LTE-A终端HARQ机制的实现与测试*

［张涵嫣 方一鸣］

LTE-A终端HARQ机制的实现与测试*

［张涵嫣 方一鸣］

为了尽可能地保障数据传输的可靠性，LTE-A系统采用RLC层ARQ机制与MAC层HARQ机制进行双重保障。相比ARQ的简单重传，HARQ的混合自动重传以及软合并机制对可靠性的保障更优。文章从LTE-A协议出发对终端HARQ过程进行深入分析，并结合测试用例设计了RRM一致性测试平台与测试方案，在设计的平台下进行测试，最后对测试结果进行分析，证明本文设计的终端HARQ机制的正确与稳定，满足协议的要求。

LTE-A MAC HARQ RRM一致性测试

张涵嫣

重庆邮电大学通信与信息工程学院，硕士研究生，主要研究方向：LTE高层协议栈。

方一鸣

重庆邮电大学通信与信息工程学院，硕士研究生，研究方向：LTE协议栈的开发与测试。

1　引言

运营商从2009年开始投入LTE商用网络，LTE用户飞速增长，现在已经超越10亿人。而LTE-A是LTE的一种增强版本，LTE-A使用载波聚合（Carrier Aggregation，CA）技术提高系统带宽和增加系统容量，使用高阶多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）增加用户吞吐量，使用无线中继技术减小信号传输距离，从而有效提高通信质量和边缘用户性能［1］。同时在复杂的无线通信中，时变性和信号的多普勒频移等都可能导致信号失真［2］，为了能够尽可能正确地传输数据，需要重传没有被正确解码的数据。LTE-A系统有两级重传机制：MAC （Medium Access Control，媒体接入控制）层HARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest，混合自动重传请求）技术和RLC层的ARQ（Automatic Repeat Request，自动重传请求机制）。所以HARQ机制是保障无线通信可靠性的至关重要的一步。

2　上行HARQ基本过程

LTE-A系统上行HARQ在时域上采用同步的HARQ［3］，数据重传和HARQ反馈都在规定子帧进行。在频域上一方面为了节省上行资源，采用非自适应传输，数据重传使用上次传输的资源和调制解调方式，另一方面，为了保持资源调度的灵活性，也使用自适应重传避免信息发生碰撞。由终端发起的上行传输如图1。

图1　上行HARQ传输

上行HARQ过程通过上行资源授权、下行ACK/ NACK、新数据指示（New Data Indication，NDI）和上行数据重传来完成的。下面详细介绍上行HARQ传输过程。

①上行数据传输必须有上行资源，网络端发送上行链路授权给终端分配上行资源。上行授权的发送有两种方式，一种是当网络端接收到上行随机接入请求时，在消息2中会分配上行资源给终端用来发送Msg3；另一种是在连接状态下，终端有数据要发送而没有资源时，发送调度请求给网络端来请求上行资源，网络端接收到调度请求或者缓存状态报告之后，根据终端需要发送上行授权UL-Grant。终端接收到上行授权以后标识应该被处理的HARQ进程，并将上行授权、HARQ反馈、调制解调方式等保存在该HARQ进程中，然后在分配的资源上发送上行数据。如果是非自适应传输，终端不需要上行授权直接在上次传输的资源上发送重传数据。

图2为上行HARQ过程数据发送流程。

②处理中的HARQ进程接收到上行授权和相关的HARQ参数信息之后，会在发送数据之前判断是新传还是重传数据，如果上行授权不是用TC_RNTI加扰，并且NDI相对于上次有翻转，或者进程缓存是空的，或者是随机接入响应中的上行授权，则终端发送新数据。否则，终端非自适应重传数据。

③网络端收到终端数据后，物理层通过循环冗余校验码（Cyclic Redundancy Code，CRC）对接收数据解码，如果解码正确，向终端反馈ACK，同时翻转新数据传输指示（New Data Indication，NDI）；如果解码失败，向终端反馈NACK。数据发送和反馈都有固定的时序关系，网络端在规定的子帧上向终端发送HARQ反馈。

图2　上行HARQ流程

④终端接收到HARQ反馈和下行控制信息0（Downlink Control Information0，DCI0）之后，根据以下原则判断是重传数据还是新数据：（1） 如果终端接收到下行控制信息DCI0，根据DCI0中字段NDI是否翻转判断是重传还是新数据，不考虑HARQ反馈；（2） 终端没有接收到DCI0指示，根据HARQ反馈来判断重传还是新数据，如果收到NACK反馈，终端在规定时频资源上发送非自适应重传数据，如果收到ACK，为了防止解码失败，终端不清空缓存，也不进行重传或者新传而是等待网络端进一步指示。上行HARQ的处理方式如表1。

表1　上行HARQ处理

⑤上行HARQ时序保证，HARQ同步指在一个HARQ进程中初传和重传之间的时间关系。终端发送数据之后，网络端在规定的子帧上反馈给终端是否解码成功；终端收到NACK反馈或者NDI指示之后，在规定子帧进行非自适应重传或自适应重传。研究HARQ的时序关系，有利于代码实现的正确性。

网络端发送上行授权或者HARQ反馈后，终端在规定子帧进行HARQ数据传输，正常模式下，即非TTI绑定，其时序关系如表2。

表2　TDD配置0-6下的k值

如表2，在TDD1-6情况下，如果UE在子帧n接收到PDCCH中的DCI0指示或者接收到NACK反馈，就在子帧n+k发送重传数据。k值如表2，例如在TDD1模式下，UE如果在子帧1收到HARQ反馈，由表可知k=6，UE在子帧7发送重传。在TDD0配置下，上行子帧数目大于下行子帧，因此一个下行子帧可能会携带2个上行子帧的反馈信息，这种功能用DCI0中字段ULindex实现，用IPHICH区分不同子帧。TDD0配置下上行子帧4或子帧9的PUSCH数据对应的IPHICH=1，其他情况IPHICH=0。如果接收到的ULindex最高有效位（Most Significant Bit，MSB）是1，或者在0子帧或5子帧接收到的IPHICH=0，即不是对于子帧4或子帧9的反馈，UE在n+k 子帧发送对应的HARQ数据；如果最低有效位（Physical Uplink Shared Channel，LSB）是1，或者在0子帧或5子帧接收到的IPHICH=1，UE在n+7子帧发送PUSCH数据；如果MSB和LSB全部为1，则UE在n+7和n+k 子帧全部都发送上行数据。

UE发送上行数据以后，网络端在规定子帧发送HARQ反馈，时序关系如表3。如果网络端在子帧k收到上行数据，则在k+n 子帧进行反馈。

3　功能设计与测试平台

3.1 HARQ功能设计

在实际项目中，终端对于下行HARQ的接收主要由物理层处理，MAC层对失败次数叠加，如果重传达到最大次数，MAC层通知物理层丢弃数据。对于上行传输，

作为发送端，终端MAC层的处理相对比较复杂，下面详细叙述上行HARQ发送过程的函数实现。

表3　kPHICHfor TDD

具体的函数实现流程如图3。

图3　上行HARQ发送函数实现

（1） mac05_12MAC_DATA_REQ（T-HeaderInfo *header）

在RLC层发送数据给MAC层之前，使用该函数向MAC层通知逻辑信道号和数据大小；MAC层收到之后调用函数mac05_13createMAC_DATA_IND（），为RLC层逻辑信道分配资源，收到资源以后RLC层将数据分段级联成RLC SDU，再次通过函数mac05_12MAC_ DATA_REQ（）将数据发送给MAC层。由此可知，函数mac05_12MAC_DATA_REQ（）实现了两种功能。

（2） u16mac05_13createMAC_DATA_IND（）

MAC层根据网络端指示的资源大小来确定RLC层在下一个TTI可发送的数据块大小，并对RLC层逻辑信道进行资源分配，通过原语MAC_DATA_IND将分配结果通知给RLC层。

（3） u16 mac20_13assemblelyPHY_UL_TASK_ REQ（u16 queId，u16 rachcause， u16 lochttype）

MAC层发送给物理层的上行数据都通过本函数实现，主要包括随机接入状态下随机接入前导和消息3的组装发送以及连接状态下用户数据发送。消息类型通过函数的三个参数来区分，参数queId表示HARQ进程号，如果是随机接入前导的发送此参数为无效值，rachcause表示随机接入是否成功，lochttype参数表示逻辑信道ID，逻辑信道ID不同，实现的功能不同，主要用于区分消息类型。

（4） u16 mac20_30assemblelyPHY_DL_RECE_ IND（T_HeaderInfo *header）

物理层通过该函数将接收到的上行数据HARQ反馈通知给MAC层，判断是新数据传输或者重传数据。如果是新数据则分配新数据传输子帧号New_send_ subframe［k］.subframe和New_send_subframe［k］.sfn；如果是重传数据，则使用上一次传输的时域资源。之后通过发送函数在分配子帧上进行数据传输。

（5） u16 mac20_13RetransPHY_UL_TASK_ REQ（u16 queId）

使用该函数实现上行HARQ数据重传。实现步骤如下：

① 申请内存，空间大小为H_T_PHY_UL_TASK_REQ。

② 将重传数据打包进原语中，并使用上一次传输的时域资源。

③ 发送原语至物理层。

3.2 测试平台

本文使用无线资源管理（RadioResourceManagement，RRM）一致性测试来验证功能实现的正确性。RRM一致性测试方法是模拟实际通信环境来测试终端的行为是否符合协议中的规定［4］。RRM一致性测试主要包括小区选择、小区重选、传输定时提前等。

终端和网络端是进行相互通信的，终端要按要求完成测试例，需要通过网络端的控制和调度，本文通过在一致性测试中测试例完成情况来验证终端的MAC层功能。

在测试与测试控制第三版（Testing and Test Control Notation version 3，TTCN-3）中编写测试例，TTCN-3中规定了自己的语法结构［5］，这使得能够更加便捷地编写测试例，同时测试例也会更加规范，除此之外，TTCN-3还支持使用原语通信，也可以发送/接收信令，这增加了测试的兼容性和可移植性。

本文采用的RRM一致性测试平台框架如图4［6］，整个测试平台包括PC机，主控和UE。PC机中安装TTCN-3测试软件，通过网口和主控进行UDP通信，TTCN-3信息经过主控处理后进入LTE-A的系统模拟器［7］，在模拟器中实现了LTE-A网络中的各层功能，主控通过无线接口和UE进行通信。

图4　LTE-A RRM一致性测试平台框架

如图4，在TTCN-3测试软件架构中的各组件功能如下。

测试管理模块：实现交互接口并管理测试例运行情况；

测试日志模块：记录测试例运行过程中日志［8］；

编解码模块：对数据进行编码和解码处理；

TE：执行TTCN-3测试套件并解释；

系统适配器：负责测试系统与TE间的交互以及调用外部函数；

平台适配器：负责外部函数的实现以及为TE提供计时器管理。

TTCN-3信息发送到主控中，根据指示，主控会改变小区参数或者直接将消息传送给系统模拟器，消息发送之后主控会反馈给TTCN-3证实消息。系统模拟器实现了协议栈和物理层的功能，经过处理之后，系统模拟器的消息通过主控传输给PC机。系统模拟器中RF是终端和系统模拟器通信使用的射频接口，发送由PHY处理过的比特信息串，协议栈之间用原语通信，主要负责数据转发和处理［9］。

4　测试结果与分析

终端进入3A态以后，网络端处于RRC层连接状态。在连接状态下，UE和网络端可以进行用户数据交互，在交互过程中使用Arm Tracer终端追踪软件跟踪DHI原语交互信息。DHI接口显示了物理层和MAC层之间的信息交互，能够清晰看出数据传输和HARQ反馈的信息。通过数据交互来验证HARQ功能。

图5　HARQ数据初次传输

如图5，进入到RRC_CONNECTED状态后，图4中选中原语表示上行数据发送，左边参数配置中可以看出发送数据的HARQ进程号是2，发送之后等待反馈。进程2的HARQ反馈如图6。

图6　NACK反馈

从图6可以看出，终端收到进程号为2的HARQ反馈，从字段ackOrNack中数据算出反馈的是ACK还是NACK，两个16进制数据按位或之后可以得出是0，0代表HARQ反馈了NACK，表示之前发送数据解码失败，下一步进行数据重传。

图7　HARQ数据重传

如图7，收到NACK反馈之后，重新组装进程2数据进行重传数据发送。

如图8，根据字段ackOrNack可以算出接收ACK反馈，表示接收端解码成功，进程号为2的HARQ进程结束，清空缓存。

MAC层进入连接状态后消息传输和HARQ反馈一直进行，通过消息内部的参数变化，可以看出在上行HARQ过程中，发送和反馈都能正确完成。从而验证了HARQ流程的正确性。

5　 结束语

首先介绍了上行HARQ的原理及过程，接着根据RRM一致性测试的要求，针对LTE-A终端MAC层HARQ机制设计了测试例以及测试平台，最后在RRM一致性测试平台上使用TTCN-3核心语言开发测试例，对测试例进行了实现，验证了设计的正确性以及RRM一致性。

1Dahlman E， Parkvall S， Skold J， et al. 4G - LTE/LTE-Advanced for mobile broadband［M］. 南京: 东南大学出版社，2012: 88-101

2彭德义， 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， 7（4）: 263-266

33GPP TS 36.321 V11.2.0. Evolved universal terrestrial radio access （E-UTRA） medium access control （MAC） protocol specification［S］.France: 3GPP Organizational Partners，2013-03

4施运涛. TD-LTE RRM终端一致性系统随机接入测试例的实现［D］. 北京: 北京邮电大学， 2012

53GPP. TS 36.521-3. V10.1.0. Evolved universal terrestrial radio access （E-UTRA）； user equipment （UE） conformance specification； radio transmission and reception； Part 3: Radio Resource Management （RRM） conformance testing［S］. France: 3GPP Organizational Partners， 2012，（6）: 249-297

6王晰， 杨骅. 基于TTCN-3的LTE终端一致性测试集设计概述［J］. 移动通信， 2013， 37（24）: 56-62

7Dong Hongcheng， Liu Limin， Li Xiaowen. The application of TTCN-3 in the conformance testing of TD-LTE system［C］// BCGIN 2012. Shanghai: IEEE Computer Society Press，2012: 750-753

8Deiss T， Nyberg A.J， Schulz S，et al. Industrial deployment of the TTCN-3 testing technology［J］. Software， 2006， 23（4）: 48-54

9张巨萍. TTworkbench在DNS协议测试中的应用研究［J］. 内蒙古科技与经济， 2008， （13）: 54-55

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.07.009

国家科技重大专项（2012ZX03001024）资助课题；国家科技重大专项（2012ZX03001-009-004）资助课题；国家科技重大专项（2011ZX03001-003-01）资助课题。

2016-06-28）