楊桂芹，胡 瀅，趙春和

(蘭州交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，甘肅蘭州730070)

0 引言

為了保證LTE通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，提高系統(tǒng)的吞吐量，3GPP LTE在原有差錯(cuò)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，采用前向糾錯(cuò)(FEC)和自動(dòng)請(qǐng)求重傳(ARQ)相結(jié)合的差錯(cuò)控制方式，稱(chēng)為混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳技術(shù)(HARQ)［1］。在LTE下行鏈路仿真平臺(tái)TDD模式下，分別在不同調(diào)制方式下對(duì)沒(méi)有加入HARQ的系統(tǒng)、重傳要求強(qiáng)制執(zhí)行的系統(tǒng)和加入HARQ的系統(tǒng)的吞吐量性能進(jìn)行分析研究，證明HARQ技術(shù)可有效改善LTE系統(tǒng)吞吐量性能，提高LTE系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量。

1 3GPP LTE中的HARQ技術(shù)

HARQ技術(shù)即ARQ和FEC混合方式。在接收端，對(duì)少量差錯(cuò)自動(dòng)糾正，而超過(guò)前向糾錯(cuò)能力的差錯(cuò)則向發(fā)送端發(fā)送錯(cuò)誤報(bào)告要求發(fā)送端重傳以糾正。因此，HARQ技術(shù)是對(duì)ARQ和FEC兩種差錯(cuò)方式進(jìn)行了折中，具有較高的可靠性及較短的時(shí)延，從而提高了系統(tǒng)性能［2，3］。

根據(jù)HARQ的合并方式，可將HARQ分為3類(lèi):第 I類(lèi) HARQ、第 II類(lèi) HARQ 和第 III類(lèi) HARQ［4］。第I類(lèi)HARQ在接收端檢測(cè)到數(shù)據(jù)出錯(cuò)時(shí)，直接將數(shù)據(jù)包丟棄，并發(fā)送重傳請(qǐng)求，要求發(fā)送端重傳數(shù)據(jù);第II類(lèi)HARQ在接收端檢測(cè)到數(shù)據(jù)出錯(cuò)時(shí)，將錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包保留下來(lái)，與發(fā)送端重傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)冗余信息進(jìn)行合并之后，再進(jìn)行解碼。新數(shù)據(jù)與原接收的數(shù)據(jù)一起形成糾錯(cuò)能力更強(qiáng)的糾錯(cuò)碼，使糾錯(cuò)能力進(jìn)一步提升;第 III類(lèi) HARQ與第 II類(lèi)HARQ相似，接收到的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)不會(huì)被丟棄，但新數(shù)據(jù)帶有系統(tǒng)信息位，接收到的新數(shù)據(jù)可自行解碼，解碼正確則將緩存的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)丟棄，解碼出錯(cuò)則與緩存數(shù)據(jù)合并后再解碼［5，6］。3GPP LTE 采用第 II類(lèi)和第III類(lèi)混合的HARQ合并技術(shù)。

2 系統(tǒng)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

在LTE下行鏈路 Matlab仿真平臺(tái)上基于高斯信道對(duì)HARQ的吞吐量性能進(jìn)行仿真分析比較，仿真模型如圖 1 所示［7，8］。

圖1 基于HARQ技術(shù)的LTE系統(tǒng)仿真模型

發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)，并將所發(fā)送數(shù)據(jù)備份暫存在緩存器中，待接收端反饋信息。接收端收到數(shù)據(jù)后，先將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在接收端緩存器中，若譯碼成功，則釋放緩存數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)，并向發(fā)送端發(fā)送ACK，發(fā)送端收到ACK后便釋放存儲(chǔ)在緩存器中的數(shù)據(jù)，并發(fā)送新的數(shù)據(jù)。若譯碼失敗，將解碼錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)暫存于接收端緩存器中，并向發(fā)送端返回NACK要求重傳數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)送端收到NACK反饋后，將緩存器中原數(shù)據(jù)更改冗余版本，再重傳原數(shù)據(jù)，同時(shí)在接收端先與緩存器中解碼失敗的數(shù)據(jù)合并，然后再進(jìn)行譯碼［9］。

3 系統(tǒng)吞吐量性能仿真結(jié)果分析

LTE系統(tǒng)吞吐量是指系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)成功地傳送數(shù)據(jù)的數(shù)量，對(duì)于鏈路級(jí)仿真系統(tǒng)，以幀為單位傳送數(shù)據(jù)，每幀時(shí)間為10 ms，則系統(tǒng)的吞吐量為:

式中，Rightbits為系統(tǒng)正確接收的總比特?cái)?shù);Totalfream為系統(tǒng)發(fā)送總幀。

在LTE下行鏈路Matlab仿真平臺(tái)上，基于高斯信道分別在QPSK、16QAM和64QAM三種不同調(diào)制方式下，對(duì)HARQ的吞吐量性能進(jìn)行了仿真研究。仿真采用單天線1*1模式，主要仿真參數(shù)如下:信道帶寬為 10 M，PRB 為 50，1 024點(diǎn) FFT，QPSK、16QAM調(diào)制方式下采用的冗余版本序列為(0，1，2，3)，64QAM調(diào)制方式下采用的冗余版本序列為(0，2，3，1)。仿真結(jié)果如圖2、圖3和圖4所示。圖中不重傳是指仿真鏈路沒(méi)有加入HARQ，數(shù)據(jù)到達(dá)接收端譯碼錯(cuò)誤的話則報(bào)錯(cuò)，但并不重傳原數(shù)據(jù);強(qiáng)制重傳則是指不管接收端是否譯碼成功，都重傳原數(shù)據(jù)，重新傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)合并后再譯碼。

圖2 QPSK調(diào)制時(shí)系統(tǒng)的吞吐量性能

圖4 64QAM調(diào)制時(shí)系統(tǒng)的吞吐量性能

上述仿真中，分別在QPSK、16QAM和64QAM調(diào)制方式下，對(duì)系統(tǒng)不重傳數(shù)據(jù)、強(qiáng)制重傳及加入HARQ時(shí)的吞吐量性能進(jìn)行了研究。由仿真結(jié)果圖可以得出各種情況下達(dá)到最大吞吐量70%時(shí)所對(duì)應(yīng)的SNR值，如表1所示。

表1 各種情況下的SNR (單位:dB)

由仿真結(jié)果可知，每多重傳一次數(shù)據(jù)，吞吐量性能便會(huì)有所改善，強(qiáng)制重傳數(shù)據(jù)次數(shù)越多，系統(tǒng)吞吐量越高，但是由于反復(fù)重傳原數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的傳輸速率受到嚴(yán)重影響。在系統(tǒng)加入HARQ技術(shù)后，錯(cuò)誤譯碼則重傳原數(shù)據(jù)，成功譯碼則傳送新數(shù)據(jù)，在一定程度上提高了系統(tǒng)的有效性。由表1可知，加入HARQ時(shí)的吞吐量性能介于不重傳數(shù)據(jù)和重傳3次數(shù)據(jù)之間而且吞吐量性能基本達(dá)到3PGG LTE中要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

主要針對(duì)LTE下行鏈路中不同情況下的吞吐量性能進(jìn)行了分析研究。分別在 QPSK、16QAM、64QAM三種調(diào)制方式下，對(duì)系統(tǒng)不加HARQ、強(qiáng)制重傳及加入HARQ時(shí)系統(tǒng)的吞吐量性能進(jìn)行了綜合比較。仿真結(jié)果表明，加入HARQ技術(shù)后在保證一定的系統(tǒng)有效性的同時(shí)，可有效改善LTE系統(tǒng)吞吐量性能，提高LTE系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量。

［1］胡宏林，徐 景.3GPP LTE無(wú)線鏈路關(guān)鍵技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［2］彭德文，李小文，劉哲哲.TD-LTE系統(tǒng)HARQ重傳機(jī)制研究［J］.中國(guó)科技論文，2012，4(1):263 －266.

［3］丁志剛.LTE系統(tǒng)中的 HARQ機(jī)制［J］.電信技術(shù)，2010，2(1):76 －77.

［4］李旭虹，劉 燕，王安義.LTE系統(tǒng)下行鏈路中HARQ技術(shù)的研究與仿真［J］.工礦自動(dòng)化，2012，1(1):62－65.

［5］3GPP TS 36.213 V9.11.0.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Layer Procedures［S］，2012.

［6］3GPP TS 36.214 V9.11.0.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Layer Measurements［S］，2012.

［7］李小文，童 超，李偉博.LTE PUSCH信道中HARQACK/NAK信息編碼算法［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2011，28(9):3 485－3 487.

［8］徐志文，李小文.TD-LTE系統(tǒng)HARQ機(jī)制的設(shè)計(jì)與仿真［J］.廣東通信技術(shù)，2012，5(1):27－30.

［9］3GPP TS 36.211 V9.11.0.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Channels and Modulation［S］，2012.