Hybride automatische Wiederholungsanforderung - Hybrid automatic repeat request

Die hybride automatische Wiederholungsanforderung ( Hybrid ARQ oder HARQ ) ist eine Kombination aus hochfrequenter Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) und automatischer Fehleranforderung (ARQ). In der Standard-ARQ werden redundante Bits zu Daten hinzugefügt, die unter Verwendung eines Fehlererkennungscodes (ED-Code) wie einer zyklischen Redundanzprüfung (CRC) übertragen werden sollen. Empfänger, die eine beschädigte Nachricht erkennen, fordern vom Absender eine neue Nachricht an. In Hybrid ARQ werden die Originaldaten mit einem FEC-Code codiert, und die Paritätsbits werden entweder sofort zusammen mit der Nachricht gesendet oder nur auf Anfrage gesendet, wenn ein Empfänger eine fehlerhafte Nachricht erkennt. Der ED-Code kann weggelassen werden, wenn ein Code verwendet wird, der neben der Fehlererkennung sowohl eine Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) als auch einen Reed-Solomon-Code durchführen kann . Der FEC-Code wird ausgewählt, um eine erwartete Teilmenge aller möglicherweise auftretenden Fehler zu korrigieren, während die ARQ-Methode als Ersatz für die Korrektur von Fehlern verwendet wird, die nicht korrigiert werden können, indem nur die bei der ersten Übertragung gesendete Redundanz verwendet wird. Infolgedessen ist die Hybrid-ARQ unter schlechten Signalbedingungen besser als die gewöhnliche ARQ, in ihrer einfachsten Form geht dies jedoch zu Lasten eines deutlich geringeren Durchsatzes unter guten Signalbedingungen. Es gibt typischerweise einen Überkreuzungspunkt für die Signalqualität, unterhalb dessen der einfache Hybrid-ARQ besser ist und oberhalb dessen der Basis-ARQ besser ist.

Einfacher Hybrid ARQ

Die einfachste Version von HARQ, Typ I HARQ , fügt jeder Nachricht vor der Übertragung sowohl ED- als auch FEC-Informationen hinzu. Wenn der codierte Datenblock empfangen wird, decodiert der Empfänger zuerst den Fehlerkorrekturcode. Wenn die Kanalqualität gut genug ist, sollten alle Übertragungsfehler korrigierbar sein, und der Empfänger kann den richtigen Datenblock erhalten. Wenn die Kanalqualität schlecht ist und nicht alle Übertragungsfehler korrigiert werden können, erkennt der Empfänger diese Situation unter Verwendung des Fehlererkennungscodes, dann wird der empfangene codierte Datenblock zurückgewiesen und eine erneute Übertragung wird vom Empfänger angefordert, ähnlich wie ARQ.

In einer komplexeren Form, Typ II HARQ , wechselt der Nachrichtenurheber zwischen Nachrichtenbits zusammen mit fehlererkennenden Paritätsbits und nur FEC-Paritätsbits. Wenn die erste Übertragung fehlerfrei empfangen wird, werden die FEC-Paritätsbits niemals gesendet. Außerdem können zwei aufeinanderfolgende Übertragungen zur Fehlerkorrektur kombiniert werden, wenn keine fehlerfrei ist.

Um den Unterschied zwischen Typ I- und Typ II-Hybrid-ARQ zu verstehen, berücksichtigen Sie die Größe der hinzugefügten ED- und FEC-Informationen: Die Fehlererkennung fügt einer Nachricht normalerweise nur ein paar Bytes hinzu, was nur eine schrittweise Verlängerung darstellt. Andererseits kann FEC die Nachrichtenlänge mit Fehlerkorrekturparitäten häufig verdoppeln oder verdreifachen. In Bezug auf den Durchsatz verbraucht Standard-ARQ normalerweise einige Prozent der Kanalkapazität für einen zuverlässigen Schutz vor Fehlern, während FEC normalerweise die Hälfte oder mehr der gesamten Kanalkapazität für die Kanalverbesserung verbraucht.

In Standard-ARQ muss eine Übertragung bei jeder Übertragung fehlerfrei empfangen werden, damit die Fehlererkennung erfolgreich ist. In Typ II Hybrid ARQ enthält die erste Übertragung nur Daten und Fehlererkennung (nicht anders als Standard ARQ). Wenn fehlerfrei empfangen, ist es fertig. Wenn Daten fehlerhaft empfangen werden, enthält die zweite Übertragung FEC-Paritäten und Fehlererkennung. Wenn fehlerfrei empfangen, ist es fertig. Bei einem fehlerhaften Empfang kann eine Fehlerkorrektur versucht werden, indem die von beiden Übertragungen empfangenen Informationen kombiniert werden.

Nur Hybrid ARQ vom Typ I erleidet unter starken Signalbedingungen einen Kapazitätsverlust. Typ II Hybrid ARQ nicht, da FEC-Bits nur bei nachfolgenden Neuübertragungen nach Bedarf übertragen werden. Bei starken Signalbedingungen arbeitet der Typ II Hybrid ARQ mit einer so guten Kapazität wie der Standard ARQ. Bei schlechten Signalbedingungen arbeitet der Typ II Hybrid ARQ mit einer so guten Empfindlichkeit wie die Standard-FEC.

Hybrid ARQ mit weicher Kombination

In der Praxis werden falsch empfangene codierte Datenblöcke häufig beim Empfänger gespeichert und nicht verworfen, und wenn der erneut gesendete Block empfangen wird, werden die beiden Blöcke kombiniert. Dies wird als Hybrid-ARQ mit weicher Kombination bezeichnet (Dahlman et al., S. 120). Während es möglich ist, dass zwei gegebene Übertragungen nicht ohne Fehler unabhängig voneinander decodiert werden können, kann es vorkommen, dass die Kombination der zuvor fälschlicherweise empfangenen Übertragungen uns genügend Informationen liefert, um korrekt zu decodieren. In HARQ gibt es zwei Hauptmethoden für das weiche Kombinieren:

  • Chase-Kombination: Jede erneute Übertragung enthält dieselben Informationen (Daten- und Paritätsbits). Der Empfänger verwendet eine Kombination mit maximalem Verhältnis, um die empfangenen Bits mit den gleichen Bits aus früheren Übertragungen zu kombinieren. Da alle Übertragungen identisch sind, kann die Chase-Kombination als zusätzliche Wiederholungscodierung angesehen werden . Man könnte sich jede Neuübertragung als zusätzliche Energie für die empfangene Übertragung durch ein erhöhtes Eb / N0 vorstellen .
  • Inkrementelle Redundanz: Jede erneute Übertragung enthält andere Informationen als die vorherige. Es werden mehrere Sätze von codierten Bits erzeugt, die jeweils den gleichen Satz von Informationsbits darstellen. Die erneute Übertragung verwendet typischerweise einen anderen Satz von codierten Bits als die vorherige Übertragung, wobei unterschiedliche Redundanzversionen durch Durchstechen des Codiererausgangs erzeugt werden. Somit erhält der Empfänger bei jeder erneuten Übertragung zusätzliche Informationen.

Es gibt mehrere Varianten der beiden Hauptmethoden. Beispielsweise wird bei einer teilweisen Verfolgung, bei der nur eine Teilmenge der Bits in der ursprünglichen Übertragung kombiniert wird, erneut übertragen. Bei teilweiser inkrementeller Redundanz sind die systematischen Bits immer enthalten, so dass jede erneute Übertragung selbstdecodierbar ist.

Ein Beispiel für inkrementelle Redundanz HARQ ist HSDPA : Der Datenblock wird zuerst mit einem punktierten 1/3 Turbo-Code codiert , dann wird der codierte Block bei jeder (erneuten) Übertragung normalerweise weiter punktiert (dh nur ein Bruchteil der codierten Bits wird ausgewählt). und abgeschickt. Das Punktionsmuster, das während jeder (erneuten) Übertragung verwendet wird, ist unterschiedlich, so dass jedes Mal unterschiedliche codierte Bits gesendet werden. Obwohl der HSDPA-Standard sowohl Chase-Kombination als auch inkrementelle Redundanz unterstützt, hat sich gezeigt, dass inkrementelle Redundanz auf Kosten einer erhöhten Komplexität fast immer eine bessere Leistung als Chase-Kombination bietet.

HARQ kann im Stop-and-Wait- Modus oder im selektiven Wiederholungsmodus verwendet werden. Stop-and-Wait ist einfacher, aber das Warten auf die Bestätigung des Empfängers verringert die Effizienz. Daher werden in der Praxis häufig mehrere Stop-and-Wait-HARQ-Prozesse parallel ausgeführt: Wenn ein HARQ-Prozess auf eine Bestätigung wartet, kann ein anderer Prozess den Kanal verwenden, um weitere Daten zu senden.

Neben Turbo-Codes gibt es noch andere Vorwärtsfehlerkorrekturcodes, die in einem HARQ-Schema verwendet werden können, z. B. eIRA-Code (Extended Irregular Repeat-Accumulate) und E2RC-Code (Efficiently-Encodable Rate Compatible), die beide Paritäts-Low-Density- Codes prüfen .

Anwendungen

HARQ wird in HSDPA und HSUPA verwendet, die eine Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung (über Downlink bzw. Uplink ) für Mobilfunknetze wie UMTS und im IEEE 802.16-2005- Standard für mobilen drahtlosen Breitbandzugang, auch als "mobiles WiMAX" bekannt, bereitstellen. . Es wird auch in Evolution-Data Optimized- und LTE- Funknetzwerken verwendet.

Typ I Hybrid ARQ wird in ITU-T G.hn verwendet , einem lokalen Hochgeschwindigkeitsnetzwerkstandard , der mit Datenraten von bis zu 1 Gbit / s über vorhandene Heimkabel ( Stromleitungen , Telefonleitungen und Koaxialkabel ) betrieben werden kann. G.hn verwendet CRC-32C zur Fehlererkennung, LDPC zur Vorwärtsfehlerkorrektur und Selective Repeat für ARQ.

Verweise

Weiterführende Literatur