HARQ技术简介

•2021/6/7
•3
差错控制技术简介
差错控制编码的种类有很多，大体上分为2种： 检错码和纠错码。
检错码是在接收端根据监督关系进行检查，并发 现错误。纠错码是在接收端除发现错误外，还能进 行自动纠正错误。
常见的检错码：恒比码、奇偶校验码， CRC码。在纠错码中应用最广泛的是代数码， 它包括线性分组码、循环码、BCH码。
以上分析说明：HARQ和FEC更适 图3 ARQ 、FEC、type-I HARQ的吞吐量对比
应无线信道多径衰落的情况。在信道
状态较好的状态下，三者的吞吐量性
能差别不大。
•2021/6/7
•22
•2021/6/7
•23
特点：
第一类HARQ在接收端不进行任何合 并，每次收到的数据包直接译码。这 种方法信令开销小，解码简单。对传 错的数据帧只是单纯的丢弃，没能充 分利用其中的有用信息。
•2021/6/7
•13
HARQ定义及过程
第二类HARQ：
又称为完全增量冗余（IR）的重传机制。这种机制下，错误的数据 包不会被丢弃，而是在接收端先缓存起来，与重传的数据包进行合 并之后再进行解码。
相比第一类HARQ，实现第二类HARQ需要更多的存储器，结构 复杂，但对于吞吐量的改善明显。
•2021/6/7
•15
HARQ定义及过程
第三类HARQ： 是完全增量冗余重传机制(IR)的改进。在该机制中，每次的重传 是可以自行解码的，这一点与第二类HARQ不同。对于每次发送 的数据包采用互不删除方式，各个数据包既可以单独译码，也可 以合成一个具有更大冗余信息的编码包进行合并译码。
•2021/6/7
•9
差错控制技术简介
FEC（前向纠错）
前向纠错简称FEC(Forward Error Correction)，其原理是：发 送方将要发送的数据附加上一定的冗余纠错码一并发送，接收 方则根据纠错码对数据进行差错检测，如发现差错，由接收方 进行纠正。
特点：能进行简单的纠错，但是使用纠错码（纠错码编码效率 低且设备复杂）、单向信道、发送方无需设置缓冲器。
自适应是指每一次的重传中，发送端可以根据实际的信道状态信息改 变部分的传输参数。因此，在每次传输时包含传输参数的控制信令信息 要一并发送。
在非自适应系统中，这些传输参数相对于接收端而言都是预先已知的， 所以控制信令信息在非自适应系统中是不用传输的。
•2021/6/7
•18
LTE 中的HARQ
HARQ是3G LTE中的关键技术之一。LTE中采用的HARQ是基于N个进程 并行的停等式ARQ，即发送端在信道上并行的运行N套停等协议，利用 不同信道间的间隙来交错的传递数据和信令，从而提高信道利用率。
主要内容
1、差错控制技术简介 2、HARQ技术原理介绍 3、HARQ技术仿真分析
•2021/6/7
•1
在数据传输过程中，信道存在噪声，信道传输特 性不理想，以及无线通信中的多径衰落等因素都会导 致接收到的数据产生差错。在通信系统中，当实际信 道的误码率达不到用户要求时，通常采用差错控制编 码（信道编码）的方式来降低系统的误码率。
•19
HARQ技术仿真分析
对type-I 型HARQ单独仿真：
仿真设置：WGN信道，选择 性重传协议，信道编码为码 率为4/7的汉明码，采用 BPSK调制。
分析：随着信噪比增大，误 码率快速下降。
图1 type-I HARQ性能
•2021/6/7
•20
由图2可以看出ARQ、FEC、 HARQ误码率曲线随信噪比增大都呈 下降趋势，后2种下降更快，且曲线 趋于吻合。
信源
检错编码和 缓冲存储
重发机制
双 向 信 道
检错译码
输出缓冲器
收
信
正确时输出
者
指令产生器
错误时删除
ARQ方式的系统结构图
优点：实现起来比较简单，信令开销小，收端的缓存容量低。
缺点： 等待确认信号的过程中，发端不发送数据，导致信道利用率不高，系统
•2021/6/7的吞吐量较低。
•6
差错控制技术简介
•2021/6/7
•16
分类2：
HARQ定义及过程
按照重传发生的时刻来区分，可以分为同步HARQ和异步HARQ两类。
同步HARQ是指一个HARQ进程的传输发生在固定的时刻，由于接收
端预先已知传输的发生时刻，因而不需要额外的信令开销来表示HARQ 进程的序号。此时，HARQ进程的序号可以从子帧号获得。
LTE下行链路：
LTE下行链路采用的是异步自适应HARQ技术。因为 异步HARQ更能充分利用信道的状态信息，从而提高 系统的吞吐量。另一方面，异步HARQ可以避免重传 时资源分配发生冲突从而造成性能损失。
LTE上行链路：
•2021/6/7
LTE在上行链路中采用同步非自适应HARQ技术。因为同步 HARQ所需的信令开销更小。而且上行链路更复杂，来自其他小 区用户的干扰是不确定的，因此基站无法准确估测出各个用户的 实际信干比，而自适应技术基于对信道条件的精确估计，所以上 行链路采用的是非自适应HARQ技术。
总体•2上02看1/6，/7 HARQ I和FEC误码率性能好于ARQ。
•21
由图3可以看出ARQ、FEC、 HARQ3种方案吞吐量都呈上 升趋势。
其中，HARQ和FEC吞吐 量在信噪比5dB-8dB之间快 速上升达到最大值，且曲线 基本重合。
在此期间，ARQ的吞吐量 很低，基本不变化，从10dB 以后才开始上升。
•2021/6/7
•7
差错控制技术简介
退后N步ARQ协议：
吞吐量是指对网络、设备、接口、虚电路 或其它设施，单位时间内成功地传送数 据的数量（以比特、字节、分组等测量）。
优点： 因发端连续发送数据提高了系统令开销 2.由于收端仅按序接收数据，那么在重传时 又必须把原来已正确传送过的数据进行重传， 使信道利用率降低。
分类1： 根据HARQ中前向纠错码在接收端的合并方式，可分为三类： type-I HARQ 、type-II HARQ、type-III HARQ。
•2021/6/7
•12
HARQ定义及过程
第一类HARQ：
又称为传统HARQ每次发送的数据包由信息比特+CRC（循 环冗余校验），并用FEC编码。在接收端先进行FEC纠错， 然后用CRC校验数据的准确性。如果出错，则丢掉该数据 包，否则发送NACK信号，接收端重发原来的编码数据包。
•2021/6/7
•2
差错控制技术简介
差错控制技术的核心是差错控制编码。
• 差错控制编码思想：
• 它是将良好结构的冗余信息，人为的注入到数字信号 序列中去，使编码后的数字序列含有额外的冗余码元。 这些码元使原来不相关的数字序列变为相关的序列， 并构成码字。在接收端根据某种相关规则，通过信道
译码来校验识别，进而纠正差错。
•2021/6/7
•4
差错控制技术简介
常见的差错控制方式：
1. ARQ（自动请求重传） 2.FEC(前向纠错） 3.HARQ
停等式ARQ 退后N步ARQ 选择性重传ARQ
•2021/6/7
•5
差错控制技术简介
停等ARQ协议：发送端每发送一个数据包就暂时停下来，等待接收端的确认信息。接收
正确返回ACK信号，发端发送下一个数据包；若有错误则返回不确认 （NACK）信号，发端重发该数据包。
FEC缺点：1.纠错码编码效率低 2.纠错设备复杂
•2021/6/7
•11
HARQ定义及过程
在无线通信蓬勃发展的今天，人们对于信息传输的要求越来越高，其中，高 速和准确是用户对数据传输的2个基本要求。近几年，为了解决无线通信可靠 数据传输的问题，人们提出了HARQ技术。
定义： HARQ(混合自动重传请求）是一种将ARQ和FEC结合在一起的物理层技 术。FEC提供最大可能的错误纠正，而ARQ可以弥补FEC不能纠正的错误 从而达到较低的误码率。
•2021/6/7
•10
差错控制技术简介
ARQ与FEC技术对比：
ARQ优点：1.使用的检错码与信道差错统计特性无关，具有自适 应性。2. ARQ的检错译码器比FEC简单。
ARQ缺点：1.需要双向信道 2.干扰很大时，整个系统可能处于重 发循环中，使通信效率降低。
FEC优点：1.能进行简单的纠错 2.发送方无需设置缓冲器 3.不需 要反向信道
退后N步ARQ协议：
发送端发送完一个数据分组后，并不停下来等待确认信息，而是连续发送若干个数 据分组。接收端将每个数据包相应的ACK或 NACK信息反馈回发送端，同时发送回 的还有数据包分组号。当接收到一个NACK信号时，发送端就重新发送包括错误数 据的N 个数据包。接收端只需按序接收数据包，在接收到错误数据包后即使又接收 到正确的数据包后还是必须将正确的数据包丢弃，并重新发送确认信息。
Eb/N0很小时（<4dB)，ARQ误码 率性能优于HARQ I和FEC，这是 由于此时信道状态较差，纠错码的 纠错能力有限，此时大多不能纠正 错码。
Eb/N0较大（5-10dB）时，HARQ I和 FEC误码率性能优于ARQ。 Eb/N0>10dB时，HARQ误码率趋于稳定，图2 ARQ、FEC、和 type-I HARQ的误码率对比 远小于ARQ的误码率。原因：信道状态 较好，纠错能力大大提升。
•2021/6/7
•8
差错控制技术简介
选择性重传协议：
该协议只重传出现差错的数据包，但是此时收端不再按序接收数据分组信息， 那么在收端需要相当容量的缓存空间来存储已经成功译码但还没能按序输出 的分组。同时，在收端在组合数据包前必须知道序列号，因此，序列号要和 数据分别编码。
对比前2种ARQ技术，选择 性重传的信道利用率最高， 但要求的存储空间和信令开 销也最大。
•2021/6/7
•14
HARQ定义及过程
第二类HARQ特点：
IR(incremental redundency)并不是每次重传都采用同一个编码速率 的码字，而是根据前一次解码的结果来决定下一次发送码字的码率。 若是没能正确解码，接收端给发送端回复一个NACK信号，发送端自 动降低下一次重传码字的码率，也就是增大冗余度，以更好适应当 前信道的情况。在接收端将原来的信号和重传信号合并，合并后的 信号的信噪比将会比第一次收到的信号信噪比高，具有更强的纠错 能力。
异步HARQ是指一个进程的传输可以发生在任何时刻，接收端预先不 知道传输的发生时刻，因此HARQ进程的处理序号需要连同数据一起发 送。
•2021/6/7
•17
分类3：
HARQ定义及过程
根据重传时的数据特征是否发生变化可以将HARQ分为非自适应和自 适应两种。数据的传输特征包括资源块的分配、调制方式、传输块的长 度、传输的持续时间。