<!-- title: 5G HARQ-ACK码本构造与DAI机制拆解 -->
<!-- domain: ran -->

# 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。

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## 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

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## 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：

| 触发源 | 说明 | RRC参数/DCI字段 |
|--------|------|-----------------|
| 动态PDSCH | DCI Format 1_0/1_1调度的PDSCH | DCI中的HARQ Process Number |
| SPS PDSCH释放 | DCI指示释放SPS配置 | DCI Format 1_0/1_1中NDI=0的特殊组合 |
| SPS PDSCH传输 | 半持续调度周期性PDSCH | `sps-Config`配置的周期 |

**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。

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## 三、整体码本构造流程

```mermaid
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]
```

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## 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

| 候选位置状态 | 比特值 |
|-------------|--------|
| 实际接收到PDSCH并正确解码 | ACK (1) |
| 实际接收到PDSCH但解码失败 | NACK (0) |
| 未调度（候选位置无实际PDSCH） | NACK (0) |
| SPS PDSCH释放指示 | ACK (1) |

**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

```mermaid
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。

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## 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：

| DAI类型 | DCI字段 | 作用 | 比特数 |
|---------|---------|------|--------|
| **C-DAI**（Counter DAI） | `Counter DAI for HARQ-ACK` | 累计计数当前已调度的PDSCH数量（按小区和时隙） | 2 bit（DCI 1_0）或4 bit（DCI 1_1） |
| **T-DAI**（Total DAI） | `Total DAI for HARQ-ACK`（仅DCI 1_1） | 指示当前HARQ-ACK反馈窗口内预期的PDSCH总数 | 4 bit |

#### 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

```mermaid
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**。

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## 六、DAI计数器状态转换

```mermaid
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
```

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## 七、Type-1 vs Type-2 全面对比

| 对比维度 | Type-1 半静态码本 | Type-2 动态码本 |
|----------|-------------------|-----------------|
| **TS 38.213章节** | Section 9.1 | Section 9.2 |
| **RRC配置参数** | `pdsch-HARQ-ACK-Codebook = semi-static` | `pdsch-HARQ-ACK-Codebook = dynamic` |
| **码本大小** | 固定（由RRC参数决定） | 动态（由DAI决定） |
| **DCI字段依赖** | 不依赖DAI | 强依赖C-DAI和T-DAI |
| **DCI漏检处理** | 无检测机制（全部填NACK） | DAI不连续自动检测漏检 |
| **典型码本大小** | 较大（含未调度占位） | 较小（仅含实际调度） |
| **上行开销** | 较高 | 较低 |
| **gNB解析复杂度** | 低（固定映射） | 中（需匹配DAI序列） |
| **适用场景** | 低频调度、单小区、eMBB | 高频调度、CA、TDD |
| **可靠性** | 高（无DAI歧义） | 中（依赖DCI正确接收） |
| **Release** | Rel-15引入 | Rel-15引入, R16增强 |

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## 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：

| 增强特性 | 说明 | TS章节 |
|----------|------|--------|
| **基于CBG的HARQ-ACK反馈** | 每个CBG独立反馈ACK/NACK，而非整个TB | 38.213 Section 9.2.6 |
| **多PDSCH调度** | 单个DCI调度多个PDSCH时DAI的计数规则 | 38.213 Section 9.2.3 |
| **多TRP DAI处理** | 两个TRP独立维护DAI计数器 | 38.213 Section 9.2.3.1 |
| **Sub-slot PUCCH** | 支持小于1个时隙的PUCCH反馈粒度 | 38.213 Section 9.2.5 |

#### 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。

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## 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：

| DCI字段值 | 选择的K1值 |
|-----------|-----------|
| 000 | dl-DataToUL-ACK[0] |
| 001 | dl-DataToUL-ACK[1] |
| ... | ... |
| 111 | dl-DataToUL-ACK[7] |

### 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。

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## 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：

```bash
# 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

| 故障现象 | 可能原因 | 排查思路 |
|----------|---------|---------|
| gNB收到大量NACK但PDSCH BLER正常 | Type-1码本占位NACK被误读为实际NACK | 检查码本类型配置，确认gNB是否正确忽略占位NACK |
| gNB反馈"unexpected HARQ-ACK payload size" | UE和gNB对码本大小理解不一致 | 核查K1集合、时域分配表、DAI值是否对齐 |
| UE漏检DCI后码本错位 | DAI回绕处理不正确（模16边界） | 检查是否在DAI=15→0回绕时丢失计数 |
| CA场景码本解析错误 | C-DAI跨小区计数顺序不一致 | 确认ServCellIndex顺序和DCI接收顺序 |
| PUCCH资源不足导致码本丢弃 | 码本大小超过PUCCH承载能力 | 检查PUCCH Format选择和UCI码率是否越限 |
## 十一、PUCCH Format与码本承载能力

| PUCCH Format | 比特容量 | 适用码本类型 | 调制方式 | 备注 |
|-------------|---------|-------------|---------|------|
| Format 0 | ≤2 bit | 1-2个ACK/NACK | BPSK/QPSK | 无DMRS,低开销 |
| Format 1 | ≤2 bit | 1-2个ACK/NACK | BPSK/QPSK | 序列+循环移位 |
| Format 2 | >2 bit | 中等码本 | QPSK | DMRS密度高 |
| Format 3 | >2 bit | 大码本 | QPSK/16QAM | 支持PI/2 BPSK |
| Format 4 | >2 bit | 中等码本(1RB) | QPSK | 仅1个PRB |

**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。

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## 十二、码本构造的RRC参数全景

| RRC参数 | 所属IE | 作用 | 取值范围 |
|---------|--------|------|---------|
| `pdsch-HARQ-ACK-Codebook` | PUCCH-Config | 选择码本类型 | semi-static / dynamic |
| `dl-DataToUL-ACK` | PUCCH-Config | K1取值集合(最多8个) | 1-15 |
| `maxNrofPDSCH-ToUL-ACK` | PUCCH-Config | K1集合最大元素数 | 1-8 |
| `pdsch-TimeDomainAllocationList` | PDSCH-Config | 时域候选PDSCH位置 | 可配置多行SLIV |
| `codeBlockGroupTransmission` | PDSCH-Config | CBG级反馈开关 | enable/disable |
| `maxCodeBlockGroupsPerTransportBlock` | PDSCH-Config | 每TB最大CBG数 | 2/4/6/8 |
| `nrofHARQ-Processes` | PDSCH-Config | HARQ进程数 | 1-16 |

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## 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。

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## 参考来源

1. [3GPP TS 38.213 V18.6.0](https://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/38_series/38.213/) — 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](https://www.sharetechnote.com/html/5G/5G_Harq_Codebook.html) — Type-1/Type-2/Type-3码本构造的可视化解析
3. [CafeTele - HARQ in 5G NR](https://www.cafetele.com/5g-harq/) — HARQ进程、码本类型与反馈机制完整指南
4. [3GPP Explorer - DAI Glossary](https://3gpp-explorer.com/glossary/dai/) — DAI计数器在LTE和NR中的演进与设计动机
5. [Devopedia - 5G NR Hybrid ARQ](https://devopedia.org/5g-nr-hybrid-arq) — HARQ软合并、码本类型与4G/5G差异对比

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