HARQ重传：软合并与增量冗余的纠错艺术

从一个日常类比说起

想象你通过快递寄一份100页的合同给客户。有两种策略保证客户收到完整内容：

策略A（ARQ）：先寄100页，客户收到后逐页检查，发现第37页有污渍，打电话告诉你"第37页坏了，请重发"。你重新寄第37页。问题在于——每次往返都需要时间，而且重发的还是同样可能有污渍的纸。

策略B（FEC）：你学聪明了，给每页合同额外附上3页"校验页"。即使有几页被污损，客户也能用校验页恢复原文。问题在于——不管有没有污损，校验页都要寄，白白浪费了快递费。

策略C（HARQ）：把两种策略结合起来。第一次只附少量校验页（省快递费）；如果客户发现确实有污损且校验页不够恢复，再针对性地补发更多校验页。而且，客户不会把第一次收到的那份扔掉——他会把"有污渍的原文"和"新补的校验页"放在一起恢复。这就是HARQ（混合自动重传请求）的核心思想：FEC + ARQ + 软信息保留合并。

一、纠错技术的三代演进

在深入HARQ之前，我们需要理解无线通信中为什么会需要这么复杂的机制。无线信道是个极其恶劣的传输环境——信号会被建筑物反射、被雨雾吸收、被其他用户干扰。误码是常态，不是意外。

flowchart TD
    A["ARQ<br/>纯重传"] --> C["HARQ<br/>FEC + ARQ + 软合并"]
    B["FEC<br/>纯前向纠错"] --> C

    A1["发现错误 → 丢弃 → 重传<br/>简单但慢"] --> A
    B1["预先加冗余 → 接收端自行纠正<br/>快但浪费带宽"] --> B
    C1["先少加冗余<br/>不够再补，且保留软信息合并"] --> C

    style C fill:#e1f5fe,stroke:#0288d1,stroke-width:3px
    style C1 fill:#e1f5fe,stroke:#0288d1

三者的核心区别：

为什么移动通信选择HARQ？ 因为无线信道的质量是动态变化的——一秒钟前信号很好，下一秒可能因为用户转了个弯就变差了。FEC按最差情况预留冗余太浪费，ARQ每次只重传原始数据效率太低。HARQ则巧妙地做到了"按需增强"——好信道时几乎零开销，差信道时逐步加码。

二、HARQ的两种软合并机制

HARQ的"Hybrid"（混合）体现在它把FEC和ARQ融合在了一起，而它最精妙的地方在于软合并（Soft Combining）——接收端不会丢弃之前解码失败的数据，而是保留"软信息"与重传数据合并后再解码。

2.1 什么是"软信息"

当接收端收到一个比特的模拟信号时，它不是简单地判定为0或1（硬判决），而是保留一个对数似然比（LLR）：

$$LLR(b_i) = \ln\frac{P(b_i=0|\mathbf{y})}{P(b_i=1|\mathbf{y})}$$

其中 $\mathbf{y}$ 是接收到的信号。LLR的绝对值越大，表示这个比特越确信是0或1；绝对值越小，表示越不确定。这些"不确定"的比特正是出错的地方。软合并就是要把多次传输的LLR加在一起，让不确定的比特逐渐变确定。

2.2 Chase Combining（追赶合并）

这是最简单的软合并方式，由David Chase在1985年提出。

原理：重传与初次传输发送完全相同的编码比特（即相同的冗余版本RV=0）。接收端将两次接收的LLR逐比特相加。

$$LLR_{combined}(b_i) = LLR_1(b_i) + LLR_2(b_i)$$

类比：照片在雾天拍的太模糊。你把相机固定在三脚架上，同一场景连拍两张，然后把两张照片的像素值平均——噪声被平均掉了，信号保持不变，等效信噪比（SNR）提升了约3dB。

效果：相当于将编码速率不变的前提下，将有效SNR提升了 $10\log_{10}N$ dB（N为传输次数）。

2.3 Incremental Redundancy（增量冗余）

这是性能更优的方式，也是5G NR默认采用的HARQ方案。

原理：重传时发送不同于初次传输的编码比特——即不同的冗余版本（RV）。接收端将不同RV的LLR拼接在一起，等效于降低了编码速率，获得了额外的编码增益。

类比：你第一次寄合同，附了1页校验摘要。客户说不够恢复，你这次不重寄原合同了，而是补寄2页更详细的校验信息。客户手头有了原始合同 + 两轮校验信息，纠正能力大大增强。

效果：不仅获得了SNR增益，还获得了编码增益。编码速率从第一次传输的 $R$ 降低到 $\frac{R}{N}$（N次传输后），纠错能力随传输次数显著增强。

2.4 两种方式对比

flowchart LR
    subgraph CC["Chase Combining（追赶合并）"]
        direction TB
        CC1["初传: [A B C D]<br/>RV=0"]
        CC2["重传: [A B C D]<br/>RV=0（完全相同）"]
        CC3["合并: [A+A  B+B  C+C  D+D]<br/>SNR提升，码率不变"]
        CC1 --> CC3
        CC2 --> CC3
    end

    subgraph IR["Incremental Redundancy（增量冗余）"]
        direction TB
        IR1["初传: [A B C D]<br/>RV=0（系统比特+少量校验）"]
        IR2["重传: [E F G H]<br/>RV=2（新的校验比特）"]
        IR3["合并: [A B C D E F G H]<br/>码率减半，编码增益+SNR增益"]
        IR1 --> IR3
        IR2 --> IR3
    end

    style CC fill:#fff3e0
    style IR fill:#e8f5e9

三、循环缓冲区与冗余版本（RV）

增量冗余的核心问题是：重传时应该发送哪些编码比特？ 5G NR用一种优雅的机制来解决这个问题——循环缓冲区（Circular Buffer）。

3.1 编码比特的产生

以5G NR数据信道使用的LDPC码为例，一个传输块（TB）经过以下处理链：

1. TB添加CRC（24位）
2. 码块分段（Code Block Segmentation）：大TB分割成多个码块（CB），每个CB添加自己的CRC
3. LDPC编码：每个CB被编码成更长的码字。LDPC支持两种基图（Base Graph）： - BG1：适合大块、高码率（eMBB大数据量） - BG2：适合小块、低码率（URLLC/小包）
4. 速率匹配（Rate Matching）：将编码后的比特通过循环缓冲区进行挑选和打孔，适配实际分配的物理资源

3.2 循环缓冲区的工作原理

LDPC编码器输出的比特被写入一个环形缓冲区。不同的冗余版本（RV）对应缓冲区中的不同起始位置：

$$RV\text{ 起始位置} = k_0 \cdot N_{cb}$$

其中 $k_0$ 是由RV值决定的归一化偏移， $N_{cb}$ 是循环缓冲区的大小。

5G NR定义了4个冗余版本：

"自可解码"是什么意思？ 意味着即使没有之前的传输，仅凭RV 0本身就能独立解码（因为它包含完整的系统信息比特）。这在某些场景下非常重要——比如UE错过了之前的传输，直接收到了重传。

flowchart TD
    subgraph CB["循环缓冲区（Circular Buffer）"]
        direction LR
        B0["系统比特<br/>（原始数据）"] --> P1["校验比特1<br/>（LDPC校验）"]
        P1 --> P2["校验比特2"]
        P2 --> P3["额外校验"]
        P3 --> B0

        RV0["|← RV 0 从这里开始 →|"]
        RV2["         |← RV 2 从这里开始 →|"]
        RV3["                   |← RV 3 从这里开始 →|"]
    end

    subgraph Select["速率匹配选取"]
        S1["初传 (RV=0): 选取 [系统比特 + 部分校验1]<br/>码率较高，如 0.5"]
        S2["重传1 (RV=2): 选取 [校验比特2 + 部分额外校验]<br/>新增冗余信息"]
        S3["合并后: [系统比特 + 校验1 + 校验2 + 部分额外校验]<br/>等效码率降低至 ~0.25"]
    end

    B0 -.-> S1
    P2 -.-> S2
    B0 -.-> S3
    P1 -.-> S3
    P2 -.-> S3

    style B0 fill:#bbdefb
    style P1 fill:#c8e6c9
    style P2 fill:#fff9c4
    style P3 fill:#ffccbc

3.3 为什么是RV 0→2→3→1这个顺序？

你可能好奇为什么不是简单的0→1→2→3。这是因为5G NR经过优化设计：

• RV 0起始：保证初传自可解码
• RV 2紧随：在初传基础上快速补充大量新校验信息（跳到缓冲区约1/3处）
• RV 3继续补充更多冗余
• RV 1最后补漏

这种非等间隔选取确保了每次重传都能最大化新增的编码增益，而不是简单地均匀扫描缓冲区。

四、HARQ进程与流水线机制

4.1 停等协议的效率瓶颈

HARQ本质上是一个停等协议（Stop-and-Wait）——发送方发完数据后必须停下来等待接收方的ACK/NACK反馈。如果只有一个HARQ进程，数据传输的时间线是这样的：

时间 → |发送数据| 等待解码 | 等待反馈 | 再发送 | ...
         ████████   ░░░░░░   ░░░░░░  ████████

大量时间被浪费在"等待"上。在5G NR的典型配置中，从PDSCH发送到收到HARQ-ACK反馈需要约4-8个时隙（取决于K1参数配置），这意味着如果只有一个HARQ进程，信道的利用率可能不到20%。

4.2 多进程流水线——解决方案

5G NR的解决思路和CPU流水线一样——并行处理。定义多个独立的HARQ进程（5G NR最多支持16个），每个进程独立地执行"发送→等待反馈→重传/新传"的循环。

进程0: |发送| 等待 |等待|  收到ACK |新传| 等待 |...
进程1:      |发送| 等待 |等待| 收到ACK |新传| ...
进程2:           |发送| 等待 |等待|收到NACK|重传|...
...
进程15:                              |发送| 等待 |...

这样，虽然每个进程都在"停等"，但多个进程交织在一起，信道始终被充分利用。

4.3 HARQ进程号（HPN）的管理

每个HARQ进程有一个唯一的编号（0~15）。基站通过DCI（下行控制信息）告诉UE当前调度的是哪个HARQ进程号，以及两个关键标志位：

NDI是一个巧妙的设计：每次新传时NDI翻转（0→1或1→0），重传时NDI不变。UE通过检测NDI是否翻转来判断"这是一次新传还是重传"，同时也会触发UE清空该进程的软缓冲区——因为新数据和旧数据不能混在一起合并。

五、5G NR HARQ时序详解

5.1 下行HARQ时序

5G NR的下行HARQ时序由几个关键参数控制：

sequenceDiagram
    participant gNB as 基站(gNB)
    participant UE as 手机(UE)

    Note over gNB,UE: K0=0: PDCCH与PDSCH同时隙
    gNB->>UE: PDCCH (DCI调度, RV=0, NDI翻转)
    gNB->>UE: PDSCH (数据, slot n)

    Note over gNB,UE: K1=4: PDSCH后第4个slot反馈
    Note over UE: UE解码PDSCH (slot n ~ n+3)
    UE->>UE: 解码失败 → 生成NACK
    UE->>gNB: PUCCH: NACK (slot n+K1)

    Note over gNB,UE: 基站收到NACK，调度重传
    gNB->>UE: PDCCH (DCI调度, RV=2, NDI不变)
    gNB->>UE: PDSCH (重传数据, slot m)

    Note over UE: UE软合并: LLR(RV=0) + LLR(RV=2)
    Note over UE: 合并后解码成功 → 生成ACK
    UE->>gNB: PUCCH: ACK (slot m+K1)

关键参数：

5.2 与LTE HARQ的关键差异

5G NR最大的改进是上行也采用异步HARQ。在LTE中，上行HARQ是同步的——如果PHICH返回NACK，UE必须在固定的时间窗口重传，基站不能灵活调度。5G NR取消了这一限制，基站可以通过DCI灵活调度上行重传的时频资源和MCS，对TDD等非对称帧结构更友好。

六、CBG级重传——5G NR的精细化创新

6.1 问题：TB级重传的浪费

在5G NR中，一个传输块（TB）可能非常大（eMBB场景下可达数十万比特）。TB被分割成多个码块（CB），每个CB独立编码并添加CRC。

问题来了：如果100个CB中只有2个解码失败了，传统的TB级重传会把100个CB全部重发——98%是浪费！

6.2 CBG方案

5G NR引入了码块组（CBG）的概念：

1. 将TB分割出的多个CB分成若干组（CBG）
2. 每个CBG独立进行HARQ-ACK反馈
3. 重传时只传失败的CBG

举例：一个TB被分成8个CB，配置为4个CBG（每组2个CB）。如果只有CBG#2解码失败，DCI中的CBGTI=0100，表示只重传CBG#2的2个CB。资源开销仅为全TB重传的25%。

6.3 CBG的代价

天下没有免费的午餐。CBG级重传带来了以下代价： - DCI开销增加：需要CBGTI位图字段，DCI负载增大 - HARQ-ACK码本增大：从1bit/TB变成N bit/TB - 软缓冲区管理更复杂：需要按CBG管理软信息

因此，CBG主要适用于大TB、高MCS、eMBB场景。对于小包（URLLC），TB本身就不大，CBG带来的收益有限。

七、HARQ在现网中的实战意义

7.1 工程师在哪里会遇到HARQ

7.2 常见调试陷阱

1. NDI误解导致的软缓冲区污染：如果UE误将重传判断为新传（比如NDI因DCI丢失被误判翻转），会清空软缓冲区，导致之前积累的软信息全部丢失。在log分析中，检查NDI翻转序列是否合理是基本操作。

2. K1配置不当导致ACK/NACK错位：K1值必须与UE的处理能力匹配。如果K1设置太小（如设为1），UE可能来不及完成PDSCH解码就要求反馈，导致虚假NACK。5G NR引入了UE能力等级（UE Capability）来约束最小K1。

3. CBG重传中的CBGFI遗漏：如果基站设置了CBGFI=0（不清空软缓冲区），但之前该CBG的软信息已经被后续新传覆盖，会导致合并了不相关的软信息，解码必然失败。

4. 软缓冲区溢出：UE的HARQ软缓冲区大小是有限的（由UE能力决定）。如果同时有太多HARQ进程处于活跃状态，软缓冲区可能不够用，导致部分软信息被丢弃。

7.3 关键日志字段

在分析5G NR HARQ问题时，关注以下字段：

• HARQ Process ID：确认哪个进程在活动
• NDI：检查翻转是否正确
• RV Index：确认RV序列是否符合预期（通常0→2→3→1）
• MCS：重传时MCS可能被降阶（外环链路自适应）
• CRC Result (per CB)：CBG场景下，逐CB检查CRC结果
• LLR Distribution：合并前后的LLR分布变化（高端分析）

八、从数学角度理解软合并的增益

8.1 Chase Combining的SNR增益

假设每次传输经历独立的瑞利衰落，第 $i$ 次传输的接收信号为：

$$y_i = h_i \cdot x + n_i$$

其中 $h_i$ 是信道增益，$n_i$ 是噪声。Chase Combining后的等效LLR为：

$$LLR_{CC} = \sum_{i=1}^{N} \frac{|h_i|^2}{\sigma^2} \cdot x$$

等效SNR为各次传输SNR之和：

$$SNR_{CC} = \sum_{i=1}^{N} SNR_i$$

如果是理想情况（各次SNR相同），N次传输后SNR提升 $10\log_{10}N$ dB。但注意——编码速率没有改变，所以纠错能力的提升完全来自于信号质量的改善。

8.2 Incremental Redundancy的编码增益

IR合并后，等效编码速率为：

$$R_{eq} = \frac{K}{N_{total}} = \frac{K}{\sum_{i=1}^{N} E_i}$$

其中 $K$ 是信息比特数， $E_i$ 是第 $i$ 次传输的编码比特数。

当等效码率降低到信道容量以下时，香农定理保证了解码成功：

$$R_{eq} < C = \log_2(1 + SNR)$$

这就是IR的核心优势——它不仅增强了信号，还增加了冗余，从两个维度逼近信道容量。在低SNR区域，编码增益远比SNR增益重要，IR的性能优势可达2-4dB。

常见问题

Q1: HARQ和RLC层ARQ有什么区别？ A: HARQ工作在MAC层/物理层，处理的是物理传输错误，时延极短（毫秒级），但重传次数有限（通常3-4次）。RLC ARQ工作在RLC层（AM模式），处理的是HARQ之后仍残留的错误，时延较长，但可以无限重传直到成功。两者是串行的——HARQ先快跑几轮纠错，剩下的漏网之鱼交给RLC ARQ慢慢收拾。对于大多数场景，HARQ已经能解决95%以上的传输错误。

Q2: 为什么5G NR最多16个HARQ进程？ A: 这是在时延和缓冲区之间取平衡。进程数太少，流水线填不满，信道利用率低；进程数太多，UE需要维护大量软缓冲区，硬件成本上升。16个进程在典型配置下能保证绝大多数场景的信道利用率超过90%。对于URLLC等低时延场景，进程数可能配置得更少（如4-8个），因为低时延业务不允许等太多轮HARQ。

Q3: 5G NR为什么上行也用异步HARQ？ A: LTE上行用同步HARQ是为了简化UE操作——UE收到NACK后自动在固定位置重传，不需要额外的DCI调度。但同步HARQ在TDD帧结构下非常不灵活——固定时序可能与上下行配比冲突。5G NR统一采用异步HARQ，基站通过DCI灵活调度上行重传的时频位置、MCS和RV，这对TDD和各种非对称配比更友好。

Q4: 实际网络中HARQ重传率多少算正常？ A: 初传BLER（Block Error Rate）目标通常设计在10%~30%之间——这不是系统不好，而是故意为之。AMC（自适应调制编码）会选择一个较高的MCS使得初传BLER在目标值附近，这样能最大化频谱效率。HARQ重传就是这个策略的"安全网"。如果重传后（通常1-2次）残余BLER仍高于1%，说明可能存在覆盖问题或干扰问题，需要排查。

Q5: CBG级重传在实际网络中部署广泛吗？ A: 目前CBG主要在eMBB高吞吐场景（如毫米波频段、大规模MIMO）中有实际部署价值。在中低频段、中小TB场景下，CBG带来的DCI开销和ACK码本开销可能超过其收益。随着5G-Advanced和6G中TB尺寸的进一步增大，CBG的重要性会越来越高。

参考来源

1. 5G HARQ机制详解：混合自动重传与软合并 - CSDN博客 — 系统性介绍5G HARQ的软合并与增量冗余机制
2. 5G第1层：HARQ软合并原理解析 - 知乎 — 从物理层角度解析HARQ软合并的数学原理
3. 5G HARQ Retransmission: Why CBG Matters — CBG级重传的优势和实际应用场景分析
4. 5G NR Hybrid ARQ - Devopedia — 全面的5G NR HARQ技术百科，涵盖CBG和RV机制
5. HARQ Principles and Applications in 5G-NR — HARQ原理与5G NR实际应用的深度分析

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。