重传，ARQ和HARQ

通信，就是将信息准确无误地从发件人传递给收件人的过程。信息在光纤，电缆中以电信号传播，在传播过程中信号会因为噪声和干扰而“受伤”，因此我们需要想办法保证信息传递的准确性。

重传

我前段时间网购了一只可爱的熊本熊，但是过了好几天快递记录一直停滞不更新。我心急，联系商家，他说跟快递确认可能小熊已经丢了，于是给我重新发了一只。

熊笨熊

可以粗略地将通信模型类比成网购熊本熊，其中的熊本熊就是需要传递的信息块1（如下图所示），商家是发送方（transmitter），我是接收方（receiver），委托的快递是信道（可以简单理解为信息传递的管道）。

我通过查询快递，发现熊本熊发货异常，与商家联系之后，他给我又发了一只过来。

模型

在信息传递错误的情况下，会使用与我类似的策略：如果接收方发现信息有误（不完整，损坏或者丢失），就要求发送方将原来的信息重新发送一次，这就是重传机制。

重传

重传机制在日常生活中也非常常见，比如我们交谈时候，如果没有听清楚，会不自觉地“嗯？”一声，对方就会将刚才的话再说一遍。

前向错误更正

我们通过听到的语音片段，判断对方发出的信息是否正确，那手机和计算机又怎么判断发送信息是否正确呢？使用CRC校验。

网购熊本熊，收到货物之后，我怎么判断是我买的那只呢？

我会将它与网店的照片和描述进行比对，比如外观，颜色，材质，样式等等，如果这些关键信息与网店描述一致，那么就可以肯定我收到的是正品。与商家确认之前，我利用了网店的冗余信息，判断网购货物的真伪。

前向错误更正是一种在单向通信系统中控制传输错误的技术，通过连同数据发送额外的资讯进行错误恢复，以降低比特误码率。

电子设备也是根据发送信息中携带的冗余信息来验证正确性的，这种技术角前向错误更正。所有的电子设备与人类不同，它们只认识0和1，传递的信息也是一串010101010101...一样的码流，所以在传送的信息码流之后，发送方会添加与信息码流相关的冗余信息，供接收方判断收到信息的正确性。本质上，是通过一系列的运算，提取出信息码流的特征，用冗余信息描述，并将冗余信息附在信息码流的之后一起发送出去。

如下图所示，黄色块是信息比特，CRC bits就是冗余信息。接收方解码出信息比特，再运算出CRC bits与发送的CRC bits进行比较：如果相同，则信息接收无误，否则说明信息传输错误。CRC的具体的机制可以参考我之前的博文CRC校验编码。

CRC

ARQ和HARQ

ARQ

之前介绍的重传机制就是一种ARQ(Automatic Repeat-reQuest)技术。

如下图所示，接收方在收到信息之后，会借助前向错误更正技术来判断收到的信息是否损坏，如果没有则反馈一条ACK(ACKnowledgement)的信息，告诉发送方信息已经正确接收，发送方知晓之后继续发送新的信息；否则，如果发现有误，就丢弃该信息，然后发送一条Non-ACKnowledgement（NACK）的反馈信息，发送方收到信息之后会重新发送原来的信息。

ACK/NACK

该技术有如下几个关键特征：

1. 接收方会发送反馈信息给发送方。无论接收正确与否，都需要反馈接收情况给发送方；
2. 接收正确之后才继续发送信息。在前一个信息没有正确确认之前，不得发送下一条信息，所以ARQ又称为stop and wait ARQ。如下图所示

NACK

HARQ

我们留意到，如果信息有误就直接丢弃，丢弃掉的信息仅仅是部分损坏，那如果不丢弃，是不是可以利用里面的信息解码呢？

答案是肯定的。有一个很直观的例子，比如发送一页书，只是后面的一小部分模糊不清，如果重发之后之前损坏的那一小部分是好的，就可以将二者拼接起来，完整地复原之前的结果，这里的“拼接”就是通信信号中的软合并（soft combine）技术。

软合并

如上图所示，很明显如果将之前传输有误的数据缓存起来，与现有的损坏数据做分集合并，必然会提高信息正确解码的概率，这种结合了分集合并和ARQ的技术就称为HARQ，即混合ARQ技术。

软合并1

HARQ与之前的ARQ有两个显著区别：

1. 缓存损坏数据。ARQ将损坏数据直接扔掉，而HARQ需要缓存起来；
2. 缓存数据与当前数据软合并解码。缓存数据就是为了软解码，提高正确检测率。

软合并2

如上图所示，如果数据块2一直发送失败，接收方会一直反馈失败，直到与本地缓存数据联合正确解码为止。

根据发送方重发数据的内容是否一致，可以将HARQ分为跟踪合并和增量冗余两种类型。

• 跟踪合并（Chase Combining）

chase combining

发送端将原始信息比特(Information Bits)加上CRC(Cyclic Redundancy Check, CRC)后通过Turbo Encoder编码产生数据包(Coded Bits)，无论首次还是之后重传都要发送这个数据包Coded Bits，接收方则利用Maximum-ratio概念组合现在及之前收到的Coded Bits后，再进入解码器(Decoder)。由於每次重傳都與第一次傳的資料相同，所以並不會增加編碼率(Coding Rate)，但可以在每次重傳時都增加訊噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)Eb/N0。

• 增量冗余（Incremental Redundancy）

IR

與Chase Combining不同的是，傳送端在傳送前會將Coded Bits透過循環緩衝器(Circular Buffer)用打孔(Puncturing)的方式分成四種冗餘版本(Redundancy Version, RV)第一次傳送r.v.=0，若有需要重傳，通常會依序再傳r.v.=2、r.v.=3及r.v.=1的部分，若傳送四次合併之後仍無法正確解碼，才會全部捨棄再從頭重傳一遍，其相關概念如圖5所示。LTE中的HARQ結合Soft Combining都是以Incremental Redundancy為主。因此，FEC及Soft Combining提供的低誤碼率，將可以大幅減少傳統ARQ所必須重傳的次數。

参考资料

• LTE：HARQ（一）---HARQ介绍_金辉LTE新浪博客
• What is Retransmission, ARQ and HARQ? - telecomHall
• All About LTE : All About HARQ
• 前向错误更正 - Wikiwand
• 結合FEC與ARQ優點　HARQ提升訊號重傳效率 - 技術前瞻 - 新通訊元件雜誌