6,LTE_Advanced系统中改进的载波聚合HARQ进程映射机制

2010年4月Journa l of Chongq i n g Un i versity of Posts and Teleco mm un i ca ti on s(Na tura l Sc i ence Ed iti on)Apr .2010

L TE 2Advanced 系统中改进的载波聚合HARQ 进程映射机制

收稿日期:2009210210　修订日期:2009212227　

基金项目:重庆市科委自然科学基金(CSTC,2009AB2088)Founda ti on Ite m s:The Natural Science Foundati on Pr oject of CQ CSTC (CSTC,2009AB2088)

徐昌彪,武　岳,鲜永菊

(重庆邮电大学通信与信息工程学院,重庆400065)

摘　要:分析了LTE 2Advanced 系统在引入载波聚合技术以后,混合自动重传请求(HARQ )进程映射机制的设计问题。简述了载波聚合技术和HARQ 技术原理,介绍了目前载波聚合中的HARQ 映射方式,指出目前映射方式存在的问题,并针对该问题提出了一种半静态可变HARQ 进程映射方案,在不同条件下对该方案进行了仿真分析,仿真结果说明新方案实现了对分集增益与开销的折中,能够改善系统综合性能,具有良好的应用前景。关键词:LTE 2Advanced;载波聚合;混合自动重传请求中图分类号:T N929.5　　　　　　　　　文献标识码:A

文章编号:16732825X (2010)022*******

I m proved mapp i n g m echan is m of carr i er aggrega ti on and

HARQ i n L TE 2Advanced syste m

XU Chang 2biao,WU Yue,X I A N Yong 2ju

(College of Communicati on and I nf or mati on Engineering,Chongqing University of Posts and Telecommunicati ons,

Chongqing 400065,P .R.China )

Abstract:This paper analyzes how t o design the hybrid aut omatic repeat request (HARQ )mapp ing mechanis m in LTE 2Advanced system using the technol ogy of carrier aggregati on .First the basic concep ti on of carrier aggregati on and HARQ was intr oduced .And then,the current HARQ mapp ing mechanis m s and their existing p r oble m s were p resented .Finally,a se m i 2static HARQ mapp ing mechanis m was p r oposed t o s olve these p r oble m s .By link si m ulati ons under different condi 2ti ons,itwas p r oved that the ne w mechanis m achieved the comp r om ise of diversity gain and overhead,i m p r oved the comp re 2hensive perf or mance of syste m and had a good app licati on p r os pect .

Key words:LTE 2Advanced;carrier aggregati on;hybrid aut omatic repeat request (HARQ )

0　引　言

随着移动通信技术的不断迅速发展,移动用户

数量逐年递增,对移动业务的需求也日益提高。多媒体业务相对于语音业务增长更为迅速,并且逐步成为主要的业务需求。第三代移动通信系统已不能完全满足用户的需求。因此,3GPP 致力于研究3GPP LTE (l ong ter m evoluti on )作为3G 系统的演进。LTE 2Advanced 是LTE 的进一步演进,支持与LTE 的前后向兼容性发展。为了提供更高的数据速率,支持更多的用户业务和新的服务,LTE 2Advanced 在频点、带宽、峰值速率及兼容性等方面都有新的需

求

[1]

。载波聚合技术作为LTE 2Advanced 的一项关

键技术,有效地满足了更大的带宽需求。而载波聚合技术与混合自动重传请求(hybrid aut omatic repeat request,HARQ )技术

[2]

相结合,在增加带宽的同时

保证了信息传输的准确性。

1　载波聚合和HARQ 技术

1.1　载波聚合技术

移动业务容量呈指数增长,需要高移动性下的高速业务来满足持续增加的用户需求;增强性的业务与应用需要更高的峰值速率。在LTE 到LTE 2Advanced 系统的演进过程中,更宽频谱的需求将会

成为影响演进的最重要因素之一。为此,3GPP 提出了载波聚合技术,它可以很好地将多个载波聚合成一个更宽的频谱,同时也可以把一些不连续的频谱

碎片聚合到一起。这样能够得到更大的带宽和更好的峰值数据速率,有效地解决了系统对频带资源的

需求。载波聚合可在连续频谱上实现,也可在非连续频谱上实现,但频谱片段的分布位置和大小会给载波聚合带来一定的复杂度。

在LTE 2Advanced 系统中,每个子载波对应一个的数据流,子载波之间数据流的聚合方案可以分成2种:子载波的数据流在MAC (media access contr ol )层聚合和子载波的数据流在物理层聚合。

子载波的数据流在MAC 层聚合(方案1):每个载波上都有一个传输块,单一的数据流在某些点上被分到不同的载波上,载波上数据流的聚合是在MAC 层完成的。其中,每个载波都是设计的,

维持每个载波原来的物理层结构,包括特殊载波的

位置,链路自适应和HARQ 等,该模型可看作是相同链路的聚合并且每个载波的开销相同,总的开销是一个载波开销的N 倍,N 是载波的个数。具体MAC 层-物理层接口如图

1所示。

图1　数据流在MAC 层聚合系统的

MAC 层-物理层接口模型

Fig .1　MAC 2PHY interface model in which data stream

aggregati on p r ocessed in MAC layer

子载波的数据流在物理层聚合(方案2):所有子载波共用一个传输块。在空间复用的情况下,所有子载波共用2个传输块。由于所有子载波使用同

一个传输块,需要重新设计RLC (radi o link contr ol )层中P DU (p r ot ocol data unit )的大小。所有子载波要进行统一的调制编码,并且共用一个HARQ 进程和相应的ACK/NAK 反馈。这样就会与LTE 系统原有的物理层/MAC 层/RLC 层结构冲突。接口模型如图2所示。

比较来看,方案1的物理层/MAC 层/RLC 层与LTE 系统完全相同,主要考虑了与LTE 系统的后向

兼容性,在链路自适应和HARQ 方面也体现出了很好的性能,因而可以支持LTE 系统的软硬件设备。而方案2由于所有子载波共用一个传输块传输,传输块包含的数据较多,HARQ 的使用效率就变得低

下,甚至完全不适合使用HARQ 。同时,方案2不兼容LTE 系统,也需要重新设计物理层/MAC 层/RLC 层。因此方案1更容易实现LTE 向LTE 2Advanced 的平滑过渡,适合开展后续的研究,目前3GPP 已经基本确定采用方案1。

图2　数据流在物理层聚合系统的MAC 层-物理层接口模型

Fig .2　MAC 2PHY interface model in which data strea m

aggregati on p r ocessed in PHY layer

1.2　HARQ 技术

HARQ 技术有效地结合前向纠错编码(for ward err or correcti on,FEC )和自动重传请求(aut omatic re 2peat request,ARQ,)这2种基本的差错控制方法,提

供更高可靠性和系统吞吐量。在下行链路上支持异步重传,上行链路上支持同步重传。HARQ 的重传基于ACK/NACK,HARQ 的ACK/NACK 回报,是以1bit 的信号来做快速且频繁地回报,而不是过去ARQ 以封包的方式(如status report )回传。FEC 可用来纠正经常出现的错误图样以减少重传的次数。

在HARQ 方式中,发端发送的码不仅能够检错,而且还具有一定的纠错能力。收端译码器收到码字后,首先进行错误校验,如果在码的纠错能力以内,则自动完成纠错,如果错误很多,超过了码的纠错能力,但能检测出来,则接收端通过反馈信道给发送端发一个判决信号,要求发送端重发错误的数据包。

根据混合自动重传机制的重传内容不同,HARQ 分为3类:I 型HARQ,II 型HARQ 和III 型HARQ 。I 型HARQ 中,如果发射机发送新包而接收机译码发生错误,则反馈NACK 给发射端要求重发,发射机收到请求后发送相同的数据包,接收端通过Chase 合并来合并多次重传数据包。II 型和III 型HARQ 方案属于增量冗余(incre mental redundan 2cy,I R )机制,接收错误的数据包不会被丢失,重传时发送端将发送新的校验比特,接收机将其存储起来与后续的重传数据合并后进行解码。LTE 系统中的T URBO 编码、速率匹配、解速率匹配、译码与重传控制几个功能模块相互协作,共同实现了HARQ

功能[324]

。

・

171・第2期徐昌彪,等:LTE 2Advanced 系统中改进的载波聚合HARQ 进程映射机制

2　HARQ 进程与P D SCH /PUSCH 的

映射

　　在过去的RAN1#55bis 会议上已经通过了MAC 2t o 2PHY 的映射关系如下。

①每个调度成份载波有一个传输块(不考虑空间复用)和一个HARQ 实体(单独的UE )。②一个UE 可以同时接受多个成份载波。

考虑HARQ 进程与成分载波的对应关系,目前HARQ 进程与P DSCH /P USCH (物理下行共享信道/物理上行共享信道)的映射主要有以下2种方式。

1)固定映射。HARQ 进程与DL /UL (下行链路/上行链路)成份载波一一对应。这种情况下,P DCCH 与HARQ 进程相关的内容与Rel8LTE 系统

相一致。因此,下行链路每个成份载波需要3bits 用于指示HARQ 进程号,这里3bits 是由于并行HARQ 进程数为8个。第一次传输在CC B (成份载波B )上,对应B 的8个HARQ 进程(B ,0～B ,7)中的(B ,4),如图3所示。假设校验失败,发生重传,在固定映射模式下,重传仍然选择CC B ,同时对应HARQ 进程(B ,4)

。

图3　固定映射HARQ 进程设置

Fig .3　HARQ p r ocess set of static mapp ing

2)可变映射。HARQ 进程设置与DL /UL 成份

载波灵活地映射

[526]

。它允许跨成份载波的重传,

可以获得更高的频率分集增益和成份载波间灵活的调度增益。但是,每个成份载波需要附加「lb n bits 来指示HARQ 进程对应的成份载波序号。因此,需要的开销更大。在可变映射模式下,假设第一次传

输在CC B 上,对应HARQ 进程(B ,4)。如果校验失败,发生重传,则需要计算最佳的成份载波,可以通过比较不同成份载波的信道质量等因素,将重传调度到新的成份载波上,如CC A 或者CC C,对应的HARQ 进程仍然是(B ,4)。

3　半静态可变HARQ 进程映射方案

从前面的介绍可以看到,固定映射不需要额外

的比特指示,与现有系统兼容性好,但是重传时无法获得更多的分集增益;可变映射可以获得分集增益,但需要以增加比特为代价。为了在节省开销的情况下,尽可能获得可变映射的分集增益,本文在可变映射的基础上进行了改进。采用预设映射关系的方式,在重传时将HARQ 进程映射到不同的成份载波上去,由于每次重传的映射关系事先设定好,收发两端都保持一致,因此不需要附加比特来指示,同时由于在其他的成份载波上重传,可以带来一定的增益,性能虽稍差于可变映射,但优于固定映射,实现了性能与开销的折中。图4给出了一个简单预设的半静态映射方案的示意图

。

图4　半静态映射HARQ 进程设置

Fig .4　HARQ p r ocess set of se m i 2static mapp ing

在半静态可变HARQ 进程映射方案中,3次重传数据依次从所在成份载波以外的各成份载波中选择一个作为载体,选择方式预先设定,不需要额外指示比特,节省了开销,同时可以获得一定的增益。在图4中,初次传输采用CC B ,对应HARQ 进程(B ,4)。如果发生重传,第1次、2次、3次重传时成份载波的选择依次是CC A,CC C,CC D,即按顺序调度到不同的成份载波上,同时每次对应的HARQ 进程仍然是(B ,4)。不同的CC 带来了一定的分集增益,而顺序选择不需要指示比特,只需提前设定好。另外,CC 选择方案还可以按照其他的原则进行,而非顺序选择,可以进一步研究更好的选择原则。

・271・　　　　　　　　重庆邮电大学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　第22卷

仿真条件如表1所示。本文进行了半静态HARQ映射方案的性能仿真。主要考虑了误块率(bl ock err or rate,BLER)和重传次数的曲线。初始发送数据经过的信道具有E

s

/N0dB,其变化范围为[-1　4]。每次出错重发时,该方案会按照成份载波的序号顺序改变数据的承载载波,而不是像可变映射方案那样计算出信道质量最好的成份载波作为承载载波。由于事先不知道信道质量,仿真采用给原始信噪比加上一个随机数的方式模拟其他顺序选择的成份载波信道质量。同时,考虑到实际情况,这个随机数应该满足一定的条件:首先,随机数会在原始信噪比上下波动;其次,波动范围一般情况不会非常大;最后,由于改变成份载波出现在传输出错情况下,则原始成份载波质量比较差,那么其他成份载波的质量比原始值更差的机会不会很大。由此,给出了如表2的5种情况。

表1　仿真条件

Tab.1　Si m ulati on conditi ons

调制方式QPSK

信道编码1/3T URBO码

信道模型AW G N

速率匹配码率1/2

译码算法LOG2MAP

SN R范围/d B[-1,4](不含波动)

信道估计理想信道估计最大重传次数/次3(不含初始发送)

重传数据合并方式最大比合并

表2　5种情况下重传的成份载波信噪比波动范围

Tab.2　S NR flutuati on range of retrans m itted component

carrier in five cases

方案E s/N0/d B

Case0不变

Case1[-1,3]

Case2[-1,4]

Case3[-2,4]

Case4[-2,5]

　　图5是改进方案的BLER曲线,从图5中可以看到,通过重传改变成份载波,Case2—Case4的误码率下降要明显快于且早于Case0,Case1虽然部分下降不快于Case0,但在信噪比较低的条件下也要优于Case0,而且考虑实际中,信噪比波动范围应倾向于Case2和Case4的情况,即向下波动不会很大而向上应较大。可见,改进方案的误码率性能优于Case0的传统方案。图6是平均重传次数曲线,也可以得到同样的结论,平均重传次数得到了明显减少。因此,本文提出的半静态HARQ映射方案能够在不增加开销的情况下得到明显的性能增益

。

5　结　论

本文在介绍了LTE2Advanced系统中的载波聚合与HARQ技术的基础上,提出了一种能够在分集增益与开销之间折中的HARQ映射方案,是对固定映射和可变映射的一个综合与改进。通过仿真分析,该方案能够提供优于固定映射的性能,且不需要类似可变映射的附加指示比特,符合实际应用的要求。

另外,半静态映射方案需要事先设置映射方式,最简单的方式就是依次选择成份载波,还可以采用其他的方式,但需要满足不增加开销的前提条件。

(下转第213页)

・

3

7

1

・

第2期徐昌彪,等:LTE2Advanced系统中改进的载波聚合HARQ进程映射机制References:

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B i

ographies:

WU Gui2neng(19682),male,fr om

Chongqing City,master,lecturer,interested

in anal og integrated circuit design.E2mail:

wugn@cqup t.edu.cn

.

ZHOU W ei(19842),male,fr om I nner Mon2

golia,master course student at Chongqing Uni2

versity of Posts and Telecommunicati ons,in2

terested in anal og integrated circuit design.E2

mail:henrychow_wei@yahoo.com.

(编辑:魏琴芳)

(上接第173页)

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htt p://www.3gpp.org.作者简介

:

徐昌彪(19722),男,教授,博士。研究内容

涉及无线TCP,I P QoS,移动I P,I P组播以及

无线自组织网(W ireless Ad Hoc Net w ork)

等

。

武岳(19822),男,硕士研究生,主要研究方

向为无线通信技术。E2mail:wuyue233@

126.com。

　　　　　　　鲜永菊(19732),女,副教授,主要研究方向

为宽带无线接入技术,认知无线电技术。

(编辑:魏琴芳)

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第2期吴贵能,等:一种两级C MOS运算放大器电源抑制比提高技术