孫靈芝,魏 淮

(北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院,北京100044)

TD-LTE系統(tǒng)中ACK復(fù)用反饋算法研究

孫靈芝,魏 淮

(北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院,北京100044)

當(dāng)TD-LTE系統(tǒng)中用戶(hù)使用ACK/NACK Multiplexing模式進(jìn)行HARQ反饋時(shí),在PUCCH信道上承載反饋結(jié)果,反饋結(jié)果的取值存在二義性,使得演進(jìn)型基站(eNB)無(wú)法獲取確切的反饋結(jié)果。為此,提出一種基于終端(UE)空口質(zhì)量的ACK/NACK Multiplexing反饋結(jié)果判決算法。eNB根據(jù)每個(gè)UE上報(bào)的CQI/PMI/RI等表征UE空口質(zhì)量的參數(shù),并結(jié)合eNB監(jiān)控的UE數(shù)據(jù)發(fā)送和接收誤塊率,對(duì)上報(bào)的CQI參數(shù)進(jìn)行修正,將經(jīng)過(guò)處理后的CQI反饋參數(shù)輸出至分組調(diào)度器。對(duì)存在二義性的反饋結(jié)果進(jìn)行判決,以便獲取較準(zhǔn)確的反饋結(jié)果。相應(yīng)的平臺(tái)仿真結(jié)果表明,該算法能夠降低系統(tǒng)誤塊率,增加系統(tǒng)吞吐量。

長(zhǎng)期演進(jìn);混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求;反饋算法;信道質(zhì)量指示;空口質(zhì)量;誤塊率

1 概述

HARQ(混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求)是ARQ的改進(jìn),常用的自動(dòng)重傳請(qǐng)求協(xié)議包括停等式(SAW)、后退N步式(Go-back-N)和選擇重發(fā)式(SR)等[1]。HARQ實(shí)體負(fù)責(zé)發(fā)送和接收HARQ操作。發(fā)送HARQ操作包括發(fā)送和重傳傳輸塊、接收和處理ACK/NACK信令。接收HARQ操作包括接收數(shù)據(jù)塊、對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行組合以及生成ACK/ NACK信令[2]。通常,HARQ方案可分為同步或異步,在每個(gè)情況下的重傳可以是自適應(yīng)或非自適應(yīng)的[3]。HARQ已經(jīng)成為T(mén)D-LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))系統(tǒng)中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)之一[4]。但目前對(duì)HARQ的研究主要表現(xiàn)在對(duì)HARQ類(lèi)型及相關(guān)技術(shù)的研究,如信道編碼技術(shù)(Turbo編碼)、速率控制技術(shù)等,而對(duì)于HARQ反饋信息機(jī)制的研究卻相對(duì)要少。因此,本文提出一種基于 UE空口質(zhì)量的HARQ ACK/NACK復(fù)用反饋判決算法,增加判斷的可靠性,并減小數(shù)據(jù)誤判的次數(shù),以提高系統(tǒng)資源的利用率。

2 TD-LTE系統(tǒng)的HARQ-ACK反饋方案

對(duì)于TD-LTE系統(tǒng)支持的2種ACK/NACK反饋模式[5],由高信令面(Control Plan)進(jìn)行配置: ACK/NACK bundling和ACK/NACK multiplexing。

在TD-LTE系統(tǒng)中,根據(jù)PDCCH(物理下行控制信道)與PDSCH(物理下行共享信道)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,分成如下3類(lèi)[6]:(1)有對(duì)應(yīng)PDCCH的PDSCH,即通常的eNB通過(guò)PDCCH控制信道調(diào)度PDSCH信道的方式;(2)沒(méi)有對(duì)應(yīng)PDCCH的PDSCH,即SPS(半持續(xù)調(diào)度)非連續(xù)類(lèi)型的資源調(diào)度方式;(3)沒(méi)有對(duì)應(yīng)PDSCH的PDCCH,即SPS資源釋放的PDCCH控制指示信道。針對(duì)上述3種方式,不同的UL-DL Config下會(huì)有不同的ACK/NACK信息反饋方式。

對(duì)于TDD HARQ-ACK multiplexing模式,當(dāng)子幀n對(duì)應(yīng)的M＞1(M為表1中定義的K集合中的元素?cái)?shù)量)時(shí),則要對(duì)M個(gè)下行子幀中同一個(gè)子幀中多個(gè)碼字的ACK/NACK反饋信息進(jìn)行邏輯與(又稱(chēng)空間合并),即每個(gè)下行子幀對(duì)應(yīng)1 bit反饋信息。當(dāng)UE被配置了一個(gè)服務(wù)小區(qū)時(shí),UE將使用PUCCH(物理上行控制信道)format 1b[7]選擇信道傳輸HARQ-ACK。當(dāng)子幀n對(duì)應(yīng)的M=1時(shí),將不進(jìn)行同一個(gè)下行子幀中多個(gè)碼字反饋信息的邏輯與操作,直接使用PUCCH format 1a或format 1b傳輸1 bit或2 bit的HARQ-ACK信息。

表1 TDD下行相關(guān)的K:{k0,k1,…,kM-1}索引

3 基于UE空口質(zhì)量的反饋結(jié)果判決算法

3.1 二義性反饋結(jié)果的現(xiàn)有處理方案

表2 ACK/NACK傳輸復(fù)用表(M=4)

把上述二義性的反饋值分為2類(lèi):第①類(lèi),UE空口質(zhì)量比較好的反饋結(jié)果,①_1和①_2這2種反饋結(jié)果是等效的,兩者的選擇具有一定的隨意性采用試探發(fā)送;第②類(lèi),UE空口質(zhì)量很差時(shí)的反饋結(jié)果。

目前的商用設(shè)備實(shí)現(xiàn)算法是不考慮UE當(dāng)前的空口質(zhì)量,直接取最差的反饋結(jié)果,即第②類(lèi)。由于這種方案不綜合考慮UE在空口的質(zhì)量,采用最簡(jiǎn)單的方式,按照最差的情況進(jìn)行處理,增加數(shù)據(jù)被誤判和重傳的次數(shù),浪費(fèi)了空口資源。如果基于UE在空口的質(zhì)量進(jìn)行判決,可以提高判斷的準(zhǔn)確性,減少空口資源的浪費(fèi)。

3.2 基于UE空口質(zhì)量的判決算法

本文提出一種基于監(jiān)控本小區(qū)用戶(hù)的上行反饋空口狀態(tài)進(jìn)行反饋結(jié)果的判決的算法,即在LTE中一種基于UE空口質(zhì)量的ACK_NACK Multiplexing反饋結(jié)果判決算法。在LTE的調(diào)度系統(tǒng)中,eNB根據(jù)每個(gè)UE上報(bào)的CQI(信道質(zhì)量指示)/PMI/RI等表征UE空口質(zhì)量的參數(shù),且由于當(dāng)前TTI反饋的CQI參數(shù)與具有ACK回傳的CQI反饋參數(shù)間具有高度的相關(guān)性[8],并結(jié)合eNB監(jiān)控的UE數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的BLER對(duì)上報(bào)的CQI參數(shù)進(jìn)行修正,將經(jīng)過(guò)處理后的CQI反饋參數(shù)輸出至分組調(diào)度器。最后,由分組調(diào)度器判決當(dāng)前為哪個(gè)待調(diào)度UE提供服務(wù)。這已經(jīng)充分證明了eNB通過(guò)修正得到的UE空口的質(zhì)量是可靠的。本文算法基于eNB通過(guò)上述方式得到UE長(zhǎng)期的空口質(zhì)量統(tǒng)計(jì)值,進(jìn)行HARQ反饋值的判決。

設(shè)置如下參數(shù):

BLER_High_Threshold:判斷UE空口質(zhì)量的誤塊率高門(mén)限,當(dāng)用戶(hù)的誤塊率高于該門(mén)限時(shí),UE的空口質(zhì)量很差。

BLER_Low_Threshold:判斷UE空口質(zhì)量的誤塊率低門(mén)限,當(dāng)用戶(hù)的誤塊率低于該門(mén)限時(shí),UE的空口質(zhì)量很好。

Eff_High_Threshold:頻譜效率的高門(mén)限,高于該值,認(rèn)為用戶(hù)的空口質(zhì)量很好。

Eff_Low_Threshold:頻譜效率的低門(mén)限,低于該值,認(rèn)為用戶(hù)的空口質(zhì)量很差。

Mcs_eff(i):在當(dāng)前第i個(gè)調(diào)度間隔內(nèi)經(jīng)過(guò)CQI修正算法修正后的輸出頻譜效率。

Mcs_BLER(i):在當(dāng)前第i個(gè)調(diào)度間隔內(nèi)UE誤塊率的統(tǒng)計(jì)值。

算法步驟如下:

(1)確認(rèn)UE的空口質(zhì)量:Mcs_BLER(i)＜BLER_Low_Threshold,且Mcs_eff(i)＞Eff_High_Threshold,則UE的空口質(zhì)量較好;如果Mcs_BLER(i)＞BLER_High_Threshold并且Mcs_eff(i)＜Eff_Low_Threshold,則UE的空口質(zhì)量較差;其他情況為用戶(hù)空口質(zhì)量一般。

(2)根據(jù)用戶(hù)的空口質(zhì)量進(jìn)行HARQ反饋的判決:如果用戶(hù)的空口質(zhì)量很好,則取第①類(lèi)結(jié)果;如果用戶(hù)的空口質(zhì)量很差,則取第②類(lèi)結(jié)果;如果用戶(hù)的空口質(zhì)量一般,則取第②類(lèi)結(jié)果;判決流程如圖1所示。

圖1 算法總體流程

(3)對(duì)第①類(lèi)結(jié)果的判決:因?yàn)榈冖兕?lèi)結(jié)果存在2種結(jié)果的二義性,并且這2種二義性結(jié)果的選取是等效的,eNB采用隨機(jī)選擇方式。由于前后2次數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)果的相關(guān)性不僅是由UE的信道快衰決定的,還需要考慮來(lái)自鄰區(qū)的干擾,而鄰區(qū)的干擾是快速變化且不可預(yù)測(cè)的[9],同時(shí)還要考慮每次調(diào)度的頻域位置,因?yàn)椴煌l域位置的快衰落情況也是會(huì)有很大差別的,所以首次重傳時(shí)隨機(jī)選擇①_1和①_2。如果UE下次反饋的結(jié)果不存在二義性,則本次預(yù)判決成功;如果eNB選擇①_1的結(jié)果后,UE反饋的結(jié)果仍然具有二義性,則eNB選擇①_2的結(jié)果作為本次的反饋結(jié)果如果UE下次反饋的結(jié)果不存在二義性,則本次預(yù)判決成功。如果UE仍然反饋的結(jié)果具有二義性,則eNB選擇第②類(lèi)進(jìn)行全部的重傳。eNB選擇①_1和①_2的流程相同。以隨機(jī)選①_1的判決為例,判決流程如圖2所示。

圖2 第①類(lèi)結(jié)果的判決流程

由文獻(xiàn)[8]可知,組合測(cè)試修正后的CQI表達(dá)式為:

其中,+1為對(duì)當(dāng)前TTI反饋的CQI參數(shù)的最終修正值;pi(n+1)為第i種單項(xiàng)預(yù)測(cè)方法在組合預(yù)測(cè)中的加權(quán)平均系數(shù),i=1或2,為第i種單項(xiàng)預(yù)測(cè)方法在第(n+1)時(shí)刻的預(yù)測(cè)值,i=1或2。其中,CQI的參數(shù)值單項(xiàng)預(yù)測(cè)1是采用指數(shù)平滑預(yù)測(cè)模型[10],單項(xiàng)預(yù)測(cè)2的關(guān)系表達(dá)式[11]為:

其中,2(n+1)為二次移動(dòng)平均預(yù)測(cè)值;2(n+1)為一次移動(dòng)平均值,即,{xi,i=1,2,…,n}為當(dāng)前TTI之前實(shí)際接收到的具有連續(xù)ACK回傳的n個(gè)CQI參數(shù)值;為二次移動(dòng)平均值,即為當(dāng)前TTI之前實(shí)際接收到的具有連續(xù)ACK回傳的n個(gè)CQI參數(shù)值所分別對(duì)應(yīng)的n個(gè)二次移動(dòng)平均預(yù)測(cè)值。

4 仿真結(jié)果與分析

TD-LTE系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 TD-LTE系統(tǒng)級(jí)仿真參數(shù)

4.1 系統(tǒng)誤塊率

在實(shí)際的商用設(shè)備測(cè)試中,測(cè)試20 000次并進(jìn)行次數(shù)統(tǒng)計(jì),反饋結(jié)果中①_1,①_2,②和全都是ACK這4種情況分別出現(xiàn)的次數(shù)比例約為1∶1∶1∶1,則依據(jù)概率論中的平均理論可以得到,①_1,①_2,②和反饋全都是ACK這4種情況概率相等,且均為0.25。按目前的方案把①_1和①_2都判為第②類(lèi),所以誤塊率為(0.25+0.25+0.25)×0.5= 0.375。而本文反饋算法的誤塊率則為 0.25× 0.25+0.25×0.25+0.25×0.5=0.25。因此,本文算法可使系統(tǒng)的誤塊率由37.5%降低到25%。即使4種情況不是等概率出現(xiàn),該算法仍然有效。因?yàn)樗惴ū旧砭哂虚]環(huán)控制功能可以進(jìn)行相應(yīng)的修正調(diào)整。由系統(tǒng)仿真曲線(xiàn)(如圖3所示)也可以看出系統(tǒng)誤塊率有一定程度的下降。

圖3 誤塊率變化對(duì)比

4.2 系統(tǒng)吞吐量

系統(tǒng)吞吐量表達(dá)式為:

其中,Ri(t)為第i個(gè)用戶(hù)的平均吞吐量[12]。

如表4所示,通過(guò)設(shè)置不同誤塊率與頻譜效率的高低門(mén)限值得出某時(shí)間段內(nèi)相應(yīng)的系統(tǒng)吞吐量,進(jìn)而找到設(shè)置需要的誤碼率和頻譜效率的最佳高低門(mén)限。

表4 BLER與Eff相關(guān)值對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)

在這個(gè)過(guò)程中,為了減少誤判,誤塊率的門(mén)限和頻譜效率的門(mén)限應(yīng)該比較嚴(yán)格,比如一般認(rèn)為用戶(hù)的誤塊率在10%以?xún)?nèi)是可以接受的,這里的誤塊率低門(mén)限應(yīng)該設(shè)置為1%附近,通過(guò)這種嚴(yán)格的判斷門(mén)限,確保判斷出來(lái)的用戶(hù)質(zhì)量保守一些。該算法不考慮DTX。

如圖4為不同情況下系統(tǒng)吞吐量的對(duì)比。在圖4中,Case_0對(duì)應(yīng)的是未進(jìn)行CQI修正之前吞吐量的走向;Case_1對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)是CQI進(jìn)行修正但沒(méi)有對(duì)HARQ反饋結(jié)果進(jìn)行判決的情況下吞吐量的統(tǒng)計(jì)值。由圖可知,進(jìn)行HARQ反饋結(jié)果判決算法,系統(tǒng)吞吐量有一定程度的提高。且在BLER的高低門(mén)限分別為10%,1%,Eff的高低門(mén)限分別為0.8,0.3時(shí),系統(tǒng)吞吐量最佳。

圖4 不同情況下系統(tǒng)吞吐量的對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

在TD-LTE系統(tǒng)中,當(dāng)用戶(hù)使用HARQ ACK/ NACK Multiplexing模式進(jìn)行反饋,且一個(gè)上行子幀對(duì)應(yīng)4個(gè)下行子幀時(shí),反饋結(jié)果存在二義性。因此,本文提出一種優(yōu)化HARQ ACK/NACK Multiplexing反饋方案的判決算法。該算法相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù),其主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在減小了數(shù)據(jù)誤判的次數(shù),提高了系統(tǒng)資源的利用率;基于UE空口質(zhì)量進(jìn)行判決,提高了判斷的可靠性;采用保守的判決門(mén)限確保結(jié)果準(zhǔn)確性,降低了誤判的概率;實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且具有良好的兼容性。考慮到本文僅針對(duì)M=4情況下的分析,其通用性還需進(jìn)一步驗(yàn)證。因此,以后研究的重點(diǎn)是如何高效驗(yàn)證該算法的通用性。

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編輯 任吉慧

Research on ACK Multiplexing Feedback Algorithm in TD-LTE System

SUN Ling-zhi,WEI Huai
(School of Electronic and Information Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

When the users adopt the HARQ ACK/NACK Multiplexing model feedback in TD-LTE,the PUCCH channel carries feedback results,which sometimes are ambiguous.So evolved Node B(eNB)cannot obtain the exact feedback results.Therefore,this paper puts forward a method called ACK/NACK multiplexing feedback results judgment algorithm based on User Equipment(UE)air interface quality,which judges the ambiguous feedback results to be more accurate.In the scheduling system,UE reports CQI/PMI/RI parameters as characterizations of UE air quality to eNB.And eNB amends reported CQI parameters,based on the parameters of each UE and the

UE Block Error Rate(BLER),which are output to the packet scheduler to decide which UE to be scheduled in next scheduling period. And through the corresponding platform simulations it proves that the algorithm can decrease BLER and increase the system throughput.

Long Term Evolution(LTE);hybrid automatic repeat request;feedback algorithm;Channel Quality Indicator(CQI);air interface quality;Block Error Rate(BLER)

1000-3428(2014)10-0104-05

A

TN929.5

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.10.020

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2012JBM001)。

孫靈芝(1987-),女,碩士研究生,主研方向:無(wú)線(xiàn)通信,光通信;魏 淮,副教授、博士研究生。

2013-10-06

2013-12-20E-mail:slz916@163.com

中文引用格式:孫靈芝,魏 淮.TD-LTE系統(tǒng)中ACK復(fù)用反饋算法研究[J].計(jì)算機(jī)工程,2014,40(10):104-108.

英文引用格式:Sun Lingzhi,Wei Huai.Research on ACK Multiplexing Feedback Algorithm in TD-LTE System[J]. Computer Engineering,2014,40(10):104-108.