TD-LTE系统中ACK复用反馈算法研究

孙灵芝,魏 淮

(北京交通大学电子信息工程学院,北京100044)

TD-LTE系统中ACK复用反馈算法研究

孙灵芝,魏 淮

(北京交通大学电子信息工程学院,北京100044)

当TD-LTE系统中用户使用ACK/NACK Multiplexing模式进行HARQ反馈时,在PUCCH信道上承载反馈结果,反馈结果的取值存在二义性,使得演进型基站(eNB)无法获取确切的反馈结果。为此,提出一种基于终端(UE)空口质量的ACK/NACK Multiplexing反馈结果判决算法。eNB根据每个UE上报的CQI/PMI/RI等表征UE空口质量的参数,并结合eNB监控的UE数据发送和接收误块率,对上报的CQI参数进行修正,将经过处理后的CQI反馈参数输出至分组调度器。对存在二义性的反馈结果进行判决,以便获取较准确的反馈结果。相应的平台仿真结果表明,该算法能够降低系统误块率,增加系统吞吐量。

长期演进;混合自动重传请求;反馈算法;信道质量指示;空口质量;误块率

1 概述

HARQ(混合自动重传请求)是ARQ的改进,常用的自动重传请求协议包括停等式(SAW)、后退N步式(Go-back-N)和选择重发式(SR)等[1]。HARQ实体负责发送和接收HARQ操作。发送HARQ操作包括发送和重传传输块、接收和处理ACK/NACK信令。接收HARQ操作包括接收数据块、对接收到的数据进行组合以及生成ACK/ NACK信令[2]。通常,HARQ方案可分为同步或异步,在每个情况下的重传可以是自适应或非自适应的[3]。HARQ已经成为TD-LTE(长期演进)系统中不可或缺的关键技术之一[4]。但目前对HARQ的研究主要表现在对HARQ类型及相关技术的研究,如信道编码技术(Turbo编码)、速率控制技术等,而对于HARQ反馈信息机制的研究却相对要少。因此,本文提出一种基于 UE空口质量的HARQ ACK/NACK复用反馈判决算法,增加判断的可靠性,并减小数据误判的次数,以提高系统资源的利用率。

2 TD-LTE系统的HARQ-ACK反馈方案

对于TD-LTE系统支持的2种ACK/NACK反馈模式[5],由高信令面(Control Plan)进行配置: ACK/NACK bundling和ACK/NACK multiplexing。

在TD-LTE系统中,根据PDCCH(物理下行控制信道)与PDSCH(物理下行共享信道)的对应关系,分成如下3类[6]:(1)有对应PDCCH的PDSCH,即通常的eNB通过PDCCH控制信道调度PDSCH信道的方式;(2)没有对应PDCCH的PDSCH,即SPS(半持续调度)非连续类型的资源调度方式;(3)没有对应PDSCH的PDCCH,即SPS资源释放的PDCCH控制指示信道。针对上述3种方式,不同的UL-DL Config下会有不同的ACK/NACK信息反馈方式。

对于TDD HARQ-ACK multiplexing模式,当子帧n对应的M＞1(M为表1中定义的K集合中的元素数量)时,则要对M个下行子帧中同一个子帧中多个码字的ACK/NACK反馈信息进行逻辑与(又称空间合并),即每个下行子帧对应1 bit反馈信息。当UE被配置了一个服务小区时,UE将使用PUCCH(物理上行控制信道)format 1b[7]选择信道传输HARQ-ACK。当子帧n对应的M=1时,将不进行同一个下行子帧中多个码字反馈信息的逻辑与操作,直接使用PUCCH format 1a或format 1b传输1 bit或2 bit的HARQ-ACK信息。

表1 TDD下行相关的K:{k0,k1,…,kM-1}索引

3 基于UE空口质量的反馈结果判决算法

3.1 二义性反馈结果的现有处理方案

表2 ACK/NACK传输复用表(M=4)

把上述二义性的反馈值分为2类:第①类,UE空口质量比较好的反馈结果,①_1和①_2这2种反馈结果是等效的,两者的选择具有一定的随意性采用试探发送;第②类,UE空口质量很差时的反馈结果。

目前的商用设备实现算法是不考虑UE当前的空口质量,直接取最差的反馈结果,即第②类。由于这种方案不综合考虑UE在空口的质量,采用最简单的方式,按照最差的情况进行处理,增加数据被误判和重传的次数,浪费了空口资源。如果基于UE在空口的质量进行判决,可以提高判断的准确性,减少空口资源的浪费。

3.2 基于UE空口质量的判决算法

本文提出一种基于监控本小区用户的上行反馈空口状态进行反馈结果的判决的算法,即在LTE中一种基于UE空口质量的ACK_NACK Multiplexing反馈结果判决算法。在LTE的调度系统中,eNB根据每个UE上报的CQI(信道质量指示)/PMI/RI等表征UE空口质量的参数,且由于当前TTI反馈的CQI参数与具有ACK回传的CQI反馈参数间具有高度的相关性[8],并结合eNB监控的UE数据发送和接收的BLER对上报的CQI参数进行修正,将经过处理后的CQI反馈参数输出至分组调度器。最后,由分组调度器判决当前为哪个待调度UE提供服务。这已经充分证明了eNB通过修正得到的UE空口的质量是可靠的。本文算法基于eNB通过上述方式得到UE长期的空口质量统计值,进行HARQ反馈值的判决。

设置如下参数:

BLER_High_Threshold:判断UE空口质量的误块率高门限,当用户的误块率高于该门限时,UE的空口质量很差。

BLER_Low_Threshold:判断UE空口质量的误块率低门限,当用户的误块率低于该门限时,UE的空口质量很好。

Eff_High_Threshold:频谱效率的高门限,高于该值,认为用户的空口质量很好。

Eff_Low_Threshold:频谱效率的低门限,低于该值,认为用户的空口质量很差。

Mcs_eff(i):在当前第i个调度间隔内经过CQI修正算法修正后的输出频谱效率。

Mcs_BLER(i):在当前第i个调度间隔内UE误块率的统计值。

算法步骤如下:

(1)确认UE的空口质量:Mcs_BLER(i)＜BLER_Low_Threshold,且Mcs_eff(i)＞Eff_High_Threshold,则UE的空口质量较好;如果Mcs_BLER(i)＞BLER_High_Threshold并且Mcs_eff(i)＜Eff_Low_Threshold,则UE的空口质量较差;其他情况为用户空口质量一般。

(2)根据用户的空口质量进行HARQ反馈的判决:如果用户的空口质量很好,则取第①类结果;如果用户的空口质量很差,则取第②类结果;如果用户的空口质量一般,则取第②类结果;判决流程如图1所示。

图1 算法总体流程

(3)对第①类结果的判决:因为第①类结果存在2种结果的二义性,并且这2种二义性结果的选取是等效的,eNB采用随机选择方式。由于前后2次数据发送结果的相关性不仅是由UE的信道快衰决定的,还需要考虑来自邻区的干扰,而邻区的干扰是快速变化且不可预测的[9],同时还要考虑每次调度的频域位置,因为不同频域位置的快衰落情况也是会有很大差别的,所以首次重传时随机选择①_1和①_2。如果UE下次反馈的结果不存在二义性,则本次预判决成功;如果eNB选择①_1的结果后,UE反馈的结果仍然具有二义性,则eNB选择①_2的结果作为本次的反馈结果如果UE下次反馈的结果不存在二义性,则本次预判决成功。如果UE仍然反馈的结果具有二义性,则eNB选择第②类进行全部的重传。eNB选择①_1和①_2的流程相同。以随机选①_1的判决为例,判决流程如图2所示。

图2 第①类结果的判决流程

由文献[8]可知,组合测试修正后的CQI表达式为:

其中,+1为对当前TTI反馈的CQI参数的最终修正值;pi(n+1)为第i种单项预测方法在组合预测中的加权平均系数,i=1或2,为第i种单项预测方法在第(n+1)时刻的预测值,i=1或2。其中,CQI的参数值单项预测1是采用指数平滑预测模型[10],单项预测2的关系表达式[11]为:

其中,2(n+1)为二次移动平均预测值;2(n+1)为一次移动平均值,即,{xi,i=1,2,…,n}为当前TTI之前实际接收到的具有连续ACK回传的n个CQI参数值;为二次移动平均值,即为当前TTI之前实际接收到的具有连续ACK回传的n个CQI参数值所分别对应的n个二次移动平均预测值。

4 仿真结果与分析

TD-LTE系统的仿真参数设置如表3所示。

表3 TD-LTE系统级仿真参数

4.1 系统误块率

在实际的商用设备测试中,测试20 000次并进行次数统计,反馈结果中①_1,①_2,②和全都是ACK这4种情况分别出现的次数比例约为1∶1∶1∶1,则依据概率论中的平均理论可以得到,①_1,①_2,②和反馈全都是ACK这4种情况概率相等,且均为0.25。按目前的方案把①_1和①_2都判为第②类,所以误块率为(0.25+0.25+0.25)×0.5= 0.375。而本文反馈算法的误块率则为 0.25× 0.25+0.25×0.25+0.25×0.5=0.25。因此,本文算法可使系统的误块率由37.5%降低到25%。即使4种情况不是等概率出现,该算法仍然有效。因为算法本身具有闭环控制功能可以进行相应的修正调整。由系统仿真曲线(如图3所示)也可以看出系统误块率有一定程度的下降。

图3 误块率变化对比

4.2 系统吞吐量

系统吞吐量表达式为:

其中,Ri(t)为第i个用户的平均吞吐量[12]。

如表4所示,通过设置不同误块率与频谱效率的高低门限值得出某时间段内相应的系统吞吐量,进而找到设置需要的误码率和频谱效率的最佳高低门限。

表4 BLER与Eff相关值对应曲线

在这个过程中,为了减少误判,误块率的门限和频谱效率的门限应该比较严格,比如一般认为用户的误块率在10%以内是可以接受的,这里的误块率低门限应该设置为1%附近,通过这种严格的判断门限,确保判断出来的用户质量保守一些。该算法不考虑DTX。

如图4为不同情况下系统吞吐量的对比。在图4中,Case_0对应的是未进行CQI修正之前吞吐量的走向;Case_1对应的曲线是CQI进行修正但没有对HARQ反馈结果进行判决的情况下吞吐量的统计值。由图可知,进行HARQ反馈结果判决算法,系统吞吐量有一定程度的提高。且在BLER的高低门限分别为10%,1%,Eff的高低门限分别为0.8,0.3时,系统吞吐量最佳。

图4 不同情况下系统吞吐量的对比

5 结束语

在TD-LTE系统中,当用户使用HARQ ACK/ NACK Multiplexing模式进行反馈,且一个上行子帧对应4个下行子帧时,反馈结果存在二义性。因此,本文提出一种优化HARQ ACK/NACK Multiplexing反馈方案的判决算法。该算法相对于现有技术,其主要优点表现在减小了数据误判的次数,提高了系统资源的利用率;基于UE空口质量进行判决,提高了判断的可靠性;采用保守的判决门限确保结果准确性,降低了误判的概率;实现简单且具有良好的兼容性。考虑到本文仅针对M=4情况下的分析,其通用性还需进一步验证。因此,以后研究的重点是如何高效验证该算法的通用性。

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编辑 任吉慧

Research on ACK Multiplexing Feedback Algorithm in TD-LTE System

SUN Ling-zhi,WEI Huai
(School of Electronic and Information Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

When the users adopt the HARQ ACK/NACK Multiplexing model feedback in TD-LTE,the PUCCH channel carries feedback results,which sometimes are ambiguous.So evolved Node B(eNB)cannot obtain the exact feedback results.Therefore,this paper puts forward a method called ACK/NACK multiplexing feedback results judgment algorithm based on User Equipment(UE)air interface quality,which judges the ambiguous feedback results to be more accurate.In the scheduling system,UE reports CQI/PMI/RI parameters as characterizations of UE air quality to eNB.And eNB amends reported CQI parameters,based on the parameters of each UE and the

UE Block Error Rate(BLER),which are output to the packet scheduler to decide which UE to be scheduled in next scheduling period. And through the corresponding platform simulations it proves that the algorithm can decrease BLER and increase the system throughput.

Long Term Evolution(LTE);hybrid automatic repeat request;feedback algorithm;Channel Quality Indicator(CQI);air interface quality;Block Error Rate(BLER)

1000-3428(2014)10-0104-05

A

TN929.5

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.10.020

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2012JBM001)。

孙灵芝(1987-),女,硕士研究生,主研方向:无线通信,光通信;魏 淮,副教授、博士研究生。

2013-10-06

2013-12-20E-mail:slz916@163.com

中文引用格式:孙灵芝,魏 淮.TD-LTE系统中ACK复用反馈算法研究[J].计算机工程,2014,40(10):104-108.

英文引用格式:Sun Lingzhi,Wei Huai.Research on ACK Multiplexing Feedback Algorithm in TD-LTE System[J]. Computer Engineering,2014,40(10):104-108.