Гибридный автоматический запрос на повтор ( гибридный ARQ или HARQ ) представляет собой комбинацию высокоскоростного прямого исправления ошибок (FEC) и автоматического запроса на повтор (ARQ) контроля ошибок. В стандартном ARQ избыточные биты добавляются к данным, которые должны быть переданы, с использованием кода обнаружения ошибок (ED), такого как циклический избыточный код (CRC). Получатели, обнаружившие поврежденное сообщение, запросят новое сообщение у отправителя. В гибридном ARQ исходные данные кодируются кодом FEC, а биты четности либо немедленно отправляются вместе с сообщением, либо передаются только по запросу, когда получатель обнаруживает ошибочное сообщение. Код ED может быть опущен, если используется код, который может выполнять как прямое исправление ошибок (FEC), так и обнаружение ошибок, например код Рида-Соломона . Код FEC выбирается для исправления ожидаемого подмножества всех ошибок, которые могут возникнуть, в то время как метод ARQ используется в качестве резервного варианта для исправления ошибок, которые невозможно исправить, используя только избыточность, отправленную в начальной передаче. В результате гибридный ARQ работает лучше обычного ARQ в условиях плохого сигнала, но в своей простейшей форме это достигается за счет значительно более низкой пропускной способности в условиях хорошего сигнала. Обычно существует точка пересечения качества сигнала, ниже которой простой гибридный ARQ лучше, а выше которой лучше базовый ARQ.
Простейшая версия HARQ, HARQ типа I , добавляет информацию ED и FEC к каждому сообщению перед передачей. Когда получен закодированный блок данных, приемник сначала декодирует код исправления 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, затем полученный закодированный блок данных отклоняется, и приемник запрашивает повторную передачу, аналогично ARQ. [1]
В более сложной форме, Type II HARQ , отправитель сообщения чередует биты сообщения вместе с битами четности обнаружения ошибок и только битами четности FEC. Когда первая передача получена без ошибок, биты четности FEC никогда не отправляются. Кроме того, две последовательные передачи могут быть объединены для исправления ошибок, если ни одна из них не безошибочна. [2]
Чтобы понять разницу между гибридным ARQ типа I и типа II, рассмотрим размер добавленной информации ED и FEC: обнаружение ошибок обычно добавляет к сообщению всего пару байтов, что является лишь постепенным увеличением длины. FEC, с другой стороны, часто может удвоить или утроить длину сообщения с помощью четностей исправления ошибок. С точки зрения пропускной способности стандартный ARQ обычно расходует несколько процентов пропускной способности канала для надежной защиты от ошибок, в то время как FEC обычно расходует половину или более всей пропускной способности канала для улучшения канала.
В стандартном ARQ передача должна быть получена без ошибок в любой данной передаче, чтобы обнаружение ошибок прошло успешно. В гибридном ARQ типа II первая передача содержит только данные и обнаружение ошибок (ничем не отличается от стандартного ARQ). Если получено без ошибок, то это сделано. Если данные получены с ошибками, вторая передача будет содержать четности FEC и обнаружение ошибок. Если получено без ошибок, то это сделано. Если получено с ошибками, то можно попытаться исправить ошибки, объединив информацию, полученную из обеих передач.
Только Type I Hybrid ARQ теряет емкость в условиях сильного сигнала. Type II Hybrid ARQ не теряет, поскольку биты FEC передаются только при последующих повторных передачах по мере необходимости. В условиях сильного сигнала Type II Hybrid ARQ работает с такой же хорошей емкостью, как и стандартный ARQ. В условиях слабого сигнала Type II Hybrid ARQ работает с такой же хорошей чувствительностью, как и стандартный FEC.
На практике неправильно полученные кодированные блоки данных часто сохраняются в приемнике, а не отбрасываются, и когда повторно переданный блок получен, два блока объединяются. Это называется гибридным ARQ с мягким комбинированием (Dahlman et al., p. 120). Хотя возможно, что две заданные передачи не могут быть независимо декодированы без ошибок, может случиться так, что комбинация ранее ошибочно полученных передач даст нам достаточно информации для правильного декодирования. В HARQ есть два основных метода мягкого комбинирования:
Существует несколько вариантов двух основных методов. Например, при частичном комбинировании Chase повторно передается только подмножество битов в исходной передаче. При частичной инкрементальной избыточности систематические биты всегда включаются, так что каждая повторная передача является самодекодируемой.
Примером инкрементальной избыточности HARQ является HSDPA : блок данных сначала кодируется с помощью проколотого 1/3 Turbo code , затем во время каждой (повторной) передачи кодированный блок обычно прокалывается дальше (т. е. выбирается только часть закодированных битов) и отправляется. Шаблон прокалывания, используемый во время каждой (повторной) передачи, отличается, поэтому каждый раз отправляются разные закодированные биты. Хотя стандарт HSDPA поддерживает как Chase combined, так и инкрементальную избыточность, было показано, что инкрементальная избыточность почти всегда работает лучше, чем Chase combined, за счет увеличения сложности. [3]
HARQ может использоваться в режиме остановки и ожидания или в режиме выборочного повтора . Остановка и ожидание проще, но ожидание подтверждения приемника снижает эффективность. Таким образом, на практике несколько процессов остановки и ожидания HARQ часто выполняются параллельно: когда один процесс HARQ ожидает подтверждения, другой процесс может использовать канал для отправки дополнительных данных.
Помимо турбокодов, в схеме HARQ можно использовать и другие коды с прямой коррекцией ошибок, например, расширенный нерегулярный код повторения-накопления (eIRA) и эффективно кодируемый код с совместимым уровнем четности (E2RC), оба из которых являются кодами с низкой плотностью проверок на четность .
HARQ используется в HSDPA и HSUPA , которые обеспечивают высокоскоростную передачу данных (по нисходящей и восходящей линии связи 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 со скоростью передачи данных до 1 Гбит/с по существующей домашней проводке ( линии электропередач , телефонные линии и коаксиальные кабели ). G.hn использует CRC-32C для обнаружения ошибок, LDPC для прямого исправления ошибок и селективный повтор для ARQ.