HARQ

HARQ（Hybrid Automatic Repeat Request ） 混合自動重傳請求。

HARQ的關鍵詞是存儲、請求重傳、合併解調。接收方在解碼失敗的情況下，保存接收到的數據，並要求發送方重傳數據，接收方將重傳的數據和先前接收到的數據進行合併後再解碼。這裏面就有一定的分集增益，減少了重傳次數，進而減少了時延。而傳統的ARQ技術簡單地拋棄錯誤的數據，不做存儲，也就不存在合併的過程，自然沒有分集增益，往往需要過多地重傳、過長時間地等待。正如一個人喜歡吹牛説謊，但吹牛説謊前不打草稿，想怎麼説就怎麼説，對同一件事情的描述每次都不一樣，全看心情。如果你用ARQ的方式聽他説話，你知道説得不靠譜，但真實的情況還是不知道；但是你用HARQ的方式聽他説話，把幾次説的話放在一起分析，真實的情況就躍然紙上了。

R99版本的ARQ中，數據包的重傳工作由RNC完成；而HSDPA的HARQ技術則主要由Node B完成數據包的選擇重傳，由終端完成重傳數據的合併，這就大大提高了重傳的速度。

混合自動重傳技術可以高效地補償由於採用鏈路適配所帶來的誤碼，提高了數據傳輸速率，減小了數據傳輸時延。

數據通信最初是在有線網上發展起來的，通常要求較大的帶寬和較高的傳輸質量。對於有線連接，數據傳輸的可靠性是通過重傳來實現的。當前一次嘗試傳輸失敗時，就要求重傳數據分組，這樣的傳輸機制就稱之為ARQ（自動請求重傳）。在無線傳輸環境下，信道噪聲和由於移動性帶來的衰落以及其他用户帶來的干擾使得信道傳輸質量很差，所以應該對數據分組加以保護來抑制各種干擾。這種保護主要是採用前向糾錯編碼（FEC），在分組中傳輸額外的比特。然而，過多的前向糾錯編碼會使傳輸效率變低。因此，一種混合方案HARQ，即ARQ和FEC相結合的方案被提出了。 ^[1] 

HARQ是將FEC與ARQ結合起來使用，稱為混合自動重傳請求，即Hybird ARQ。HARQ的基本原理如下：

LTE的HARQ技術主要有兩種實現方式：

在單純的HARQ機制中，接收到的錯誤數據包是直接被丟棄的。雖然這些錯誤數據包不能夠獨立地正確譯碼，但是它們依然包含有一定的信息。軟合併（Chase Combine，CC）就是利用這部分信息，即是將接收到的錯誤數據包保存在存儲器中，與重傳的數據包合併在一起進行譯碼，提高了傳輸效率。

增量冗餘（Incremental Redundantcy，IR）技術是通過在第一次傳輸時發送信息bit和一部分冗餘bit，而通過重傳（Retransmission）發送額外的冗餘bit。如果第一次傳輸沒有成功解碼，則可以通過重傳更多冗餘bit降低信道編碼率，從而提高解碼成功率。如果加上重傳的冗餘bit仍然無法正常解碼，則進行再次重傳。隨着重傳次數的增加，冗餘bit不斷積累，信道編碼率不斷降低，從而可以獲得更好的解碼效果。

LTE的HARQ還可以與AMC技術相配合，為LTE的HARQ進程提供精細的彈性速率調整。

至於HARQ重傳的具體時間，是由同步HARQ協議和異步HARQ協議決定，如圖 1所示。

LTE上行鏈路採用同步HARQ協議：重傳在預先定義好的時間進行，接收端不需要被告知重傳的進程號。

LTE下行鏈路採用異步HARQ協議：重傳在上一次傳輸之後的任何可用時間上進行，接收端需要被告知具體的進程號。 ^[2] 

自動重傳請求協議（ARQ）

常用的自動重傳請求協議包括停等式(SAW)、後退N 步式(Go-back-N )和選擇重發式(SR)等[2]。

(1)停等式

發送端每發送一個數據分組包就暫時停下來，等待接收端的確認信息。當數據包到達接收端時，對其進行檢錯，若接收正確，返回確認(ACK)信號，錯誤則返回不確認(NACK)信號。當發端收到ACK信號，就發送新的數據，否則重新發送上次傳輸的數據包。而在等待確認信息期間，信道是空閒的，不發送任何數據。這種方法由於收發雙方在同一時間內僅對同一個數據包進行操作，因此實現起來比較簡單，相應的信令開銷小，收端的緩存容量要求低。但是由於在等待確認信號的過程中不發送數據，導致太多資源被浪費，尤其是當信道傳輸時延很大時。因此，停等式造成通信信道的利用率不高，系統的吞吐量較低。

(2)後退N 步式

在採用後退N 步式ARQ協議的傳輸系統中，發送端發送完一個數據分組後，並不停下來等待確認信息，而是連續發送若干個數據分組信息。接收端將每個數據包相應的ACK或 NACK信息反饋回發送端，同時發送回的還有數據包分組號。當接收到一個NACK信號時，發送端就重新發送包括錯誤數據的N 個數據包。接收端只需按序接收數據包，在接收到錯誤數據包後即使又接收到正確的數據包後還是必須將正確的數據包丟棄，並重新發送確認信息。可以看出，相比較SAW，採用該協議一方面因發端連續發送數據提高了系統的吞吐量，但同時增大了系統的信令開銷；另一方面，由於收端僅按序接收數據，那麼在重傳時又必須把原來已正確傳送過的數據進行重傳(僅因為這些數據分組之前有一個數據分組出了錯)，這種方法使信道利用率降低。

(3)選擇重發式

為了進一步提高信道的利用率，選擇重發式協議只重傳出現差錯的數據包，但是此時收端不再按序接收數據分組信息，那麼在收端則需要相當容量的緩存空間來存儲已經成功譯碼但還沒能按序輸出的分組。同時收端在組合數據包前必須知道序列號，因此，序列號要和數據分別編碼，而且序列號需要更可靠的編碼以克服任何時候出現數據裏的錯誤，這樣就增加了對信令的要求。所以，相比之下SR的信道利用率最高，但是要求的存儲空間和信令開銷也最大。

在3GLTE系統中將採用停等式(SAW)重傳協議。這種機制不僅簡單可靠，系統信令開銷小，並且降低了對於接收機的緩存空間的要求。但是，該協議的信道利用效率較低。為了避免這種不利，3G LTE系統採用了N 通道的停等式協議，即發送端在信道上並行地運行N 套不同的SAW協議，利用不同信道間的間隙來交錯地傳遞數據和信令，從而提高了信道利用率。 ^[3] 

根據重傳內容的不同，在3GPP標準和建議中主要有3種混合自動重傳請求機制，包括HARQ-I、HARQ-II和HARQ-III等[3]。

(1)HARQ-I型

HARQ-I即為傳統HARQ方案，它僅在ARQ的基礎上引入了糾錯編碼，即對發送數據包增加循環冗餘校驗(CRC)比特並進行FEC編碼。收端對接收的數據進行FEC譯碼和CRC校驗，如果有錯則放棄錯誤分組的數據，並向發送端反饋NACK信息請求重傳與上一幀相同的數據包。一般來説，物理層設有最大重發次數的限制，防止由於信道長期處於惡劣的慢衰落而導致某個用户的數據包不斷地重發，從而浪費信道資源。如果達到最大的重傳次數時，接收端仍不能正確譯碼 (在3G LTE系統中設置的最大重傳次數為3)，則確定該數據包傳輸錯誤並丟棄該包，然後通知發送端發送新的數據包。這種HARQ方案對錯誤數據包採取了簡單的丟棄，而沒有充分利用錯誤數據包中存在的有用信息。所以，HARQ-I型的性能主要依賴於FEC的糾錯能力。

(2)HARQ-II型

HARQ-II也稱作完全增量冗餘方案。在這種方案下，信息比特經過編碼後，將編碼後的校驗比特按照一定的週期打孔，根據碼率兼容原則依次發送給接收端。收端對已傳的錯誤分組並不丟棄，而是與接收到的重傳分組組合進行譯碼；其中重傳數據並不是已傳數據的簡單複製，而是附加了冗餘信息。接收端每次都進行組合譯碼，將之前接收的所有比特組合形成更低碼率的碼字，從而可以獲得更大的編碼增益，達到遞增冗餘的目的。每一次重傳的冗餘量是不同的，而且重傳數據不能單獨譯碼，通常只能與先前傳的數據合併後才能被解碼。

(3)HARQ-III型

HARQ-III型是完全遞增冗餘重傳機制的改進。對於每次發送的數據包採用互補刪除方式，各個數據包既可以單獨譯碼，也可以合成一個具有更大冗餘信息的編碼包進行合併譯碼。另外根據重傳的冗餘版本不同，HARQ-III又可進一步分為兩種：一種是隻具有一個冗餘版本的HARQ-III，各次重傳冗餘版本均與第一次傳輸相同，即重傳分組的格式和內容與第一次傳輸的相同，接收端的解碼器根據接收到的信噪比(SNR)加權組合這些發送分組的拷貝，這樣，可以獲得時間分集增益。另一種是具有多個冗餘版本的HARQ-III，各次重傳的冗餘版本不相同，編碼後的冗餘比特的刪除方式是經過精心設計的，使得刪除的碼字是互補等效的。所以，合併後的碼字能夠覆蓋FEC編碼中的比特位，使譯碼信息變得更全面，更利於正確譯碼。

隨着對高速無線多媒體業務需求的不斷增加和無線頻譜資源日趨緊張，探索未來高效率的移動通信系統將具有越來越重要的意義和價值。混合自動重傳請求 (HARQ)技術能夠很好地補償無線移動信道時變和多徑衰落對信號傳輸的影響，已經成為未來3G長期演進系統中不可或缺的關鍵技術之一。該技術將會隨着 3G長期演進系統的發展不斷完善。