ハイブリッド自動繰り返しリクエスト

ハイブリッド自動再送要求(ハイブリッド ARQまたはHARQ ) は、高速前方誤り訂正(FEC) と自動再送要求(ARQ) 誤り制御の組み合わせです。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ともにすぐに送信されるか、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) と誤り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修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のみを使用しては修正できないエラーを修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 は信号状態が悪い場合には通常の ARQ よりも優れたパフォーマンスを発揮しますが、最も単純な形式では、信号状態が良い場合に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、信号品質のクロスオーバー ポイントがあり、それ以下ではシンプルなハイブリッド ARQ の方が優れ、それを超えると基本的な ARQ の方が優れています。

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とFECの両方の情報を追加します。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コードをデコードします。チャネル品質が十分に良好であれば、すべての送信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、すべての送信エラーを訂正できない場合、受信機は誤り検出コードを使用してこの状況を検出し、受信した符号化データブロックは拒否され、ARQと同様に受信機によって再送信が要求されます。^[1]

より洗練された形式であるタイプ II HARQでは、メッセージ発信者は、エラー検出パリティビットと FEC パリティビットのみを含むメッセージビット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、2 つの連続した送信がどちらもエラーなしでない場合は、エラー訂正のために組み合わせることができます。^[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 で追加される情報のサイズを検討してください。エラー検出では通常、メッセージに数バイトが追加されるだけなので、長さがわずかに増加するだけです。一方、FEC では、エラー訂正パリティによってメッセージの長さが 2 倍または 3 倍になることがよくあります。スループットの点では、標準 ARQ では通常、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 では通常、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ためには、送信が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た場合は、これで完了です。データをエラーで受信した場合、2 番目の送信には 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た場合は、これで完了です。エラーで受信された場合は、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。

信号が強い状況では、タイプ I ハイブリッド ARQ のみが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でのみ送信されるため、容量損失の影響を受けません。信号が強い状況では、タイプ II ハイブリッド ARQ は標準 ARQ と同等の容量で動作します。信号が弱い状況では、タイプ II ハイブリッド ARQ は標準 FEC と同等の感度で動作します。

実際には、誤って受信されたコード化されたデータ ブロックは破棄されるのではなく、受信機で保存されることが多く、再送信されたブロックが受信されると、2 つのブロックが結合されます。これは、ソフト結合によるハイブリッド ARQ と呼ばれます (Dahlman ら、p. 120)。2 つの送信を個別にエラーなしでデコードできない可能性もありますが、以前に誤って受信した送信を組み合わせることで、正しくデコード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 つのソフト結合方法があります。

• チェイス合成: すべての再送信に同じ情報 (データとパリティ ビット) が含まれます。受信機は最大比合成を使用して、受信したビットを以前の送信からの同じビットと結合します。すべての送信は同一であるため、チェイス合成は追加の繰り返しコーディングと見なすことができます。すべての再送信は、 Eb/N0 の増加を通じて受信送信に追加のエネルギーを追加するものと考えることができます。
• 増分冗長性: 再送信ごとに、前回とは異なる情報が含まれます。複数のコード化ビット セットが生成され、それぞれが同じ情報ビット セットを表します。再送信では通常、前回の送信とは異なるコード化ビット セットが使用され、エンコーダ出力をパンクチャリングすることで異なる冗長バージョンが生成されます。したがって、再送信のたびに、受信機は追加情報を取得します。

2 つの主な方法には、いくつかのバリエーションがあります。たとえば、部分的なチェイス結合では、元の送信のビットのサブセットのみが再送信されます。部分的な増分冗長性では、体系的なビットが常に含まれるため、各再送信は自己デコード可能です。

増分冗長HARQの例としてHSDPAがあります。データブロックは最初にパンクチャリングされた1/3ターボコードでコード化され、その後、各（再）送信中にコード化されたブロックは通常さらにパンクチャリングされ（つまり、コード化されたビットの一部のみが選択される）、送信されます。各（再）送信中に使用されるパンクチャリングパターンは異なるため、毎回異なるコード化ビットが送信されます。HSDPA標準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犠牲を払って、増分冗長はチェイス合成よりもほぼ常に優れたパフォーマンスを発揮する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 モードの方が簡単ですが、受信側の確認応答を待つと効率が低下します。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、1 つの 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。これらはどちらも低密度パリティ チェック コードです。

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とアップリンク) を提供するHSDPAとHSUPA、および「モバイル WiMAX」としても知られるモバイル ブロードバンド無線アクセスのIEEE 802.16-2005標準で使用されます。また、 Evolution-Data OptimizedおよびLTE無線ネットワーク でも使用されます。

タイプ I ハイブリッド ARQ は、既存の家庭内配線 (電力線、電話線、同軸ケーブル)を介して最大 1 Gbit/s のデータ速度で動作できる高速ローカル エリア ネットワーク標準であるITU-T G.hnで使用されています。G.hn は、エラー検出にCRC-32C 、前方エラー訂正にLDPC 、ARQ に選択的繰り返しを使用します。

• Soljanin, Emina、Ruoheng Liu、Predrag Spasojevic (2004)。「ランダム送信割り当てによるハイブリッド ARQ」。ネットワーク情報理論の進歩。ロードアイランド州プロビデンス:アメリカ数学会。pp. 321–334。ISBN 0-8218-3467-3. 2009年3月18日閲覧。プレプリントとしても入手可能。
• Comroe, R.; D. Costello (1984 年 7 月)。「移動無線システムにおけるデータ伝送のための ARQ 方式」IEEE Journal on Selected Areas in Communications . 2 (4): 472–481. doi :10.1109/JSAC.1984.1146084。
• Davida, George I. ; Sudhakar M. Reddy (1972 年 9 月). 「決定フィードバックによる前方誤り訂正」.情報と制御. 21 (2): 117–133. doi : 10.1016/S0019-9958(72)90057-5 .
• レートマッチングと HARQ (WCDMA/HSDPA)。^{[永久リンク切れ‍ ]}
• ダールマン、エリック。パークヴァル、ステファン。ヨハン・スコルド;ベーミング、パー (2008)。3G Evolution - モバイル ブロードバンドのための HSPA および LTE (第 2 版)。学術出版局。 119–123ページ。ISBN 978-0-12-374538-5。