5G NR HARQ-ACK码本构造与DAI机制全链拆解

聚焦 3GPP TS 38.213 Section 9.1/9.2，深度解析 Type-1 半静态码本与 Type-2 动态码本的构造机制、DAI 计数器原理、K1 时序控制，以及增强型 Type-2 (Type-3) 码本在 R16/R17 中的演进。

一、为什么需要HARQ-ACK码本？

在5G NR中，下行数据传输（PDSCH）采用异步HARQ机制——UE在接收到PDSCH后，需要在指定的上行时隙通过PUCCH（或PUSCH捎带）向gNB反馈ACK/NACK。当UE配置了载波聚合（CA）或多时隙调度时，一个PUCCH资源可能需要承载多个PDSCH对应的HARQ-ACK反馈。

3GPP TS 38.213 Section 9 定义了一套码本（Codebook）构造规则，用于将多个HARQ-ACK比特按照固定或动态的方式组织成一个有序比特序列，使gNB能准确解析出每个PDSCH对应的反馈结果。

核心设计目标有三个：

1. 对齐问题：gNB和UE必须对码本大小和比特顺序达成一致
2. 效率问题：避免为未调度的PDSCH预留过多无效ACK比特
3. 鲁棒性问题：当UE漏检DCI时，码本机制应能帮助gNB检测到异常

二、HARQ-ACK反馈的触发场景

需要UE进行HARQ-ACK反馈的三类下行传输：

关键定时参数K1（PDSCH-to-HARQ_feedback timing indicator）：DCI中的一个字段，指示PDSCH所在下行时隙到HARQ-ACK反馈上行时隙的偏移量（以slot为单位）。K1的具体取值集合由RRC参数dl-DataToUL-ACK（或dl-DataToUL-ACK-r16）配置，最多8个值，DCI中通过3-bit索引从中选择一个。

三、整体码本构造流程

flowchart TD
    A[UE接收PDSCH/DCI] --> B{码本类型?}
    B -->|pdsch-HARQ-ACK-Codebook = semi-static| C[Type-1 半静态码本]
    B -->|pdsch-HARQ-ACK-Codebook = dynamic| D[Type-2 动态码本]

    C --> C1[确定反馈窗口: K1集合+候选PDSCH时机]
    C1 --> C2[为每个候选位置生成HARQ-ACK比特]
    C2 --> C3[未调度位置填NACK]
    C3 --> C4[按固定顺序拼接成码本]

    D --> D1[基于DAI计数器跟踪调度]
    D1 --> D2[确定实际调度的PDSCH集合]
    D2 --> D3[仅对实际调度的PDSCH生成反馈]
    D3 --> D4[按C-DAI/T-DAI排序生成码本]

    C4 --> E[映射到PUCCH资源传输]
    D4 --> E

    E --> F[gNB解析码本获取每个TB的ACK/NACK]

四、Type-1 HARQ-ACK码本（半静态码本）

4.1 定义与配置

Type-1码本由RRC参数 pdsch-HARQ-ACK-Codebook = semi-static 激活，定义在TS 38.213 Section 9.1。

核心特征：码本大小半静态固定，仅取决于RRC配置参数和时隙结构，与实际调度情况无关。

4.2 构造步骤详解

步骤1：确定候选PDSCH接收时机集合

对于每个服务小区 $c$，在每个下行时隙 $n$，UE需要确定可能的PDSCH候选接收时机。这取决于以下RRC参数：

• dl-DataToUL-ACK：K1取值集合，如 {1, 2, 3, 4, 6, 8}
• PDSCH时域资源分配表：由pdsch-Config中的pdsch-TimeDomainAllocationList定义，确定每个时隙内可能的PDSCH起始符号和长度组合（SLIV）
• 时隙格式：根据TDD上下行配置确定哪些时隙包含下行符号

对于目标上行时隙 $n_{UL}$，所有满足 $n_{DL} = n_{UL} - K1$ 的下行时隙中的所有候选PDSCH位置，构成反馈窗口。

步骤2：按固定顺序遍历所有候选位置

Type-1码本的遍历顺序严格固定：

for each serving cell c (按ServCellIndex升序):
    for each slot n in feedback window (按时隙升序):
        for each PDSCH candidate in slot n (按SLIV起始符号升序):
            for each TB (1或2个, 取决于码字数):
                分配1个HARQ-ACK比特位

步骤3：填充HARQ-ACK比特

关键设计意图：未调度的候选位置用NACK填充——gNB知道这些位置未调度，因此会忽略对应的NACK值。但码本大小保持固定，确保了gNB和UE对码本结构的完全一致理解。

4.3 Type-1码本的时序结构

sequenceDiagram
    participant gNB
    participant UE

    Note over gNB,UE: RRC配置: K1={2,4}, 2个服务小区CC0/CC1

    rect rgb(230, 245, 255)
    Note over gNB,UE: 时隙n: gNB在CC0和CC1各调度1个PDSCH
    gNB->>UE: DCI(CCO) K1=4
    gNB->>UE: PDSCH(CCO) 时隙n
    gNB->>UE: DCI(CC1) K1=4
    gNB->>UE: PDSCH(CC1) 时隙n
    end

    rect rgb(255, 240, 230)
    Note over gNB,UE: 时隙n+1: gNB仅在CC0调度PDSCH
    gNB->>UE: DCI(CCO) K1=2
    gNB->>UE: PDSCH(CCO) 时隙n+1
    Note over UE: CC1时隙n+1无调度
    end

    rect rgb(230, 255, 230)
    Note over gNB,UE: 时隙n+4: UE构造Type-1码本
    Note over UE: 反馈窗口: 时隙n(K1=4) + 时隙n+2(K1=2)
    Note over UE: 码本遍历: [CC0/时隙n, CC1/时隙n, CC0/时隙n+2, CC1/时隙n+2]
    UE->>gNB: PUCCH: [ACK, ACK, ACK, NACK(占位)]
    Note over gNB: 第4个NACK为CC1时隙n+2的占位,gNB忽略
    end

4.4 Type-1码本大小计算

设 $N_c$ 为服务小区数，$M$ 为反馈窗口内的下行时隙数（所有K1值对应的下行时隙总数），$P$ 为每个时隙内的最大候选PDSCH数（由时域分配表确定），$TB$ 为每PDSCH的传输块数（1或2），则：

$$Codebook_Size = N_c \times M \times P \times TB$$

开销分析：当调度稀疏时（如仅调度了4个PDSCH，但候选位置有20个），Type-1码本中80%的比特为无效占位。这正是Type-2码本被引入的核心原因。

五、Type-2 HARQ-ACK码本（动态码本）

5.1 定义与配置

Type-2码本由RRC参数 pdsch-HARQ-ACK-Codebook = dynamic 激活，定义在TS 38.213 Section 9.2。

核心特征：码本大小动态变化，仅包含实际被调度的PDSCH的HARQ-ACK反馈，通过DCI中的DAI（Downlink Assignment Index）计数器实现对调度数量的精确跟踪。

5.2 DAI机制详解

DAI是Type-2码本的核心，分为两种：

C-DAI计数规则

C-DAI在DCI Format 1_1中为4-bit字段（0-15），计数规则遵循"先小区内、后跨时隙"的累加逻辑：

C-DAI = (当前服务小区当前时隙之前的所有服务小区的所有时隙中的PDSCH计数) 
        + 当前服务小区当前时隙中的PDSCH序号

具体而言（TS 38.213 Section 9.2.3）：

• $V_{DAI}^{DL}(n_C, n_s)$：服务小区 $n_C$ 在时隙 $n_s$ 收到的DCI中的C-DAI值
• C-DAI按 $(n_C, n_s)$ 的字典序递增，模16计数
• 跨小区计数：先遍历所有小区的当前时隙，再进入下一时隙

T-DAI的作用

T-DAI仅在DCI Format 1_1中存在（4-bit），其值为gNB在该反馈窗口内实际调度的PDSCH总数（模16）。

T-DAI解决的核心问题：当UE漏检了最后一个DCI时，仅凭C-DAI无法确定码本大小。T-DAI通过"总数通告"机制让UE即使在漏检情况下也能从其他DCI中获取总调度数。

5.3 Type-2码本构造流程

sequenceDiagram
    participant gNB
    participant UE

    Note over gNB,UE: 配置: Type-2动态码本, 3个CC, K1=4

    rect rgb(240, 240, 255)
    Note over gNB,UE: 时隙n: gNB在CC0调度2个PDSCH, CC1调度1个
    gNB->>UE: DCI(CC0,PDSCH#1) C-DAI=1, T-DAI=5
    gNB->>UE: PDSCH(CC0,#1)
    gNB->>UE: DCI(CC0,PDSCH#2) C-DAI=2, T-DAI=5
    gNB->>UE: PDSCH(CC0,#2)
    gNB->>UE: DCI(CC1,PDSCH#1) C-DAI=3, T-DAI=5
    gNB->>UE: PDSCH(CC1,#1)
    Note over UE: UE漏检CC2的DCI!
    end

    rect rgb(255, 255, 240)
    Note over gNB,UE: 时隙n+1: gNB在CC2调度1个PDSCH
    gNB->>UE: DCI(CC2,PDSCH#1) C-DAI=5, T-DAI=5
    gNB->>UE: PDSCH(CC2,#1)
    Note over UE: UE检测到C-DAI=5但之前仅收到1,2,3
    end

    rect rgb(240, 255, 240)
    Note over gNB,UE: 时隙n+4: UE构造Type-2码本
    Note over UE: 最大T-DAI = 5 → 码本大小=5
    Note over UE: 已知位置: C-DAI=1→CC0#1, C-DAI=2→CC0#2, C-DAI=3→CC1#1
    Note over UE: 缺失位置: C-DAI=4(漏检), C-DAI=5→CC2#1
    UE->>gNB: PUCCH: [ACK, ACK, ACK, NACK(漏检占位), ACK]
    Note over gNB: 第4个NACK表明UE漏检了C-DAI=4的DCI
    end

5.4 Type-2码本构造的关键算法

UE在构造Type-2码本时的关键步骤（TS 38.213 Section 9.2.5）：

1. 确定反馈窗口：根据K1值集合确定哪些下行时隙的反馈复用到同一PUCCH
2. 收集DAI信息：从每个正确接收的DCI中提取C-DAI和T-DAI
3. 确定码本大小：取所有DCI中T-DAI的最大值 $U_{DAI}^{max}$（模16运算需考虑回绕）
4. 分配比特位置：按C-DAI值将HARQ-ACK比特放入对应位置
5. 填充漏检位置：C-DAI值不连续的位置填充NACK

漏检检测的精妙设计：

场景: gNB调度了5个PDSCH, UE仅收到C-DAI=1,2,3,5
结果: UE发现C-DAI=4缺失 → 该位置填NACK
gNB解析: 收到[NACK]在位置4 → 知道UE漏检了第4个DCI → 触发重传

这正是DAI机制的设计精髓：用隐式计数器实现DCI漏检的自动检测。

六、DAI计数器状态转换

stateDiagram-v2
    [*] --> 空闲: 初始状态

    空闲 --> 计数中: 收到DCI(C-DAI=1)

    计数中 --> 计数中: 收到DCI(C-DAI递增)

    计数中 --> 漏检检测: C-DAI不连续

    漏检检测 --> 计数中: 继续处理后续DCI\n缺失位填NACK

    计数中 --> 码本生成: 所有时隙处理完毕\n使用T-DAI确定大小

    漏检检测 --> 码本生成: 所有时隙处理完毕\n缺失位填NACK

    码本生成 --> [*]: 在PUCCH上发送码本

    Note right of 漏检检测: C-DAI跳跃表示\n中间有DCI被漏检
    Note right of 码本生成: T-DAI=码本大小\n确保对齐

七、Type-1 vs Type-2 全面对比

八、增强型Type-2码本（Type-3, R16/R17演进）

8.1 Type-3 HARQ-ACK码本

3GPP Release 16引入了Type-3 HARQ-ACK码本（TS 38.213 Section 9.3），专为多TRP/多波束场景设计：

• 触发方式：通过DCI中的HARQ-ACK request字段或MAC CE激活
• 特点：一次性反馈所有活跃HARQ进程的状态，不依赖时隙级K1映射
• 应用场景：TRP切换、波束恢复后的HARQ-ACK状态同步

8.2 Enhanced Type-2码本的R16增强

Release 16对Type-2码本的关键增强：

CBG-based HARQ-ACK反馈

当配置了codeBlockGroupTransmission时，一个TB被分割为多个CBG（Code Block Group），UE需要对每个CBG独立反馈：

• CBG级码本大小 = TB数 × 每TB的CBG数 × 调度的PDSCH总数
• 每个CBG对应1个HARQ-ACK比特
• 仅对实际传输的CBG生成反馈（未传输的CBG不占位）

这在URLLC等需要精细重传控制的场景中尤为关键——仅重传失败的CBG而非整个TB，显著降低了重传开销和时延。

九、K1时序控制与反馈窗口映射

9.1 K1值的配置与选择

K1的配置位于PUCCH-Config中的dl-DataToUL-ACK（最多8个值），DCI Format 1_0/1_1通过3-bit的PDSCH-to-HARQ_feedback timing indicator字段从中选择一个：

9.2 反馈窗口计算示例

假设配置： - K1集合 = {2, 3, 4, 7} - 目标PUCCH时隙 = 时隙10 - TDD配置: DSUUD（下行D/特殊S/上行U/上行U/下行D）

K1=2 → 时隙10-2=时隙8(D) → 包含候选PDSCH
K1=3 → 时隙10-3=时隙7(U) → 无下行,排除
K1=4 → 时隙10-4=时隙6(D) → 包含候选PDSCH
K1=7 → 时隙10-7=时隙3(D) → 包含候选PDSCH

有效反馈窗口 = {时隙3, 时隙6, 时隙8}

设计意图：K1集合的灵活配置允许gNB根据当前负载和TDD配置选择最佳反馈时机——小K1值用于低时延场景（URLLC），大K1值用于gNB调度灵活性更高的eMBB场景。

十、实战抓包识别与故障排查

10.1 抓包识别要点

在Wireshark/TShark中分析HARQ-ACK码本的关键过滤表达式：

# 过滤DCI Format 1_1中的DAI字段
ngap || nas-5gs || mac-nr || rrc-nr.dci

# 重点关注以下字段:
# - DCI中的 Counter DAI for HARQ-ACK (2或4 bits)
# - DCI中的 Total DAI for HARQ-ACK (4 bits)  
# - DCI中的 PDSCH-to-HARQ_feedback timing indicator (3 bits)
# - PUCCH Format 1/2/3/4 中的HARQ-ACK payload大小

10.2 常见故障模式

PUCCH Format选择逻辑：UE根据码本大小和RRC配置的PUCCH资源集合，自动选择合适的Format。当码本大小超过Format 2/3的承载能力时，UE会触发HARQ-ACK绑定（Spatial Bundling）或报告错误。

十二、码本构造的RRC参数全景

常见问题

Q1: Type-1码本中，未调度的PDSCH候选位置为什么填NACK而不是ACK？

A: 填NACK是安全设计选择。如果填ACK，一旦gNB和UE对候选位置的认定不一致（如时域分配表版本不同步），gNB可能误将ACK解读为某个实际调度的PDSCH被正确接收，从而不触发重传，导致数据丢失。NACK虽然可能触发不必要的重传，但不会导致数据丢失，符合通信系统"宁可重传不可丢包"的设计原则。

Q2: DAI只有2-bit（DCI 1_0）时如何处理超过4个PDSCH的调度？

A: DCI Format 1_0中C-DAI仅2-bit（模4计数），这限制了其在CA或多时隙场景下的能力。当调度数超过4个时，DAI会回绕（3→0），UE需要通过T-DAI（仅DCI 1_1有4-bit）来辅助判断。这也是为什么在高负载CA场景下推荐使用DCI Format 1_1和Type-2码本。

Q3: gNB如何区分Type-1码本中的"占位NACK"和"实际解码失败的NACK"？

A: gNB完全知道自己在哪些候选位置调度了PDSCH。解析码本时，gNB按照与UE相同的遍历顺序，仅关注有实际调度的位置的HARQ-ACK值，跳过未调度位置的NACK。这是一种"发送端知情"的设计——gNB利用自身的调度记录来过滤无效反馈。

Q4: R16引入的Type-3码本与Type-2有何本质区别？

A: Type-3码本的核心区别在于它不依赖时隙级的K1映射和DAI计数器，而是直接按HARQ进程号反馈所有活跃进程的状态。这相当于一次全量快照，适用于TRP切换或波束失败恢复后需要重新同步HARQ状态的场景。代价是码本大小可能较大（最多16个HARQ进程 × 每进程的CBG数）。

Q5: 在TDD网络中，Type-2码本是否一定优于Type-1？

A: 不一定。TDD网络中下行时隙比例高，反馈窗口内候选PDSCH数多，Type-1的开销确实更大。但Type-2依赖DCI的正确接收——在恶劣信道条件下，如果UE频繁漏检DCI，DAI的不连续会导致码本构造错误，反而可能降低系统吞吐量。实际部署中需要根据PDCCH BLER和调度密度综合选择，部分厂商采用自适应切换策略。

参考来源

1. 3GPP TS 38.213 V18.6.0 — Section 9.1 (Type-1 HARQ-ACK codebook), Section 9.2 (Type-2 HARQ-ACK codebook), Section 9.3 (Type-3 HARQ-ACK codebook)
2. ShareTechnote - HARQ ACK Codebook — Type-1/Type-2/Type-3码本构造的可视化解析
3. CafeTele - HARQ in 5G NR — HARQ进程、码本类型与反馈机制完整指南
4. 3GPP Explorer - DAI Glossary — DAI计数器在LTE和NR中的演进与设计动机
5. Devopedia - 5G NR Hybrid ARQ — HARQ软合并、码本类型与4G/5G差异对比

本文由「51学通信」技术团队出品。51学通信由通信行业18年老兵爱卫生（微信ID: gprshome201101）维护，聚焦5G/6G核心网、3GPP标准解读、通信前沿技术深度分析。 出版作品有《5G核心网原理与实践》《IMS原理与实践》等4本通信专业书籍。知识星球「51学通信」提供深度技术答疑和行业洞察。

[!tip] 51学通信知识星球 星主：爱卫生（微信：gprshome201101）——公众号「51学通信」创办者，19 年通信行业运维与讲师经验，著有《GPRS网络信令实例详解》《EPC原理与实践》《5G核心网原理与实践》三本纸质书（各大电商平台有售）。 星球定位：深耕 5G 核心网、IMS、NFV/AI、云原生等 ICT 领域，主打运维岗位与信令分析。 当前规模：5200 篇主题 / 990 个回答，198 元/年。 加入福利：加入星球后请加爱卫生微信，拉您进知识星球年度陪伴与答疑群——不限量回复您的各种问题，另有群内分享。 AI 加持：51学通信知识星球已作为 skill 接入 WorkBuddy，使用 deepseek-4-flash 在海量星球帖子中精准找贴、找视频、找 FAQ 和案例，做总结、找文档和 PPT 等场景全覆盖。