長程演進計畫(Long Term Evolution, LTE)是第三代合作夥伴計畫(3GPP)所提出的重要新世代行動通訊技術。混合式自動重送請求(Hybrid Automatic Repeat Request, HARQ)結合前饋式錯誤更正碼(Forward Error Correction, FEC)及自動重送請求(ARQ)，在LTE中提供一種高效率的錯誤重傳機制。
有鑑於HARQ相關概念分散於許多標準(Specification)之中且不易了解，此篇文章主要探討HARQ在分時雙工(Time Division Duplex, TDD)LTE(TD-LTE)架構下，其於物理層(Physical Layer, PHY)中的運作方式及其基礎概念。
ARQ降低傳輸錯誤
資料封包在無線傳輸的途中很容易受到時變移動通道(Time-variant Channel)或多路徑(Multipath)衰落等許多因素影響，有些時候這些狀況會難以估測且預先補償，導致接收到的資料不能正確解碼(Decode)而無法辨識。
ARQ技術是在解碼正確時回傳ACK(Acknowledgement)的訊息給發送端(Transmitter)，來確認傳輸正確無誤。相對來說，若是無法正確解碼，則會回傳NACK(Negative Acknowledgement)訊息給發送端，以表示資料錯誤須重傳。
如此一來，可以不用每次都大費周章地預先準確估測通道(Channel)，或想盡辦法將被雜訊影響嚴重的訊息正確解碼，直接讓傳送端重送資料便可大幅增加正確解碼的機率。傳統的ARQ有以下三種設計方式：
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發送端每傳送一筆資料封包就先暫時停下來，待其收到接收端(Receiver)傳回的ACK/NACK，或者在特定時間後尚未收到ACK/NACK時才決定傳新資料/重傳，其相關概念如圖1所示。 |
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| 圖1 Stop-and-Wait ARQ的運作方式 |
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發送端持續不斷地傳送資料封包，若收到ACK時不改變其動作，但收到NACK時會跳回錯誤的資料封包再依序重傳一次。接收端在回傳NACK後便捨棄接下來收到的封包，待前一次傳錯的資料正確解碼(接收)後，才開始繼續依序儲存資料封包，其相關概念如圖2所示。 |
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| 圖2 Go-back-N ARQ的運作方式 |
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做法與Go-back-N ARQ相似，但收到NACK時僅重傳錯誤的那份資料封包，而非重新依序重傳，另外，接收端在回傳NACK後並非捨棄接下來收到的封包而是存在緩衝器(Buffer)，待資料全部接收(正確解碼)完成後再重新依序排列，其相關概念如圖3所示。 |
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| 圖3 Selective-repeat ARQ的運作方式 |
HARQ是使用數個平行運作的Stop-and-Wait ARQ來實現錯誤重送機制，此種方式可以在其中一個Subframe資料有誤時或於解碼時，讓其他Subframe資料仍能持續傳輸及解碼，不但能充分利用其他Subframe尚在解碼期間繼續傳輸資料，還能有效率地針對有錯誤的部分進行重傳即可。
在分頻雙工(Frequency Division Duplex, FDD)情況下HARQ固定有八個平行的程序(Process)，而在分時雙工的情況時，上-下行(Uplink-Downlink)依據其結構(Configuration)有個別的次數，下行HARQ程序次數為4至15次不等，上行HARQ程序次數則為1至7次不等。
UL-DL結構及上下行HARQ程序的概念，將於後文中詳述。
FEC結合Soft Combining HARQ重傳次數銳減
FEC為一種在通訊系統中對抗傳輸錯誤的技術，可以把它當成一種通道編碼的方式，係透過加入由預先確定演算法與原始數據計算得出的額外數據與原始數據合併同時傳輸，在接收端利用此額外數據與原始數據透過預先確定的演算法比較計算後進行錯誤糾正，以期降低誤碼率(Bit Error Rate, BER)。
此額外數據是以冗餘(Redundancy)封包的方式加以補入，較大的冗餘封包提供較佳錯誤糾正的能力，但同時也會造成系統額外的負擔，因此必須在其長度上做計算及調整折衷，取適當長度的冗餘封包，以期在不致影響系統容量太多的情況下，得到不錯的錯誤糾正能力。
HARQ另外使用Soft Combining來對抗傳輸錯誤的問題。如前文所述，HARQ捨棄錯誤的資料封包，但儘管這些封包無法正確解碼，其中仍然包含一部分有用的資訊，如何利用這些有用的資訊來增加重傳資料解碼的正確機率便是運用Soft Combining欲達成的目標。
HARQ協定(Protocol)是在媒體存取控制層(Media Access Control Layer, MAC Layer)中運作，不過，HARQ搭配Soft Combining將錯誤的封包暫存於緩衝器內，並將其與重傳的資料合併，此為PHY中的功能。合併的方式分為以下兩種：
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傳送端將原始資料封包(Information Bits)加上循環冗餘校驗(Cyclic Redundancy Check, CRC)後透過Turbo Encoder編碼產生數據封包(Coded Bits)，無論首次傳輸或重傳皆是傳此Coded Bits，接收端則利用Maximum-ratio概念組合現在及之前收到的Coded Bits後，再進入解碼器(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，其相關概念如圖4所示。 |
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| 圖4 Chase Combining的運作方式 |
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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。 |
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| 圖5 Incremental Redundancy的運作方式 |
LTE分頻雙工/分時雙工設計歧異
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| 圖6 分頻雙工架構示意圖 |
LTE系統提出分頻雙工和分時雙工兩種不同的傳輸方式。分頻雙工採用兩個對稱頻率通道來進行上下行的傳輸，通道間有保護頻段(Guard Band)分隔以避免互相干擾，其單向的資源在時間上是連續的(圖6)。
分時雙工則是在整個頻帶上傳輸，並以時間來分割成上下行傳輸，故其單向的資源在時間上是不連續的，而上下行資源在時間上的分配是依據給定的不同結構有個別的排列方式(圖7)。
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| 圖7 分時雙工架構示意圖 |
無論是上行或下行傳輸的組成分配都將10毫秒(ms)區間範圍稱為一Radio Frame，向下再細分1毫秒為一Subframe，0.5毫秒為一Slot，亦即一個Radio Frame分為10個Subframe，而一個Subframe分為2個Slot。分時雙工是以Subframe為單位區分上下行，其分配方式如表1所示，而分頻雙工和分時雙工在頻帶上的組成方式則描述於圖7中。
值得一提的是，分時雙工架構下特有的Special Subframe中包含DwPTS、GP及UpPTS三部分，DwPTS可視為時間範圍較短的一般DL Subframe；UpPTS可視為時間較短的特殊UL Subframe，僅可傳送PRACH(Physical Random Access CHannel)或SRS(Sounding Reference Signal)，中間的GP目的則是為了對抗傳輸延遲(Propagation Delay)。
由於基地台(eNode B, eNB)功率較強且為同步，若其同時由傳送模式(DL)轉成接收模式(UL)時，可能還會接收到別的Cell的eNB所傳而非手機端(User Equipment, UE)所須傳送的資料，為避免這種非所需資料的干擾，所以在DL→UL Subframe中間加一個含有GP的Special Subframe當作緩衝。
相較於eNB來說，UE的功率小了許多，UE自傳送模式(UL)轉成接收模式(DL)時，其訊號幾乎不會傳到隔壁Cell造成干擾，因此UL→DL Subframe時並沒有加入GP作為緩衝，但設計上仍會在UL Subframe最後一小段時間不傳送任何資料做較簡易的保護。
HARQ分時雙工實作難度不小
HARQ接收端封包處理及回報ACK/NACK的時間約為3毫秒，亦即接收端收到數據後需要3毫秒處理(辨識/解碼)來決定回傳ACK/NACK，傳送端在收到ACK/NACK後需要3毫秒決定傳新資料/重傳。
在分頻雙工設計下，若重送端於第k個Subframe傳送資料，則接收端會在第k+4個Subframe回傳ACK/NACK，傳送端則會在第k+8個Subframe傳送新資料/重傳，如此一個來回就是HARQ程序，其中運作的固定8毫秒即為分頻雙工設計下的往返時差(Round Trip Time, RTT)。圖8為一個HARQ程序在分頻雙工架構下的範例。
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| 圖8 分頻雙工架構HARQ程序的傳輸範例 |
反觀，在分時雙工架構下，由於上下行鏈路並不連續，接收端發送ACK/NACK的位置就通常不在第k+4個Subframe，而是在其後適當的Subframe傳送，如何傳送全依據UL-DL架構來判定。由此可知，傳送端傳送新資料/重傳也勢必在第k+8個Subframe之後，且分時雙工設計下的往返時差(RTT)在每個UL-DL架構下都不固定且大於8毫秒。
圖9為一個下行HARQ程序在分時雙工Configuration 0架構下的範例。在Subframe 0傳送DL資料，3毫秒後的Subframe 4為UL可上傳ACK/NACK，再3毫秒後的Subframe 8為UL無法再傳新資料或重傳，因此須要在其後第一個遇到的，也就是下個Subframe 0傳送DL資料。
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| 圖9 分時雙工Configuration 0架構中的下行HARQ程序傳輸範例 |
善用高效率錯誤重傳機制
HARQ結合FEC和ARQ，在LTE中提供一種高效率的錯誤重傳機制。此篇文章介紹不同ARQ的設計、FEC的概念、Soft Combining的分類和運作方式以及簡單的HARQ程序範例。但以上僅為其中一種Configuration組成的其中一個程序，每種Configuration都各有不同的UL/DL/Special Subframe組合，其上下行HARQ程序也相對上複雜許多。
(本文作者任職於資策會智通所)