文献标识码： A
文章编号： 0258-7998(2014)09-0088-04
作为LTE的演进技术，LTE-A在对LTE技术保持兼容的同时，性能上也会得到很大的提升。LTE-A技术的目标之一就是为用户提供更高的数据速率，这就对移动通信的可靠性提出了更高的要求，因此引入HARQ技术就显得很有必要。
HARQ技术是在一个ARQ系统中引入一个FEC系统，当在FEC系统的纠错范围内时，则不需要使用ARQ系统，若FEC系统不能正常纠错时，则需要通过ARQ系统的反馈信息请求发送端重新发送错误的数据信息[1]。合并算法是指接收端接收到数据后对接收数据所采用的处理方法，3GPP中规定了HARQ重传合并技术有以下两种：IR合并和Chase合并。本文将就合并方式进行仿真分析，找出适用于LTE-A下行链路的HARQ合并算法，为LTE-A基带芯片的HARQ模块设计提供一个最佳的实现方案。
1 HARQ合并算法描述
LTE-A系统中HARQ合并模块的完成是在去速率匹配之后，Turbo解码之前（如图1）。该模块的目的是通过合并来提高传输数据的正确率[2]。对于发送为重复的情况，为提高译码性能，接收端还需要完成重复合并。
LTE-A系统中HARQ重传合并技术有IR合并和Chase合并两种。
1.1 递增冗余方案（IR）
递增冗余方案（IR）是以增加校验位来响应重传请求的一种方式。IR方案可以分为完全IR方案（如图2）和部分IR方案（如图3）。LTE-A系统中采用的是完全IR方案[4]，它没有系统信息位，重传的数据完全由增量冗余位构成，因此每次只能在接收重传数据帧后先做合并，再通过增加信息冗余量来译码，方案本身并不具备译码能力。IR方案的原理如图2、图3所示。
IR方案每次重传数据帧都会引入新的校验信息位，接收端通过合并重传数据帧方式，可以提高系统信息冗余量，降低系统误码率，提高系统吞吐量，以及改善系统的性能；但IR方案的调度、信令控制及上层控制结构设计比较复杂，实现难度大，对存储器的要求也相对较高。
1.2 Chase合并
在发送端，Chase合并算法充分利用了时间分集增益性能，每次都发送相同的编码信息；而在接收端，通过对接收的多个相同重传编码信息进行信噪比(SNR)加权合并来获得分集接收进行译码[5]。Chase合并的原理如图4所示。
Chase合并实现方法有两种[6]：等增益合并（EGC）和最大比合并（MRC）。
由于Chase合并算法每次重传的数据帧是一样的，且采用加权合并方式译码，对存储器的要求也不高，算法实现复杂度又相对比较低，容易实现，因此本论文主要是对Chase合并算法进行研究及仿真分析。
2 HARQ合并算法的仿真分析
根据合并因子的不同可以分为以下两类：
(1)等增益合并算法(EGC)——合并因子固定为1；
(2)最大比合并算法（MRC）——合并因子为SNR。
根据对打孔位的处理方法的不同又分为两种：
(1)不考虑打孔的合并方法（Normal算法）——直接合并，不对合并数据进行判断；
(2)考虑打孔的合并算法（Punch-Pos算法）——判断不为零才进行合并。
这4种合并算法进行组合后共可以得到4种合并算法：不考虑打孔的等增益合并算法、考虑打孔的等增益合并算法、不考虑打孔的最大比合并算法、考虑打孔的最大比合并算法。设R(i)为第i次合并后的数据，S(i)表示第i次重传接收到的数据，Nre表示重传次数，1≤Nre<Nmax，Nmax是最大重传次数，则4种合并算法的表达式可用以下几个式子表示：
(1)不考虑打孔的等增益合并：
下面将分别介绍4种合并方案的仿真结果。
2.1 仿真条件
(1)天线配置：发送天线数为1，接收天线数为1，层数为1；码字数为1；
(2)总共仿真了100个无线帧；
(3)Turbo译码最大迭代次数：8；
(4)最大重传次数：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较
2.2.1 等增益合并下不打孔和打孔合并算法性能比较
以下仿真了等增益合并时，在高斯白噪声(AWGN)、EPA5和EVA70 3种信道配置下，分别仿真了不打孔和打孔两种合并算法的性能差异。
图5中HARQ Normal Combine Nofading(AWGN/EPA5 /EVA70)表示接收端采用的是不考虑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虑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较
以下分别仿真了在高斯白噪(AWGN)、EPA5和EVA70 3种信道配置下，等增益不打孔和等增益打孔两种合并算法的性能。
图6中HARQ MRC Normal Combine Nofading(AWGN/EPA5/EVA70)表示接收端采用的是不考虑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虑打孔的最大比合并算法。
2.2.3 仿真结果分析
由以上的仿真可以看出，不论是采用等增益合并还是最大比合并，在AWGN、EPA5、EVA70信道下时，不打孔合并算法与打孔合并算法相比都有一定的增益，和参考文献[7]中的仿真结果相同。出现这样的结果是因为采用打孔合并算法时，如果某次传输过程中某个位置上的数据被打孔去掉了，假设该位置上的数据在上次传输中没有被打掉，默认这次传输过程中这个位置上的数据与上次传输的数据完全相同，经过人为的处理后进入译码的信息可能会有所丢失，所以性能也会有所损失。
2.3 等增益合并和最大比合并算法性能比较
2.3.1 采用不打孔合并算法时等增益合并和最大比合并性能比较
以下分别仿真了在高斯白噪(AWGN)、EPA5和EVA70 3种信道配置下，等增益不打孔合并算法和最大比不打孔合并算法的性能。
图7中HARQ Normal Combine Nofading(AWGN/EPA5/EVA70)接收端采用的是不考虑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虑打孔的最大比合并算法。
2.3.2 采用打孔合并算法时等增益合并和最大比合并性能比较
以下分别仿真了在高斯白噪(AWGN)、EPA5和EVA70 3种信道配置下，等增益打孔合并算法和最大比打孔合并算法的性能。
图8中HARQ Punch-Pos Combine Nofading(AWGN/EPA5/EVA70)接收端采用的是考虑打孔的等增益合并算法；HARQ MRC Punch-Pos Combine Nofading(AWGN/EPA5/EVA70)接收端采用的是考虑打孔的最大比合并算法。
2.3.3 仿真结果分析
从仿真结果图7和图8中可以看出，不论是采用不打孔还是打孔合并算法时,最大比合并相对于等增益合并几乎是没有性能增益。
2.4 推荐的合并算法方案
鉴于以上的分析可知，不打孔算法相对于打孔而言有一定的性能增益，算法实现起来又比打孔简单，所以推荐使用不打孔合并算法；至于采用最大比合并还是等增益合并算法，仿真结果显示采用SNR作为最大比合并的合并算法相对于等增益合并没有很明显的性能增益，所以建议采用等增益合并算法，总结起来：接收端采用不考虑打孔的等增益合并算法的性能增益最佳。
本文首先对HARQ合并算法进行描述，简单了解了HARQ的两种合并方式：IR合并和Chase合并；其次对HARQ的4种合并算法进行了仿真分析及研究，最后得出：在LTE-A下行链路系统中，不打孔等增益的合并算法的性能增益最优。
参考文献
[1] SAMRA H，Ding Zhi.A hybrid ARQ protocol using integrated channel equalization[J].IEEE Transactions on Communications，2005，53(12)：1996-2001.
[2] Yang Zhimin，Li Shiju.Hybrid ARQ scheme based on TCM and concatenated codes[C].WiCOM′08.4th International Conference，2008：1-5.
[3] 3GPP TS36.212，3rd Generation Partnership Project.Multiplexing and Channel coding[S].v10.3.0 2011，09.
[4] 3GPP R2-060840.Hybrid ARQ scheme in E-UTRA downlink[Z].NTT DoCoMo，2006.
[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，Florida，2003，IEEE VTC，2003：22-25.
[7] 刘琦.WCDMA HSUPA中关键技术的研究和实现[D].西安：西安电子科技大学，2008.