ハイブリッド自動繰り返し要求

ハイブリッド自動再送要求（ハイブリッド ARQまたはHARQ）は、高レートの前方誤り訂正（FEC）と自動再送要求（ARQ）誤り制御を組み合わせたものです。標準 ARQ では、巡回冗長検査（CRC）などの誤り検出（ED）コードを使用して、送信されるデータに冗長ビットが追加されます。破損したメッセージを検出する受信者は、送信者に新しいメッセージを要求します。ハイブリッド ARQ では、元のデータは FEC コードでエンコードされ、パリティ ビットはメッセージと共に直ちに送信されるか、受信者がエラーのあるメッセージを検出したときに要求された場合にのみ送信されます。リード・ソロモン コードなど、前方誤り訂正（FEC）とエラー検出の両方を実行できるコードを使用する場合は、 EDコードを省略できます。FEC コードは、発生する可能性のあるすべてのエラーの予想されるサブセットを訂正するために選択され、ARQ 方式は、最初の送信で送信された冗長性だけでは訂正できないエラーを訂正するためのフォールバックとして使用されます。その結果、ハイブリッドARQは劣悪な信号条件下では通常のARQよりも優れたパフォーマンスを発揮しますが、最も単純な形態では、良好な信号条件下ではスループットが大幅に低下するという代償を伴います。通常、信号品質にはある交差点があり、それ以下ではシンプルなハイブリッドARQの方が優れ、それ以上では基本的なARQの方が優れています。

シンプルなハイブリッドARQ

HARQの最も単純なバージョンであるタイプI HARQは、送信前に各メッセージにED情報とFEC情報の両方を追加します。符号化されたデータブロックを受信すると、受信機はまず誤り訂正符号を復号します。チャネル品質が十分に良好であれば、すべての伝送エラーは訂正可能であり、受信機は正しいデータブロックを取得できます。チャネル品質が悪く、すべての伝送エラーを訂正できない場合、受信機は誤り検出符号を用いてこの状況を検出し、受信した符号化データブロックを拒否し、ARQと同様に再送を要求します。[ 1 ]

より洗練された形式であるタイプII HARQでは、メッセージ送信者は、メッセージビットと誤り検出パリティビット、およびFECパリティビットのみを交互に送信します。最初の送信がエラーなしで受信された場合、FECパリティビットは送信されません。また、連続する2つの送信がどちらもエラーなしでない場合は、誤り訂正のためにそれらを結合することができます。[ 2 ]

タイプIとタイプIIのハイブリッドARQの違いを理解するには、EDとFECによって追加される情報量を考慮する必要があります。エラー検出では通常、メッセージに数バイトしか追加されず、これはメッセージ長の増加に過ぎません。一方、FECでは、エラー訂正パリティによってメッセージ長が2倍または3倍になることがよくあります。スループットの観点から見ると、標準的なARQは通常、エラーに対する信頼性の高い保護のためにチャネル容量の数パーセントを消費しますが、FECは通常、チャネルの改善のために全チャネル容量の半分以上を消費します。

標準ARQでは、エラー検出に合格するには、どの送信においてもエラーなしで受信される必要があります。タイプIIハイブリッドARQでは、最初の送信にはデータとエラー検出のみが含まれます（標準ARQと変わりません）。エラーなしで受信されれば完了です。データにエラーがあった場合、2回目の送信にはFECパリティとエラー検出が含まれます。エラーなしで受信されれば完了です。エラーがあった場合、両方の送信から受信した情報を組み合わせることでエラー訂正を試みることができます。

タイプIハイブリッドARQのみが、強い信号条件下で容量損失の影響を受けます。タイプIIハイブリッドARQでは、FECビットは必要に応じて後続の再送信時にのみ送信されるため、容量損失は発生しません。強い信号条件下では、タイプIIハイブリッドARQは標準ARQと同等の容量性能を発揮します。弱い信号条件下では、タイプIIハイブリッドARQは標準FECと同等の感度性能を発揮します。

ソフト合成によるハイブリッドARQ

実際には、誤って受信した符号化データブロックは、破棄されるのではなく受信側で保存されることが多く、再送ブロックを受信すると、2つのブロックが結合されます。これは、ソフトコンバイニングを用いたハイブリッドARQと呼ばれます（Dahlman et al., p. 120）。2つの送信を独立してエラーなく復号できない場合もありますが、以前に誤って受信した送信を組み合わせることで、正しく復号するのに十分な情報が得られる場合があります。HARQには、主に2つのソフトコンバイニング方式があります。

2つの主要な方法には、いくつかのバリエーションがあります。例えば、部分チェイス結合では、元の送信ビットの一部のみを再送信します。部分増分冗長では、システマティックビットが常に含まれるため、各再送信は自己復号可能です。

増分冗長HARQの例としてHSDPAが挙げられます。データブロックはまずパンクチャリングされた1/3ターボ符号で符号化され、その後、各（再）送信時に符号化ブロックは通常さらにパンクチャリングされ（つまり、符号化ビットの一部のみが選択される）、送信されます。各（再）送信時に使用されるパンクチャリングパターンは異なるため、毎回異なる符号化ビットが送信されます。HSDPA規格はチェイス合成と増分冗長の両方をサポートしていますが、複雑さが増すという欠点はあるものの、増分冗長はチェイス合成よりもほぼ常に優れた性能を示すことが示されています。[ 3 ]

HARQは、ストップ・アンド・ウェイトモードまたは選択的リピートモードで使用できます。ストップ・アンド・ウェイトモードの方がシンプルですが、受信側からの確認応答を待つ必要があるため、効率が低下します。そのため、実際には複数のストップ・アンド・ウェイトHARQプロセスが並行して実行されることが多く、あるHARQプロセスが確認応答を待っている間に、別のプロセスがそのチャネルを使用してさらにデータを送信することができます。

ターボ コードの他にも、HARQ 方式で使用できる前方誤り訂正コードがあります。たとえば、拡張不規則繰り返し累積 (eIRA) コードや効率的に符号化可能なレート互換 (E2RC) コードなどです。どちらも低密度パリティ チェック コードです。

アプリケーション

HARQは、 UMTSなどの携帯電話ネットワークで高速データ伝送（それぞれダウンリンクおよびアップリンク）を提供するHSDPAおよびHSUPA、そしてモバイルブロードバンド無線アクセス（モバイルWiMAXとも呼ばれる）のIEEE 802.16-2005規格で使用されています。また、 Evolution-Data OptimizedおよびLTE無線ネットワーク でも使用されています。

タイプIハイブリッドARQは、ITU-T G.hnで使用されています。これは、既存の家庭用配線（電力線、電話線、同軸ケーブル）を介して最大1 Gbit/sのデータレートで動作可能な高速ローカルエリアネットワーク規格です。G.hnは、エラー検出にCRC-32C 、前方誤り訂正にLDPC 、ARQに選択的再送を使用します。

参考文献

  1. ^コムロー/コステロ 1984, p. 474
  2. ^コムロー/コステロ 1984年、474～475ページ
  3. ^ Frenger, P.; S. Parkvall; E. Dahlman (2001年10月). 「HSDPAにおけるHARQとChase合成および増分冗長性を用いた性能比較」.車両技術会議, 2001. VTC 2001 Fall. IEEE VTS 54th . 第3巻.ニュージャージー州ピスカタウェイ・タウンシップ: IEEEオペレーションセンター. pp.  1829– 1833. doi : 10.1109/VTC.2001.956516 . ISBN 0-7803-7005-8。

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