5G NR HARQ操作机制

对于NR来说,将有许多不同的服务,有非常不同的要求。为了满足这些需求并以经济高效的方式处理它们,HARQ过程也需要非常灵活地设计。从一个公共帧结构中,应该可以支持多个HARQ操作。本文讨论不同类型的HARQ反馈,即自包含反馈(Self-contained feedback)、延迟反馈(Delayed Feedback)和集中反馈(Concentrated Feedback)。对FDD和TDD均适用。

一般来说,5G FDD和TDD使用一个共同的帧结构。

FDD:

注意,上面图1中的DL帧的末尾处的"RS"可以是任何类型的下行信号,但不是下行数据。为了实现自包含反馈,下行数据不能在调度帧的末尾发送。(DC是下行控制)

对于FDD系统,如图1所示,下行调度帧包括下行控制、下行数据和RS。一般更希望下行反馈内置到下一个调度场合的UL授权中。上行调度帧包括参考信号、上行数据和上行反馈。

TDD:

对于TDD系统,每个调度帧可以包括上行链路和下行链路。如图2所示,下行调度帧包括下行控制、下行数据、GP和上行反馈。上行调度帧包括用于调度上行数据的下行控制、GP、上行链路数据和上行链路控制。

FDD系统HARQ

对于自包含的反馈,这意味着:

对于下行数据传输:上行在同一调度帧内发送Ack/Nack

对于上行数据传输:反馈由UL grant隐式表示

为了在调度帧内(对于下行数据)实现自包含反馈,必须保证数据传输与其相应反馈之间有足够的时间。接收机处理需要这个时间。调度帧结构如下图3所示:基站在同一调度帧的末尾接收其下行数据的相应反馈。

对于上行数据传输,不需要显式反馈。相反,这可以内置到UL grant中,用于下一个调度帧。在这种情况下,必须有足够的时间来调度下一个调度帧(SDF:scheduling frame)。

引入自包含反馈至少有两个优点:

  1. Ack/Nack的短延迟适合于需要低时延的服务(例如URLLC)

  2. 不同调度帧之间的低耦合。这使得调度器更容易分配资源,也使得使用不同类型的SDF复用不同的服务更容易。

对于自包含反馈,每个调度帧需要一些时间用于接收器处理。虽然这段时间可以用来发送其他信号,但数据的传输速率会降低。另外,一些UE类别可能不具有在如此短的时间内解码接收到的数据的处理能力。

因此,HARQ过程不仅应支持自包含反馈,而且还应支持延迟反馈,其中Ack/Nack不在与数据传输相同的调度帧中发送。ACK/NACK时延可以实现为一个常数或一个动态时间间隔。通常,基站可以在调度帧n中发送下行数据,并且将在调度帧n+k中接收相应的反馈。

对于一个恒定的间隔,可以为不同的服务选择不同的k值。如果间隔是动态的,间隔(k)可以用DCI表示。与等间隔方法相比,动态间隔方法更加灵活,但会引入额外的控制信令开销。延迟反馈适用于不需要很低时延的服务,例如eMBB、mMTC。

TDD系统HARQ

图5示出了TDD的自包含HARQ处理。对于下行数据传输,UE接收到数据后,在GP延迟之后,它将在同一调度帧内发送Ack/Nack。

与FDD类似,自包含反馈也提供了TDD的短时延。这再次适用于低延迟服务(例如URLLC)。此外,它还提供了不同调度帧之间的低耦合。

但是,对于不需要低延迟(例如eMBB)的服务,此模式并不理想。在这种情况下,它不会带来好处,但仍有成本伴随着:

对于下行链路,GP不需要,因为反馈可以位于后续上行调度帧中或其他下行调度帧的上行反馈部分。这可以减少GP的数量,以提高资源利用率。

TDD的调度帧可以包括上行和下行。因此,HARQ可以有固定的时间关系。当在调度帧n中接收下行数据时,反馈可以位于调度帧n+k中,其中k是正整数。如图6的示例所示,调度帧n中的下行数据的反馈可以包括在调度帧n+1中。

k的值可以是固定的,也可以以半静态的方式分配,以简化设计。对于具有不同时延需求的服务,可以选择不同的k值。同时考虑到调度帧长度是可变的,可以重新配置k值,以满足不同业务的各种时延要求,减少反馈时延的波动。

延迟反馈不适合于低延迟服务(例如URLLC),但在没有快速解码能力的情况下,可能会使UE受益。

图6中说明了DL传输的延迟反馈概念。

在TDD中采用集中反馈,多个调度帧的反馈集中在一个调度帧中。虽然在5G TDD中可以灵活配置上下行,但LTE和5G NR共存时有一定的限制。在这种情况下,5G NR TDD应该与LTE对齐,以避免上下行之间的干扰。在这种情况下,可以采用集中反馈。

由于LTE上下行配置是固定的,因此5G NR的上下行必须使用相同的半静态配置。集中反馈的优点是减少了控制开销,减少了GP的数量,提高了资源利用率。然而,集中反馈会增加一个调度(对于多个ACK/NACK反馈)帧中的控制负载,或者由于ACK/NACK绑定而导致性能下降

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