5G和LTE中的HARQ协议

 

LTE中有两种重传机制：MAC层的HARQ机制，以及RLC层的ARQ（只针对AM（aknowledgement mode确认模式）数据传输）机制。

HARQ：

HARQ（HybridAutomatic Repeat reQuest混合自动重传请求），是一种结合FEC（ForwardError Correction，前向纠错）与ARQ（Automatic RepeatreQuest）方法的技术。

FEC通过添加冗余信息，使得接收端能够纠正一部分错误，从而减少重传的次数。

对于FEC无法纠正的错误，接收端会通过ARQ机制请求发送端重发数据。接收端使用检错码，通常为CRC校验，来检测接收到的数据包是否出错。如果无错，则接收端会发送一个肯定的确认（ACK）给发送端，发送端收到ACK后，会接着发送下一个数据包。如果出错，则接收端会丢弃该数据包，并发送一个否定的确认（NACK）给发送端，发送端收到NACK后，会重发相同的数据。

前面介绍的ARQ机制采用丢弃数据包并请求重传的方式。虽然这些数据包无法被正确解码，但其中还是包含了有用的信息，如果丢弃了，这些有用的信息就丢失了。通过使用HARQ with softcombining（带软合并的HARQ），接收到的错误数据包会保存在一个HARQ buffer中，并与后续接收到的重传数据包进行合并，从而得到一个比单独解码更可靠的数据包（“软合并”的过程）。然后对合并后的数据包进行解码，如果还是失败，则重复“请求重传，再进行软合并”的过程。

根据重传的比特信息与原始传输是否相同，HARQ with softcombining分为chase combining和incrementalredundancy（增量冗余）两类。chase combining中重传的比特信息与原始传输相同；incremental redundancy 中重传的比特信息不需要与原始传输相同。LTE中只使用incremental redundancy机制。

只有DLSCH和ULSCH传输支持HARQ，其他信道不支持HARQ。

 

HARQ process：

HARQ使用stop-and-waitprotocol（停等协议）来发送数据。

在停等协议中，发送端发送一个TB后，就停下来等待确认信息。接收端会使用1比特的信息对该TB进行肯定（ACK）或否定（NACK）的确认。但是每次传输后发送端就停下来等待确认，会导致吞吐量很低。因此LTE使用多个并行的stop-and-wait process：当一个HARQprocess在等待确认信息时，发送端可以使用另一个HARQ process来继续发送数据。

这些HARQ process共同组成了一个HARQ实体（HARQ entity），这个实体结合了停等协议，同时允许数据的连续传输。 

每个UE都有一个HARQ实体。但在载波聚合中，一个UE对应每个载波单元（Component Carrier）都有各自的HARQ实体。

每个HARQ process在一个TTI只处理一个TB（TransportBlock，传输块）。

每个HARQ process在接收端都需要有独立的HARQbuffer，以便对接收到的数据进行软合并。

在空分复用中，一个TTI会并行传输2个TB，此时每个TB有各自独立的HARQ确认信息，1个HARQ实体包含2个HARQprocess集合。

 

HARQ相关概念：

HARQ process number：也称为HARQprocess ID，唯一地指定一个HARQ process。

NDI：New Data Indicator的缩写。每个HARQprocess会保存一个NDI值，该值使用1比特来指示被调度的数据是新传还是重传。如果同一HARQ process的NDI值与之前相比发生了变化（NDItoggled），则表示当前传输是一个新的TB的初传，否则（NDI not toggled）表示当前传输是同一个TB的重传。

RV：Redundancy Version的缩写。用于指示传输所使用的冗余版本，其取值范围为0~3。

MCS：Modulation and CodingScheme的缩写。DCI使用5比特的MCSindex（0~31）来指示当前传输所使用的调制和编码样式，并影响到TBS的选择。MCS共计32种组合，其中3种组合（索引为29~31）是预留的，且这3种组合只用于重传。 

同步/异步、自适应/非自适应

HARQ协议在时域上分为同步（synchronous）和异步（asynchronous）两类；在频域上分为自适应（adaptive）和非自适应（non-adaptive）两类。

异步HARQ（asynchronousHARQ）意味着重传可以发生在任一时刻，也意味着能以任意顺序使用HARQ process。同步HARQ（synchronousHARQ）意味着重传只能在前一次传输之后的固定时刻发送，也意味着某个特定的子帧，只能使用某个特定的HARQ process。

同步HARQ的好处在于HARQprocess号可以直接从系统帧号/子帧号中推导出来，而无需显式地发送HARQ process number；异步HARQ的好处在于重传调度更加灵活。

自适应HARQ（adaptiveHARQ）意味着可以改变重传所使用的PRB资源以及MCS。非自适应HARQ（non-adaptiveHARQ）意味着重传必须与前一次传输（新传或前一次重传）使用相同的PRB资源和MCS。

在LTE中，下行使用异步、自适应HARQ；上行使用同步HARQ，但重传可以是自适应的，也可以是非自适应的。