3GPP LTE中基于HARQ技术的吞吐量性能研究

杨桂芹，胡 滢，赵春和

(兰州交通大学电子与信息工程学院，甘肃兰州730070)

0 引言

为了保证LTE通信系统的传输质量，提高系统的吞吐量，3GPP LTE在原有差错控制技术的基础上进一步优化，采用前向纠错(FEC)和自动请求重传(ARQ)相结合的差错控制方式，称为混合自动请求重传技术(HARQ)［1］。在LTE下行链路仿真平台TDD模式下，分别在不同调制方式下对没有加入HARQ的系统、重传要求强制执行的系统和加入HARQ的系统的吞吐量性能进行分析研究，证明HARQ技术可有效改善LTE系统吞吐量性能，提高LTE系统的传输质量。

1 3GPP LTE中的HARQ技术

HARQ技术即ARQ和FEC混合方式。在接收端，对少量差错自动纠正，而超过前向纠错能力的差错则向发送端发送错误报告要求发送端重传以纠正。因此，HARQ技术是对ARQ和FEC两种差错方式进行了折中，具有较高的可靠性及较短的时延，从而提高了系统性能［2，3］。

根据HARQ的合并方式，可将HARQ分为3类:第 I类 HARQ、第 II类 HARQ 和第 III类 HARQ［4］。第I类HARQ在接收端检测到数据出错时，直接将数据包丢弃，并发送重传请求，要求发送端重传数据;第II类HARQ在接收端检测到数据出错时，将错误的数据包保留下来，与发送端重传过来的数据冗余信息进行合并之后，再进行解码。新数据与原接收的数据一起形成纠错能力更强的纠错码，使纠错能力进一步提升;第 III类 HARQ与第 II类HARQ相似，接收到的错误数据不会被丢弃，但新数据带有系统信息位，接收到的新数据可自行解码，解码正确则将缓存的错误数据丢弃，解码出错则与缓存数据合并后再解码［5，6］。3GPP LTE 采用第 II类和第III类混合的HARQ合并技术。

2 系统仿真平台设计

在LTE下行链路 Matlab仿真平台上基于高斯信道对HARQ的吞吐量性能进行仿真分析比较，仿真模型如图 1 所示［7，8］。

图1 基于HARQ技术的LTE系统仿真模型

发送端发送数据，并将所发送数据备份暂存在缓存器中，待接收端反馈信息。接收端收到数据后，先将数据存储在接收端缓存器中，若译码成功，则释放缓存数据，输出数据，并向发送端发送ACK，发送端收到ACK后便释放存储在缓存器中的数据，并发送新的数据。若译码失败，将解码错误的数据暂存于接收端缓存器中，并向发送端返回NACK要求重传数据，当发送端收到NACK反馈后，将缓存器中原数据更改冗余版本，再重传原数据，同时在接收端先与缓存器中解码失败的数据合并，然后再进行译码［9］。

3 系统吞吐量性能仿真结果分析

LTE系统吞吐量是指系统单位时间内成功地传送数据的数量，对于链路级仿真系统，以帧为单位传送数据，每帧时间为10 ms，则系统的吞吐量为:

式中，Rightbits为系统正确接收的总比特数;Totalfream为系统发送总帧。

在LTE下行链路Matlab仿真平台上，基于高斯信道分别在QPSK、16QAM和64QAM三种不同调制方式下，对HARQ的吞吐量性能进行了仿真研究。仿真采用单天线1*1模式，主要仿真参数如下:信道带宽为 10 M，PRB 为 50，1 024点 FFT，QPSK、16QAM调制方式下采用的冗余版本序列为(0，1，2，3)，64QAM调制方式下采用的冗余版本序列为(0，2，3，1)。仿真结果如图2、图3和图4所示。图中不重传是指仿真链路没有加入HARQ，数据到达接收端译码错误的话则报错，但并不重传原数据;强制重传则是指不管接收端是否译码成功，都重传原数据，重新传过来的数据与原数据合并后再译码。

图2 QPSK调制时系统的吞吐量性能

图4 64QAM调制时系统的吞吐量性能

上述仿真中，分别在QPSK、16QAM和64QAM调制方式下，对系统不重传数据、强制重传及加入HARQ时的吞吐量性能进行了研究。由仿真结果图可以得出各种情况下达到最大吞吐量70%时所对应的SNR值，如表1所示。

表1 各种情况下的SNR (单位:dB)

由仿真结果可知，每多重传一次数据，吞吐量性能便会有所改善，强制重传数据次数越多，系统吞吐量越高，但是由于反复重传原数据，数据的传输速率受到严重影响。在系统加入HARQ技术后，错误译码则重传原数据，成功译码则传送新数据，在一定程度上提高了系统的有效性。由表1可知，加入HARQ时的吞吐量性能介于不重传数据和重传3次数据之间而且吞吐量性能基本达到3PGG LTE中要求。

4 结束语

主要针对LTE下行链路中不同情况下的吞吐量性能进行了分析研究。分别在 QPSK、16QAM、64QAM三种调制方式下，对系统不加HARQ、强制重传及加入HARQ时系统的吞吐量性能进行了综合比较。仿真结果表明，加入HARQ技术后在保证一定的系统有效性的同时，可有效改善LTE系统吞吐量性能，提高LTE系统的传输质量。

［1］胡宏林，徐 景.3GPP LTE无线链路关键技术［M］.北京:电子工业出版社，2008.

［2］彭德文，李小文，刘哲哲.TD-LTE系统HARQ重传机制研究［J］.中国科技论文，2012，4(1):263 －266.

［3］丁志刚.LTE系统中的 HARQ机制［J］.电信技术，2010，2(1):76 －77.

［4］李旭虹，刘 燕，王安义.LTE系统下行链路中HARQ技术的研究与仿真［J］.工矿自动化，2012，1(1):62－65.

［5］3GPP TS 36.213 V9.11.0.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Layer Procedures［S］，2012.

［6］3GPP TS 36.214 V9.11.0.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Layer Measurements［S］，2012.

［7］李小文，童 超，李伟博.LTE PUSCH信道中HARQACK/NAK信息编码算法［J］.计算机应用研究，2011，28(9):3 485－3 487.

［8］徐志文，李小文.TD-LTE系统HARQ机制的设计与仿真［J］.广东通信技术，2012，5(1):27－30.

［9］3GPP TS 36.211 V9.11.0.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Channels and Modulation［S］，2012.