0 引言

    满足LTE-A系统最大100 MHz传输带宽需求的方法是在LTE系统上定义更宽的传输带宽，但是由于达到100 MHz带宽的连续频谱很难找到，因此在LTE-A中引入了载波聚合技术^[1]。LTE-A的传输带宽由多个LTE载波聚合而成，LTE-A可以看作是LTE多载波的一种延伸技术。对于采用载波聚合的UE，有一个主服务小区和一个或多个辅服务小区，下行反馈的资源只能在主服务小区中分配，辅服务小区只为用户设备提供额外的无线资源。因为PUCCH资源较少，所有来自辅服务小区的下行反馈，包括下行HARQ反馈都只能通过主服务小区的PUCCH来传输。

对于TDD-LTE-A载波聚合系统，每个成员载波都有自己的上下行配置用来指定它的上下行子帧分配，如表1所示。

    本文提出了一种最大程度减少TD-LTE-A载波聚合系统下行HARQ反馈时延的改进方法^[2]。当UE分得一个辅服务小区时，eNB计算基于其对应上下行配置的新辅服务小区的下行HARQ往返时延。如果这个新的辅服务小区往返时延小于主服务小区的往返时延，eNB就将分配一个可靠的PUCCH资源给这个辅服务小区用来传输下行HARQ反馈，否则，这个辅服务小区的下行反馈就通过主服务小区的PUCCH传输，这样就明显减小了下行HARQ的往返时延。

1 下行HARQ反馈

    HARQ技术是将前向纠错编码（FEC）技术和自动重传请求（ARQ）技术有效结合起来的一种差错控制机制。下行HARQ流程的传输时序示例如图1所示。

    UE首先通过PUCCH向 eNB 反馈上次传输的 ACK/NACK 信息。此ACK/NACK信息经过一定的上行传输延迟到达eNB，eNB对PUCCH的ACK/NACK信息进行解调和处理，并根据ACK/NACK信息和下行资源分配情况对重传数据进行调度。然后PDSCH按照下行调度的时域位置发送重传数据，并经过一定的下行传输延迟到达UE端。UE经过一定的处理延迟对下行重传完成处理，并通过PUCCH再次反馈针对此次重传的ACK/NACK信息。一个下行HARQ的RTTs到此结束。一般用RTTs衡量下行HARQ反馈的时延性能，本文中，RTTs定义为下行HARQ重传的时间周期。

    通常假设，当UE或者eNB接收到上行或下行数据后，将用3 ms时间来处理接收到的数据和准备相应ACK/NACK信息的传输，因此，基于这种假设RTTs就能被计算出来。在LTE R-11协议中，引入了成员载波根据上下行配置进行聚合的场景，文献[3]规定，当不同上下行配置的成员载波被聚合，成员载波的下行HARQ反馈通过PUCCH的主服务小区传输，因此，即使辅服务小区有用于传输下行HARQ反馈的上行子帧，也必须使用或等待主服务小区的上行子帧，这样就导致了很高的时延。以上下行配置0的第一个子帧（子帧0）为例，当UE在子帧0接收到下行数据，需要3 ms（3个子帧）时间来处理接收到的数据，然后在子帧3的时隙发送ACK/NACK信息，当eNB处理完ACK/NACK信息后，子帧7的时隙到来，这是个上行子帧。eNB必须等待下一个下行子帧（子帧0）来重传下行数据，这样，下行HARQ的RTTs就为10 ms，这是子帧0到子帧9（下行数据能重传之前的子帧）之间的时间周期。

    采用上面提到的方法，每个不同上下行配置的子帧的RTTs就能够被计算出来。表2列出了每个不同上下行配置的下行HARQ反馈的RTTs，通过表2可以看出不同上下行配置的小区，其时延也不同。

    如果在LTE-A中引入聚合，则所有来自辅服务小区的下行HARQ反馈必须通过主服务小区的上行子帧来传输[4]，在这种情况下RTTs计算方法就略微不同。假设主服务小区采用上下行配置4，辅服务小区采用上下行配置0。以上下行配置0的第一个子帧(子帧0)为例，当UE在子帧0接收到下行数据，它需要3 ms(3个子帧)来处理接收到数据，在子帧3的时隙中，UE能够通过辅服务小区来发送ACK/NACK消息。但是，采用上下行配置4的辅服务小区的子帧3是一个下行子帧，所以必须推迟到下一个上行子帧（下一无线帧的子帧2）来发送ACK/NACK消息。当eNB接收并处理完ACK/NACK消息后，能在子帧6（辅服务小区的特殊子帧）的时隙中进行重传。这样，下行HARQ 的RTTs就是16 ms，即子帧0到下一个无线帧的子帧5之间的时间间隔。

    表3给出了在不同辅服务小区上下行配置和固定主服务小区上下行配置（配置4）情况下，下行HARQ反馈的RTTs。很明显，表3中RTTs平均值比表2中的大，原因是当不同上下行配置的成员载波被聚合，由于缺少辅服务小区的PUCCH，带来了较高的辅服务小区下行HARQ反馈时延。因此，应该找出一种有效方法来改善下行HARQ反馈的时延性能^[5]。

2 一种改进的下行HARQ反馈方法

    针对前面描述的问题，为了减小TDD载波聚合系统的下行HARQ时延，提出了一种有效的改进方法^[6]。

    假设eNB端和UE端处理接收到的数据的时间都为3 ms，可以计算出不同上下行配置和固定辅服务小区配置（从配置0到配置6）的每个子帧的全部RTTs，最后得到了与表3相同的7个表。表3中，每种上下行配置的RTTs平均值能够被计算出，例如，采用TDD配置0的辅服务小区的RTTs平均值等于13 ms((16+15+11+10)/4=13 ms)。与表2中采用上下行配置0的辅服务小区相比，RTTs的值变大了，因此，当主服务小区采用上下行配置4，新的辅服务小区采用上下行配置0时，eNB应该把PUCCH资源分配给辅服务小区，进行这种选择主要考虑的因素是时延性能，基于这种方法得出了全部配置的选择表格，见表4。需要注意的是如果在eNB或者UE端处理接收到数据的假设时间改变，表格也要做相应的改变。

    表4通过比较RTTs，得出了辅服务小区反馈或主服务小区反馈的最佳选择方案^[7]，当分配给UE一个新的辅服务小区时，eNB首先比较主服务小区和辅服务小区的上下行配置，然后决定在主服务小区还是辅服务小区进行下行HARQ反馈。如果eNB决定在新的辅服务小区发送反馈，它将检查UE是否有与这个新辅服务小区相同上下行配置的辅服务小区，目的是为了避免不可用的PUCCH分配，这样就能够帮助系统降低信号开销。如果没有这样的辅服务小区，eNB将配置PUCCH，对辅服务小区来说，它是用于传输下行HARQ反馈的无线资源；如果存在这样的辅服务小区，eNB就不会分配PUCCH资源。当接收到来自eNB辅服务小区配置无线资源控制的信号后，UE查找与这个新辅服务小区有相同上下行配置的现存的辅服务小区，然后，UE就在这个现存的辅服务小区的PUCCH资源上传输新辅服务小区的下行反馈^[8]。

    这种方法是根据eNB进行选择，由于在辅服务小区中重新引入了PUCCH分配过程，因此信息结构需要做一些改变，引入一些新的信息单元（IEs）来指示PUCCH分配。所以需要对当前的格式做一些改变。如果用来比较上下行配置的新eNB模块不可取^[9]，本节改进的方法也能用另一种方式来实现，决策模块可以放到UE端，也就是说，eNB通常把PUCCH分配给新的辅服务小区，当UE接收到新的辅服务小区配置信息，它要根据表4比较这个辅服务小区和主服务小区的上下行配置。如果结果是在主服务小区反馈，UE就忽视对本辅服务小区的PUCCH分配，下行HARQ反馈将通过主服务小区传输；如果结果是在辅服务小区反馈，UE将自然地使用给辅服务小区配置的PUCCH，如果决策模块放到UE端，UE应该提供额外的存储空间来存储比较表。除了eNB想更新本表格外，本表格不应该被改变。表5是使用本节改进的方法后主服务小区采用上下行配置4的RTTs值。

3 性能分析

    基于前面所提出的减少TDD-LTE-A载波聚合系统下行HARQ反馈RTTs值的改进方法，通过对比一般方法的RTTs值（见表3）和改进方法的相应RTTs值（见表5），发现当辅服务小区拥有的上行子帧比主服务小区多时，对采用上下行配置4的主服务小区，采用上下行配置0的辅服务小区的下行HARQ的RTTs与表3相比减少了23.1%，原因是上下行配置0比上下行配置4有更多的上行子帧。采用这种方法，这些上行子帧能够被有效利用。例如主服务小区采用上下行配置4，辅服务小区采用上下行配置5时，主服务小区有更多的上行子帧来传输下行HARQ反馈。这种情况下，如果仍坚持在这个辅服务小区上传输下行HARQ反馈，则主服务小区的上行子帧就不能得到充分利用。因此，为了避免带来的高时延，eNB将不会给辅服务小区分配PUCCH资源。表6是一般方法与改进方法的RTTs值比较，从表中很容易看出在不同上下行配置下的平均RTTs值。

    通过以上分析可知，本文提出的改进方法在减小下行HARQ反馈时延方面效果显著，但同时这种方法对当前的协议标准也带来一些影响，由于引入了eNB为辅服务小区配置PUCCH资源的新行为，因此指示辅服务小区PUCCH资源的新信息单元应该被添加到当前的规范中。

4 结论

    针对TDD-LTE-A载波聚合系统下行HARQ反馈时延较大问题，提出了一种低时延的下行HARQ反馈方法来改善传输性能。eNB通过比较当前辅服务小区和主服务小区的下行HARQ反馈RTTs值来决定是否分配PUCCH资源给新的辅服务小区。如果在时延方面有所改善，eNB在确认UE没有相同上下行配置的辅服务小区后，给新辅服务小区分配PUCCH资源。另一种方法是eNB一直为辅服务小区分配PUCCH，由UE来决定是否使用PUCCH资源。分析表明这种改进方法是合理、可接受的，能明显改善TD-LTE-Advanced系统下行HARQ反馈时延。

参考文献

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