作為L(zhǎng)TE的演進(jìn)技術(shù)，LTE-A在對(duì)LTE技術(shù)保持兼容的同時(shí)，性能上也會(huì)得到很大的提升。LTE-A技術(shù)的目標(biāo)之一就是為用戶(hù)提供更高的數(shù)據(jù)速率，這就對(duì)移動(dòng)通信的可靠性提出了更高的要求，因此引入HARQ技術(shù)就顯得很有必要。

    HARQ技術(shù)是在一個(gè)ARQ系統(tǒng)中引入一個(gè)FEC系統(tǒng)，當(dāng)在FEC系統(tǒng)的糾錯(cuò)范圍內(nèi)時(shí)，則不需要使用ARQ系統(tǒng)，若FEC系統(tǒng)不能正常糾錯(cuò)時(shí)，則需要通過(guò)ARQ系統(tǒng)的反饋信息請(qǐng)求發(fā)送端重新發(fā)送錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)信息^[1]。合并算法是指接收端接收到數(shù)據(jù)后對(duì)接收數(shù)據(jù)所采用的處理方法，3GPP中規(guī)定了HARQ重傳合并技術(shù)有以下兩種：IR合并和Chase合并。本文將就合并方式進(jìn)行仿真分析，找出適用于LTE-A下行鏈路的HARQ合并算法，為L(zhǎng)TE-A基帶芯片的HARQ模塊設(shè)計(jì)提供一個(gè)最佳的實(shí)現(xiàn)方案。

1 HARQ合并算法描述

    LTE-A系統(tǒng)中HARQ合并模塊的完成是在去速率匹配之后，Turbo解碼之前（如圖1）。該模塊的目的是通過(guò)合并來(lái)提高傳輸數(shù)據(jù)的正確率^[2]。對(duì)于發(fā)送為重復(fù)的情況，為提高譯碼性能，接收端還需要完成重復(fù)合并。

LTE-A系統(tǒng)中HARQ重傳合并技術(shù)有IR合并和Chase合并兩種。

1.1 遞增冗余方案（IR）

    遞增冗余方案（IR）是以增加校驗(yàn)位來(lái)響應(yīng)重傳請(qǐng)求的一種方式。IR方案可以分為完全I(xiàn)R方案（如圖2）和部分IR方案（如圖3）。LTE-A系統(tǒng)中采用的是完全I(xiàn)R方案^[4]，它沒(méi)有系統(tǒng)信息位，重傳的數(shù)據(jù)完全由增量冗余位構(gòu)成，因此每次只能在接收重傳數(shù)據(jù)幀后先做合并，再通過(guò)增加信息冗余量來(lái)譯碼，方案本身并不具備譯碼能力。IR方案的原理如圖2、圖3所示。

    IR方案每次重傳數(shù)據(jù)幀都會(huì)引入新的校驗(yàn)信息位，接收端通過(guò)合并重傳數(shù)據(jù)幀方式，可以提高系統(tǒng)信息冗余量，降低系統(tǒng)誤碼率，提高系統(tǒng)吞吐量，以及改善系統(tǒng)的性能；但I(xiàn)R方案的調(diào)度、信令控制及上層控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度大，對(duì)存儲(chǔ)器的要求也相對(duì)較高。

1.2 Chase合并

    在發(fā)送端，Chase合并算法充分利用了時(shí)間分集增益性能，每次都發(fā)送相同的編碼信息；而在接收端，通過(guò)對(duì)接收的多個(gè)相同重傳編碼信息進(jìn)行信噪比(SNR)加權(quán)合并來(lái)獲得分集接收進(jìn)行譯碼^[5]。Chase合并的原理如圖4所示。

    Chase合并實(shí)現(xiàn)方法有兩種^[6]：等增益合并（EGC）和最大比合并（MRC）。

    由于Chase合并算法每次重傳的數(shù)據(jù)幀是一樣的，且采用加權(quán)合并方式譯碼，對(duì)存儲(chǔ)器的要求也不高，算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度又相對(duì)比較低，容易實(shí)現(xiàn)，因此本論文主要是對(duì)Chase合并算法進(jìn)行研究及仿真分析。

2 HARQ合并算法的仿真分析

    根據(jù)合并因子的不同可以分為以下兩類(lèi)：

    (1)等增益合并算法(EGC)——合并因子固定為1；

    (2)最大比合并算法（MRC）——合并因子為SNR。

    根據(jù)對(duì)打孔位的處理方法的不同又分為兩種：

    (1)不考慮打孔的合并方法（Normal算法）——直接合并，不對(duì)合并數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷；

    (2)考慮打孔的合并算法（Punch-Pos算法）——判斷不為零才進(jìn)行合并。

    這4種合并算法進(jìn)行組合后共可以得到4種合并算法：不考慮打孔的等增益合并算法、考慮打孔的等增益合并算法、不考慮打孔的最大比合并算法、考慮打孔的最大比合并算法。設(shè)R(i)為第i次合并后的數(shù)據(jù)，S(i)表示第i次重傳接收到的數(shù)據(jù)，N_re表示重傳次數(shù)，1≤N_re<N_max，N_max是最大重傳次數(shù)，則4種合并算法的表達(dá)式可用以下幾個(gè)式子表示：

    (1)不考慮打孔的等增益合并：

    下面將分別介紹4種合并方案的仿真結(jié)果。

2.1 仿真條件

    (1)天線(xiàn)配置：發(fā)送天線(xiàn)數(shù)為1，接收天線(xiàn)數(shù)為1，層數(shù)為1；碼字?jǐn)?shù)為1；

    (2)總共仿真了100個(gè)無(wú)線(xiàn)幀；

    (3)Turbo譯碼最大迭代次數(shù)：8；

    (4)最大重傳次數(shù)：4；

    (5)信道加噪方式：接收端加噪。

2.2 不打孔和打孔合并算法性能比較

2.2.1 等增益合并下不打孔和打孔合并算法性能比較

    以下仿真了等增益合并時(shí)，在高斯白噪聲(AWGN)、EPA5和EVA70 3種信道配置下，分別仿真了不打孔和打孔兩種合并算法的性能差異。

    圖5中HARQ Normal Combine Nofading(AWGN/EPA5 /EVA70)表示接收端采用的是不考慮打孔的等增益合并算法，HARQ Punch-Pos Combine Nofading(AWGN/EPA5/EVA70)表示接收端采用的是考慮打孔的等增益合并算法。

2.2.2 最大比合并下不打孔和打孔合并算法性能比較

    以下分別仿真了在高斯白噪(AWGN)、EPA5和EVA70 3種信道配置下，等增益不打孔和等增益打孔兩種合并算法的性能。

    圖6中HARQ MRC Normal Combine Nofading(AWGN/EPA5/EVA70)表示接收端采用的是不考慮打孔的最大比合并算法，HARQ MRC Punch-Pos Combine Nofading(AWGN/EPA5/EVA70)表示接收端采用的是考慮打孔的最大比合并算法。

2.2.3 仿真結(jié)果分析

    由以上的仿真可以看出，不論是采用等增益合并還是最大比合并，在AWGN、EPA5、EVA70信道下時(shí)，不打孔合并算法與打孔合并算法相比都有一定的增益，和參考文獻(xiàn)[7]中的仿真結(jié)果相同。出現(xiàn)這樣的結(jié)果是因?yàn)椴捎么蚩缀喜⑺惴〞r(shí)，如果某次傳輸過(guò)程中某個(gè)位置上的數(shù)據(jù)被打孔去掉了，假設(shè)該位置上的數(shù)據(jù)在上次傳輸中沒(méi)有被打掉，默認(rèn)這次傳輸過(guò)程中這個(gè)位置上的數(shù)據(jù)與上次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)完全相同，經(jīng)過(guò)人為的處理后進(jìn)入譯碼的信息可能會(huì)有所丟失，所以性能也會(huì)有所損失。

2.3 等增益合并和最大比合并算法性能比較

2.3.1 采用不打孔合并算法時(shí)等增益合并和最大比合并性能比較

    以下分別仿真了在高斯白噪(AWGN)、EPA5和EVA70 3種信道配置下，等增益不打孔合并算法和最大比不打孔合并算法的性能。

    圖7中HARQ Normal Combine Nofading(AWGN/EPA5/EVA70)接收端采用的是不考慮打孔的等增益合并算法；HARQ MRC Normal Combine Nofading(AWGN/EPA5/EVA70)接收端采用的是不考慮打孔的最大比合并算法。

2.3.2 采用打孔合并算法時(shí)等增益合并和最大比合并性能比較

    以下分別仿真了在高斯白噪(AWGN)、EPA5和EVA70 3種信道配置下，等增益打孔合并算法和最大比打孔合并算法的性能。

    圖8中HARQ Punch-Pos Combine Nofading(AWGN/EPA5/EVA70)接收端采用的是考慮打孔的等增益合并算法；HARQ MRC Punch-Pos Combine Nofading(AWGN/EPA5/EVA70)接收端采用的是考慮打孔的最大比合并算法。

2.3.3 仿真結(jié)果分析

    從仿真結(jié)果圖7和圖8中可以看出，不論是采用不打孔還是打孔合并算法時(shí),最大比合并相對(duì)于等增益合并幾乎是沒(méi)有性能增益。

2.4 推薦的合并算法方案

    鑒于以上的分析可知，不打孔算法相對(duì)于打孔而言有一定的性能增益，算法實(shí)現(xiàn)起來(lái)又比打孔簡(jiǎn)單，所以推薦使用不打孔合并算法；至于采用最大比合并還是等增益合并算法，仿真結(jié)果顯示采用SNR作為最大比合并的合并算法相對(duì)于等增益合并沒(méi)有很明顯的性能增益，所以建議采用等增益合并算法，總結(jié)起來(lái)：接收端采用不考慮打孔的等增益合并算法的性能增益最佳。

    本文首先對(duì)HARQ合并算法進(jìn)行描述，簡(jiǎn)單了解了HARQ的兩種合并方式：IR合并和Chase合并；其次對(duì)HARQ的4種合并算法進(jìn)行了仿真分析及研究，最后得出：在LTE-A下行鏈路系統(tǒng)中，不打孔等增益的合并算法的性能增益最優(yōu)。

參考文獻(xiàn)

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[3] 3GPP TS36.212，3rd Generation Partnership Project.Multiplexing and Channel coding[S].v10.3.0 2011，09.

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[5] CHASE D.Code combining: A maximum likelihood decoding approach for combining an arbitrary number of noisy packets[J].IEEE Transactions on Communications，1985，33(5)：385-393.

[6] GARG D，ADACHI F.Rate compatible punctured Turbocoded hybrid ARQ for OFDM in a frequency selective fading channel[C].IEEE Vehicular Technology Conference，F(xiàn)lorida，2003，IEEE VTC，2003：22-25.

[7] 劉琦.WCDMA HSUPA中關(guān)鍵技術(shù)的研究和實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2008.