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 mediante un código de detección de errores (ED), como una verificación de redundancia cíclica (CRC). Los receptores que detectan un mensaje corrupto solicitan un nuevo mensaje al remitente. En ARQ híbrida, 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 petición cuando un receptor detecta un mensaje erróneo. El código ED puede omitirse cuando se utiliza un código que puede realizar tanto la corrección de errores hacia adelante (FEC) como 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 respaldo para corregir errores que no se pueden corregir utilizando solo la redundancia enviada en la transmisión inicial. Como resultado, el ARQ híbrido ofrece un mejor rendimiento que el ARQ convencional en condiciones de señal deficientes, pero en su forma más simple, esto se logra a costa de un rendimiento significativamente menor en condiciones de señal óptimas. Generalmente, existe un punto de inflexión en la calidad de la señal por debajo del cual el ARQ híbrido simple es superior, y por encima del cual el ARQ básico lo es.

La versión más simple de HARQ, HARQ Tipo I , agrega información de ED y FEC a cada mensaje antes de la transmisión. Cuando se recibe el bloque de datos codificado, el receptor decodifica primero el código de corrección de errores. Si la calidad del canal es suficientemente buena, todos los errores de transmisión deberían poder corregirse y el receptor puede obtener el bloque de datos correcto. Si la calidad del canal es mala y no todos los errores de transmisión pueden corregirse, el receptor detectará esta situación mediante el código de detección de errores; entonces, el bloque de datos codificado recibido se rechaza y el receptor solicita una retransmisión, de forma similar a ARQ. ^{[ 1 ]}

En una forma más sofisticada, 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 comprender la diferencia entre ARQ híbrido de tipo I y tipo II, considere el tamaño de la información añadida por ED y FEC: la detección de errores generalmente solo agrega un par de bytes a un mensaje, lo que representa un aumento mínimo en su longitud. FEC, por otro lado, a menudo puede duplicar o triplicar la longitud del mensaje con correcciones de errores. En términos de rendimiento, ARQ estándar generalmente consume un pequeño porcentaje de la capacidad del canal para una protección confiable contra errores, mientras que FEC normalmente consume la mitad o más de la capacidad total del canal para su mejora.

En ARQ estándar, para que la detección de errores sea exitosa, la transmisión debe recibirse sin errores. En ARQ híbrido de tipo II, la primera transmisión contiene solo datos y detección de errores (igual que en ARQ estándar). Si se recibe sin errores, la detección de errores se completa. Si se reciben datos con errores, la segunda transmisión contendrá paridades FEC y detección de errores. Si se recibe sin errores, la detección de errores se completa. Si se reciben con errores, se puede intentar la corrección de errores 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, ya que los bits FEC solo se transmiten en retransmisiones posteriores según sea necesario. En condiciones de señal fuerte, el ARQ híbrido de tipo II ofrece una capacidad tan buena como el ARQ estándar. En condiciones de señal débil, el ARQ híbrido de tipo II ofrece una sensibilidad tan buena como el FEC estándar.

En la práctica, los bloques de datos codificados recibidos incorrectamente a menudo se almacenan 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., p.  120). Si bien es posible que dos transmisiones dadas no puedan decodificarse de forma independiente sin errores, puede ocurrir que la combinación de las transmisiones recibidas erróneamente con anterioridad nos proporcione suficiente información para decodificarlas correctamente. Existen dos métodos principales de combinación suave en HARQ:

• Combinación por repetición: cada retransmisión contiene la misma información (bits de datos y paridad). El receptor utiliza la combinación de máxima relación para combinar los bits recibidos con los mismos bits de transmisiones anteriores. Dado que todas las transmisiones son idénticas, la combinación por repetición puede considerarse como una codificación de repetición adicional . Se podría pensar que cada retransmisión añade energía extra a la transmisión recibida mediante un aumento de Eb/N0 .
• Redundancia incremental: cada retransmisión contiene información diferente a la anterior. Se generan múltiples conjuntos de bits codificados, cada uno representando el mismo conjunto de bits de información. La retransmisión suele utilizar un conjunto de bits codificados distinto al de la transmisión anterior, con diferentes versiones de redundancia generadas mediante la modificación de 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 parcial de Chase, solo se retransmite un subconjunto de los bits de la transmisión original. En la redundancia incremental parcial, los bits sistemáticos siempre se incluyen, de modo que cada retransmisión es autodecodificable.

Un ejemplo de HARQ de redundancia incremental es HSDPA : el bloque de datos se codifica primero con un código Turbo perforado de 1/3 , 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 ocasión. Aunque el estándar HSDPA admite tanto la combinación de Chase como la redundancia incremental, se ha demostrado que la redundancia incremental casi siempre tiene un mejor rendimiento que la combinación de Chase, a costa de una mayor complejidad. ^{[ 3 ]}

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

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

HARQ se utiliza en HSDPA y HSUPA, que proporcionan transmisión de datos de alta velocidad (en 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 operar a velocidades de datos de hasta 1  Gbit/s sobre el cableado doméstico existente ( líneas eléctricas , líneas telefónicas y cables coaxiales ). G.hn utiliza CRC-32C para la detección de errores, LDPC para la corrección de errores hacia adelante y repetición selectiva para ARQ.

• Soljanin, Emina; Ruoheng Liu; Predrag Spasojevic (2004). «ARQ híbrido con asignaciones de transmisión aleatorias» . Avances en la teoría de la información de redes . Providence, Rhode Island : American Mathematical Society . pp. 321–334 . ISBN  0-8218-3467-3Consultado el 18 de marzo de 2009 .También disponible como preimpresión .
• Comroe, R.; D. Costello (julio de 1984). "Esquemas ARQ para la transmisión de datos en sistemas de radio móviles". IEEE Journal on Selected Areas in Communications . 2 (4): 472– 481. Bibcode : 1984IJSAC...2..472C . doi : 10.1109/JSAC.1984.1146084 .
• Davida, George I. ; Sudhakar M. Reddy (septiembre de 1972). "Corrección de errores hacia adelante con retroalimentación de decisiones" . Information and Control . 21 (2): 117– 133. doi : 10.1016/S0019-9958(72)90057-5 .
• Adaptación de velocidad y HARQ (WCDMA/HSDPA) .
• Dahlman, Erik; Parkvall, Stefan; Sköld, Johan; Beming, Per (2008). 3G Evolution: HSPA y LTE para banda ancha móvil (2  ed.). Prensa académica. págs. 119 a 123. ISBN  978-0-12-374538-5.