HARQ技术在HSPA、LTE系统中的作用

　　无线通信系统近年来飞速发展，HSDPA、HSUPA、HSPA+、LTE等先进移动通信系统得到了大家的广泛关注。各种先进的无线传输技术在这些系统中得到应用，包括混合自动重传请求HARQ 技术。

　　为了克服无线移动信道时变和多径衰落对信号传输的影响，HSPA、LTE可以采用基于前向纠错（FEC）和自动重传请求（ARQ）等差错控制方法，来降低系统的误码率以确保服务质量。

　　虽然FEC方案产生的时延较小，但存在的编码冗余却降低了系统吞吐量；ARQ 在误码率不大时可以得到理想的吞吐量，但产生的时延较大，不宜于提供实时服务。为了克服两者的缺点，将这两种方法结合就产生了混合自动重传请求（HARQ）方案：即在一个ARQ 系统中包含一个FEC子系统，当FEC的纠错能力可以纠正这些错误时，则不需要使用ARQ；只有当FEC无法正常纠错时，才通过ARQ反馈信道请求重发错误码组。

　　由于HARQ技术能够很好地补偿无线移动信道时变和多径衰落对信号传输的影响，已成为HSPA、LTE系统中的关键技术之一。该技术将会随着3G 长期演进系统的发展不断完善。

　　本文在介绍完HARQ的基本原理后，将详细介绍安捷伦公司在FDD LTE上行PUSCH信道HARQ 的测试解决方案，希望能够帮助大家完成基站接收机HARQ 算法的研发、工作。

　　1. HARQ简介

　　常用的自动重传请求协议包括停等式（SAW）、后退N 步式（Go-back-N ）和选择重发式（SR）等。

　　1.1 停等式

　　发送端每发送一个数据分组包就暂时停下来，等待接收端的确认信息。当数据包到达接收端时，对其进行检错，若接收正确，返回确认（ACK）信号，错误则返回不确认（NACK）信号。

　　当发端收到ACK 信号，就发送新的数据，否则重新发送上次传输的数据包。而在等待确认信息期间，信道是空闲的，不发送任何数据。这种方法由于收发双方在同一时间内仅对同一个数据包进行操作，因此实现起来比较简单，相应的信令开销小，收端的缓存容量要求低。

　　但是由于在等待确认信号的过程中不发送数据，导致太多资源被浪费，尤其是当信道传输时延很大时。因此，停等式造成通信信道的利用率不高，系统的吞吐量较低。图1所示是停等式ARQ的一个简单示例。

图1 停等式ARQ 协议的工作示例

　　1.2 后退N步式

　　在采用后退N 步式ARQ 协议的传输系统中，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信息。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，如图2所示。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。可以看出，相比较SAW，采用该协议一方面因发端连续发送数据提高了系统的吞吐量，但同时增大了系统的信令开销；另一方面，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（仅因为这些数据分组之前有一个数据分组出了错），这种方法使信道利用率降低。

图2 后退N步式ARQ协议的工作示例

　　1.3 选择重发式

　　为了进一步提高信道的利用率，选择重发式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，那么在收端则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，而且序列号需要更可靠的编码以克服任何时候出现在数据里的错误，这样就增加了对信令的要求。所以，相比之下SR 的信道利用率，但是要求的存储空间和信令开销也，选择重发ARQ协议的工作示例见图3。

图3 选择重发式ARQ 协议的工作示例

　　在HSUPA、LTE 系统中采用停等式（SAW）重传协议。这种机制不仅简单可靠，系统信令开销小，并且降低了对于接收机的缓存空间的要求。但是，该协议的信道利用效率较低。为了避免这种不利，HSUPA、 LTE 系统采用了N 通道的停等式协议，即发送端在信道上并行地运行N 套HARQ 协议，利用不同信道间的间隙来交错地传递数据和信令，从而提高了信道利用率。

　　2. FDD LTE PUSCH HARQ测试方案

　　结合安捷伦公司MIMO 接收机测试仪PXB（N5106A）及射频矢量信号发生器（E4438C或N5182A），可以完成LTE基站测试协议。

　　2.1 测试框图

　　如下图所示，为LTE基站HARQ性能测试框图：

图4 LTE基站HARQ测试框图

　　该测量系统中由下述软件/硬件组成：

　　（1）LTE Signal Studio：软件，运行于PXB 中，实时产生LTE 信号，根据基站反馈的ACK/NACK 信号来决定是否进行新数据的传输还是进行上一子帧数据的重传；

　　（2）PXB N5106A：硬件，完成LTE基带信号的产生，并可以实现对理想信号的多径衰落；

　　（3）MXG N5182A或ESG E4438C：硬件，完成LTE信号的上变频，产生射频信号用于待测基站接收；

　　（4）连接线若干：用于测试系统中不同设备间的同步、通信。关于各个接口的功能、特性，会在后续章节详述。

　　2.2 接口说明

　　如表一所示，为测试系统中各个接口的说明：

表1 测试系统接口说明

　　2.3 测试原理及时序

图5 PUSCH 测量框图

　　该测量项验证基站在接收多径衰落信号及HARQ功能激活的情况下，基站的上行吞吐率Throughput 能否达到协议规定的要求。

　　因此该测量项存在两个难点：

　　（1） LTE信号实时的产生，即测试仪能实时的根据基站反馈的HARQ ACK/NACK 信号，进行新数据的发送或者重传之前传错的PUSCH数据；

　　（2） 对 LTE信号进行符合协议的多径衰落。测量协议里共定义了Extended PedestrianA（EPA）、Extended Vehicular A（EVA）、Extended Typical Urban model（ETU）三种衰落模型，而每种模型里又分别存在5Hz、70Hz、300Hz三种多普勒频偏的情况，因此实现起来有一定的难度。

　　通过PXB + MXG/ESG 的方案，我们能够克服上述难点，实现LTE HARQ ACK/NACK 信号的回环及LTE信号的多径衰落信道产生。

　　PXB 主要特性如下：

　　（1） 业界的基带信号产生性能：

　　内部多有4路基带信号发生器l 每路基带信号发生器都具有512 MSa （2 GB）内存， 可达120 MHz 带宽l 高达 150M sample/s 的符号速率l 多有8条I/O通路，支持模拟I/Q及数字I/Q信号输出l 支持 Signal Studio软件、ADS系统，及其他信号生成工具。

　　（2） MIMO 信道仿真能力

　　支持 2x2, 2x4, 4x2 MIMO 信号的产生和衰落l 支持的无线通信的SISO 信道模型及LTE, WiMAX MIMO信道模型l 能够与现有的设备结合完成射频衰落功能。

　　（3） 强大的衰落信号产生能力

　　多8 路的实时衰落仿真器， 每路衰落仿真器包含多24 条路径l 120MHz 的实时衰落带宽l 路径延时： 0 to 2 ms, 为0.1 nsl 路径损耗： 0 to 84 dB, 为0.01 dBl 车载速率： 0 to 864 km/h@ 2GHzl AWGN 带宽高达120MHzl 载波干扰比（C/N ratio）： -30 to 30dB, 为0.1dB。

　　下面通过具体的时序图对测量原理进行说明：

图6 HARQ测量时序图

　　首先，PXB + MXG/ESG 进行上行PUSCH信号的发送，基站在收到此PUSCH信号后，进行解调、信道解码、解CRC 等过程。当基站正确将此PUSCH 接收成功，则通过ACK/NACK 接口下发ACK 信号，否则下发NACK 信号，PXB在Td 时间间隔后对ACK/NACK 反馈信号进行采样判决。Td 的取值范围为1ms～6ms，分辨率是16Ts。在此过程中，基站会进行吞吐率的计算。

　　在通信状态（非随机接入状态）下，通过6bit 的Timing Advance消息指示64个TA状态，并且满足NTA,new = NTA,old + （TA -31）？16，所以在LTE系统中，通过调整NTA我们可以提前或滞后发射信号。

　　PXB 通过Timing Adjustment 接口进行Timing Advance（TA）消息的串行发送，一个消息包含8个bit，高两bit 位被忽略，低6位用于64个状态的传递：

图7 Timing Advance接口逻辑示意图

　　此外，协议中指出当终端（测试仪）在第n个子帧接收到Timing Advance消息后，相应的时间偏移调整会作用于第n+6个子帧。下面，我们通过具体的时序图进行说明：

图8 Timing Adjustment 测量时序图

　　在通信过程中，基站在子帧2 下发TA 指令，PXB 在收到TA 指令后，会在第n+N个子帧处调整时延，提前或滞后发送上行PUSCH信号，即TA_new2 = TA_new1 + TA，协议里规定N=6（For a mi ng advance comma nd recei ved on subf rame n, the corresponding adjustment ofthe mi ng shal l appl y from the begi nni ng of subf rame n+6.）。PXB 为了方便客户调试，可以更加灵活的设置N参数，N可以2～6之间进行设置。

　　3. 总结

　　HARQ 混合自动重传技术在HSPA、LTE系统中发挥着十分重要的作用，验证基站的HARQ功能及性能在基站的研发、过程中十分重要。