结合载波聚合的HARQ进程映射机制研究

摘  要： 主要分析解决LTE-Advanced系统在引入载波聚合技术以后，HARQ（Hybrid Automatic Repeat request）进程映射机制的设计问题。简述了载波聚合技术的原理,介绍了载波聚合中的HARQ映射方式，并指出目前映射方式存在的问题；提出了一种减少反馈量的排序可变HARQ进程映射方案。仿真结果表明，新的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-Advanced; 载波聚合; 混合自动重传请求
   1 载波聚合技术概述
      LTE-Advanced系统要求更高的峰值速率，对比LTE系统的前一个版本，这一目标只能通过采用合理方式进一步增加传输带宽来实现。因此，LTE向LTE-Advanced系统的演进，将力争实现最大传输带宽超过20 MHz，以达到甚至超过100 MHz，且对下行链路和上行链路都应支持[1]。
     要实现传输带宽的扩展,且保持良好的频谱兼容性，载波聚合技术是一项值得关注的技术。它能够将多个载波作为基本成员载波聚合成一个更宽的频谱。每一个成员载波都将能够到达LTE终端，且能够提供LTE载波的所有功能。同时，一个支持载波聚合的终端将能够访问多个成员载波构成的整个聚合频谱，其带宽更大，相应的数据速率也更高。
      在LTE-A系统中,每个成员载波对应一个独立的数据流，成员载波之间数据流的聚合方案可以分成两种：成员载波的数据流在MAC层聚合和成员载波的数据流在物理层聚合[1]。
      成员载波的数据流在MAC层聚合：每个成员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成员载波，数据流的聚合是在MAC 层完成的。其中，每个成员载波都是独立设计的，维持每个成员载波原来的物理层结构，包括成员载波的位置，链路自适应和HARQ等，该模型可以看作是相同链路的聚合并且每个成员载波的开销相同，总的开销是一个成员载波开销的N倍，N是成员载波的个数。具体MAC层-物理层接口如图1所示。
   
       成员载波的数据流在物理层聚合,所有成员载波共用一个传输块。在空间复用的情况下，所有成员载波共用多个传输块。在不考虑空间复用的情况下，由于所有成员载波使用同一个传输块，需要重新设计RLC层中PDU的大小。所有成员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层结构发生冲突。接口模型如图2所示。
   
       比较来看，方案一的物理层/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。而方案二由于所有成员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，方案二不兼容LTE系统，也需要重新设计物理层/MAC层/RLC层。因此方案一更容易实现LTE向LTE-A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一。
2 HARQ进程与PDSCH/PUSCH映射
     在过去的RAN1#55bis会议上已经通过了MAC-to-PHY的映射关系，即每个调度成员载波有一个传输块(不考虑空间复用)和一个HARQ实体(单独的UE)；一个UE可以同时接收多个成员载波。
     考虑HARQ进程与成员载波的对应关系，目前HARQ进程与PDSCH/PUSCH(物理下行共享信道/物理上行共享信道)的映射主要有两种方式。
     (1)固定映射：HARQ进程与DL/UL(下行链路/上行链路)成员载波一一对应[2-3]。这种情况下，PDCCH与HARQ进程相关的内容与Rel8 LTE系统相一致。因此，下行链路每个成员载波需要3 bit用于指示HARQ进程号，这里3  bit是由于并行HARQ进程数为8个。如图3所示，第一次传输在CC B（成员载波B）上，对应B的8个HARQ进程(B,0~B,7)中的（B,4）。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)。图中的HPN表示HARQ进程号。
   
       (2)可变映射：HARQ进程设置与DL/UL成员载波灵活地映射[2-3]。它允许跨成员载波的重传，可以获得更高的频率分集增益和成员载波间灵活的调度增益。但是，每个成员载波需要附加「log2n?骎bit来指示HARQ进程对应的成员载波序号。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,则对应HARQ进程(B,4)。如果校验失败，发生重传，则需要计算最佳的成员载波，可以通过比较不同成员载波的信道质量等因素，将重传调度到新的成员载波上，如图4所示，重传调度到 CC C上，对应的HARQ进程仍然是（B,4）。
   
   3 减少反馈量的排序HARQ进程映射
     参考文献[3]说明了可变映射可以利用不同成员载波的信道特性，在重传数据时获得更大的增益，但是同时它也带来了更大的开销。因此，如何在利用不同成员载波提高性能的同时，节省系统开销，是非常值得关注的。本文以此为出发点，在可变映射的基础上进行了改进，通过仿真证实了方案的有效性，可以在保证提高系统性能的前提下，有效节省开销。
3.1 方案基本原理
     排序的思想在一定范围内有助于减少反馈量，在此基础上，对可变映射进行改进，设计了能够减少反馈量的排序映射机制，其基本思想是：用1比特指示是否改变成员载波，n比特指示最佳成员载波相对当前成员载波的顺序改变量，如果顺序选择的下一个成员载波质量不是最佳，则继续向再下一个成员载波跳变，调整到更好的成员载波上面，如果没有更好的，则不去调整。n的使用比特数可以根据系统需求动态调节。比如n=2时，若1比特指示为1,则n的取值为00,表示重传数据调整到下一个成员载波上传输;n的取值为01,表示调整到再下一个上，以此类推。而如果1比特指示为0，则n=2比特不用，可以节省下来给系统做其他用途，如增加CQI反馈等，这样就节省了反馈量。图5是方案的流程图。
   
       不同成员载波的信道质量通过指数有效信噪比映射(EESM)算法[4]得到，该方法可以将MIMO-OFDM系统子载波的信道质量映射到单一SINR上，其等效公式由式(1)给出。

其中，P是用户使用的子载波的数目,SINRp是第P个子载波的信号干扰噪声比，β是尺度因子，可以根据码率查表得到。EESM算法最初提出是用于OFDM系统信道质量的等效，在MIMO系统中，还要对不同天线进行等效[5]。
     得到不同成员载波的信道质量后，即可进行比较判断。如果没有其他成员载波优于本次传输所在的成员载波，则不进行调整；反之，进行寻优和指示。
3.2 1+n比特排序指示
     1+n比特排序指示，可以在保证性能的前提下节省部分反馈。1比特作为是否进行成员载波调整的指示；n比特作为具体调整结果的指示，采用排序的方式。当判断有其他成员载波优于当前成员载波时，1比特指示为1，通过n比特进行排序指示。当前面判断当前成员载波已经最优时，则不需要调整成员载波，1比特指示为0，n比特节省下来，由系统安排其他用途。
     如图6所示，假设初次传输采用成员载波CC B，对应HARQ进程（B,4）。如果发生重传，若n为1比特，则令n=0对应成员载波CC C，n=1对应成员载波CC D，CC A忽略。若n为2比特，令n=00对应成员载波CC C，n=01对应成员载波CC D，n=10对应成员载波CC A。具体存在的几种情况如表1所示，假设初始传输发生在成员载波B上。
   
       表1和表2介绍了n比特排序对应的具体规律。假设初始传输在成员载波B上，n为1比特具有两个状态:当成员载波为3个(ABC)时，可以指示除B外的其他两个成员载波，性能与可变映射相同，在发生重传时如果需要调整成员载波则开销和可变映射同样为2比特，但是如果重传不需要调整成员载波，则不需要指示调整到哪个成员载波上去，节省了1比特。虽然1比特不多，但这样的情况在所有重传中是占有一定比例的，所以节省是有意义的。当成员载波为4个时，n为1比特将忽略一个成员载波，n为2比特时将浪费n的一种状态，而通过仿真，四个成员载波时忽略其中一个可以达到优于固定映射而接近可变映射四个成员载波的效果，所以n只需一个比特，加上1比特指示，与Log24=2同样是2比特,但利用传输数据过程中出现的不调整成员载波状态，可以节省一些比特。对于上行信道来说，这些比特具有非常重要的意义，而仿真表明不调整成员载波的状态在所有重传中占有一定的比重。当成员载波为5个（ABCDE）时，n为2比特，共3比特指示与可变映射相同，但可以节省部分比特。当成员载波为6个（ABCDEF）时，忽略其中1个成员载波，n为2。值得注意的是，忽略的成员载波在每次重传时不一定是固定的，因为上次重传可能选择的成员载波是不固定的，这样顺序选择时忽略的也不固定。考虑系统的复杂度，成员载波数大于6时的开销很大，所以暂不分析。另外成员载波数为2，不需要1+n，只要1比特即可。
   
   
   4 仿真分析
     在Matlab2009上按照表3给出的条件,进行了HARQ映射方案的性能仿真。主要考虑了误块率(BLER)和平均传输次数的曲线，以及改进方案的节省比特情况。发送数据经过的信道具有信噪比从低到高的变化。每次出错重发时，该方案按照流程，首先比较成员载波的信道质量，如果有更好的成员载波，利用1+n比特顺序指示，控制重传调整到新的成员载波上。
     图7对固定映射、可变映射和本文改进方案的误块率性能进行了比较，成员载波数设置为4，n取1比特，反馈开销为2比特，与可变映射相同。仿真表明,改进方案可以得到优于固定映射、接近可变映射方案的性能，由于重传时才发生成员载波的映射调整，所以性能改善集中在低信噪比的区间。同时改进方案可以利用1比特指示没有发生成员载波调制的情况，节省这些情况下的n比特。对成员载波数为3和5的情况，n分别取1比特和2比特，性能显然和可变映射相同，因为所有其他成员载波都可以通过n来指示。同样,可以节省一部分比特反馈。
   
       图8比较了固定映射、可变映射和本文改进方案三者的重传次数性能，改进方案的重传次数在1+1比特指示4个成员载波的情况可以基本达到可变映射的性能，同样由于重传时才发生成员载波的映射调整，所以性能改善集中在低信噪比的区间。图9是对改进方案的比特节省情况的统计，这是可变映射没有达到的。从图9可以看到，在低信噪比的区间，重传次数较多，而这些重传中，有不小的比例存在映射不变的情况，也就是成员载波不需要调整。这些情况下，利用1比特指示设置为0，就可以将每次传输的n（这里为1）比特节省下来，或者用作其他用途。仿真及分析证实了性能同样可以得到提升。综合以上分析，改进方案可以达到预期的目标，即提高系统性能的同时，减少系统开销。
   
   参考文献
[1] 程顺川，郑瑞明. LTE-Advanced系统中载波聚合技术的性能研究[J]. 现代电信科技,2009,04(04):53-56,73.
[2] ZTE，3GPP TSG-RAN WG1 #55bis. R1-090084. Downlink data and control structure for LTE-A. 2009.01. http://www.3gpp.org.
[3] LG Electronics，3GPP TSG RAN WG1 #56bis.R1-091202.HARQ process mapping across aggregated component carriers.2009.04. http://www. 3gpp.org.
[4] 汪海明，艾萨·图玛拉. 多载波通信系统仿真中的EESM和MI-ESM方法[J].电讯技术, 2006(1):26-30．
[5] 聂永萍，张林，张忠培. 一种MIMO系统的链路到系统仿真映像方案[J]. 数字通信, 2009(1): 56-59.