CN103001752B - 一种基于过渡无线帧的动态tdd混合重传方案 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种适合现代移动通信TDD系统的动态HARQ时序方案。本发明使用“过渡无线帧”作为动态地重配TDD系统子帧配置的一种过渡配置过程，在尽可能维持系统原有的短期HARQ性能的前提下，使HARQ时序以一种较简单、低延时的方式过渡到重配的无线帧，从而获得更大的中长期系统整体增益。本发明相比于现有方案，如基于“时序调整”和基于“HARQ进程缩减”的解决方案，具有原理简单、实现复杂度低、HARQ时延较小、系统性能更优的特点。

Description

一种基于过渡无线帧的动态TDD混合重传方案

技术领域

本发明面向移动通信领域，提出了一种用于时分双工（Time Division Duplexing， TDD）系统的动态TDD混合重传（HARQ）方案。

背景技术

近年来，新一代无线通信技术发展迅猛，它相比第三代无线通信技术来说，具有网络架构简单、信号时延小、通信质量高、传输速度快等许多优点。从上下行业务复用方式分类，通信系统可以分为TDD、FDD（频分双工）两种制式。相比FDD系统，TDD系统对频谱资源的利用效率更高，而且可以根据上下行业务量的不同，在基站间使用不同的上下行子帧比例的无线帧结构。然而，由于交叉干扰（Cross interference）的存在，现有的基站间并未使用不同上下行子帧配置的无线帧技术。随着现代无线通信技术的快速发展，无线业务的结构变得更加多样性，上下行业务量的比例在时间、地域都呈现出不平衡的分布特点，产生了对TDD系统上下行子帧比例灵活配置的新需求。据此，根据业务负载情况动态配置TDD系统上下行子帧比例的“动态时分双工系统”已经被国际标准化组织3GPP列入研究计划并开展了广泛的技术讨论。

然而，TDD上下行子帧动态配置技术的实现还面临诸多技术难点，其中动态子帧配置情况下的动态混合重传技术（Dynamic HARQ）就是其中的关键技术难题之一。

现代移动通信系统中的HARQ技术主要涉及以下两方面问题：

1.      处理上行或下行数据发送与对应的应答反馈（ACK/NACK）的时序关系；

2.      处理上行或下行数据的应答反馈（ACK/NACK）与对应重传时刻的时序关系。

在现有移动通信系统，如长期演进（Long Term Evolution，LTE）系统，HARQ的时序设计原则上需要对以下三个因素进行考虑：

1.      同步HARQ与异步HARQ：

a)        同步HARQ：是指一个HARQ进程的传输（重传）发生于固定的时刻，由于接收端预先定义了传输的发生时刻，因此不需要额外的信令开销来标识HARQ进程的序号，此时的HARQ进程的序号可以从子帧号获得；

b)        异步HARQ：是指一个HARQ进程的传输（重传）可以发生在任何时刻，接收端预先不知道传输的发生时刻，因此HARQ进程的处理序号需要连同数据一起发送给用户设备（UE）。

2.      子帧类型：FDD系统的上行、下行传输分别由独立的载波承载，而TDD系统的上下行传输由同一个载波承载。因此，TDD中的HARQ时序设计需要考虑子帧类型。例如，UE的上行数据必须在上行子帧发送，基站对UE上行数据的ACK/NACK需要在对应的下行子帧发送。

3.      UE和基站的处理能力和传输延时：在设计现有的移动通信系统的HARQ时序时，必须考虑UE和基站的处理能力以及信号的传输延时。以LTE系统为例，上行（下行）数据传输和相应的应答反馈接收之间通常假设至少需要4毫秒时延，即上行（下行）数据传输时刻和相应的应答反馈时刻之间必须相隔3个子帧（一个子帧1毫秒）。

为了便于描述，除特别说明外，本说明书所有示意图都适用于如图1所示的图例。

TD-LTE系统已根据上述设计原则预先设计了三种HARQ时序，参考文献[1]: 3GPP TS36.213 V10.7.0, “3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical layer procedures(Release 10)”, Sep. 2012.

上行PUSCH（上行共享信道）发送与相应的ACK/NACK应答信道PHICH（下行物理HARQ指示信道）的接收时序；

PHICH接收与相应的上行数据PUSCH的重传时序；

下行PDSCH信道（下行共享信道）接收与相应的ACK/NACK应答时序。

然而，动态时分双工系统引入的根据业务负载动态调整TDD子帧比例配置技术，将对现有移动通信系统的静态HARQ时序产生较大影响，造成时序混乱。以TD-LTE系统为例，如图2所示，双点虚线箭头表示发生混乱的HARQ时序。从图2可以看出，当子帧重配时，由于子帧传输方向的变化，PDSCH的应答反馈时序（A）、PUSCH重传时序（B）和PUSCH相应的ACK/NACK应答信道PHICH的接收时序（C）可能会因为子帧的动态配置而发生混乱。

基于“时序调整”的解决方案

为了解决HARQ时序混乱问题，现行的一个较为直观的方案（基于“时序调整”的动态HARQ时序，参考文献[2]： R1-122510, “Discussion on timing issues with dynamic TDD UL-DL configuration”, Alcatel-Lucent Shanghai Bell, Alcatel-Lucent, RAN1#69, May 2012.）是将发生混乱的时序向后延时到最近的一个可用子帧，如图3所示。

图3给出了基于“时序调整”的动态HARQ时序和静态TDD下行数据发送和相应ACK/NACK发送的时序比较示意图。图4为基于“时序调整”的动态HARQ时序和静态TDD的HARQ时序比较。如图4所示，子帧重配会增加PHICH的接收时延以及UL数据重传延时。

从图3和图4可以看出，该算法虽然思路简单，但由于每种TDD子帧配置都有可能重配成其他任何TDD子帧配置，因此需要对每一种重配关系预先定义相应的时序关系。因此，该方案会带来较高的实现复杂度和标准化难度。以LTE系统为例，其定义了7种不同的TDD子帧配置，如果在这些配置之间均可动态调整，则PDSCH的应答反馈、PUSCH重传和PUSCH相应的ACK/NACK应答信道PHICH的接收，分别都需要49种预先定义的时序关系。

除此之外，当重配到上行子帧或下行子帧较少的TDD配置时，基于“时序调整”的解决方案可能会造成很大的时延。如图5所示，当TDD配置#3重配到TDD配置#5时，无线帧n-1中的子帧#8，#9以及无线帧n中的子帧#0相应的重传时刻分别延时了4ms、13ms和22ms。

基于“HARQ进程缩减”的解决方案

另外一个更加简单直接的解决方案（参考文献2）是直接将“多余”的HARQ进程直接“丢弃”，被丢弃的用户数据交由高层的ARQ（Auto Repeat Request）机制进行重传。如图6所示，从TDD配置#1（最大UL HARQ进程数为4）重配至TDD配置#5（最大UL HARQ进程数为1）时，对于“多余”的3个HARQ进程基站端将反馈“已经成功接收”的ACK信号给用户，以此种方式强制结束“多余”HARQ进程，如图6中虚线部分所示。因被“丢弃”的用户数据未被基站成功接收，高层校验将很可能出错，从而启动ARQ过程负责重传。

这种方案与基于“时序调整”解决方案比较，其一大优点是避免了因大量修改HARQ时序带来的极大实现复杂度。但该方案需要在重配点“丢弃”较多HARQ进程，传输失败的用户数据交由高层ARQ进行重传，这将带来较大的传输时延，因此会对上行系统性能带来较大影响。

此外，无论是基于“时序调整”的解决方案还是基于“HARQ进程缩减”的解决方案，都假设基站端利用某种重配算法计算获得适合当前业务状态的TDD配置，并在“重配点”通过信令告知UE，UE在接到信令后立即更新自身配置。但考虑到UE解码配置信令需要一定时间，因此，在基站发出信令和UE成功解码信令之间存在一个“模糊期”。“模糊期”内UE将使用重配前使用的TDD配置，但基站却已经更新到新的TDD配置。“模糊期”的存在给UE带来了很大的不确定性，从而使得UE HARQ功能无法正常进行。

除此之外，由于基站在“重配点”处才能获得更新的配置，在“重配点”前基站并不知道将会更新到哪一个TDD配置。因此，如图7所示，基站在“重配点”前的子帧#6、#9处并不知道将会更新到配置#5，因而并不会在此处对“重配点”后的子帧#3、#4进行上行调度。这种“浪费”将带来系统上行性能的部分损失。

综上所述，动态混合重传技术已经成为动态TDD系统的一大难题。基于“时序调整”的解决方案实现复杂度较高，且具有较大的HARQ时延；基于“HARQ进程缩减”的解决方案具备较小的实现复杂度，但系统性能将受到较大影响。此外，以上两个方案还存在“模糊期”和部分上行子帧缺失上行调度的问题。在这种情况下，迫切需要一种新的高效的替代方案。

发明内容

本发明提出了一种适合现代移动通信TDD系统的动态HARQ时序方案。本发明使用“过渡无线帧”作为动态地重配TDD系统子帧配置的一种过渡配置过程，在尽可能维持系统原有的短期HARQ性能的前提下，使HARQ时序以一种较简单、低延时的方式过渡到重配的无线帧，从而获得更大的中长期系统整体增益。本发明相比于现有方案，如基于“时序调整”和基于“HARQ进程缩减”的解决方案，具有原理简单、实现复杂度低、HARQ时延较小、系统性能更优的特点。

本发明的技术关键点和保护点：

1.        在本发明中，定义“重配过渡期”。“重配过渡期”起始于“重配点”，位于每一个重配周期的前部。在“重配点”处，基站端通过某种重配算法，计算出适合当前负载状态的更新配置，并通过信令通知将其UE。UE在收到更新配置后，并不会立即使用更新配置，而是配置一个或多个“过渡无线帧”作为“重配过渡期”，然后再将系统TDD子帧配置更新为基站信令告知的更新配置；

2.        基于“过渡无线帧”的动态UL HARQ时序按照以下规则操作：

-            在“重配点”前，UL HARQ沿用“现有系统”（例如TD-LTE）已定义的UL HARQ时序操作；

-            跨越“重配点”的UL HARQ时序尽可能采用更新前使用的TDD配置定义的时序操作。当由于子帧传输方向变化而无法按原有定义时序完成操作时，应将相应UL HARQ时序延迟或提前到最近的一个适合子帧；

-            “重配过渡期”内的UL HARQ时序根据被选为“过渡无线帧”的TDD配置在“现有系统”中已定义的时序关系操作；

-            从“重配过渡期”跨越到“重配后TDD配置”的HARQ时序尽可能采用“现有系统”为“过渡无线帧”定义的UL HARQ时序操作。当由于子帧传输方向变化而无法按原有定义完成操作或者为了让该时序衔接到“重配后TDD配置”的UL HARQ时序时，可将相应的时序关系进行修改；

-            更新后的TDD配置的UL HARQ按照“现有系统”已为该TDD配置定义的UL HARQ时序操作；

3.        如果“重配点”前的UL HARQ进程经过“重配过渡期”后仍然没有结束其HARQ操作，该进程将会被强制反馈“成功接收”。传输失败的用户数据将由高层进行ARQ重传；

4.        基于“过渡无线帧”的动态DL HARQ时序按照以下规则操作：

-            “重配点”前的DL HARQ时序按照“现有系统”定义的时序操作；

-            跨越“重配点”的DL HARQ时序，尽可能按照“重配点”前的时序关系操作。如果因为子帧传输方向改变而无法按原时序关系操作，则可向前或向后调整到一个适合的子帧上完成DL HARQ操作；

-            “重配过渡期”内的DL HARQ时序根据被选为“过渡无线帧”的TDD配置在“现有系统”中定义的时序关系操作；

-            “重配过渡期”后的DL HARQ时序按照更新的TDD配置在“现有系统”中已定义的DL HARQ时序操作；

5.        基站利用调度的方法，将在“重配点”前还未完成HARQ操作的“多余”的DL HARQ进程后延至“重配点”后继续操作。在完成“重配点”前所有DL HARQ进程操作后，再根据更新后的TDD配置新建DL HARQ进程。

1.      附图说明

图1：本文示意图所使用的部分图例；

图2：采用动态子帧配置造成的HARQ时序混乱的例子；

图3：下行HARQ时序比较（基于“时序调整”的解决方案）；

图4：上行HARQ时序比较（基于“时序调整”的解决方案）；

图5：PUSCH 重传时序后延示意图（基于“时序调整”的解决方案）；

图6：基于“HARQ进程缩减”的解决方案；

图7：“重配点”后的上行子帧缺失上行调度；

图8：基于“过渡无线帧”的动态HARQ流程图；

图9：“重配过渡期”示意图；

图10：基于“过渡无线帧”的动态HARQ时序设计（上行HARQ时序阶段一：配置#x到“过渡无线帧”）；

图11：基于“过渡无线帧”的动态HARQ时序设计（上行HARQ时序阶段二：“过渡无线帧”至配置#x）；

图12：基于“过渡无线帧”的动态HARQ时序设计（PDSCH HARQ-ACK时序阶段一：配置#x到“过渡无线帧”）；

图13：基于“过渡无线帧”的动态HARQ时序设计（PDSCH HARQ-ACK时序阶段二：“过渡无线帧”至配置#x）；

2.      具体实施方式

本发明适用于下一代移动通信TDD系统。该发明与现有的两个解决方案相比较，具有原理简单、实现复杂度低、HARQ时延较短、系统性能更优的特点。

本发明流程图如图8所示，遵循如下流程：

1)        当满足一定重配触发条件时，例如到达下一个重配周期，根据某种TDD重配算法计算重配后将使用的更新的TDD配置；

2)        插入“过渡无线帧”，并根据本发明所提供的动态HARQ时序配置规则进行TDD UL/DL的HARQ操作；

3)        用户侧和基站侧在“过渡无线帧”之后应用更新后的TDD配置。

本发明定义的“重配过渡期”如图9所示。“重配过渡期”起始于重配点，位于每一个重配周期的前部。在“重配点”，基站端通过某种重配算法，计算出适合当前负载状态的更新配置B，并通过信令通知将其UE。UE在收到更新配置后，并不会立即使用更新TDD配置B，而是配置一个或多个“过渡无线帧”作为“重配过渡期”，然后再将系统的TDD子帧配置更新为基站信令指示的TDD配置B。

在本发明中插入“过渡无线帧”，主要出于以下三个目的：

1.      “重配过渡期”可以预留出UE解码重配信令的时间，避免“模糊期”的存在；

2.      在“重配点”前，虽然基站并不知道重配后的TDD配置B，但根据本方案，“重配点”后必定紧跟预先选定的“过渡无线帧”。因此，可以在“重配点”前对“重配点”后处于“过渡无线帧”中的上行子帧进行调度，避免了“重配点”后部分上行子帧无法被调度的问题；

3.      由图5可知，如采用现有的基于“时序调整”的解决方案，由于需要修改大量的时序关系，造成极大的实现复杂度，并且还存在较大的HARQ时延；如采用现有的基于“HARQ进程缩减”的解决方案，又会导致丢失大量的UL数据，带来较大的性能损失。通过插入“过渡无线帧”，可以使“重配点”前的HARQ进程尽可能快、尽可能多地完成HARQ操作，在避免较大HARQ延时的同时，提高了HARQ进程的效率，减小了因丢弃部分HARQ进程所带来的性能损失。

基于以上考虑，“过渡无线帧”应当具有较多的UL子帧。考虑到与下行方向性能的平衡，“过渡无线帧”可以选择上下行子帧数量近似的TDD配置，如TDD配置#0。

以下以TD-LTE系统为例，假设LTE TDD配置#0作为“过渡无线帧”，对本发明的具体实施加以说明。

上行HARQ时序设计

图10、图11分别给出了TD-LTE系统中从“TDD配置x”重配到“过渡无线帧”，以及从“过渡无线帧”重配至“TDD配置x”这两个阶段的HARQ时序示意图。

由于“重配前TDD配置”和“重配后TDD配置”可能与“过渡无线帧”具有不同的UL子帧数目，因此，从“重配前TDD配置”重配到“过渡无线帧”、从“过渡无线帧”重配到“重配后TDD配置”的两个阶段中，均可能有部分UL子帧无法被原有传输进程利用。这些“多余”的UL子帧可被用作发送新的上行数据，以提高动态HARQ的上行系统性能，如图10、图11所示。

由于“重配前TDD配置”和“重配后TDD配置”可能分别支持不同的HARQ进程数，因此，当“重配前TDD配置”的进程数大于“重配后TDD配置”时，需要丢弃部分HARQ进程。但相比现有的基于“HARQ进程缩减”的解决方案，由于“重配前TDD配置”的所有进程经过“过渡无线帧”的缓冲，增加了至少一次的重传机会，因此，其性能将优于现有的基于“HARQ进程缩减”的解决方案。

基于“过渡无线帧”的动态UL HARQ时序按照以下规则操作：

1.      在“重配点”前，UL HARQ沿用“现有系统”（在本实施例中为TD-LTE）已定义的UL HARQ时序操作

2.      跨越“重配点”的UL HARQ时序尽可能采用更新前TDD配置定义的时序操作。当由于子帧传输方向变化而无法按原有定义时序完成操作时，应将相应UL HARQ时序延迟或提前到最近的一个适合子帧。如图10所示，当TDD配置#1配置到过渡帧时，“无线帧n-1”子帧#8对应的PHICH本应在“无线帧n”子帧#4处接收，但由于“过渡无线帧”的子帧#4为UL子帧，因此需将该条时序后延至“过渡无线帧”的子帧#5处；

3.      “重配过渡期”内的UL HARQ时序根据“过渡无线帧”的TDD配置#0在“现有系统”中已定义的时序关系操作；

4.      从“重配过渡期”跨越到“重配后TDD配置”的HARQ时序尽可能采用TD-LTE为“过渡无线帧”定义的UL HARQ时序操作。当由于子帧传输方向变化而无法按原有定义完成操作或者为了让该时序衔接到“重配后TDD配置”的UL HARQ时序时，可将相应的时序关系进行修改。如图11所示，在本实施例中，当从“过渡无线帧”配置到TDD配置#1时，按照TD-LTE系统为TDD配置#0（用于“过渡无线帧”）定义的时序关系，“无线帧n”的子帧#8相应的PHICH应当在“无线帧n+1”的子帧#5处接收；但按TD-LTE系统为“重配后TDD配置”#1定义的时序，在子帧#2处应当接收PHICH，因此将“无线帧n”子帧#8对应的PHICH接收时刻从“无线帧n+1”的子帧#5处前移到“无线帧n+1”的子帧#4处；

5.      更新后的TDD配置的UL HARQ按照TD-LTE系统已为该TDD配置定义的UL HARQ时序操作。

下行HARQ时序设计

由于TD-LTE系统的下行数据传输采用异步HARQ技术，基站侧可以基于实现确定数据重传时刻，而并不需要满足固定的重传时刻关系。因此，在基于“过渡无线帧”的解决方案中，基站可利用调度的方法，将在“重配点”前还未完成HARQ操作的“多余”的DL HARQ进程后延至“重配点”后继续操作。既可在完成“重配点”前所有DL HARQ进程操作后，再根据更新后的TDD配置新建适当数量的DL HARQ进程；也可在“重配点”前尚未完成的DL HARQ进程数量较少的情况下，尽快根据更新后的TDD配置新建适当数量的DL HARQ进程。

以TD-LTE为例，基于“过渡无线帧”的动态DL HARQ时序按照以下规则操作：

1.      “重配点”前的DL HARQ时序按照TD-LTE系统定义的时序操作；

2.      跨越“重配点”的DL HARQ时序，尽可能的按照“重配点”前的时序关系操作。如果因为子帧传输方向改变而无法按原时序关系操作，则可向前或向后调整到一个适合的子帧上完成DL HARQ操作。如图12所示，从配置#2重配到“过渡无线帧”时，子帧#9对应的反馈时刻应当从“过渡无线帧”的子帧#7前移到子帧#3；

3.      “重配过渡期”内的DL HARQ时序根据“过渡无线帧”的TDD配置#0在TD-LTE系统中定义的时序关系操作；

4.      “重配过渡期”后的DL HARQ时序按照更新的TDD配置在TD-LTE系统中已定义的DL HARQ时序操作。

然而，由于重配导致的子帧传输方向的变化，需要对DL数据的应答反馈时序关系进行修改。本发明提出的基于“过渡无线帧”的解决方案相比现有的基于“时序调整”的解决方案可大大降低实现复杂度，相比现有的基于“HARQ进程缩减”的解决方案又可避免丢弃大量未完成的DL HARQ进程导致的系统性能损失。

图12表示“配置#x”重配到“过渡无线帧”时，PDSCH传输和相应的HARQ-ACK发送时刻的时序关系。图13表示“过渡无线帧”重配到“配置#x”时，PDSCH传输和相应的HARQ-ACK发送时刻的时序关系。如图13所示，由于配置#x中PDSCH重传均发生在子帧#2，而在LTE TDD配置#0至#6中子帧#2均已定义为上行子帧，因此从“过渡无线帧”重配到配置x（x=0~6）均不需要对在参考文献[1]定义的LTE静态TDD HARQ-ACK时序进行任何修改。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种适合现代移动通信TDD系统的动态HARQ时序方法，其特征在于：

首先，定义“重配过渡期”，“重配过渡期”起始于“重配点”，位于每一个重配周期的前部，在“重配点”处，基站端通过重配算法，计算出适合当前负载状态的更新配置，并通过信令通知UE；UE在收到更新配置后，并不立即使用更新配置，而是配置一个或多个“过渡无线帧”作为“重配过渡期”，然后再将系统TDD子帧配置更新为基站信令告知的更新配置。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：基于“过渡无线帧”的动态UL HARQ时序按照以下规则操作：

在“重配点”前，UL HARQ沿用“现有系统”已定义的UL HARQ时序操作；

跨越“重配点”的UL HARQ时序尽可能采用更新前使用的TDD配置定义的时序操作，当由于子帧传输方向变化而无法按原有定义时序完成操作时，应将相应UL HARQ时序延迟或提前到最近的一个适合子帧；

“重配过渡期”内的UL HARQ时序根据被选为“过渡无线帧”的TDD配置在“现有系统”中已定义的时序关系操作；

从“重配过渡期”跨越到“重配后TDD配置”的HARQ时序尽可能采用“现有系统”为“过渡无线帧”定义的UL HARQ时序操作，当由于子帧传输方向变化而无法按原有定义完成操作或者为了让该时序衔接到“重配后TDD配置”的UL HARQ时序时，将相应的时序关系进行修改；

更新后的TDD配置的UL HARQ按照“现有系统”已为该TDD配置定义的UL HARQ时序操作。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：如果“重配点”前的UL HARQ进程经过“重配过渡期”后仍然没有结束其HARQ操作，该进程将会被强制反馈“成功接收”，传输失败的用户数据将由高层进行ARQ重传。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：基于“过渡无线帧”的动态DL HARQ时序按照以下规则操作：

“重配点”前的DL HARQ时序按照“现有系统”定义的时序操作；

跨越“重配点”的DL HARQ时序，尽可能按照“重配点”前的时序关系操作，如果因为子帧传输方向改变而无法按原时序关系操作，则可向前或向后调整到一个适合的子帧上完成DL HARQ操作；

“重配过渡期”内的DL HARQ时序根据被选为“过渡无线帧”的TDD配置在“现有系统”中定义的时序关系操作；

“重配过渡期”后的DL HARQ时序按照更新的TDD配置在“现有系统”中已定义的DL HARQ时序操作。

5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于：基站利用调度的方法，将在“重配点”前还未完成HARQ操作的“多余”的DL HARQ进程后延至“重配点”后继续操作，在完成“重配点”前所有DL HARQ进程操作后，再根据更新后的TDD配置新建DL HARQ进程。