簡述一下在無線通信系統中常用的HARQ機制

雖然ARQ（混合自動請求）錯誤控制機制簡單，并提供了高傳輸可靠性，但隨著信道錯誤率的增加，ARQ方案的吞吐量會迅速下降，而且由于重傳，延遲可能會過高，對于某些延遲敏感的應用程序來說是不可容忍的。另一方面，使用前向糾錯(FEC)的系統可以保持恒定的吞吐量，而不受信道誤碼率的影響。然而，FEC方案也存在一些缺陷。FEC很難實現高可靠性，需要使用長而強大的糾錯碼，增加了實現的復雜性。

只要將兩種誤差控制方案適當地結合起來，就可以克服ARQ和FEC的缺點。為了提高分組傳輸的吞吐量和降低時延，將ARQ錯誤控制機制與FEC編碼相結合，設計了混合ARQ (HARQ)方案。HARQ系統由一個包含在ARQ系統中的FEC子系統組成。該方法通過對頻繁出現的錯誤進行修正，從而減少了平均重傳次數。然而，當檢測到較低頻率的錯誤時，接收方請求重傳，其中每次重傳都攜帶相同或一些冗余信息，以幫助數據包檢測。HARQ使用FEC來糾正接收端部分錯誤，并依靠錯誤檢測來檢測剩余的錯誤。大多數實用的HARQ方案使用CRC碼進行錯誤檢測，并使用某種形式的FEC來糾正傳輸錯誤，例如信道編解碼常用的Turbo碼或者LDPC碼。

根據后續重傳的內容，HARQ方案通常分為兩種：

軟合并HARQ:在這種HARQ方案中，每次重傳都傳輸相同的數據包。采用軟合并可提高可靠性。在傳輸之前，數據塊和CRC碼一起使用FEC編碼器進行編碼。如果接收方無法正確解碼數據塊，則請求重新傳輸。當接收到重傳的編碼塊時，將其與先前接收到的對應于相同信息位的塊合并(例如使用最大比合并方法)并傳輸給解碼器。由于每次重傳都是原始傳輸的相同副本，因此每次重傳接收到的Eb/N0，即每信息位的能量除以噪聲譜功率密度，每次重傳都會增加，提高了正確解碼的可能性。在軟合并HARQ中，被編碼bit的冗余版本在每次傳輸中都不會改變。因此，打孔模式保持不變。接收端使用當前碼塊和之前所有的HARQ傳輸來解碼信息位。這個過程將會繼續，直到信息位被正確解碼并通過CRC測試或達到HARQ重傳的最大數量。當達到最大重傳次數時，MAC子層重置該進程，繼續重新傳輸相同的碼塊。當一個進程在等待應答時，許多用于HARQ的并行通道可以幫助提高吞吐量；另一個進程可以利用信道傳輸子數據包。圖1說明了軟合并HARQ (HARQ- cc)方案的操作，以及相同編碼位的重傳如何在保持有效碼率不變的情況下改變每比特的合并能量Eb。

圖1 軟合并HARQ

增量冗余HARQ：在這種HARQ方案中，在隨后的重傳中發送額外的奇偶校驗位。因此，每次重傳后，接收端都能獲得更豐富的奇偶校驗位集，提高了可靠解碼的概率。然而，在增量冗余方案中，信息不能僅從奇偶校驗位恢復。在增量冗余HARQ (HARQ-IR)方案中，當請求重傳時，生成多個冗余度遞增的編碼比特，并傳輸給接收端，以協助接收端對信息比特進行解碼。接收端將每一次重傳與先前接收到的屬于同一數據包的軟比特相結合。由于每一次重傳都攜帶額外的奇偶校驗位，因此每一次重傳都會降低有效碼率，如圖2所示。紅外是基于低速率編碼和不同的冗余版本是通過戳穿通道編碼器輸出。在圖2所示的示例中，基本碼率為R，在每次重傳中傳輸三分之一的編碼位。由于合并，除了每次重發都會增加接收的信噪比Eb/N0外，每次重發還會獲得一個編碼增益。注意，軟合并是HARQ-IR的一個特殊情況，其中重傳是原始編碼位的相同副本。

圖2 增量冗余HARQ

3GPP NR下行鏈路和上行鏈路采用異步HARQ-IR方案。gNB通過DCI動態或通過RRC配置消息半靜態向UE（終端）提供HARQ-ACK反饋定時。gNB使用DCI上的上行鏈路授權來調度每個上行鏈路的傳輸和重傳。在LTE中，上行HARQ的基本操作方式是同步重傳，這可以減少重傳的調度開銷。在這種情況下，HARQ ACK/NACK作為一個簡短而有效的消息在PHICH上進行。NR支持異步HARQ。為了支持異步HARQ，對于gNB來說，一個簡單的解決方案是通過PDCCH發送一個顯式的上行授權，以用于重傳，就像在LTE中傳輸一樣。在某種意義上，顯式授權可能意味著隱式ACK/ NACK。例如，重傳的顯式調度可能意味著初始傳輸的NACK。每個cell上下行的HARQ進程數不能超過16個。每個cell在終端上通過RRC參數nrofHARQ-processesForPDSCH單獨配置HARQ進程數。在沒有任何配置的情況下，終端可以采用默認的8個HARQ進程。

在通信系統設計過程中，需要考慮為了支持HARQ功能，需要使用較大的buffer空間，例如采用FPGA進行BBU設計，外掛豐富的DDR資源。


審核編輯：劉清