5G系统中CBG HARQ技术的分析与展望*

高月红，杨昊天，尹 宁，陈 露

（1.北京邮电大学，北京 100876；2.北京机电工程研究所，北京 100074）

0 引言

随着通信技术的发展，用户对通信质量的要求越来越高，主要反映在对数据传输速率和系统可靠性方面的追求，也给5G通信标准、协议带来了新的问题与演进需求，即如何在获得高速率的同时降低用于可靠性控制的资源开销。

在传统的4G通信系统中，混合自动重传请求（Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ）技术是常用的可靠性控制方案。但是，5G eMBB场景下，传输块（Transport Block，TB）的数据量大幅增加，导致HARQ重传开销随之增加，使得这一技术不再适用。

因此，标准化组织3GPP从#88会议开始，便提出了需要依据5G的传输特点改进HARQ技术的意见。经过多次会议讨论，最终设计了基于码块组（Code Block Group，CBG）的HARQ技术作为解决方案，减小重传粒度，以增强5G通信系统的资源利用效率。

本文主要分析CBG HARQ技术的标准化演进过程，对其机制原理进行解释说明，并结合近期3GPP会议内容，分析和讨论CBG HARQ技术在具体应用场景下有待进一步研究的方向。

1 CBG HARQ技术演进的分析

本章分析CBG HARQ技术的标准化演进过程，先简述传统4G LTE中的HARQ，再重点解释5G NR中的CBG HARQ技术原理。

1.1 LTE中的HARQ

HARQ技术是移动通信系统中常用的差错控制和效率保障机制。首先利用前向纠错技术（Forward Error Correction，FEC）纠正接收错误的数据。如果纠正失败，使用自动重传请求技术（Automatic Repeat-reQuest，ARQ）请求数据重传。它校验和重传的基本单位均为传输块（TB）。

LTE中有SW-ARQ、GBN-ARQ以及SR-ARQ共3种类型的ARQ。5G系统采用多进程的SW-ARQ，不仅易于实现，还可获得较高的传输效率。它最大可支持的并行ARQ进程数量提高为16个[1]。在每个调度周期中，每个HARQ进程只处理一个TB，并且每个进程在接收端有独立的缓存空间。倘若使用空分复用，每次调度可以并行传输2个码字即两个TB，这时一个HARQ实体包含2个HARQ进程。

HARQ技术将每次接收到的数据缓存保留，以增加重传数据解调正确率，称为软合并技术。在LTE系统中，软合并的主要实现方式为跟踪合并（Chase Combine，CC）和增量冗余（Incremental Redundancy，IR）。其中，CC方式实现简单但增益较低，IR方式增益高但较为复杂。NR中通常采用IR方式获得额外增益[2]。

1.2 NR中的HARQ增强

1.2.1 码块组的设计

3GPP R15的技术规范中为NR规定了eMBB业务场景的两个频率范围（Frequency Range，FR）：FR1的区间为450 MHz～6 GHz，最大支持100 MHz的带宽；FR2的区间为24.25～52.6 GHz，最大支持400 MHz的带宽，属于毫米波的应用。相比LTE中的20 MHz，NR可支持最大带宽有了很大提升。因此，NR中每个TB所能包含的比特数增加显著。然而，接收出错往往只集中在占比较小的部分区间，重传整个TB十分低效，故需要对HARQ技术进行演进，减少重传数据量。

与LTE中不同，NR中数据信道采用低密度奇偶校验码（Low Density Parity Check Code，LDPC）编码，并将一个TB划分为数个码块（Code Block，CB），对每个CB附加CRC校验码，使得NR中接收方对数据的主要校验单位从LTE中的TB转变为CB，从而为设计小粒度的重传和避免大量资源浪费提供了方便。显然，若令接收方告知发送方每个CB的接收情况，发送方以此仅安排出错CB重新传输，即以CB为单位重传，其实是令冗余重传量最低的方案。但是，这种方案需要对每个CB设置一位ACK/NACK反馈信息，反馈开销过大。因此，将若干个CB组合成码块组CBG并以CBG为单位重传的方案得到了共识[3]。

在标准化讨论中，CBG的划分规则主要有3种选项：选项1，固定CBG数，CBG中包含的CB数随TB大小变化；选项2，固定每个CBG内的CB数，CBG个数随TB大小变化；选项3，CBG数和每个CBG包含的CB数都由TB大小计算[3]。各公司也相应提出了多种具体划分方法，并给出了性能测试：三星公司倾向于在划分CBG时让尽可能多的CB划分到同一个CBG内[4]；富士通研究所则提出CBG分级划分，不同级别CBG内CB数不固定，以降低出错CB分布在多个不同CBG的概率，减少需要重传的CBG的数量[5]。

基于CBG的HARQ调度应当建立在原有基于TB的HARQ调度之上。在设计相关技术规范时，应当将引入CBG这一概念所带来的影响尽量减小，尽量不对上层的操作产生影响，以降低实现复杂度。因此，虽然“非平均”划分方法能在一定程度上进一步降低冗余重传量，但综合权衡不同方案的实现复杂度与重传效率，与会者们最终在3GPP RAN1#90次会议达成多项共识，规定在划分CBG时先确定最大可划分CBG数目，然后将全部CB平均分配到每一个CBG内[6]，具体的划分步骤如下。

标准规定划分CBG数目的最大值仅有2、4、6、8这4种选项。倘若使用空分复用，一个HARQ实体内包含2个HARQ进程，并行传输两个TB，则这一最大CBG数目将被两个TB平分。系统通过RRC配置决定是否启用CBG HARQ，并决定最大CBG数目N的取值，而TB实际划分出的CBG数目M=min(N,C)，其中C为TB中包含的CB数目。

然后，遵循平均分配CB的原则将CB分配到各个CBG中。定义如下3个参数：

在全部M个CBG中，第1到M1第个CBG各包含K1个CB，而后第M1+1到M个CBG各包含K2个CB。CBG划分完成后，整个TB的结构如图1所示。

图1 CB、CBG划分后TB结构

1.2.2 基于码块组的重传流程

在传统的基于TB的HARQ流程中，对整个TB设置一位反馈信息。TB中任何一个CB接收失败，则TB接收失败。

在CBG HARQ中，因重传改为以CBG为单位，需要增加这一反馈信息比特的位数。在RAN1#89、#90上，参会者达成共识，按照划分的CBG数量对每一个CBG对应设置一位反馈比特，组成一个反馈比特序列。接收时仍然对每一个CB进行CRC校验，若CBG内所包含的全部CB均校验成功，则CBG接收成功，反馈ACK；反之，如果有任何CB接收失败，则反馈NACK。同时，仍然保留对整个TB设置的反馈比特，用于反馈TB级CRC校验是否成功。如果TB级CRC校验成功，则CBG反馈序列按各个CBG的ACK/NACK实际情况设置为1/0；反之，要令全部CBG反馈NACK。倘若使用空分复用，两个同时存在的TB的反馈序列按顺序连接。

发送方在收到反馈后，将在一定间隔后对未成功接收的CBG进行重新传输。需要注意的是，重传时反馈序列长度仍与初传时相同，且先前传输中已经成功接收的CBG所对应的反馈比特直接设为1。例如，假设共有4个CBG且初传时只有第一个CBG校验失败，则初传反馈为0111。重传时，只传输接收失败的这第一个CBG。假设重传成功，则重传反馈序列为1111，而不是单独针对重传的CBG反馈一位1。这种设置增加了一定量的重传反馈开销，但是可以更简单明确地标识出哪个位置的CBG在经历过重传后仍出现错误并需要重传。

更进一步地，为了适配上述重传流程，需要设置几个新增的指示信令，并规定在DCI中提供单独的字段支持[7]。

为了让接收方获知重传CBG在初传中的对应位置，方便解调，新增指示信令码块组传输信息（Code Block Group Transmission Information,CBGTI）[8]。类似于CBG的接收反馈序列，CBGTI也为长度等于CBG总数的比特序列。其中，比特值为1表示本次重传包含初传中对应位置的CBG，反之即为不包含。

为了让软合并技术支持部分重传，定义了一个码块组缓存冲洗信息（Code Block Group Flushing out Information，CBGFI），用于指示当前CBG缓存是否受到其他业务等的污染需要进行清理。CBGFI为1，表示需要清理；CBGFI为0，则表示不需要清理。

2 CBG HARQ技术应用的展望

NR中基于CBG的HARQ的设计主要围绕HARQ-ACK反馈方式、重传基本流程和新增DCI信令指示几部分，且相关的标准已经较为完善。为了更好地发挥CBG HARQ的性能，还需要结合不同应用场景来具体讨论和设计基于CBG的HARQ调度算法。本章通过理论和仿真分析影响CBG HARQ增益的因素，给出了几个较适合使用基于CBG HARQ调度的场景，并讨论在这些场景下使用CBG HARQ设计调度时需要加强考虑的问题来展望未来CBG HARQ的演进思路。

2.1 CBG HARQ增益的分析

纯eMBB场景是CBG HARQ技术的设计初衷，因此本文基于这一场景进行系统级仿真，以eMBB业务吞吐量为指标衡量CBG HARQ带来的增益。仿真所用参数如表1所示，使用TB HARQ和CBG HARQ情况下吞吐量的累计分布函数，如图2所示。

表1 仿真核心参数

图2 两种HARQ机制下用户吞吐量曲线

由图2可见，纯eMBB场景下使用CBG HARQ并未对用户平均吞吐量带来很大的提升，与CBG HARQ的设计预期不符，需要分析原因。

对于TB HARQ，假设TB初传出错的概率为x%，则系统的实际传输效率只能达到理想无差错传输的100/(100+x)。对于CBG HARQ，由于实际传输中，TB接收错误时通常很大概率只错一个CBG，那么假设TB有k个CBG，在相同的TB初传错误率下，CBG HARQ平均只需付出1/k于TB HARQ情况的重传资源，故系统的实际传输效率可达到理想无差错传输的100/(100+x/k)。因此，可得CBG HARQ在此假设下平均性能增益为：

可见，影响增益的主要因素是TB的初传错误率和所划分的CBG数目，而极限值基本上是TB的初传错误率。

进一步观察上述仿真中TB的初传错误率，如图3所示，两种机制下均约有40%的用户初传错误率在0.1以内，即式（4）中x值很小。出错概率较大的用户通常处于的信道质量较差，基站端在发送时选择的调制阶数很低，TB包含的数据量很小，包含的CB、CBG数目也就很小，因此重传一个CBG和重传整个TB的区别不大。

图3 两种HARQ机制下TB初传错误率曲线

经过上述分析，本文认为虽然纯eMBB场景是CBG HARQ技术的设计应用初衷，但这一场景下基于CBG HARQ的调度为系统带来的增益不够明显，需要探索新的应用场景。

2.2 CBG HARQ应用的展望

NR eMBB/URLLC业务复用场景是5G部署的下一个关键场景。在TDD系统中，它可分为下行URLLC和下行eMBB、上行URLLC和上行eMBB、上行URLLC和下行eMBB、下行URLLC和上行eMBB这4种情况。其中，第二种的上行业务复用的情况由于与下行相比存在额外的问题，因此后两种情况需要基站临时切换上下行，实现的代价较高。此外，目前相关的研究工作较少，只有第一种针对URLLC与eMBB的下行业务复用的研究较为成熟，已经得到NR R15标准的支持，这里将基于这一情况进行讨论。

URLLC业务具有低时延、高可靠性等特性，一般需要使用一定的频域带宽和较少的时域符号来传输，以满足低时延要求。它的业务形式多样，包含周期性与突发性、小包与大包等多种组合，不确定性较大。周期性URLLC业务可以采用资源预留式复用，预先空出一定频段给URLLC业务使用，不会对eMBB业务的解码成功率产生额外影响。突发性URLLC业务主要的复用方式则为穿刺抢占法，允许URLLC业务使用部分已分配给eMBB业务的资源传输，以体现URLLC业务的高优先级，满足其对低时延的需求，同时避免预留频段空闲导致的资源浪费。显然，若使用穿刺机制，接收端无法正确解调被穿刺影响的部分eMBB业务数据。由于URLLC突发请求的数据量往往较小，被穿刺影响而无法被成功接收的eMBB数据通常也只是整个TB的较小一部分，集中在URLLC穿刺时刻的某些频段所对应的连续CB处，显然这种情况下重传整个TB没有必要。相较于纯eMBB场景，这种场景下eMBB业务数据接收失败会因被穿刺而更加频繁，即式（4）中x值明显增加。利用CBG HARQ技术只重传接收失败的部分eMBB业务，可以更多地减少资源浪费，更能体现CBG HARQ带来的增益。

eMBB/URLLC业务的下行复用场景可以进一步根据URLLC与eMBB业务属于不同用户还是同一用户细分为用户间和用户内两种子情况。在这两种场景下设计基于CBG的HARQ调度算法时，eMBB业务的调度方式都可以继承纯eMBB业务场景下的结果。而URLLC业务的资源调度分配应当以减少穿刺所引起的eMBB总重传资源消耗为目标，此时两种子情况下有所不同。例如，在用户间复用情况下应当遍历在全部已分给不同eMBB用户的资源中寻找合适的穿刺位置，而在用户内复用的情况中则应当优先令URLLC业务使用分配给本用户eMBB业务的资源等。上述具体的资源分配方案均值得深入研究，是CBG HARQ技术很好的应用研究方向。

基于NR的非授权频谱接入（NR-based Access to Unlicensed Spectrum，NR-U），是对授权频谱辅助接入技术（Licensed Assisted Access，LAA）技术的演进。NR-U遵循“先听后说”（Listen Before Talk，LBT）的准则，基站先监听信道并通过空闲信道评估机制（Clear Channel Assessment，CCA）来判断信道是否空闲，确认空闲后才能开始调度，且设有最大信道占用时间（Maximum Channel Occupied Time，MCOT）来保证信道利用的公平性[9]。

NR中CBG相关的反馈方式和DCI指示等标准已经较为完善。3GPP自RAN1 #94会议起，开始讨论使用对NR-U HARQ进行增强，主要关于NR-U关键技术和CBG相关信令之间的适应性更新。在RAN1 #99会议中，诺基亚、华为、vivo以及英特尔等公司，对配置CBG传输情况下如何调整LBT中竞争窗口大小、如何使用基于CBG的NR-U一次性HARQ反馈以及考虑功率控制的DCI格式设置的相关建议得到了与会者共识[10]。直至最近的RAN1 #101次会议，华为公司还在继续讨论NR-U中CBG HARQ的码本使用问题[11]。

NR-U相比如Wi-Fi的其他使用相同非授权频谱的无线系统，支持更大的带宽，故可能会出现支持不同大小带宽的系统同时竞争信道的情况。为此，NR-U的LBT监听能够基于分割的子带分别检测，并且会略微提高对CCA门限值的要求。这样不仅降低了监听检测的复杂度，也便于和其他多种采用不同信道宽度的使用相同非授权频谱的系统共存，不易在信道竞争中被完全阻塞。但是，这种共存可能会带来干扰问题，类似于NR eMBB/URLLC复用场景中eMBB业务遭到URLLC业务穿刺，被干扰的NR-U业务的部分数据可能无法正确解调，NR-U业务重传需求增加，即式（4）中x值增加，使得这种场景下也较为适合利用CBG HARQ技术减少重传数据量，获得系统性能增益。值得注意的是，在这个场景中，窄带信号的干扰通常是固定频域范围、在时域范围延伸，与URLLC穿刺时中固定时域范围、在频域范围延伸的干扰有所不同。因此，调度算法在设计优化上应有所差异，如重新考虑资源映射方式，以时域而不是频域优先等，是值得更深入的讨论与设计方向。

3 结语

在通信系统中，频谱资源的匮乏和爆炸式业务需求的矛盾日益加剧。本文通过分析传统HARQ技术在5G大数据量传输的场景下导致的不可忽视的资源浪费问题和CBG HARQ技术原理，通过减少冗余重传量的方式来充分利用有限的频谱资源。目前，NR中CBG HARQ技术的基本流程已经被标准化组织确定，而NR-U对CBG技术的支持还在标准化组织的不断完善中，值得进一步讨论。此外，根据系统级仿真和理论分析结果，纯NR eMBB场景下不易体现CBG技术的增益；而在eMBB/URLLC复用和NR-U场景中，由于其他业务的干扰，eMBB业务更容易接受失败，引发重传请求，更适合CBG HARQ发挥作用。在这些场景中使用CBG HARQ时，更加具体、高效的资源调度方式有待进一步讨论，可以作为下一步研究与设计的方向。