Solicitud de repetición automática híbrida

La solicitud de repetición automática híbrida ( ARQ híbrida o HARQ ) es una combinación de corrección de errores hacia adelante (FEC) de alta velocidad y control de errores de solicitud de repetición automática (ARQ). En ARQ estándar, se agregan bits redundantes a los datos que se van a transmitir utilizando un código de detección de errores (ED) como una verificación de redundancia cíclica (CRC). Los receptores que detectan un mensaje dañado solicitarán un nuevo mensaje al remitente. En ARQ híbrido, los datos originales se codifican con un código FEC y los bits de paridad se envían inmediatamente junto con el mensaje o solo se transmiten a pedido cuando un receptor detecta un mensaje erróneo. El código ED se puede omitir cuando se utiliza un código que puede realizar tanto la corrección de errores hacia adelante (FEC) además de la detección de errores, como un código Reed-Solomon . El código FEC se elige para corregir un subconjunto esperado de todos los errores que pueden ocurrir, mientras que el método ARQ se utiliza como una alternativa para corregir errores que no se pueden corregir utilizando solo la redundancia enviada en la transmisión inicial. Como resultado, el ARQ híbrido funciona mejor que el ARQ ordinario en condiciones de señal deficientes, pero en su forma más simple esto se produce a expensas de un rendimiento significativamente menor en condiciones de señal buenas. Normalmente, existe un punto de cruce de la calidad de la señal por debajo del cual el ARQ híbrido simple es mejor y por encima del cual el ARQ básico es mejor.

La versión más simple de HARQ, el HARQ Tipo I , agrega información ED y FEC a cada mensaje antes de la transmisión. Cuando se recibe el bloque de datos codificados, el receptor primero decodifica el código de corrección de errores. Si la calidad del canal es lo suficientemente buena, todos los errores de transmisión deberían ser corregibles y el receptor puede obtener el bloque de datos correcto. Si la calidad del canal es mala y no se pueden corregir todos los errores de transmisión, el receptor detectará esta situación utilizando el código de detección de errores, luego el bloque de datos codificados recibido es rechazado y el receptor solicita una retransmisión, similar a ARQ. ^[1]

En una forma más sofisticada, el HARQ Tipo II , el originador del mensaje alterna entre bits de mensaje junto con bits de paridad de detección de errores y solo bits de paridad FEC. Cuando la primera transmisión se recibe sin errores, los bits de paridad FEC nunca se envían. Además, se pueden combinar dos transmisiones consecutivas para la corrección de errores si ninguna está libre de errores. ^[2]

Para entender la diferencia entre ARQ híbrido de tipo I y tipo II, considere el tamaño de la información agregada de ED y FEC: la detección de errores generalmente solo agrega un par de bytes a un mensaje, lo que es solo un aumento incremental en la longitud. FEC, por otro lado, a menudo puede duplicar o triplicar la longitud del mensaje con paridades de corrección de errores. En términos de rendimiento, ARQ estándar generalmente gasta un pequeño porcentaje de la capacidad del canal para una protección confiable contra errores, mientras que FEC normalmente gasta la mitad o más de toda la capacidad del canal para la mejora del canal.

En ARQ estándar, una transmisión debe recibirse sin errores en cualquier transmisión dada para que la detección de errores pase. En ARQ híbrido de tipo II, la primera transmisión contiene solo datos y detección de errores (no es diferente de ARQ estándar). Si se recibe sin errores, está listo. Si se reciben datos con error, la segunda transmisión contendrá paridades FEC y detección de errores. Si se recibe sin errores, está listo. Si se recibe con error, se puede intentar la corrección del error combinando la información recibida de ambas transmisiones.

Solo el ARQ híbrido de tipo I sufre pérdida de capacidad en condiciones de señal fuerte. El ARQ híbrido de tipo II no la sufre porque los bits FEC solo se transmiten en retransmisiones posteriores según sea necesario. En condiciones de señal fuerte, el ARQ híbrido de tipo II funciona con tan buena capacidad como el ARQ estándar. En condiciones de señal deficiente, el ARQ híbrido de tipo II funciona con tan buena sensibilidad como el FEC estándar.

En la práctica, los bloques de datos codificados recibidos incorrectamente suelen almacenarse en el receptor en lugar de descartarse y, cuando se recibe el bloque retransmitido, los dos bloques se combinan. Esto se denomina ARQ híbrido con combinación suave (Dahlman et al., pág. 120). Si bien es posible que dos transmisiones dadas no puedan decodificarse independientemente sin error, puede suceder que la combinación de las transmisiones recibidas erróneamente anteriormente nos brinde suficiente información para decodificarlas correctamente. Existen dos métodos principales de combinación suave en HARQ:

• Combinación de Chase: cada retransmisión contiene la misma información (datos y bits de paridad). El receptor utiliza la combinación de máxima relación para combinar los bits recibidos con los mismos bits de transmisiones anteriores. Debido a que todas las transmisiones son idénticas, la combinación de Chase puede considerarse como una codificación de repetición adicional . Se podría pensar que cada retransmisión agrega energía adicional a la transmisión recibida a través de un aumento de Eb/N0 .
• Redundancia incremental: cada retransmisión contiene información diferente a la anterior. Se generan múltiples conjuntos de bits codificados, cada uno de los cuales representa el mismo conjunto de bits de información. La retransmisión normalmente utiliza un conjunto de bits codificados diferente al de la transmisión anterior, con diferentes versiones de redundancia generadas al perforar la salida del codificador. De este modo, en cada retransmisión el receptor obtiene información adicional.

Existen varias variantes de los dos métodos principales. Por ejemplo, en la combinación de Chase parcial, solo se retransmite un subconjunto de los bits de la transmisión original. En la redundancia incremental parcial, siempre se incluyen los bits sistemáticos de modo que cada retransmisión sea autodescodificable.

Un ejemplo de redundancia incremental HARQ es HSDPA : el bloque de datos se codifica primero con un código Turbo 1/3 perforado , luego durante cada (re)transmisión el bloque codificado generalmente se perfora aún más (es decir, solo se elige una fracción de los bits codificados) y se envía. El patrón de perforación utilizado durante cada (re)transmisión es diferente, por lo que se envían diferentes bits codificados en cada momento. Aunque el estándar HSDPA admite tanto la combinación Chase como la redundancia incremental, se ha demostrado que la redundancia incremental casi siempre funciona mejor que la combinación Chase, a costa de una mayor complejidad. ^[3]

HARQ se puede utilizar en modo de parada y espera o en modo de repetición selectiva . La parada y espera es más sencilla, pero esperar la confirmación del receptor reduce la eficiencia. Por ello, en la práctica, se suelen realizar varios procesos HARQ de parada y espera en paralelo: cuando un proceso HARQ espera una confirmación, otro proceso puede utilizar el canal para enviar más datos.

Existen otros códigos de corrección de errores hacia adelante que se pueden utilizar en un esquema HARQ además de los códigos Turbo, por ejemplo, el código de repetición-acumulación irregular extendida (eIRA) y el código de velocidad compatible con codificación eficiente (E2RC), ambos códigos de verificación de paridad de baja densidad .

HARQ se utiliza en HSDPA y HSUPA , que proporcionan transmisión de datos a alta velocidad (en el enlace descendente y ascendente , respectivamente) para redes de telefonía móvil como UMTS , y en el estándar IEEE 802.16-2005 para acceso inalámbrico de banda ancha móvil, también conocido como "WiMAX móvil" . También se utiliza en redes inalámbricas Evolution-Data Optimized y LTE .

El ARQ híbrido de tipo I se utiliza en ITU-T G.hn , un estándar de red de área local de alta velocidad que puede funcionar a velocidades de datos de hasta 1 Gbit/s a través del cableado doméstico existente ( líneas eléctricas , líneas telefónicas y cables coaxiales ). G.hn utiliza CRC-32C para detección de errores, LDPC para corrección de errores hacia adelante y repetición selectiva para ARQ.

• Soljanin, Emina; Ruoheng Liu; Predrag Spasojevic (2004). "ARQ híbrido con asignaciones de transmisión aleatoria". Avances en la teoría de la información de redes . Providence, Rhode Island : American Mathematical Society . págs. 321–334. ISBN 0-8218-3467-3. Recuperado el 18 de marzo de 2009 .También disponible como preimpresión.
• Comroe, R.; D. Costello (julio de 1984). "Esquemas ARQ para transmisión de datos en sistemas de radio móviles". Revista IEEE sobre áreas seleccionadas en comunicaciones . 2 (4): 472–481. doi :10.1109/JSAC.1984.1146084.
• Davida, George I. ; Sudhakar M. Reddy (septiembre de 1972). "Corrección de errores hacia adelante con retroalimentación de decisiones". Información y control . 21 (2): 117–133. doi : 10.1016/S0019-9958(72)90057-5 .
• "Adaptación de velocidad y HARQ (WCDMA/HSDPA)". Adaptación de velocidad y HARQ (WCDMA/HSDPA) .^{[ enlace muerto permanente ]}
• Dahlman, Erik; Parkvall, Stefan; Sköld, Johan; Beming, Per (2008). 3G Evolution: HSPA y LTE para banda ancha móvil (2 ed.). Prensa académica. págs. 119-123. ISBN 978-0-12-374538-5.