Гибридный автоматический повторный запрос - Hybrid automatic repeat request

Гибридный автоматический повторный запрос (гибридный ARQ или же HARQ) представляет собой сочетание высокоскоростных упреждающее исправление ошибок (FEC) и автоматический повторный запрос (ARQ) контроль ошибок. В стандартном ARQ избыточные биты добавляются к данным для передачи с использованием код обнаружения ошибок (ED) например, циклическая проверка избыточности (CRC). Получатели, обнаружившие поврежденное сообщение, запросят новое сообщение у отправителя. В гибридном ARQ исходные данные кодируются с помощью кода FEC, а биты четности либо сразу отправляются вместе с сообщением, либо передаются только по запросу, когда получатель обнаруживает ошибочное сообщение. Код ED может быть опущен, если используется код, который может выполнять как упреждающее исправление ошибок (FEC) в дополнение к обнаружению ошибок, например Код Рида – Соломона. Код FEC выбирается для исправления ожидаемого подмножества всех ошибок, которые могут возникнуть, в то время как метод ARQ используется как резервный вариант для исправления ошибок, которые не исправляются с использованием только избыточности, отправленной при начальной передаче. В результате гибридный ARQ работает лучше, чем обычный ARQ в условиях плохого сигнала, но в его простейшей форме это происходит за счет значительно меньшей пропускной способности в условиях хорошего сигнала. Обычно существует точка перехода качества сигнала, ниже которой простой гибридный ARQ лучше, а выше которой лучше базовый ARQ.

Простой гибридный ARQ

Самая простая версия HARQ, HARQ типа I, добавляет к каждому сообщению информацию как ED, так и FEC перед передачей. При получении блока кодированных данных приемник сначала декодирует код с исправлением ошибок. Если качество канала достаточно хорошее, все ошибки передачи должны быть исправлены, и приемник сможет получить правильный блок данных. Если качество канала плохое и не все ошибки передачи могут быть исправлены, приемник обнаружит эту ситуацию, используя код обнаружения ошибок, затем принятый блок кодированных данных отклоняется и приемник запрашивает повторную передачу, аналогично ARQ.^[1]

В более сложной форме HARQ типа II, источник сообщения попеременно переключает биты сообщения вместе с битами четности обнаружения ошибок и только битами четности FEC. Когда первая передача получена без ошибок, биты четности FEC никогда не отправляются. Кроме того, две последовательные передачи могут быть объединены для исправления ошибок, если ни одна из них не свободна от ошибок.^[2]

Чтобы понять разницу между гибридным ARQ типа I и типа II, рассмотрите размер добавленной информации ED и FEC: обнаружение ошибок обычно добавляет только пару байтов к сообщению, что является лишь постепенным увеличением длины. FEC, с другой стороны, часто может удвоить или утроить длину сообщения с помощью четности исправления ошибок. Что касается пропускной способности, стандартный ARQ обычно расходует несколько процентов пропускной способности канала для надежной защиты от ошибок, в то время как FEC обычно расходует половину или более всей пропускной способности канала для улучшения канала.

В стандартном ARQ передача должна быть принята без ошибок при любой данной передаче, чтобы обнаружение ошибок прошло. В гибридном ARQ типа II первая передача содержит только данные и обнаружение ошибок (не отличается от стандартного ARQ). Если получено без ошибок, значит, дело сделано. Если данные получены с ошибкой, вторая передача будет содержать четность FEC и обнаружение ошибок. Если получено без ошибок, значит, дело сделано. Если получено с ошибкой, можно попытаться исправить ошибку, объединив информацию, полученную от обеих передач.

Только гибридный ARQ типа I испытывает потерю емкости в условиях сильного сигнала. Гибридный ARQ типа II этого не делает, потому что биты FEC передаются только при последующих повторных передачах по мере необходимости. В условиях сильного сигнала гибридный ARQ типа II работает с такой же хорошей пропускной способностью, как и стандартный ARQ. В условиях плохого сигнала гибридный ARQ типа II работает с такой же хорошей чувствительностью, как и стандартный FEC.

Гибридный ARQ с мягким объединением

На практике неправильно принятые блоки кодированных данных часто сохраняются в приемнике, а не отбрасываются, и когда принимается повторно переданный блок, два блока объединяются. Это называется гибридным ARQ с мягким объединением (Dahlman et al., Стр. 120). Хотя возможно, что две данные передачи не могут быть независимо декодированы без ошибок, может случиться так, что комбинация ранее ошибочно принятых передач дает нам достаточно информации для правильного декодирования. В HARQ есть два основных метода мягкого комбинирования:

• Комбинирование чейза: каждая повторная передача содержит одну и ту же информацию (биты данных и четности). Приемник использует комбинирование с максимальным соотношением объединить полученные биты с такими же битами из предыдущих передач. Поскольку все передачи идентичны, комбинирование Чейза можно рассматривать как дополнительное кодирование с повторением. Можно думать о каждой повторной передаче как о добавлении дополнительной энергии к принимаемой передаче за счет увеличения Eb / N0.
• Инкрементное резервирование: каждая повторная передача содержит информацию, отличную от предыдущей. Генерируется несколько наборов кодированных битов, каждый из которых представляет один и тот же набор информационных битов. Повторная передача обычно использует другой набор кодированных битов, чем предыдущая передача, с разными версиями избыточности, генерируемыми прокалывание выход кодировщика. Таким образом, при каждой повторной передаче приемник получает дополнительную информацию.

Существует несколько вариантов двух основных методов. Например, при частичном объединении Чейза повторно передается только подмножество битов в исходной передаче. При частичном инкрементном резервировании систематический биты всегда включены, поэтому каждая повторная передача может декодироваться самостоятельно.

Примером HARQ с возрастающей избыточностью является HSDPA: блок данных сначала кодируется проколотый 1/3 Турбо код, то во время каждой (повторной) передачи кодированный блок обычно прокалывается дальше (т.е. выбирается только часть кодированных битов) и отправляется. Шаблон прокалывания, используемый во время каждой (повторной) передачи, отличается, поэтому каждый раз отправляются разные кодированные биты. Хотя стандарт HSDPA поддерживает как комбинирование Чейза, так и добавочное резервирование, было показано, что добавочное резервирование почти всегда работает лучше, чем комбинирование Чейза, за счет увеличения сложности.^[3]

HARQ можно использовать в остановка и ожидание режим или в выборочный повтор режим. Остановка и ожидание проще, но ожидание подтверждения получателя снижает эффективность. Таким образом, на практике несколько процессов HARQ с остановкой и ожиданием часто выполняются параллельно: когда один процесс HARQ ожидает подтверждения, другой процесс может использовать канал для отправки дополнительных данных.

Существуют и другие коды прямого исправления ошибок, которые могут использоваться в схеме HARQ помимо турбо-кодов, например расширенный код нерегулярного повторения-накопления (eIRA) и код с эффективной скоростью кодирования (E2RC), оба из которых являются коды с низкой плотностью проверки четности.

Приложения

HARQ используется в HSDPA и HSUPA обеспечивающие высокую скорость передачи данных (на нисходящий канал и восходящий канал соответственно) для сетей мобильной связи, таких как UMTS, а в IEEE 802.16-2005 стандарт мобильного широкополосного беспроводного доступа, также известный как «мобильный WiMAX». Он также используется в Evolution-Data Optimized и LTE беспроводные сети.

Гибридный ARQ типа I используется в ITU-T G.hn, высокоскоростной Локальная сеть стандарт, который может работать со скоростью до 1 Гбит / с по существующей домашней проводке (линии электропередач, телефонные линии и коаксиальные кабели ). G.hn использует CRC-32C для обнаружения ошибок, LDPC для прямого исправления ошибок и Выборочный повтор для ARQ.

Рекомендации

1. Комро / Костелло 1984, стр. 474
2. Комро / Костелло 1984, стр. 474–5
3. Frenger, P .; С. Парквалл; Э. Дальман (октябрь 2001 г.). «Сравнение производительности HARQ с объединением Chase и возрастающей избыточностью для HSDPA». Конференция по автомобильным технологиям, 2001 г. VTC 2001, осень. IEEE VTS, 54 место. 3. Городок Пискатауэй, Нью-Джерси: Операционный центр IEEE. С. 1829–1833. Дои:10.1109 / VTC.2001.956516. ISBN  0-7803-7005-8.

дальнейшее чтение

• Солянин, Эмина; Руохэн Лю; Предраг Спасоевич (2004). «Гибридный ARQ с назначениями случайной передачи». Успехи в теории сетевой информации. Провиденс, Род-Айленд: Американское математическое общество. С. 321–334. ISBN  0-8218-3467-3. Получено 18 марта, 2009. также доступен в виде препринта.
• Comroe, R .; Д. Костелло (июль 1984 г.). «Схемы ARQ для передачи данных в системах мобильной радиосвязи». Журнал IEEE по избранным областям коммуникаций. 2 (4): 472–481. Дои:10.1109 / JSAC.1984.1146084.
• Давида, Георгий I.; Судхакар М. Редди (сентябрь 1972 г.). «Прямое исправление ошибок с обратной связью». Информация и контроль. 21 (2): 117–133. Дои:10.1016 / S0019-9958 (72) 90057-5.
• «Согласование скорости и HARQ (WCDMA / HSDPA)». Согласование скорости и HARQ (WCDMA / HSDPA).
• Дальман, Эрик; Парквалл, Стефан; Скёльд, Йохан; Беминг, Пер (2008). Эволюция 3G - HSPA и LTE для мобильного широкополосного доступа (2-е изд.). Академическая пресса. С. 119–123. ISBN  978-0-12-374538-5.