《電子技術應用》
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LTE-A系統(tǒng)中HARQ合并算法的分析與研究
2014年電子技術應用第9期
李小文，王國仲，王海龍
重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶400065
摘要： LTE-A標準的目標之一就是為用戶提供更高的數據速率，這就對移動通信的可靠性提出了更高的要求，因此引入混合自動重傳請求技術（HARQ）就顯得很有必要。HARQ技術能夠有效降低傳輸的誤碼率，提高系統(tǒng)的吞吐性能，提供實時性服務；而HARQ合并算法又對HARQ系統(tǒng)的性能有極大的影響。主要對HARQ合并算法進行仿真分析研究，找出一種性能增益最佳的合并算法。
中圖分類號： TN407
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)09-0088-04
Analysis and research on HARQ combination algorithm in LTE-A system
LI Xiaowen，Wang Guozhong，Wang Hailong
College of Communication and Information Engineering，Chongqing University of Posts and Telecommunications (CQUPT)，Chongqing 400065，China
Abstract： One of the goals of LTE-A is to provide higher data rate for the user，this puts forward higher requirements on reliability of the mobile communication，therefore the introduction of hybrid automatic retransmission request(HARQ) technology is very necessary. HARQ technology can effectively reduce the error rate，improve the throughput performance of transmission system，provid real-time services；but there is a great effect of HARQ merging algorithm for the performance of the HARQ system. This paper mainly based on the HARQ merging algorithm research and simulation analysis，finds out the merge algorithm for the best performance gain.
Key words : LTE-A；HARQ merging algorithm；combined with IR；Chase merge

    作為LTE的演進技術，LTE-A在對LTE技術保持兼容的同時，性能上也會得到很大的提升。LTE-A技術的目標之一就是為用戶提供更高的數據速率，這就對移動通信的可靠性提出了更高的要求，因此引入HARQ技術就顯得很有必要。

    HARQ技術是在一個ARQ系統(tǒng)中引入一個FEC系統(tǒng)，當在FEC系統(tǒng)的糾錯范圍內時，則不需要使用ARQ系統(tǒng)，若FEC系統(tǒng)不能正常糾錯時，則需要通過ARQ系統(tǒng)的反饋信息請求發(fā)送端重新發(fā)送錯誤的數據信息[1]。合并算法是指接收端接收到數據后對接收數據所采用的處理方法，3GPP中規(guī)定了HARQ重傳合并技術有以下兩種：IR合并和Chase合并。本文將就合并方式進行仿真分析，找出適用于LTE-A下行鏈路的HARQ合并算法，為LTE-A基帶芯片的HARQ模塊設計提供一個最佳的實現方案。

1 HARQ合并算法描述

    LTE-A系統(tǒng)中HARQ合并模塊的完成是在去速率匹配之后，Turbo解碼之前（如圖1）。該模塊的目的是通過合并來提高傳輸數據的正確率[2]。對于發(fā)送為重復的情況，為提高譯碼性能，接收端還需要完成重復合并。

LTE-A系統(tǒng)中HARQ重傳合并技術有IR合并和Chase合并兩種。

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1.1 遞增冗余方案（IR）

    遞增冗余方案（IR）是以增加校驗位來響應重傳請求的一種方式。IR方案可以分為完全IR方案（如圖2）和部分IR方案（如圖3）。LTE-A系統(tǒng)中采用的是完全IR方案[4]，它沒有系統(tǒng)信息位，重傳的數據完全由增量冗余位構成，因此每次只能在接收重傳數據幀后先做合并，再通過增加信息冗余量來譯碼，方案本身并不具備譯碼能力。IR方案的原理如圖2、圖3所示。

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    IR方案每次重傳數據幀都會引入新的校驗信息位，接收端通過合并重傳數據幀方式，可以提高系統(tǒng)信息冗余量，降低系統(tǒng)誤碼率，提高系統(tǒng)吞吐量，以及改善系統(tǒng)的性能；但IR方案的調度、信令控制及上層控制結構設計比較復雜，實現難度大，對存儲器的要求也相對較高。

1.2 Chase合并

    在發(fā)送端，Chase合并算法充分利用了時間分集增益性能，每次都發(fā)送相同的編碼信息；而在接收端，通過對接收的多個相同重傳編碼信息進行信噪比(SNR)加權合并來獲得分集接收進行譯碼[5]。Chase合并的原理如圖4所示。

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    Chase合并實現方法有兩種[6]：等增益合并（EGC）和最大比合并（MRC）。

    由于Chase合并算法每次重傳的數據幀是一樣的，且采用加權合并方式譯碼，對存儲器的要求也不高，算法實現復雜度又相對比較低，容易實現，因此本論文主要是對Chase合并算法進行研究及仿真分析。

2 HARQ合并算法的仿真分析

    根據合并因子的不同可以分為以下兩類：

    (1)等增益合并算法(EGC)——合并因子固定為1；

    (2)最大比合并算法（MRC）——合并因子為SNR。

    根據對打孔位的處理方法的不同又分為兩種：

    (1)不考慮打孔的合并方法（Normal算法）——直接合并，不對合并數據進行判斷；

    (2)考慮打孔的合并算法（Punch-Pos算法）——判斷不為零才進行合并。

    這4種合并算法進行組合后共可以得到4種合并算法：不考慮打孔的等增益合并算法、考慮打孔的等增益合并算法、不考慮打孔的最大比合并算法、考慮打孔的最大比合并算法。設R(i)為第i次合并后的數據，S(i)表示第i次重傳接收到的數據，Nre表示重傳次數，1≤Nre<Nmax，Nmax是最大重傳次數，則4種合并算法的表達式可用以下幾個式子表示：

    (1)不考慮打孔的等增益合并：

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    下面將分別介紹4種合并方案的仿真結果。

2.1 仿真條件

    (1)天線配置：發(fā)送天線數為1，接收天線數為1，層數為1；碼字數為1；

    (2)總共仿真了100個無線幀；

    (3)Turbo譯碼最大迭代次數：8；

    (4)最大重傳次數：4；

    (5)信道加噪方式：接收端加噪。

2.2 不打孔和打孔合并算法性能比較

2.2.1 等增益合并下不打孔和打孔合并算法性能比較

    以下仿真了等增益合并時，在高斯白噪聲(AWGN)、EPA5和EVA70 3種信道配置下，分別仿真了不打孔和打孔兩種合并算法的性能差異。

    圖5中HARQ Normal Combine Nofading(AWGN/EPA5 /EVA70)表示接收端采用的是不考慮打孔的等增益合并算法，HARQ Punch-Pos Combine Nofading(AWGN/EPA5/EVA70)表示接收端采用的是考慮打孔的等增益合并算法。

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2.2.2 最大比合并下不打孔和打孔合并算法性能比較

    以下分別仿真了在高斯白噪(AWGN)、EPA5和EVA70 3種信道配置下，等增益不打孔和等增益打孔兩種合并算法的性能。

    圖6中HARQ MRC Normal Combine Nofading(AWGN/EPA5/EVA70)表示接收端采用的是不考慮打孔的最大比合并算法，HARQ MRC Punch-Pos Combine Nofading(AWGN/EPA5/EVA70)表示接收端采用的是考慮打孔的最大比合并算法。

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2.2.3 仿真結果分析

    由以上的仿真可以看出，不論是采用等增益合并還是最大比合并，在AWGN、EPA5、EVA70信道下時，不打孔合并算法與打孔合并算法相比都有一定的增益，和參考文獻[7]中的仿真結果相同。出現這樣的結果是因為采用打孔合并算法時，如果某次傳輸過程中某個位置上的數據被打孔去掉了，假設該位置上的數據在上次傳輸中沒有被打掉，默認這次傳輸過程中這個位置上的數據與上次傳輸的數據完全相同，經過人為的處理后進入譯碼的信息可能會有所丟失，所以性能也會有所損失。

2.3 等增益合并和最大比合并算法性能比較

2.3.1 采用不打孔合并算法時等增益合并和最大比合并性能比較

    以下分別仿真了在高斯白噪(AWGN)、EPA5和EVA70 3種信道配置下，等增益不打孔合并算法和最大比不打孔合并算法的性能。

    圖7中HARQ Normal Combine Nofading(AWGN/EPA5/EVA70)接收端采用的是不考慮打孔的等增益合并算法；HARQ MRC Normal Combine Nofading(AWGN/EPA5/EVA70)接收端采用的是不考慮打孔的最大比合并算法。

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2.3.2 采用打孔合并算法時等增益合并和最大比合并性能比較

    以下分別仿真了在高斯白噪(AWGN)、EPA5和EVA70 3種信道配置下，等增益打孔合并算法和最大比打孔合并算法的性能。

    圖8中HARQ Punch-Pos Combine Nofading(AWGN/EPA5/EVA70)接收端采用的是考慮打孔的等增益合并算法；HARQ MRC Punch-Pos Combine Nofading(AWGN/EPA5/EVA70)接收端采用的是考慮打孔的最大比合并算法。

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2.3.3 仿真結果分析

    從仿真結果圖7和圖8中可以看出，不論是采用不打孔還是打孔合并算法時,最大比合并相對于等增益合并幾乎是沒有性能增益。

2.4 推薦的合并算法方案

    鑒于以上的分析可知，不打孔算法相對于打孔而言有一定的性能增益，算法實現起來又比打孔簡單，所以推薦使用不打孔合并算法；至于采用最大比合并還是等增益合并算法，仿真結果顯示采用SNR作為最大比合并的合并算法相對于等增益合并沒有很明顯的性能增益，所以建議采用等增益合并算法，總結起來：接收端采用不考慮打孔的等增益合并算法的性能增益最佳。

    本文首先對HARQ合并算法進行描述，簡單了解了HARQ的兩種合并方式：IR合并和Chase合并；其次對HARQ的4種合并算法進行了仿真分析及研究，最后得出：在LTE-A下行鏈路系統(tǒng)中，不打孔等增益的合并算法的性能增益最優(yōu)。

參考文獻

[1] SAMRA H，Ding Zhi.A hybrid ARQ protocol using integrated channel equalization[J].IEEE Transactions on Communications，2005，53(12)：1996-2001.

[2] Yang Zhimin，Li Shiju.Hybrid ARQ scheme based on TCM and concatenated codes[C].WiCOM′08.4th International Conference，2008：1-5.

[3] 3GPP TS36.212，3rd Generation Partnership Project.Multiplexing and Channel coding[S].v10.3.0 2011，09.

[4] 3GPP R2-060840.Hybrid ARQ scheme in E-UTRA downlink[Z].NTT DoCoMo，2006.

[5] CHASE D.Code combining: A maximum likelihood decoding approach for combining an arbitrary number of noisy packets[J].IEEE Transactions on Communications，1985，33(5)：385-393.

[6] GARG D，ADACHI F.Rate compatible punctured Turbocoded hybrid ARQ for OFDM in a frequency selective fading channel[C].IEEE Vehicular Technology Conference，Florida，2003，IEEE VTC，2003：22-25.

[7] 劉琦.WCDMA HSUPA中關鍵技術的研究和實現[D].西安：西安電子科技大學，2008.

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