背景介绍
数据通信最初是在有线网上发展起来的，通常要求较大的带宽和较高的传输质量。对于有线连接，数据传输的可靠性是通过重传来实现的。当前一次尝试传输失败时，就要求重传数据分组，这样的传输机制就称之为ARQ（自动请求重传）。在无线传输环境下，信道噪声和由于移动性带来的衰落以及其他用户带来的干扰使得信道传输质量很差，所以应该对数据分组加以保护来抑制各种干扰。这种保护主要是采用前向纠错编码（FEC），在分组中传输额外的比特。然而，过多的前向纠错编码会使传输效率变低。因此，一种混合方案HARQ，即ARQ（Automatic Repeat reQuest）和FEC（ForwardError Correction,前向纠错）相结合的方案被提出了。混合自动重传技术可以高效地补偿由于采用链路适配所带来的误码，提高了数据传输速率，减小了数据传输时延。
1. 概念介绍
HARQ（Hybrid Automatic Repeat Request ） 混合自动重传请求，它的关键词是存储、请求重传、合并解调。接收方在解码失败的情况下，保存接收到的数据，并要求发送方重传数据，接收方将重传的数据和先前接收到的数据进行合并后再解码。这里面就有一定的分集增益，减少了重传次数，进而减少了时延。而传统的ARQ技术简单地抛弃错误的数据，不做存储，也就不存在合并的过程，自然没有分集增益，往往需要过多地重传、过长时间地等待。
R99版本的ARQ中，数据包的重传工作由RNC完成；而HSDPA的HARQ技术则主要由Node B完成数据包的选择重传，由终端完成重传数据的合并，这就大大提高了重传的速度。只有DLSCH和ULSCH传输支持HARQ，其他信道不支持HARQ。LTE中有两种重传机制，除了MAC层的HARQ机制，还有 RLC层的ARQ（只针对AM（aknowledgement mode确认模式）数据传输）机制。
1.1 自动重传请求协议（ARQ）
常用的自动重传请求协议包括停等式(SAW)、后退N 步式(Go-back-N )和选择重发式(SR)等。
1.1.1 停等式（stop-and-wait protocol ）
发送端每发送一个传输块TB（transport block）后就暂时停下来，等待接收端的确认信息。当数据包到达接收端时，接收端会使用1bit的信息对该TB进行CRC检错，若接收正确，返回确认(ACK)信号，错误则返回不确认(NACK)信号。当发端收到ACK信号，就发送新的数据，否则重新发送上次传输的数据包。而在等待确认信息期间，信道是空闲的，不发送任何数据。这种方法由于收发双方在同一时间内仅对同一个数据包进行操作，因此实现起来比较简单，相应的信令开销小，收端的缓存容量要求低。但是由于在等待确认信号的过程中不发送数据，导致太多资源被浪费，尤其是当信道传输时延很大时。因此，停等式造成通信信道的利用率不高，系统的吞吐量较低。
因此LTE使用多个并行的stop-and-wait process：当一个HARQprocess在等待确认信息时，发送端可以使用另一个HARQ process来继续发送数据。这些HARQ process共同组成了一个HARQ实体（HARQ entity），这个实体结合了停等协议，同时允许数据的连续传输。
每个UE都有一个HARQ实体。但在载波聚合中，一个UE对应每个载波单元（Component Carrier）都有各自的HARQ实体。
每个HARQ process在一个TTI只处理一个TB（TransportBlock，传输块）。
每个HARQ process在接收端都需要有独立的HARQbuffer，以便对接收到的数据进行软合并。
在空分复用中，一个TTI会并行传输2个TB，此时每个TB有各自独立的HARQ确认信息，1个HARQ实体包含2个HARQprocess集合。
1.1.2 后退N 步式
在采用后退N 步式ARQ协议的传输系统中，发送端发送完一个数据分组后，并不停下来等待确认信息，而是连续发送若干个数据分组信息。接收端将每个数据包相应的ACK或 NACK信息反馈回发送端，同时发送回的还有数据包分组号。当接收到一个NACK信号时，发送端就重新发送包括错误数据的N 个数据包。接收端只需按序接收数据包，在接收到错误数据包后即使又接收到正确的数据包后还是必须将正确的数据包丢弃，并重新发送确认信息。可以看出，相比较SAW，采用该协议一方面因发端连续发送数据提高了系统的吞吐量，但同时增大了系统的信令开销；另一方面，由于收端仅按序接收数据，那么在重传时又必须把原来已正确传送过的数据进行重传(仅因为这些数据分组之前有一个数据分组出了错)，这种方法使信道利用率降低。
1.1.3 选择重发式
为了进一步提高信道的利用率，选择重发式协议只重传出现差错的数据包，但是此时收端不再按序接收数据分组信息，那么在收端则需要相当容量的缓存空间来存储已经成功译码但还没能按序输出的分组。同时收端在组合数据包前必须知道序列号，因此，序列号要和数据分别编码，而且序列号需要更可靠的编码以克服任何时候出现数据里的错误，这样就增加了对信令的要求。所以，相比之下SR的信道利用率最高，但是要求的存储空间和信令开销也最大。
在3GLTE系统中将采用停等式(SAW)重传协议。这种机制不仅简单可靠，系统信令开销小，并且降低了对于接收机的缓存空间的要求。但是，该协议的信道利用效率较低。为了避免这种不利，3G LTE系统采用了N 通道的停等式协议，即发送端在信道上并行地运行N 套不同的SAW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。
1.2 相关概念
1.2.1 HARQ process number
HARQ process number 也称为HARQprocess ID，唯一地指定一个HARQ process。
1.2.2 NDI
NDI是New Data Indicator的缩写。每个HARQprocess会保存一个NDI值，该值使用1比特来指示被调度的数据是新传还是重传。如果同一HARQ process的NDI值与之前相比发生了变化（NDItoggled），则表示当前传输是一个新的TB的初传，否则（NDI not toggled）表示当前传输是同一个TB的重传。
1.2.3 RV
RV是 Redundancy Version的缩写。用于指示传输所使用的冗余版本，其取值范围为0~3。
1.2.4 MCS
MCS 是 Modulation and CodingScheme的缩写。DCI使用5比特的MCSindex（031）来指示当前传输所使用的调制和编码样式，并影响到TBS的选择。MCS共计32种组合，其中3种组合（索引为2931）是预留的，且这3种组合只用于重传。
1.2.5 同步（synchronous）和异步（asynchronous）
HARQ协议在时域上分为同步（synchronous）和异步（asynchronous）两类；
异步HARQ（asynchronousHARQ）意味着重传可以发生在任一时刻，也意味着能以任意顺序使用HARQ process。同步HARQ（synchronousHARQ）意味着重传只能在前一次传输之后的固定时刻发送，也意味着某个特定的子帧，只能使用某个特定的HARQ process。
同步HARQ的好处在于HARQprocess号可以直接从系统帧号/子帧号中推导出来，而无需显式地发送HARQ process number；异步HARQ的好处在于重传调度更加灵活。
1.2.5 自适应（adaptive）和非自适应（non-adaptive）
HARQ在频域上分为自适应（adaptive）和非自适应（non-adaptive）两类。
自适应HARQ（adaptiveHARQ）意味着可以改变重传所使用的PRB资源以及MCS。
非自适应HARQ（non-adaptiveHARQ）意味着重传必须与前一次传输（新传或前一次重传）使用相同的PRB资源和MCS。
在LTE中，下行使用异步、自适应HARQ；上行使用同步HARQ，但重传可以是自适应的，也可以是非自适应的。
1.3 HARQ基本原理
混合自动重传请求（Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ），是一种将前向纠错编码（FEC）和自动重传请求（ARQ）相结合而形成的技术。HARQ的基本原理如下所示:
•在接收端使用FEC技术纠正所有错误中能够纠正的那一部分。
•通过错误检测判断不能纠正错误的数据包。
•丢弃不能纠错的数据包，向发送端请求重新发送相同的数据包。
2. 带软合并的HARQ（HARQ with softcombining） 技术的实现方式
根据重传的比特信息与原始传输是否相同，HARQ with softcombining分为chase combining和incrementalredundancy（增量冗余）两类。chase combining中重传的比特信息与原始传输相同；incremental redundancy 中重传的比特信息不需要与原始传输相同。LTE中只使用incremental redundancy机制, 因此，FEC及Soft Combining提供的低误码率，将可以大幅減少传统ARQ所必須重传的次数。
2.1 软合并（Chase Combine，CC）
在单纯的HARQ机制中，接收到的错误数据包是直接被丢弃的。虽然这些错误数据包不能够独立地正确译码，但是它们依然包含有一定的信息。软合并（Chase Combine，CC）就是利用这部分信息，即是将接收到的错误数据包保存在一个HARQ buffer 存储器中，与重传的数据包合并在一起进行译码，如果还是失败，则重复“请求重传，再进行软合并”，提高了传输效率。
2.2 增量冗余（Incremental Redundancy，IR）
增量冗余（Incremental Redundantcy，IR）技术在发送前通过将Coded Bits 透过循环缓冲器（Circular Buffer）用打孔（Puncturing）的方式分成四种冗余版本（Redundancy Version），然后在第一次传输时发送信息bit和一部分冗余bit（r.v. =0）， 而通过重传（Retransmission）发送额外的冗余bit(r.v.=2、r.v.=3及r.v.=1的部分)。如果第一次传输没有成功解码，则可以通过重传更多冗余bit降低信道编码率，从而提高解码成功率。如果加上重传的冗余bit仍然无法正常解码，则进行再次重传。随着重传次数的增加，冗余bit不断积累，信道编码率不断降低，从而可以获得更好的解码效果。
LTE的HARQ还可以与AMC技术相配合，为LTE的HARQ进程提供精细的弹性速率调整。
至于HARQ重传的具体时间，是由同步HARQ协议和异步HARQ协议决定。
LTE上行链路采用同步HARQ协议：重传在预先定义好的时间进行，接收端不需要被告知重传的进程号。
LTE下行链路采用异步HARQ协议：重传在上一次传输之后的任何可用时间上进行，接收端需要被告知具体的进程号。
3. HARQ技术的分类
根据重传内容的不同，在3GPP标准和建议中主要有3种混合自动重传请求机制，包括HARQ-I、HARQ-II和HARQ-III等[3]。
3.1 HARQ-I型
HARQ-I即为传统HARQ方案，它仅在ARQ的基础上引入了纠错编码，即对发送数据包增加循环冗余校验(CRC)比特并进行FEC编码。收端对接收的数据进行FEC译码和CRC校验，如果有错则放弃错误分组的数据，并向发送端反馈NACK信息请求重传与上一帧相同的数据包。一般来说，物理层设有最大重发次数的限制，防止由于信道长期处于恶劣的慢衰落而导致某个用户的数据包不断地重发，从而浪费信道资源。如果达到最大的重传次数时，接收端仍不能正确译码 (在3G LTE系统中设置的最大重传次数为3)，则确定该数据包传输错误并丢弃该包，然后通知发送端发送新的数据包。这种HARQ方案对错误数据包采取了简单的丢弃，而没有充分利用错误数据包中存在的有用信息。所以，HARQ-I型的性能主要依赖于FEC的纠错能力。
3.2 HARQ-II型
HARQ-II也称作完全增量冗余方案。在这种方案下，信息比特经过编码后，将编码后的校验比特按照一定的周期打孔，根据码率兼容原则依次发送给接收端。收端对已传的错误分组并不丢弃，而是与接收到的重传分组组合进行译码；其中重传数据并不是已传数据的简单复制，而是附加了冗余信息。接收端每次都进行组合译码，将之前接收的所有比特组合形成更低码率的码字，从而可以获得更大的编码增益，达到递增冗余的目的。每一次重传的冗余量是不同的，而且重传数据不能单独译码，通常只能与先前传的数据合并后才能被解码。
3.3 HARQ-III型
HARQ-III型是完全递增冗余重传机制的改进。对于每次发送的数据包采用互补删除方式，各个数据包既可以单独译码，也可以合成一个具有更大冗余信息的编码包进行合并译码。另外根据重传的冗余版本不同，HARQ-III又可进一步分为两种：一种是只具有一个冗余版本的HARQ-III，各次重传冗余版本均与第一次传输相同，即重传分组的格式和内容与第一次传输的相同，接收端的解码器根据接收到的信噪比(SNR)加权组合这些发送分组的拷贝，这样，可以获得时间分集增益。另一种是具有多个冗余版本的HARQ-III，各次重传的冗余版本不相同，编码后的冗余比特的删除方式是经过精心设计的，使得删除的码字是互补等效的。所以，合并后的码字能够覆盖FEC编码中的比特位，使译码信息变得更全面，更利于正确译码。