TD-SCDMA 终端测试仪 HARQ 实体的设计

　　

【摘要】HARQ 技术是 HSDPA 系统中的关键技术，它使得 HSDPA 系统获得更高的吞吐量
和更小的时延。本文介绍了 3GPP 建议的所有 HARQ 方案，并阐述了 TD-SCDMA 系统中采
用的 HARQ 方案及其特点。随后对 TD-SCDMA 终端测试仪中 HARQ 实体的各个功能进行 了分析，并提出了设计及实现方案。
关键词：TD-SCDMA；HSDPA；HARQ；无线链路控制

Abstract:
HARQ technique is one of the key techniques in HSDPA system. It can improve the system to achieve high throughput and reduce delay. This paper introduces all the HARQ schemes advised by 3GPP, especially the scheme in TD-SCDMA system. Then analyses the functions provided by HARQ entity in TD-SCDMA Communication Test Set, and presents the blue print of HARQ entity.

Keywords: TD-SCDMA, HSDPA, HARQ, Medium Access Control

1．引言
我国自主开发的3G 标准TD-SCDMA 即将投入商用[1] ，其产业链也逐步形成，其中
TD-SCDMA终端测试仪作为产业链上的一部分发挥s着重要作用。但随着技术的不断更新， 对TD-SCDMA终端测试仪的要求也不断提高[5]，其中HSDPA技术就是一项新的挑战。
HSDPA 是 3GPP R5 中定义的一项增强型技术，用于进一步提高下行链路的数据吞吐 量[3]。HSDPA 适用于FDD（频分双工）和TDD（时分双工）两种双工模式，在TDD双工模 式下运行的HSDPA系统也称为TDD-HSDPA系统。
无线移动信道由于时变和多径导致衰落，常具有较高的误码率[2]。HARQ作为HSDPA中 关键技术，其基本原理是，通过前项纠错（FEC）和自动重传请求（ARQ）两种差错控制方 法以确保服务质量（QoS）。这种混合ARQ方案（HARQ），即可以减少了FEC产生的不必要 的开销，又可以保证了一定的通过量和时延，因此被3GPP HSDPA技术采用。
本文结合TDD-HSDPA系统特性，对该系统的HARQ方案进行了研究。根据TD-SCDMA 标准，对TD-SCDMA终端测试仪中的HARQ实体的各个功能进行了分析，并提出了相应的解 决方案。
2．混合ARQ类型和标准ARQ协议的选择
3GPP 建议了 3 种基本的混合 ARQ 类型，I 型，II 型和 III 型。三个标准 ARQ 协议是 SAW 停等协议,GBN 回退 N 协议和 SR 选择性重传协议。3GPP 建议在 TDD-HSDPA 系统 中采用 SAW 重传协议，HARQ-II/III 型混合 ARQ。
2.1 混合 ARQ 类型的选择
三种类型的相同点是都进行 FEC 编码和 CRC 效验，接受端进行 FEC 译码和 CRC 效验， 如果分组有错则请求重传；不同点是 HARQ-I 放弃错误分组，重传分组与已传分组相同，没 有组合译码。HARQ- II 错误分组不被丢弃，而与重传分组组合进行译码，重传分组和已传 分组的格式和内容可以不同。HARQ-III 因为采用 CPC 码(互补的打孔卷积码) ，每个已传 分组与重传分组都能进行自解码；每次重传可有不同的冗余产生(不同的比特打孔) ，也可 有相同的冗余产生(相同的 FEC) ，此时与 HARQ-I 的操作类似，但错误分组要被存储在收 端，以便与重传分组结合。
表 1 给出了三种混合 ARQ 类型的比较。

从表 1 中可以看出 HARQ-III 型有更高的智能性，而且有更高的通过率，虽然对于 UE
端存储容量有一定的要求，但 3GPP 在 TDD-HSDPA 系统中还是选择了 HARQ-III 型。
2.2 标准 ARQ 协议的选择
三个标准 ARQ 协议是 SAW 停等协议，GBN 回退 N 协议和 SR 选择性重传协议，三 种协议的特点分别概括如下：
SAW 停等协议：发送端发送一个数据分组后等待接收端确认，如果传输错误则重传， 直到成功传输才继续下一个数据分组的传输。
GBN 回退Ｎ协议：发送端发送Ｎ个数据分组后等待接收端确认，如果某个数据分组传 输错误，则其后Ｎ个数据分组都会重传。
ＳＲ选择性重传协议：发送端发送Ｎ个数据分组后等待接收端确认，如果某个数据分组 传输错误，则只重传错误的分组。
三种 ARQ 基本机制中，SAW 停等协议最简单，也是对信头要求最少的协议。协议的 正确性由一比特(用来表示当前和下一个数据分组) 信息就可以表述。所以，它的控制头很 小，确认头也很小(因为无论是 ACK 或 NACK 都仅用 1 比特数据)。而且，因为一次只能传 送一个数据分组，所以对用户端存储容量的要求就很小。
所以 3GPP 的 HSDPA 信道采用 SAW 停等协议可以在减小信令总带宽和用户存储容量 方面得到明显的改观。但是，SAW 有一个很大的缺点：不能及时得到确认信息，发端必须 在发送下一个数据分组前等待上一个数据分组的确认信息。在等待期间，信道闲置而且浪费 系统容量。这样，就希望能结合 SAW 最小复杂度和 SR 有效通过率的特点,于是有了 N 信 道停等协议，即通过设置并行停等协议的信道数 N 来提高通过率。它的特点是：一个连续 的传输流在时间上分为 N 个子信道，即 N 个进程（HARQ process），而每个进程独立地执行 停等重传协议。

图 1 N 信道停等协议示意图
Fig1 Sketch map of N channels SAW protocol
3．HARQ实体的功能设计
在 UTRAN 侧每个 UE 有一个 HARQ 实体[4]。每个 HARQ 实体有 N 个 HARQ 进程，一
般 N=4。每个 HARQ 进程都有一个进程号（HARQ process identifier），进程号用来使发端和 收端的进程相匹配。HARQ 实体为每一个 MAC-hs PDU 设置进程号，即 HARQ 实体选择一 个合适的进程为每个 MAC-hs PDU 服务。

3.1 维护 HARQ 进程的状态转换
为每个 HARQ 进程维护状态机是 HARQ 的主要工作，它保证 HARQ 各项功能的实现。 状态维护是通过将进程号放入不同的队列来实现的。共有三个队列，为空闲队列，等待回复 队列，等待重传队列，分别对应空闲状态、等待回复状态和等待重传状态。 当发送新的 Mac-hs PDU 时，HARQ 为此 PDU 分配一个处于空闲状态的进程，此时进 程的状态转化为等待回复状态，此进程的进程号被放入等待回复的队列中，并将此进程与 PDU 绑定在一起。HARQ 存储 PDU 以备重传。
当收到反馈信息为 ACK 时，解除进程与此 PDU 的绑定，使此进程重新进入空闲状态。 由于已正确传输，HARQ 删除存储的 PDU 数据。当收到 NACK 时，保持进程与 PDU 的绑 定，使此进程进入等待重传状态。
当调度决定重传某个 PDU 时，HARQ 在等待重传的队列中找到此 PDU 及其绑定的进 程，使此进程进入等待回复状态，此时仍保持此进程与 PDU 的绑定。
当调度决定放弃重传某个 PDU 时，HARQ 在等待重传的队列中找到该 PDU 及其绑定 的进程，解除进程与 PDU 的绑定，使此进程进入空闲状态。HARQ 删除存储的 PDU。

图 2 HARQ 进程的状态机转换
Fig2 States switch of HARQ process
3.2 发送 Mac-hs PDU
图 3 给出了 HARQ 实体发送数据的流程。每个 HARQ 进程（process）都有一个 New data indicator，它被用来区分新数据和重传数据。当传新数据时将 New data indicator 加 1，重传 旧数据时不变。


图 3 HARQ 发送数据流程图
Fig3 Flow control of HARQ sending data
3.3 处理来自 UE 的反馈
接收到手机的反馈后，HARQ 实体需保证对应正确的发送顺序，因为手机的反馈信息 不包括此 PDU 的进程号，所以 HARQ 实体默认反馈是按发送时的顺序返回的。在等待回复 的队列中，PDU 是按发送的顺序存储的。这样，每次手机的反馈被认为对应于等待回复的队列中的第一个 PDU，即最早发送但还未收到回复的 PDU。如图 4 所示。图 5 给出了 HARQ
处理反馈的流程。

图 4 HARQ 处理反馈对应关系
Fig4 Corresponding relation of feedbacks in HARQ

图 5 HARQ 处理反馈流程
Fig5 Flow control of handling feedback of HARQ
4．总结
本文通过分析 HARQ 技术的特性，给出了 TD-SCDMA 终端测试中 HARQ 实体的设计 和实现方案。此方案对 HARQ 技术分析透彻，很好的实现了 HARQ 实体所要完成的所有功 能。对于实际网络中的 HARQ 技术的实现有一定的参考价值。

参考文献
李世鹤．TD-SCDMA 第三代移用通信系统标准［M］． 北京：人民邮电出版社，2003．
彭木根，王文博．TD-SCDMA 移动通信系统［M］． 北京：机械工业出版社，2005．
3GPP TS 25.308 ． High Speed Downlink Packet Access (HSDPA); Overall description; Stage 2
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［S］． Europe：3GPP，2007．
[4] 3GPP TS 25.321．Medium Access Control (MAC) protocol specification［S］． Europe：3GPP，2007．
[5] 3GPP TS 34.122．Terminal Conformance Specification; Radio Transmission and Reception［S］． Europe：
3GPP，2005．