5G上行链路退避HARQ模式

5G上行链路中基于竞争的传输的退避 HARQ

摘要

随着物联网（IoT）的迅猛发展，物联网设备之间交换的数据量以前所未有的规模增长，这对第五代（5G）网络提出了重要需求。当前的长期演进（LTE）系统无法高效支持大规模连接，尤其是在上行链路（UL）方面。基于竞争的传输能够在无需等待基站动态和显式调度授权的情况下发送数据包，在小数据包传输方面具有更低的信令开销、更低的延迟和更低的能耗，因而更为高效。然而，这可能导致较高的碰撞率和大量的重传。因此，需要一种新的低复杂度非成功传输恢复机制。本文针对5G上行链路中的基于竞争的（CB）传输，提出了一种新的混合自动重传请求（HARQ）模式，称为退避HARQ。在退避HARQ模式中，往返时间（RTT）被设置为更长的随机时间。通过设置更长的随机退避时间，可以获得更多的HARQ过程，并将重传信息推迟。我们通过系统仿真评估了所提出的退避HARQ模式，结果表明该新模式能够提供更优越的系统性能。

关键词 ：物联网（IoT） · 第五代（5G） · 基于竞争的接入 · HARQ · 退避

1 引言

物联网（IoT）是一种智能基础设施，由可通过互联网相互通信、与服务和人员通信而无需人为干预的可识别异构计算设备组成。幸运的是，3GPP称为新空口（NR）的第五代（5G）网络将需要高效支持一系列新服务，这些服务的特点是小数据包、海量连接、低延迟和高可靠性[1,2]。被称为长期演进技术（LTE）的4G网络采用严格的调度并且控制过程旨在为相对较少的用户提供高速数据服务。当前的LTE上行链路（UL）将不足以支持大规模连接，并因调度带来的显著信令开销而难以实现更高的频谱效率。此外，上行链路（UL）调度器的请求和授权过程会为传输引入额外的延迟。

基于竞争的（CB）传输是5G上行链路中小数据包传输的一种有前景的解决方案，具有信令开销低、延迟低以及支持大规模连接的优势[3–6]。但是，CB传输效率将受到数据包碰撞率的限制，该碰撞率随同时传输的数据包数量增加而增加，并与CB传输信道提供的传输机会数成反比。为了进一步提高传输效率，已提出在5G上行链路CB传输中采用带有先进接收机的非正交多址接入方案。一种称为ZC‐NOCA的非正交编码接入（NOCA）方案被用于5G上行链路中的基于竞争的传输。在该方案中，使用由扎多夫‐楚（ZC）序列生成的非正交码对数据比特在OFDM符号上进行扩频[7]。本文中的仿真基于基于竞争的NOCA场景进行。

已有一些关于HARQ的研究工作。文献[8]提出了一种称为Flexible HARQ的HARQ协议，该协议可根据不完美的信道状态信息（CSI）以及随ACK/NACK反馈一同发送的软解码信息，灵活分配重传数据和新传输数据的带宽。文献[9]提出了一种自适应HARQ（A‐HARQ）方案，其中重传在质量较好的子频带上进行，资源根据信道质量指示符（CQI）报告动态分配。文献[10]为支持超可靠低延迟通信（URLLC）的5G增强型移动宽带（eMBB）系统提出了一种新型HARQ方案。该方案在URLLC业务（例如道路上的事故告警信号）生成后立即通过打孔方式占用当前数据包的一部分进行传输以避免延迟，同时对丢失的数据包部分执行重传。

目前LTE系统中已有两种模式，即异步和同步HARQ模式。本文针对5G上行链路中的基于竞争的传输提出了退避HARQ模式。在此模式下，RTT被设置为一个较长的随机时间。通过该设置，我们可以获得更多的HARQ过程，并将重传信息推迟更长的随机退避时间。对于停等HARQ，在一个HARQ过程中，下一次传输是发送新数据还是重传旧数据，是在一次传输发生后的RTT时刻决定的。因此，通过更长的RTT，相同HARQ过程之间的时间间隔被延长了一个随机时间。通常情况下，最小化用户设备端的HARQ缓冲区内存需求非常重要。类似的目标已被用于优化单载波下的HARQ缓冲区内存管理。我们通过系统仿真评估了所提出的退避HARQ模式，以证明其优越的系统性能。

本文的其余部分组织如下：第2节介绍退避HARQ模式的动机。第3节介绍了退避HARQ模式的概述。退避HARQ模式的链路级仿真在第4节中给出。最后，我们在第5节总结全文。

2 退避HARQ模式的动机

一种提高传输可靠性的有效方法是使用混合自动重传请求，只要给定的截止时间足够长，该方法就足以满足大多数应用需求。然而，如果信道条件足够差，系统可能会达到4次HARQ重传的上限。在长期演进技术中，混合自动重传请求采用停等协议（SAW）方式进行。

典型的8毫秒LTE HARQ过程如图1所示。该过程包括在3毫秒内对接收的传输块进行解码、循环冗余校验（CRC），并分别针对解码成功或失败情况编码确认（ACK）/否定确认（NACK）反馈。随后将ACK/NACK反馈发送至发射端。发射端对接收到的ACK/NACK进行解码，分别构造下一个传输块或重传传输块，并在3毫秒内完成编码。然后发射端将下一个传输块或重传传输块发送至接收端，从而完成一次LTE HARQ往返过程。使用单一HARQ停等过程的一个问题是，在8毫秒的往返时间内大部分时间都在等待反馈。因此，LTE在上行链路中采用8个并行HARQ过程（同步），或在下行链路中最多采用8个并行HARQ过程（异步）。然而，对于5G上行链路中的基于竞争的传输，需要支持大规模连接，这些连接会竞争相同的时频资源。当前的LTE HARQ方法难以有效处理大量数据的重传。因此，需要一种新方法。

3 退避HARQ模式

混合自动重传请求使用停等协议发送数据。在停等协议中，发送方发送一个传输块后，停止并等待确认。接收方将使用1比特信息对传输块进行确认（ACK）或否定确认（NACK）。然而，每次传输后，发送方都会停止并等待确认，导致吞吐量较低。因此，长期演进技术采用多个并行的停等协议过程：当一个混合自动重传请求过程正在等待确认时，发送方可以使用另一个混合自动重传请求过程继续发送数据。这些混合自动重传请求过程共同组成一个混合自动重传请求实体，该实体结合了停等协议的同时允许数据的连续传输。我们已经知道，为了充分利用8毫秒往返时间，长期演进技术使用8个并行的混合自动重传请求过程。

为了应对大量的重传请求，在退避HARQ模式中将往返时间（RTT）设置为较长的随机时间。对于停等HARQ，在一个HARQ过程中，下一次传输是发送新数据还是重传旧数据，是在一次传输发生后的RTT之后决定的。因此，通过更长的RTT，相同HARQ过程之间的间隔被延长了一个随机时间。并且每个HARQ实体具有独立的退避时间。

例如在图2中，如果将RTT设置为10个TTI，即比标准LTE往返时间长2个传输时间间隔（TTI），则在TTI 1使用的HARQ过程将在TTI 11时可用。我们因此多获得了两个HARQ过程，并将重传信息推迟了两个传输时间间隔（TTI）。接下来，我们将通过系统仿真评估所提出的退避HARQ模式，以查看是否能够获得更好的系统性能。

含义	符号仿真	参数
载波频率	W	4 GHz
带宽	B	10 GHz
子载波带宽	K	15 kHz
上行接收机	M	LMMSE SIC
调制	S	QPSK
TTI持续时间	T	1 ms
## 4 仿真结果

在本节中，我们使用一个详细的系统仿真器分析了所提出的退避HARQ模式的性能，该仿真器在5G上行传输中采用基于竞争的NOCA。在我们的仿真中，用户设备（UE）经历距离相关的路径损耗、阴影衰落和快衰落，符合常用的3GPP仿真假设。每个HARQ实体可能经历8到12个传输时间间隔（TTI）的独立往返时间。我们在表1中列出了仿真中使用的仿真参数。

4.1 帧错误率（FER）

如图3和图4所示，在NOCA场景中，当接收天线数量为一或两个，且最大重传次数为6时，异步和同步HARQ模式的误帧率相同。因为在到达率较高时，不存在空过程，因此异步与同步HARQ之间没有差异。无论接收天线数量和用户设备的数据包到达率（PAR）如何，退避HARQ模式的误帧率始终低于其他模式。当PAR为200时，不同HARQ模式之间的最大差异约为2.68%。

在图5中，当用户设备的峰均比为100且接收天线数量为1时，我们观察了随着最大重传次数的变化，所有模式的误帧率。可以看出，退避HARQ模式也表现出更好性能。我们发现，最大重传次数越大，性能差距越大，符合预期。不同HARQ模式之间的最大差异为1.44%。

当接收天线数量为两个时，所有HARQ模式之间的差异较小，接下来我们将重点关注单个接收天线的仿真结果。并且由于类似的原因，我们仅观察异步和退避HARQ模式。

4.2 吞吐量

接下来，我们将所提出的退避HARQ模式与异步HARQ模式在用户吞吐量的平均值方面进行比较。从图6中可以看出，两者结果非常接近，但也可以发现退避HARQ模式的吞吐量始终更高。最大重传次数越大，吞吐量也越高。用户吞吐量平均值之间的最大差异为48.6kbps。

5 结论

本文提出了一种用于5G上行链路基于竞争的传输（CB transmission）的退避HARQ模式。在基于竞争的接入中，由于多个用户共享相同的时频资源，接收端到达信号可能会发生非正交碰撞，且当大量用户接入时，碰撞情况将更加严重。在停等协议中，采用了多个并行的停等过程。我们通过将往返时间（RTT）增加一个随机退避时间（0到4个TTI）来尝试解决该问题，此方法称为退避HARQ模式。已实现了退避HARQ模式的链路级仿真。仿真结果表明，所提出的退避HARQ的误帧率（FER）和吞吐量均优于同步HARQ模式和异步HARQ模式。追求更好性能将是未来的工作方向。