Гибридные методы обнаружения и коррекции ошибок в связи

Введение

Гибридный код обнаружения и коррекции ошибок в системах связи

Гибридный автоматический запрос повторной передачи (гибридный ARQ или HARQ) – это комбинация высокоэффективной коррекции ошибок (FEC) и автоматического запроса повторной передачи (ARQ). В стандартном ARQ избыточные биты добавляются к передаваемым данным с использованием кода обнаружения ошибок (ED), такого как циклическая проверка избыточности (CRC). Приемники, обнаруживающие поврежденное сообщение, запрашивают повторную передачу сообщения от отправителя. В гибридном ARQ исходные данные кодируются с помощью кода FEC, а биты четности либо отправляются сразу вместе с сообщением, либо передаются только по запросу, когда приемник обнаруживает ошибку в сообщении. Код ED может быть опущен, если используется код, способный выполнять как коррекцию ошибок (FEC), так и обнаружение ошибок, например, код Рида — Соломона. Код FEC выбирается для исправления ожидаемого подмножества возможных ошибок, в то время как метод ARQ используется как резервный для исправления ошибок, которые не могут быть исправлены только с помощью избыточности, переданной в начальной передаче. В результате гибридный ARQ обеспечивает лучшую производительность, чем обычный ARQ в условиях слабого сигнала, но в своей простейшей форме это достигается за счет значительного снижения пропускной способности в условиях хорошего сигнала. Обычно существует порог качества сигнала, ниже которого предпочтительнее простой гибридный ARQ, а выше которого – базовый ARQ.

Простой гибридный ARQ

Самая простая версия HARQ, тип I HARQ, добавляет информацию об обнаружении ошибок (ED) и коррекции ошибок (FEC) к каждому сообщению перед передачей. При получении закодированного блока данных, приемник сначала декодирует код коррекции ошибок. Если качество канала достаточно хорошее, все ошибки передачи должны быть исправлены, и приемник может получить правильный блок данных. Если качество канала плохое и не все ошибки передачи могут быть исправлены, приемник обнаружит эту ситуацию с помощью кода обнаружения ошибок, после чего полученный закодированный блок данных будет отклонен и приемник запросит повторную передачу, аналогично ARQ. В более сложной форме, Тип II HARQ, источник сообщения чередует передачу битов сообщения вместе с битами четности для обнаружения ошибок и только битами четности FEC. Когда первая передача принята без ошибок, биты FEC не передаются. Кроме того, две последовательные передачи могут быть объединены для коррекции ошибок, если ни одна из них не была принята без ошибок. Чтобы понять разницу между гибридным ARQ типа I и типа II, рассмотрим объем добавляемой информации ED и FEC: обнаружение ошибок обычно добавляет всего несколько байтов к сообщению, что является незначительным увеличением длины. С другой стороны, FEC часто может удвоить или утроить длину сообщения за счет битов четности для коррекции ошибок. С точки зрения пропускной способности, стандартный ARQ обычно использует несколько процентов емкости канала для надежной защиты от ошибок, в то время как FEC обычно использует половину или более всей емкости канала для улучшения качества связи. В стандартном ARQ передача должна быть принята без ошибок при любой передаче для успешного обнаружения ошибок. В гибридном ARQ типа II первая передача содержит только данные и обнаружение ошибок (что не отличается от стандартного ARQ). Если она принята без ошибок, передача завершена. Если данные получены с ошибками, вторая передача будет содержать биты четности FEC и обнаружение ошибок. Если она принята без ошибок, передача завершена. Если данные все еще содержат ошибки, можно попытаться исправить их, объединив информацию, полученную от обеих передач. Только гибридный ARQ типа I несет потери емкости в условиях сильного сигнала. Гибридный ARQ типа II не страдает от этого, поскольку биты FEC передаются только при последующих повторных передачах по мере необходимости. В условиях сильного сигнала, гибридный ARQ типа II обеспечивает такую же пропускную способность, как и стандартный ARQ. В условиях слабого сигнала, гибридный ARQ типа II обеспечивает такую же чувствительность, как и стандартный FEC.

The simplest version of HARQ, Type I HARQ, adds both ED and FEC information to each message prior to transmission. When the coded data block is received, the receiver first decodes the error correction code. If the channel quality is good enough, all transmission errors should be correctable, and the receiver can obtain the correct data block. If the channel quality is bad, and not all transmission errors can be corrected, the receiver will detect this situation using the error detection code, then the received coded data block is rejected and a re transmission is requested by the receiver, similar to ARQ. In a more sophisticated form, Type II HARQ, the message originator alternates between message bits along with error detecting parity bits and only FEC parity bits. When the first transmission is received error free, the FEC parity bits are never sent. Also, two consecutive transmissions can be combined for error correction if neither is error free. To understand the difference between Type I and Type II Hybrid ARQ, consider the size of ED and FEC added information: error detection typically only adds a couple of bytes to a message, which is only an incremental increase in length. FEC, on the other hand, can often double or triple the message length with error correction parities. In terms of throughput, standard ARQ typically expends a few percent of channel capacity for reliable protection against error, while FEC ordinarily expends half or more of all channel capacity for channel improvement. In standard ARQ a transmission must be received error free on any given transmission for the error detection to pass. In Type II Hybrid ARQ, the first transmission contains only data and error detection (no different from standard ARQ). If received error free, it's done. If data is received in error, the second transmission will contain FEC parities and error detection. If received error free, it's done. If received in error, error correction can be attempted by combining the information received from both transmissions. Only Type I Hybrid ARQ suffers capacity loss in strong signal conditions. Type II Hybrid ARQ does not because FEC bits are only transmitted on subsequent re transmissions as needed. In strong signal conditions, Type II Hybrid ARQ performs with as good capacity as standard ARQ. In poor signal conditions, Type II Hybrid ARQ performs with as good sensitivity as standard FEC.

Гибридный ARQ с мягким комбинированием

На практике некорректно принятые кодированные блоки данных часто сохраняются на приемнике, а не отбрасываются, и когда принимается повторно переданный блок, эти два блока объединяются. Это называется гибридным ARQ с мягким объединением (Dahlman et al., p. 120). Хотя возможно, что две данные передачи не могут быть декодированы независимо без ошибок, может случиться так, что комбинация ранее ошибочно принятых передач предоставляет достаточно информации для корректного декодирования. В HARQ существует два основных метода мягкого объединения:

Комбинирование Chase: каждая повторная передача содержит ту же самую информацию (данные и биты четности). Приемник использует комбинирование с максимальным отношением для объединения принятых битов с теми же битами из предыдущих передач. Поскольку все передачи идентичны, комбинирование Chase можно рассматривать как дополнительное повторное кодирование. Каждую повторную передачу можно представить как добавление дополнительной энергии к принятой передаче за счет увеличения Eb/N0. Инкрементальная избыточность: каждая повторная передача содержит другую информацию, чем предыдущая. 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, с различными версиями избыточности, полученными путем перфорации выходных данных кодировщика. Таким образом, при каждой повторной передаче приемник получает дополнительную информацию. Существуют различные варианты двух основных методов. Например, при частичном комбинировании Chase повторно передается только подмножество битов из исходной передачи. При частичной инкрементальной избыточности систематические биты всегда включены, чтобы каждая повторная передача была самодекодируемой. Примером HARQ с инкрементальной избыточностью является HSDPA: блок данных сначала кодируется перфорированным Turbo-кодом 1/3, затем во время каждой (повторной) передачи кодированный блок обычно перфорируется дополнительно (то есть выбирается только часть кодированных битов) и отправляется. Шаблон перфорации, используемый во время каждой (повторной) передачи, отличается, поэтому каждый раз отправляются разные кодированные биты. Хотя стандарт HSDPA поддерживает как комбинирование Chase, так и инкрементальную избыточность, было показано, что инкрементальная избыточность почти всегда работает лучше, чем комбинирование Chase, но требует большей сложности. HARQ может использоваться в режиме "стоп-и-ожидание" или в режиме селективного повторения. Режим "стоп-и-ожидание" проще, но ожидание подтверждения от приемника снижает эффективность. Поэтому на практике часто выполняется несколько процессов HARQ в режиме "стоп-и-ожидание" параллельно: когда один процесс HARQ ожидает подтверждения, другой процесс может использовать канал для отправки дополнительных данных. Помимо Turbo-кодов, в схеме HARQ могут использоваться и другие коды коррекции ошибок, например, расширенный код eIRA (extended irregular repeat accumulate) и код E2RC (Efficiently Encodable Rate Compatible), оба из которых являются кодами проверки четности с низкой плотностью.

Chase combining: every re transmission contains the same information (data and parity bits). The receiver uses maximum ratio combining to combine the received bits with the same bits from previous transmissions. Because all transmissions are identical, Chase combining can be seen as additional repetition coding. One could think of every re transmission as adding extra energy to the received transmission through an increased Eb/N0. Incremental redundancy: every re transmission contains different information than the previous one. Multiple sets of coded bits are generated, each representing the same set of information bits. The re transmission typically uses a different set of coded bits than the previous transmission, with different redundancy versions generated by puncturing the encoder output. Thus, at every re transmission the receiver gains extra information. Several variants of the two main methods exist. For example, in partial Chase combining only a subset of the bits in the original transmission are re transmitted. In partial incremental redundancy, the systematic bits are always included so that each re transmission is self decodable. An example of incremental redundancy HARQ is HSDPA: the data block is first coded with a punctured 1/3 Turbo code, then during each (re)transmission the coded block is usually punctured further (i. e. only a fraction of the coded bits are chosen) and sent. The puncturing pattern used during each (re)transmission is different, so different coded bits are sent at each time. Although the HSDPA standard supports both Chase combining and incremental redundancy, it has been shown that incremental redundancy almost always performs better than Chase combining, at the cost of increased complexity. HARQ can be used in stop and wait mode or in selective repeat mode. Stop and wait is simpler, but waiting for the receiver's acknowledgment reduces efficiency. Thus multiple stop and wait HARQ processes are often done in parallel in practice: when one HARQ process is waiting for an acknowledgment, another process can use the channel to send some more data. There are other forward error correction codes that can be used in an HARQ scheme besides Turbo codes, e. g. extended irregular repeat accumulate (eIRA) code and Efficiently Encodable Rate Compatible (E2RC) code, both of which are low density parity check codes.

Приложения

HARQ используется в HSDPA и HSUPA, которые обеспечивают высокоскоростную передачу данных (в нисходящем и восходящем каналах, соответственно) для сетей мобильной связи, таких как UMTS, и в стандарте IEEE 802.16 2005 для мобильного широкополосного беспроводного доступа, также известного как "мобильный WiMAX". Он также используется в беспроводных сетях Evolution Data Optimized и LTE. Гибридный ARQ типа I используется в ITU-T G.hn, высокоскоростном стандарте локальной сети, который может работать на скоростях передачи данных до 1 Гбит/с по существующей домашней проводке (линиям электропередач, телефонным линиям и коаксиальным кабелям). G.hn использует CRC 32C для обнаружения ошибок, LDPC для прямой коррекции ошибок и селективный повтор для ARQ.