5G NR中的HARQ机制 CBG传输

• NR和LTE一样都有两级重传机制：MAC层的HARQ机制和RLC层的ARQ机制。丢失或出错数据的重传主要是由MAC层的HARQ机制处理，并由RLC的ARQ进行补充。MAC层的HARQ机制能够提供快速重传，RLC层的ARQ机制能够提供可靠的数据传输。
• HARQ使用Stop-and-Wait进程，当一个HARQ在等待确认信息时，发送端可以使用另一个HARQ来继续发送数据。这些HARQ进程共同组成了一个HARQ实体，这个实体结合了停等协议，允许数据同时连续传输。
• HARQ有下行HARQ和上行HARQ之分。下行HARQ针对下行数据传输，上行HARQ针对上行数据传输，两者相互独立，处理方式也不相同。

一、HARQ进程和调度

1. NR R15每个上下行载波均支持最大16个HARQ进程，基站可以根据网络的部署情况，通过高层信令半静态配置UE支持的最大进程数。如果网络没有提供对应的配置参数，则下行缺省的HARQ进程数为8，上行每个载波支持的最大进程数始终为16。HARQ进程号在PDCCH中承载，固定为4比特。

2. 5G不支持跨小区的HARQ重传，如果初始传输在小区1，在传输后激活的小区变为小区2，则不会在小区2上重传。对于FDD，如果UE在发送HARQ-ACK之前发生了激活UL BWP的切换，则UE不会再相应的PUCCH资源发送HARQ-ACK信息。

3. 为了降低终端实现的复杂度，NR R15仅支持顺序的HARQ调度，即先调度的数据的HARQ-ACK不会比后调度的HARQ-ACK先反馈，对于上下行都是如此。同时，对于同一个HARQ，如果先调度的HARQ-ACK没有反馈，则不会对同一个数据再进行一次调度。

二、 HARQ-ACK信息上报

1. NR上下行均采用异步HARQ，HARQ-ACK信息既可以在PUCCH上承载，也可以在PDCCH上承载。NR R15仅支持UE在一个时隙仅有一个承载HARQ-ACK信息的PUCCH。对于上行数据发送，如果需要重传，基站不向UE发送ACK/NACK信息，而是直接调度UE进行数据重传。
2. 如果UE检测到在时隙n接收PDSCH，或UE在时隙n检测到SPS(Semi-Persistent Scheduling，半持续调度)释放的DCI，UE在时隙(n+k)发送相应的HARQ-ACK信息。其中，k通过DCI中的PDSCH到HARQ的定时指示器来指示，如果DCI中没有该定时指示器，则通过高层参数DI-DataToUL-ACK来表示。
3. 对于上下行采用不同的子载波间隔的场景，如果PDSCH子载波间隔大于等于PUCCH子载波间隔，则k=0对应于PDSCH重叠的时隙。如果PDSCH子载波间隔小于PUCCH子载波间隔，则对于PDSCH接收而言，k=0对应于PDSCH接收结束时对应的时隙，对于SPS PDSCH释放而言，k=0对应于PDCCH接收结束时对应的时隙。
4. 对于DCI格式1_0，PDSCH到HARQ的定时指示器固定为3bit，取值为{1、2、3、4、5、6、7、8}。对于DCI格式1_1,PDSCH到HARQ的反馈可以是0bit、1bit、2bit、3bit，比特宽度由[log2(I)]来定义。其中，I由高层参数DI-DataToUL-ACK的行数来确定。
5. 如果UE在PUCCH上传输HARQ-ACK信息，UE首先确定PUCCH资源集合，然后再确定一个PUCCH资源。

三、UE上下行数据处理时延

1. 下行PDSCH处理时延

UE在接收到DCI格式1_0或者1_1中承载的下行调度信息后，会在对应时隙接收相应的PDSCH，并向基站发送反馈HARQ-ACK信息。UE 开始发送HARQ-ACK信息的时间要晚于在承载PDSCH的最后一个符号结束之后的时间。如果不满足这个要求，UE不会发送HARQ-ACK。

2. 上行PUSCH处理时延

UE发送上行PUSCH（包括DMRS）的最早发送时间晚于承载PUSCH的调度信息的PDCCH的最后一个符号结束后的时间。

四、HARQ-ACK码本

UE在一个HARQ反馈资源（PUSCH或PDSCH）上反馈的HARQ-ACK信息的整体称为HARQ-ACK码本。

具体码本产生的方式较为复杂，后期需要用到时再学习。

五、基于编码块组的传输

• 在NR系统中，数据传输速率达到Gbit/s的数量级，每个传输块都会很大。在LTE系统中基于Turbo编码，支持的最大码块（CB，Code Block）为6144bit，大于6144bit的TB被分为多个CB。假设峰值速率达到20Gbit/s，当一个时隙=0.5ms时，这个时隙内需要传输的数据包大小约为10Mbit，这个包是很大的，若将这个包分为2个TB（目前LTE支持最大两个TB），则一个TB块的大小约为5Mbit。

• 如果仍然基于一个TB块进行1bit 的ACK/NAK反馈，一旦这个TB译码出错，便会造成整个TB重传。由于该TB很大， 重传整个TB的资源利用率比较低。由于TB在编码前，会被划分为很多的编码块（CB）。对于5Mbit的TB，按照LTE的Turbo编码，可以分为大约818个传输块。可能有些CB译码正确，有些译码错误，重传整个TB是不明智的。

• 由于一个TB被分为多个CB，终端译码时可以知道每个CB是否正确。因此一种方式就是对每个CB进行ACK/NAK反馈，这样如果某个TB译码失败，终端只需对传输错误的CB进行重传，不用重传整个TB。基于CB的反馈看起来减少了重传的冗余信息，可以提高资源利用率，但是需要反馈很多的上行ACK/NAK，这样会导致上行信令的开销非常大，同样也会造成资源的浪费，因为反馈很多ACK是没有意义的。

• 在NR中引入了一种基于TB反馈和基于CB反馈的折中方案：将TB中的多个CB分组，分组后的CB称为CBG（Code Block Group）。针对每一个CBG反馈对应的ACK/NAK，并且基于CBG进行重传。

• 为保证后向兼容，CBG传输是可配置的，只有配置了基于CBG传输的用户才可以基于CBG进行重传。

  1. 编码块组个数

  • 设计基于CBG的反馈和重传是对于基于TB的一种优化方案，目的是为了提高资源的利用率。但是如果CBG的个数过多 ，资源开销还是比较大。除此之外，基站的发送控制信息也需要重传，在重传的DCI中需要指出那些CBG被重传，如果CBG个数过大，DCI的开销也会较大。并且，TB大小不同，这样DCI的比特数可变，那么用户需要盲检测多种DCI比特数，造成电力资源的浪费。
  • 一个TB中最大的CBG个数是固定的，也就是基站会给用户发送一个配置信息，指示CBG的最大个数，该最大个数可以记为N。目前标准38.331规定了CBG的最大个数的候选值为2、4、6、8。

  2. 编码块组划分

  用户可以根据下面的公式确定TB中的CBG个数M。
  $$M=min(N,C)$$
  其中，N为高层信令配置的最大CBG个数，C是TB中CB的数目。首先确定M和C的大小关系，如果M等于C，那么一个CBG就包含1个CB。如果M不等于C，则需要根据下面的过程来确实CBG里CB的个数。
  

3. 下行控制命令

• 基站在重传过程中，需要指示用户是对哪些CBG进行了重传，以方便用户进行CBG接收以及合并译码。并且，是否需要重传是针对每个用户的特定行为，因此CBG重传的DCI是在用户特定的DCI中。
• 如果用户配置了CBG传输，则用户接收的DCI中，会包含一个CBG传输指示域，即iCBG Transmission Information，简称CBGTI。
• 用户的DCI中，还会携带新数据指示域（NDI，New Data Indicator），指示当前是新传还是重传，NDI指示新传和重传时用户会有不同的理解。
  • 如果NDI指示新传，则用户会认为所有的CBG都是新传；
  • 如果NDI指示重传，则用户会用下面的处理过程。
    • 根据CBGTI的指示，确定哪些CBG被传输，其中比特为0表示对应的CBG没有传输，比特为1表示传输了。
    • 如果DCI中还存在缓存清理指示值，即CBG Flushing out Information，简称CBGFI。这个指示值如果为0，表示之前收到的CBG同样被污染了，需要清空缓存；如果为1，指示重传的CBG可以和之前收到的样本合并。
    • 重传的CBG中包含的CB和初传的CBG中包含的CB是完全一样的。

4. HARQ-ACK反馈

• 对于基于CBG传输的反馈信息，如果用户配置了CBG传输方式，则用户会针对每一个CBG都生成一个比特的ACK/NAK反馈信息。如果配置了2个CW，则第二传输块的反馈信息会在第一传输块之后。
• 如果用户正确译码一个CBG中的所有CB，则该CBG反馈ACK；如果一个CBG中至少有一个CB译码错误，则反馈NAK。
  输块的反馈信息会在第一传输块之后。
• 如果用户正确译码一个CBG中的所有CB，则该CBG反馈ACK；如果一个CBG中至少有一个CB译码错误，则反馈NAK。
• 针对TB重传，用户会针对初传正确的那些CBG反馈ACK。如果用户正确译码了整个CBG，但是该TB的译码错误，则所有CBG对应的反馈信息比特都是NAK。