基于Matlab的HARQ跨层仿真系统改进

刘高华， 苏寒松， 支 雯， 曾兆权， 刘 琳

(天津大学 a.电子信息工程学院; b.电气电子实验教学中心，天津 300072)



基于Matlab的HARQ跨层仿真系统改进

刘高华a,b， 苏寒松a,b， 支 雯a， 曾兆权a， 刘 琳a,b

(天津大学 a.电子信息工程学院; b.电气电子实验教学中心，天津 300072)

基于长期演进(Long Term Evolution,LTE)协议，以混合自动重发反馈(Hybrid Automatic Repeat Request,HARQ)技术为核心，运用物理层抽象的基本方法，对传统的HARQ机制进行改进，以Matlab为平台进行模拟仿真，编程建立通信系统模型。对改进后的HARQ机制在LTE媒体访问控制层(Media Access Control,MAC)及物理层中进行通信全过程的系统模拟仿真，以吞吐量和误块率为衡量指标，与非HARQ情况下LTE的通信质量进行性能对比。得出不同信道环境下MAC层HARQ对LTE系统性能优化的程度，指导实际LTE系统的升级优化。实验结果及HARQ仿真系统可以运用在LTE系统性能的评估上，且对HARQ的教学具有重要的实践意义。

LTE； HARQ仿真系统； Matlab仿真； 系统优化

0 引 言

在LTE协议栈中，无线链路控制(Radio Link Control, RLC)层引入了自动重传请求(Automatic Repeat Request, ARQ)机制，但是如果仅采用ARQ机制，会带来不确定的时延，并且仅仅依靠上层ARQ来纠错不一定能达到所需误码率的要求。所以在LTE中引入了MAC层和物理层(Physical Layer, PHY)的HARQ机制，以克服时延的缺点，主要应用在对时延和误码率敏感的业务中[1]。HARQ机制在LTE系统中的RLC层、MAC层和PHY层都会有应用，相对密集的应用可以克服由于信道质量和系统缺陷带来的错误，保证整个通信系统的服务质量[2]。HARQ机制根据重传内容、重传方式的不同，可以分为很多类别，本文在分析了不同种类HARQ机制的工作方式后，对传统的HARQ机制进行改进，并且基于Matlab平台对LTEHARQ系统及其改进系统进行仿真，得出相应的曲线图，对结果进行分析，得出实验结论，为LTE系统应用及HARQ实践教学提供参考，并为电子专业实现多层次实践教学体系结构提供创新技能训练项目[3-4]。

1 HARQ技术原理

1.1 HARQ技术背景

由于无线信道有衰落的特性，导致了数据传输的不可靠性。为了保证端到端的QoS，无线通信系统中的数据链路层就要通过一些数据链路层协议，在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输，因此差错控制协议成为数据链路层最重要的协议之一[5]。

1.2 两种差错控制方式[6]

(1) ARQ, 当接收端检测到接收的信息有错后，向发送端发送错误信息，发送端对错误的数据帧进行自动重传，以达到纠错的目的。其优点是可靠性高，缺点是时延严重。

(2) 前向纠错(Forward Error Correction，FEC)，在传输信号中引入冗余，发送数据帧包含前向纠错编码，当接收端检测到接收信息有错时，可通过计算确定差错的位置并自动加以纠正。其优点是延时小，缺点是纠错能力有限，为了得到较高的可靠性引入了较多冗余比特，从而降低了吞吐量。

1.2 HARQ技术介绍

HARQ是采用FEC和ARQ结合的混合方式，FEC部分主要纠正信道中经常出现的错误以减少重传次数，提高系统通过效率。ARQ部分主要纠正不经常出现的、FEC不能纠正的错误，提高系统的可靠性。两者结合可以对一定差错范围内的错误进行纠正，当超过FEC纠错能力时，则通过发送端重传的方法加以纠正[7]。对两种差错控制方式的优缺点进行了折中，通过发送附加冗余的纠错编码信息和出错重传两种方式互补，结合适应无线信道的时变特性，显著提高了频谱效率和系统吞吐量，同时间接扩大了系统覆盖范围。

根据重传内容不同，可以分为三种：HARQ-I型、HARQ-II型和HARQ-III型。表1总结了不同HARQ协议的工作方式以及各自优缺点。

表1 不同重传内容HARQ协议性能比较

根据重传方式不同[8]，也可以分为三种：停止等待型，后退N帧型，选择重传型。图1总结了三种重传方式的工作过程。而LTE中的HARQ并没有采用以上经典的三种重传机制，而是沿用了3.5 G的高速分组接入(High Speed Packet Access, HSPA)就开始应用的N通道停等式HARQ，这种方式综合了停等式和选择重传两者的优点[9]。

停止等待型后退N帧型选择重传型

图1 不同重传方式HARQ协议性能比较

所谓的N通道停等式HARQ，即发送端在信道上并行地运行N套不同的停等式协议，利用不同信道间的间隙来交错地传递数据和信令，从而提高了信道利用率。这种方式采用并行停等协议的方案，也就是在第一个信道闲置时运行另外的独立的HARQ，这样在前向信道传送数据的同时反向信道就可以传送确认信息，便不会造成系统容量的浪费。

在LTE系统中，MAC层的HARQ模块位于MAC中最靠近物理层的位置[10]，LTE中的HARQ其实是跨层的，它包括MAC层的控制部分以及物理层的编码以及速率匹配等冗余版本产生的部分[11,12]。在MAC层中HARQ负责多进程管理，对接收到的ACK/NACK进行相应的处理，指示物理层产生冗余版本等[13]。而冗余版本的生成以及接收端的软合并都是通过物理层来实现的[14-15]。所以说，不能单纯研究MAC层的HARQ，要对MAC层的HARQ进行仿真，还需要模拟物理层通信过程。本文对首先对HARQ机制的进行改进，然后实现了HARQ仿真系统，并在此基础上将改进的系统实现。电信类专业学生的相关理论创新可以以本系统为实验平台，进行仿真实现。

2 对MAC层HARQ系统机制的主要改进

在实际系统中HARQ传输的工作方式，首先上层数据经过逻辑信道复用，根据本次传输大小组包后，形成MAC PDU之后，作为一个传输块(Transmission Block，TB)，然后交给HARQ进行传输。HARQ的传输又要通过调度模块调度、用户端信道质量指示符(Channel Quality indicator，CQI)反馈、业务测量以及综合QoS、指示HARQ的编码传输方式以及调度方式等信令之后，HARQ才开始一次传输或重传。接收端收到一个TB之后，接收端物理层对TB进行解调、解码等处理，最后通过循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check，CRC)来判断接收信息的正误。如果CRC校验结果表明传输的TB有错，就发送端发送NACK，请求重传出错的TB。整个过程中只要有一个错误出现就要对整个TB进行重传，对于同一个TB没有出错的数据来说也要进行重传，这种工作方式无疑增加了整个系统的数据流量，增加系统负担，降低系统效率。

下面提出改进的方案，由于HARQ在重传时将整个TB都传，TB的数据量是非常大的，因此可以将TB进行分成几段，把一个长度较大的TB划分成几个长度较短且长度相等的码块单元(可进行三等分)，在接收端对码块单元进行校验，若在传输时出现错误，则重传出错的码块单元，而不是将整个TB全部重传。提出这种解决方法，能预期的优点有以下几点：

(1) 减少重传数据量，降低系统负担，提高效率；

(2) 减少通过信道的数据量，降低在相同信噪比条件下数据的出错概率；

(3) 通过对TB分段，传递每单位信息所要传输的比特数就会降低，从而整个系统的吞吐量就会提高。

本文在改进的HARQ方案实现之前，需要实现HARQ仿真系统，该HARQ仿真系统包括通信原理教学中提到的数据处理过程，可为教师在HARQ及通信原理教学中提供实践教学仿真素材，使学生更加具体地理解HARQ原理。图2是HARQ跨层仿真系统框图，下面将详细介绍每个步骤的实现函数进行说明。

2.1 基站端

(1) 比特生成。利用数据产生接口函数生成指定序列长度的二进制数，放在一个矩阵中成为一个TB，将其作为发送端的信息比特。通过随机序列生成函数得到一系列二进制信息，模拟发端数据的发送。

图2 HARQ跨层仿真系统框图

数据产生函数实现：a=TB_generator(sizeTB)，sizeTB表示生成的二进制序列长度a表示存储得到的二进制序列。

(2) 添加CRCA校验。以校验多项式为除数的多项式除法。校验多项式为：

gCRC24A(D)=D24+D23+D18+D17+D14+D11+D10+D7+D6+D5+D4+D3+D+1

CRC校验利用线性编码理论，在发端根据二进制码序列以一定规则产生一个校验用的监督码附在信息位后面，把整个码序列发出去，在收端根据信息码和CRC码之间所遵循的规则进行检验，以确定传输是否出错。

CRCA校验函数实现p=crc24a(c)，c表示需要进行CRC校验的信息；p表示进行CRC校验的校验位，由低位到高位排列。

(3) 码块分割及添加CRCB校验。对输入的第iUE个用户的iTB个传输块进行码块分割。如果输入序列长度大于码块长度，就需要对输入序列进行码块分割，并且在每一个编码块的后面添加长度为24的CRC校验序列，即进行第二次校验。在本系统的仿真中，直接将TB分成两或三个等长的码块单元，分割后再对数据添加CRC24B校验。对码块单元添加CRC校验码即CRCB校验码，它与CRCA校验码添加方式相同，不同之处只是在于校验多项式不同，CRCB校验多项式为：

gCRC24B(D)=

D24+D23+D6+D5+D+1

函数实现：c=codeblock_segment(b,iUE,iTB) 实现对输入的第iUE个用户的第iTB个传输块进行码块分割。b表示原始信息加CRC24A后的数据，iUE表示第i个用户，iTB表示第i个传输块。

(4) Turbo编码。在LTE系统中PDSCH所采用的信道编码方式时Turbo编码[7]，因为Turbo码不仅在信道信噪比很低的高噪声环境下性能优越，而且还具有很强的抗衰落、抗干扰能力，因此在信道条件差的移动通信系统中有很大的应用潜力，在IMT-2000中已经将Turbo码作为其传输高速数据的信道编码标准。

函数实现：en_output = turbo_encoder(c)，c表示待编码的信息比特，en_output表示编码输出数据。

函数实现：alphaInternal = internal_leaver_par(Ki)，实现turbo编码内交织序列生成，Ki表示交织序列大小，alphaInternal表示交织序列。

(5) 速率匹配。主要目的就是让系统要求的数据传输量和实际信道传输环境下系统能够传输的数据量进行匹配[2]。当系统所需要的数据量大于实际所能传输的最大数据量时就要对传输的数据量进行分批次传输以配合系统资源容量，当系统所要传输数据量小于实际承载能力时么可以对所要传输的数据进行累积，一次传输多组数据，避免系统资源浪费。

函数实现：e=rate_match(d,iUE,iTB,iCB)，实现速率匹配实现，包括子块交织，比特收集，比特选取和凿孔，d表示接收来自turbo输出的3个流数据，iUE表示第i个用户，iTB表示第i个传输块，iCB表示第i个码块，e表示速率匹配后输出。

(6) 码块级联。这个步骤就是将经过速率匹配的两个TB连接在一起，组成一个长度是原来两倍的新的TB。

(7) 加扰。利用加扰接口函数实现比特级加扰。加扰的实质就是用扰码序列和输入比特块进行模二加，也就是说，扰码序列为1时对输入比特取反，扰码序列为0时输入比特不变。

对于小区而言，在信道编码和交织后，不同小区分别对其传输信号进行加扰，如果没有区别加扰，UE的解码器可能无法分辨接收的信号来自本小区还是其他小区，导致它可能对本小区信号进行解码，也有可能对其它小区信号进行解码，使得性能降低。小区专属加扰可通过不同的扰码对不同小区进行区别加扰，降低干扰。加扰并不影响带宽，但能提高性能。

函数实现：scramblBits=scramble(codeBit,iCW,RNTI,iSubFrame,cellID)，实现：比特级加扰函数，codeBit表示加扰的输入比特，iCW表示第iCW个码字，RNTI表示无线网络临时标识，cellID表示小区号，scramblBits表示加扰后的输出比特。

(8) 调制。调制是对加扰后的信息比特进行调制，得到调制的复值符号。在实验仿真过程选择了Qm=4，即16QAM的调制方式。此函数将4 bit信息映射到一个星座点，并对输出符号归一化。归一化是为了保证统计上每个符号的能量为1。

函数实现：modSymb=modulation(signal,Qm),实现对加扰后的信息比特进行调制，得到调制的复值符号。PDSCH可用的调制方式有：QPSK、16QAM、64QAM，signal表示二进制符号，Qm表示调制方式对应的比特，modSymb表示调制的输出符号。

2.2 信道

高斯信道是通信系统中最为基本的一种信道，在本HARQ仿真系统选择高斯信道主。利用Matlab软件中的awgn函数，能够很容易地产生一个任意信噪比的高斯信道。

2.3 UE接收端

(1) 解调。对接收信号进行调制，因为在调制过程选择了16QAM调制方式，故解调过程选择16QAM解调。

软解调的函数实现：demode_data = de_modulate(receive_signal,Qm)，实现对接收到的信号进行调制，解调的方式由Qm决定，Qm为2进行QPSK解调，Qm为4进行16QAM解调，Qm为6进行64QAM解调，receive_signal表示调制输入信号，Qm表示调制方式对应的比特数，demode_data表示存储解调后的结果。

(2) 解扰。同加扰原理相同，都是用扰码序列和输入比特块进行模二加也就是说扰码序列为1时对输入比特取反，扰码序列为0时输入比特不变。只是使用函数变化。

(3) 去码块级联。对解扰后的数据，根据分块的大小和个数，按顺序取出每个分块数据。

(4) 解速率匹配。在去码块级联后，对每个分组即码块单元的E(前面定下的速率匹配的长度)个符号进行解速率匹配操作。解速率匹配算法实际上就是速率匹配的严格逆过程，即：比特填充、比特分离、子块解交织。

解速率匹配函数实现：d=de_rate_match(e,iUE,iTB)，实现去速率匹配，e表示速率匹配输入符号,iUE表示第iUE个用户，iTB表示第iTB个传输块，d表示去速率匹配得到的符号。

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(5) Turbo解码。Turbo码的一个重要特点是在译码时采用了迭代译码思想，采用迭代方式的Turbo码译码可以达到接近Shannon理论极限的性能。

Turbo解码函数实现：decodedBit=turbo_decoder(preDecodeBit,SNRdB)，实现Turbo解码，preDecodeBit表示译码器输入的软信息，SNRdB表示信噪比，ecodeBit表示解码输出比特信息，L_all表示概率对数似然比值。

(6) 码块合并与CRC校验。这一步主要是为了做解CRC24A，CRC24B处理。根据码块数，对输入的数据进行解码块单元CRC(CRCB)、码块合并及解TB CRC(CRCA)。在仿真系统中发送端CRC处理过程采用双层或三层CRC结构，这样做的优点是在接收端发现一个码块单元译码错误后就停止译码，马上要求重传，从而避免了后续码块单元译码的无谓功率消耗，同时节省了处理时间，提高单位时间内系统吞吐量。

解CRCA的函数实现：err=crcCheck24a(input)，实现解CRC24A处理，input表示经过CRC处理的信息矩阵，前面为信息位，后24位为CRCA校验位，err表示指示器，0代表正确，1代表错误。

解CRCB的接口函数表示err=crcCheck24b(input)，实现解CRC24B处理，input表示经过CRC处理的信息矩阵，前面为信息位，后24位为CRCB校验位，err表示指示器，0代表正确，1代表错误。

2.4 HARQ模块

HARQ模块在整个仿真系统中是一个逻辑上的模块，在仿真程序中并没有用单独命名的模块函数体现。当接收端CRCB或CRCA未检查出错时，则将校验结果发送给接收端的比特产生模块，进行下一个TB的产生和传输。若检测出一个码块单元出错时，则停止后续译码。立刻向发送端的Turbo编器发送请求进行重传。Turbo编码器在对上一个T码B或码块单元编码时，会将其编码结果存储到一个矩阵中，当收到来自CRCB或者CRCA的出错重传请求时，便会将缓存矩阵中的码块单元向下一个环节进行传输，经过速率匹配，码块级联和加扰处理，最终经过高斯信道传输到接收端，在接收端的解调模块中，也有一个缓存矩阵，将重传来的TB或者码块单元进行存储，这里是因为，本HARQ仿真系统采用的是HARQ-I型中的Chase合并方式，即将多次重传的相同TB或码块单元进行相加，然后求均值，最后再进行解调，通过解调模块中的缓存器能够进行多次重传数据的存储，便于数据的合并。

3 系统性能衡量指标

3.1 误块率

于是得到SNR=3 dB条件下的平均误块率，再逐一在不同SNR条件下进行仿真计算，从而得到不同条件下系统的BLER。

3.2 吞吐量

吞吐量(Throughput)广义的定义为对网络、设备、端口、虚电路或其他设施，单位时间内成功地传送数据的数量，可以理解为网络或者系统的正确传输速率。

在一个固定SNR时，对于重传TB的情况吞吐率(ThroughputRatio)定义为：

3.3 平均传输次数

假设在一个固定SNR的条件下传输10 000个TB，那么，对于重传TB的情况[6]：

对于重传码块单元的情况公式与重传TB情况相同。

传输的总次数与计算吞吐率中传输的总次数计算方法相同。

4 仿真结果及分析

在本次实验仿真中，在不同SNR条件下，进行了四方面的仿真。

4.1 合并模式与非合并模式

实验中均采用重传TB方式，可发现重传合并TB的误块率要比重传非合并的误块率低，在SNR低，信道质量较差时，重传合并TB性能提高更好(见图3)。

图3 HARQ重传合并模式和重传非合并模式

重传合并方式在图3中BLER明显低于重传非合并TB模式，且在信道质量越差的情况下，提高越明显。随SNR提高，BLER差值越来越小，这主要是由于在SNR越高情况下，一次传输正确的概率明显增大。

4.2 重传TB模式与重传码块单元模式比较(见图4、表2)

图4 HARQ重传合并TB模式与重传合并码块单元模式的误块率性能对比图

表2 TB模式和码块单元模式性能

5 结 语

本文着重考虑LTE HARQ仿真系统的实现及改进，并分析BLER、吞吐率、平均传输次数等评价指标，为HARQ系统的教学提供实验参考。

LTE协议本身也是不断完善的协议，其中的HARQ技术也可能随着其它技术的发展和新概念的提出进行进一步的改进。在对HARQ进行建模仿真的过程中，为了突出研究重点，更好地强调HARQ的作用，实验中简化了很多参数，比如小区数设置为1，调制方式固定设置，速率匹配功能部分简化等，这些简化在教师或者学生使用时可更好地结合教材进行理解。

在以后的实验中设计的SNR区间应尽量扩大，而且SNR的中心对称点选择也需要进一步改进,同时，TB分块可考虑其他方法。

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Improvement of HARQ Cross-layer System Simulation Based on Maltab

LIUGao-huaa,b,SUHan-songa,b,ZHIWena,ZENGZhao-quana,LIULina,b

(a. School of Electronic Information Engineering; b. Electrical and Electronic Experimental Teaching Center,Tianjin University, Tianjin 300072, China)

To improve and verify the traditional mechanism and performance of HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request), a communication system was established by using the abstract physical layer method based on Matlab. Long Term Evolution (LTE) Protocol was the core of the HARQ technology. The improved HARQ mechanism was system-level simulated in the whole process of LTE Media Access Control(MAC) layer and physical layer. By comparing with traditional communication of LTE non-HARQ, quality, throughput and block error rate were improved. It optimized performance and upgraded the actual LTE system. The experimental results and HARQ simulation system could be used in the evaluation of LTE system performance and the teaching of HARQ.

LTE; HARQ simulation system; Matlab simulation; system optimization

2014-04-17

刘高华(1987-)，女，山东烟台人，硕士，助理工程师，主要研究方向：无线通信。Tel.:13602006025；E-mail：suppig@126.com

TP 315

A

1006-7167(2015)01-0097-06