하이브리드 자동 반복 요청

Hybrid automatic repeat request

하이브리드 자동 반복 요청(하이브리드 ARQ 또는 HARQ)은 고율의 전방 오류 수정(FEC)과 자동 반복 요청(ARQ) 오류 제어를 조합한 것이다. 표준 ARQ에서는 주기적 중복성 검사(CRC)와 같은 오류 감지(ED) 코드를 사용하여 전송할 데이터에 중복 비트를 추가한다. 수신자가 손상된 메시지를 감지하면 발신인에게 새 메시지를 요청한다. Hybrid ARQ에서는 원본 데이터가 FEC 코드로 인코딩되며, 패리티 비트는 메시지와 함께 즉시 전송되거나 수신자가 잘못된 메시지를 감지했을 때 요청 시에만 전송된다. 리드-솔로몬 코드와 같이 오류 검출 외에 FEC(Forward Error Correction)를 모두 수행할 수 있는 코드를 사용할 경우 ED 코드를 생략할 수 있다. FEC 코드는 발생할 수 있는 모든 오류의 예상 서브셋을 수정하기 위해 선택되며, ARQ 방법은 초기 전송에서 전송된 중복성만을 사용하여 수정할 수 없는 오류를 수정하기 위한 예비로 사용된다. 그 결과, 하이브리드 ARQ는 열악한 신호 조건에서 일반 ARQ보다 우수한 성능을 발휘하지만, 가장 단순한 형태에서는 양호한 신호 조건에서 처리량이 현저히 낮은 비용으로 나온다. 일반적으로 단순한 하이브리드 ARQ가 더 나은 신호 품질 교차 지점이 있고, 그 위에 기본 ARQ가 더 나은 지점이 있다.

심플 하이브리드 ARQ

가장 간단한 HARQ 버전인 Type I HARQ는 전송 전 각 메시지에 ED와 FEC 정보를 모두 추가한다. 코드화된 데이터 블록이 수신되면 수신기는 먼저 오류 수정 코드를 해독한다. 채널 품질이 충분히 좋으면 모든 전송 오류를 수정할 수 있어야 하며, 수신기는 정확한 데이터 블록을 얻을 수 있다. 채널 품질이 나쁘고 모든 전송 오류를 수정할 수 없는 경우, 수신자는 오류 감지 코드를 사용하여 이 상황을 감지하고, 수신된 코드화된 데이터 블록은 거부되며, 수신자는 ARQ와 유사하게 재전송을 요청한다.[1]

보다 정교한 형태인 Type II HARQ에서는 메시지 발생기가 오류 감지 패리티 비트 및 FEC 패리티 비트만 함께 메시지 비트 사이에서 번갈아 나타난다. 첫 번째 전송에 오류가 없을 때 FEC 패리티 비트는 전송되지 않는다. 또한 두 개의 연속 전송을 조합하여 오류가 없는 경우 오류 수정을 할 수 있다.[2]

Type I과 Type II Hybrid ARQ의 차이를 이해하려면 ED 및 FEC 추가 정보의 크기를 고려하십시오. 오류 감지 기능은 일반적으로 메시지에 몇 바이트만 추가하며, 이는 길이의 증분 증가에 불과하다. 반면에 FEC는 오류 수정 패리티로 메시지 길이를 두 배 또는 세 배로 늘릴 수 있다. 처리량 측면에서 표준 ARQ는 일반적으로 오류로부터 신뢰할 수 있는 보호를 위해 채널 용량의 몇 퍼센트를 사용하는 반면, FEC는 일반적으로 채널 개선을 위해 모든 채널 용량의 절반 이상을 소비한다.

표준 ARQ에서 오류 감지가 통과하려면 주어진 전송에서 오류가 없는 전송을 수신해야 한다. 타입 II 하이브리드 ARQ에서, 첫 번째 전송은 데이터와 오류 감지만 포함한다(표준 ARQ와 다르지 않다). 무오류만 받으면 끝이다. 만약 데이터가 잘못 수신된다면, 두 번째 전송은 FEC parity와 오류 감지를 포함할 것이다. 무오류만 받으면 끝이다. 오류로 수신된 경우, 두 송신으로부터 수신한 정보를 조합해 오류 수정을 시도할 수 있다.

I형 하이브리드 ARQ만 강한 신호 조건에서 용량 손실이 발생한다. 타입 II 하이브리드 ARQ는 FEC 비트가 필요에 따라 후속 재전송 시에만 전송되기 때문에 발생하지 않는다. 강한 신호 조건에서 타입 II 하이브리드 ARQ는 표준 ARQ만큼 좋은 용량으로 작동한다. 불량한 신호 조건에서 타입 II 하이브리드 ARQ는 표준 FEC만큼 좋은 감도로 작동한다.

부드러운 결합이 가능한 하이브리드 ARQ

실제로 잘못 수신된 코드화된 데이터 블록은 폐기되지 않고 수신기에 저장되는 경우가 많으며, 재전송된 블록을 수신하면 두 블록이 결합된다. 이것은 부드러운 결합을 가진 하이브리드 ARQ라고 불린다(Dahlman et al., 주어진 두 개의 전송을 오류 없이 독립적으로 해독할 수 없는 것은 가능하지만, 이전에 잘못 수신된 전송의 조합은 우리에게 정확하게 해독할 수 있는 충분한 정보를 제공하는 경우가 발생할 수 있다. HARQ에는 다음과 같은 두 가지 소프트 결합 방법이 있다.

  • 추적 결합: 모든 재전송에는 동일한 정보(데이터 및 패리티 비트)가 포함되어 있다. 수신기는 수신된 비트를 이전 전송에서 동일한 비트와 결합하기 위해 최대 비율을 사용한다. 모든 전송이 동일하기 때문에 체이스 결합은 추가적인 반복 코딩으로 볼 수 있다. 모든 재전송은 증가된 Eb/N0을 통해 수신된 전송에 추가 에너지를 더하는 것으로 생각할 수 있다.
  • 증분 중복성: 모든 재전송에는 이전과 다른 정보가 포함되어 있다. 코드화된 비트 세트가 여러 개 생성되며, 각각은 동일한 정보 비트 세트를 나타낸다. 재전송은 일반적으로 이전 전송과 다른 코드화된 비트 세트를 사용하며, 인코더 출력을 펑크내서 생성되는 중복성 버전이 다르다. 그러므로 재전송 시마다 수신자는 추가 정보를 얻는다.

두 가지 주요 방법의 몇 가지 변형들이 존재한다. 예를 들어, 부분 체이스에서는 원래 전송에서 비트의 부분 집합만 결합하여 재전송한다. 부분 증분 중복성에서는 시스템 비트가 항상 포함되므로 각 재전송은 스스로 결정할 수 있다.

증분 중복성 HARQ의 예로는 HSDPA가 있다. 데이터 블록은 먼저 구멍이 뚫린 1/3 터보 코드로 코딩된 다음, 각 전송 중에 코딩된 블록은 보통 추가로 펑크나 전송된다(즉, 코딩된 비트의 일부만 선택됨). 각각의 (재)송신 중에 사용되는 펑크 패턴이 다르기 때문에, 매번 다른 코딩된 비트가 전송된다. HSDPA 표준은 Chase 결합과 증분 중복성을 모두 지원하지만, 증가된 중복성은 증가된 복잡성의 비용으로 Chase 결합보다 거의 항상 더 잘 수행되는 것으로 나타났다.[3]

HARQ는 정지 및 대기 모드 또는 선택적 반복 모드에서 사용할 수 있다. 정지-대기(stop-and-wait)가 더 간단하지만, 수신자의 수신확인을 기다리는 것은 효율을 떨어뜨린다. 따라서 실제로 여러 개의 중지 및 대기 HARQ 프로세스가 병렬로 수행되는 경우가 많다. 한 HARQ 프로세스가 승인을 기다리고 있을 때 다른 프로세스는 채널을 사용하여 더 많은 데이터를 전송할 수 있다.

Turbo 코드 외에 HARQ 체계에서 사용할 수 있는 다른 전방 오류 보정 코드(예: 확장된 불규칙 반복 계산(EIRA) 코드와 Efficient-Encodable Rate-Compatible(E2RC) 코드)가 있는데, 두 코드 모두 저밀도 패리티 확인 코드다.

적용들

HARQ는 UMTS와 같은 휴대 전화 네트워크에 고속 데이터 전송(각각 다운링크와 업링크에서)을 제공하는 HSDPA와 HSUPA에서, 그리고 "모바일 WiMAX"라고도 하는 모바일 광대역 무선 접속용 IEEE 802.16-2005 표준에서 사용된다. Evolution-Data Optimized 및 LTE 무선 네트워크에서도 사용된다.

타입 I 하이브리드 ARQ는 기존 홈 배선(전원선, 전화선, 동축 케이블)보다 최대 1Gbit/s의 데이터 속도로 작동할 수 있는 고속 근거리 통신망 표준인 ITU-T G.hn에서 사용된다. G.hn은 오류 탐지에 CRC-32C, 전방 오류 보정에 LDPC, ARQ에 선택적 반복을 사용한다.

참조

  1. ^ 콤로/코스텔로 1984, 페이지 474
  2. ^ 콤로/코스텔로 1984, 페이지 474–5
  3. ^ Frenger, P.; S. Parkvall; E. Dahlman (October 2001). "Performance comparison of HARQ with Chase combining and incremental redundancy for HSDPA". Vehicular Technology Conference, 2001. VTC 2001 Fall. IEEE VTS 54th. Vol. 3. Piscataway Township, New Jersey: IEEE Operations Center. pp. 1829–1833. doi:10.1109/VTC.2001.956516. ISBN 0-7803-7005-8.

추가 읽기