和需要重发的比特位置信息，发送端接收到反馈信息，根据反馈的比特位置信息将这些数据进行重发，知道接收ACK或者达到最大重发次数。经过分析，该类HARQ由于反馈数据较为复杂和庞大，因此反馈时延比较长，实现也较为复杂，同时，由于反馈的比特位置信息与译码正确与否关系很大，因此现在的研究重点在与如何选择合适的位置判断方案，以及重传数据的简短[2]，如图2所示。

3.2 DDB-HARQ

DDB-HARQ基于度分布的HARQ 方案（Degree Distribution Based HARQ）[3]，将编码后的数据根据其度的不同划分成不同的集合，第一次发送整个帧，当收到来自接收端的NACK时，便发送分组编码比特。每次重发的分组以特定的比例从不同度的集合来提取，一旦信道发生变化，在每个度集合中选择数据的比特也发生变化。因此该方案根据编码后的比特度数不一样来进行选取，因此该HARQ方案选用不规则LDPC来进行描述，如图3所示。

3.3 Chase Combining HARQ

Chase Combining HARQ：由科学家Chase在1985年提出的一种HARQ方式，因此被命名为Chase Combining HARQ[4，5]。当接收端校验错误，反馈（NACK）信号给发送端，并将接收的数据进行存储，发送端接收到NACK，重发与上一帧相同的数据包，接收端对当前接收到的数据包与上一次接收到的数据包进行合并，再对合并后的数据包进行译码，判断数据包是否正确。Chase Combining由以前的单一调制方式，转变成采用不同的调制方式来实现对编码比特的保护重传，由于这种方法实现简单，无需再次编码，同时接收方译码器的复杂度不高，这已经得到了广泛的应用，如图4所示。

3.4 IR-HARQ

IR-HARQ全增量冗余ARQ（Incremental Redundancy HARQ）[6，7]，发送端先以低码率编码，经过删余得到高码率码字并发送，删余的比特被存储起来，并不是被删除，只是不发送。如接收端发现数据错误，向发送端反馈（NACK），同时错误的帧不被丢弃而是存储在接收端，发送端发送额外的冗余比特并与重发帧合并起来形成一个较低码率的码字进行译码，重发帧和已发数据帧的内容是不一样的，如图5所示。

3.5 PIR-HARQ

PIR-HARQ部分递增冗余（Partial Incremental Redundancy HARQ）[8]，发送端对所要传送的信息进行编码，并进行发送，当接收端发现错误，反馈NACK，错误的数据包并不被丢弃，而是存储在接收端，发送方重新对信息比特中的部分信息进行编码，并再次发送编码后的冗余比特，发送的冗余比特能够进行自我译码或者与先前发送的编码后信息进行合并译码，从而达到正确译码的目的，如图6所示。

4 HARQ调研总结

在前面小节的介绍中得知：RB-HARQ的性能与反馈重传的位置点相关，反馈重传的位置点越重要，就越能正确译码，因此寻找一个合适的可靠度门限来确定反馈的信息的位置显得尤为重要，当信道条件较好时，门限值不能选的太高，重传比特过多，会造成信道资源的浪费，当信道条件较差时，门限值不能选的太小，重传比特过少，极有可能导致译码不成功，再次重传。DDB-HARQ：每次发送重传分组都需要从不同的度集合中选取不同的比例来组合并发送，接收端将重传数据和先前接收到的数据进行合并译码，因此在发送端和接收端。相关的复杂度都会上升。Chase Combining HARQ方法简单，但是因为每次重传分组都是先前传输的分组，不能提高信道带宽的利用率，当信道条件较差时，多次重传都不能正确译码，降低了信道的利用率，现在新的研究方向在于不同的重传次数对应不同的调制解调方式，因此，尽管编译码的复杂度较为简单，但是调制，解调的复杂度也上升。PIR-HARQ由于重传冗余比特能够进行单独的解码，因此发送端，接收端需要多个编码器，译码器，使得编译码相对应，在实现过程中，不光增加了复杂度，还占用大量的硬件资源。IR-HARQ仅仅需要重传冗余比特，将码率由高码率降低到低码率，不仅仅可以提高译码性能，同时也能提高信道的利用率，同时发送，接送端只需要一个编码，译码器，便能进行编译码，降低了系统复杂度。在现有的HARQ方案中，得到应用的是Chase Combining HARQ和IR-HARQ，在3GPP-LTE，TD-SCDMA，WCDMA中，他们均被很好的用于改善通信质量，增加吞吐量。

5 结论

本文总结HARQ研究发展情况，对不同HARQ方案进行了分析，即RB-HARQ，DDB-HARQ，Chase Combining HARQ，IR-HARQ，PIR HARQ，对这几种HARQ方案进行了比较分析，为后续对HARQ的研究具有参考意义。

HARQ以缩短正确接受时延，增加系统吞吐量，保证传输服务质量为目标，为解决这些问题进行了一系列的研究，其中以IR-HARQ和Chase Combining HARQ得到了应用，随着对无线下载需求业务的增大，会有越来越多的HARQ方案会被采用到这些无线业务。因此，HARQ具有广阔的应用前景，具有深远的研究价值。

参 考 文 献

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[4] Chase， D.， "Code Combining--A Maximum-Likelihood Decoding Approach for Combining an Arbitrary Number of Noisy Packets，" Communications， IEEE Transactions on ， vol.33， no.5， pp. 385-393， May 1985

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[8] Dammer， U.； Naroska， E.； Schmermbeck， S.； Schwiegelshohn， U.， "A data puncturing IR-scheme for type-II hybrid ARQ protocols using LDPC codes，" Global Telecommunications Conference， 2004. GLOBECOM '04. IEEE ， vol.5， no.， pp. 3012-3016 Vol.5， 29 Nov.-3 Dec. 2004