HARQ混合重传：无线通信的纠错二重奏

引子：一个送快递的比喻

想象你从网上买了一箱玻璃杯，快递送到时摔碎了一个。你有两种处理方式：

• 方式一（ARQ）：打电话让卖家"整箱重发"。简单粗暴，但你得等好几天。
• 方式二（FEC）：卖家提前在箱子里塞了泡沫填充物（冗余信息），摔碎了1-2个杯子你能自己用备用件补上。但如果摔碎太多就没办法了。
• 方式三（HARQ）：你告诉卖家"碎了3号杯"，卖家只补发3号杯过来；你把新旧杯子一起用，修复概率大增。这就是HARQ——混合自动重传请求。

HARQ是5G无线接入网中最关键的可靠性机制之一。它不是简单的"重传"，而是把前向纠错（FEC）和自动重传请求（ARQ）合二为一，再加上软合并，构成一个毫秒级的快速纠错闭环。本文将从"为什么需要HARQ"出发，逐步拆解其核心原理。

一、为什么需要HARQ？无线信道的天然挑战

1.1 无线信道为什么"不靠谱"

无线信号从基站到手机，要经历三重劫难：

在4G/5G典型的城市环境中，下行传输的初始误块率（BLER）通常设计在10%左右——也就是说，每发10个数据包，大约有1个会解码失败。这并非系统设计失败，而是一个刻意为之的折中：如果把初始BLER压到0.1%，意味着保守的调制编码方案（MCS），频谱效率会大幅下降。

所以核心思路是：允许初始传输有一定错误率，用快速重传来兜底。

1.2 纠错机制的三代演进

flowchart TD
    subgraph 第一代["ARQ - 自动重传"]
        A1["发送数据"] --> A2["接收端CRC校验"]
        A2 -->|失败| A3["请求重传"]
        A3 --> A1
        A2 -->|成功| A4["完成 ✓"]
    end

    subgraph 第二代["FEC - 前向纠错"]
        B1["编码添加冗余位"] --> B2["发送"]
        B2 --> B3["接收端解码纠错"]
        B3 --> B4["成功 ✓"]
    end

    subgraph 第三代["HARQ - 混合重传"]
        C1["FEC编码"] --> C2["发送"]
        C2 --> C3["接收解码"]
        C3 -->|失败| C4["保存软信息<br/>发送NACK"]
        C4 --> C5["重传（不同冗余版本）"]
        C5 --> C6["软合并再解码"]
        C6 -->|成功| C7["完成 ✓"]
        C6 -->|失败| C4
        C3 -->|成功| C8["发送ACK ✓"]
    end

    第一代 --> 第二代 --> 第三代

HARQ的"混合"二字，正是来自它同时利用了FEC的纠错能力和ARQ的重传能力，并在重传时做了一件关键的事——不丢弃失败的数据，而是与重传数据合并后再解码。

二、HARQ的核心机制：软合并

2.1 什么是"软信息"

当接收端收到一个PDSCH数据块并尝试解码时，LDPC解码器处理的不是硬判决（0或1），而是对数似然比（LLR）：

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

其中 $\mathbf{y}$ 是接收到的信号。LLR的物理含义是：

关键洞察：解码失败的包并不意味着所有比特都是"垃圾"。大部分LLR其实是正确的，只有少数比特因为噪声而模糊（LLR接近0）。如果直接丢弃，这些有效信息就浪费了。

2.2 两种软合并方式

HARQ的软合并分为两种方式，它们的核心区别在于重传时发送的内容是否与初次传输相同：

Chase Combining（追回合并）

基站重传与初次传输完全相同的编码比特（相同的冗余版本RV）。接收端将两次接收的LLR逐比特相加：

$$\text{LLR}_{\text{combined}}(b_i) = \text{LLR}_1(b_i) + \text{LLR}_2(b_i)$$

这等价于提升有效信噪比。直观理解：两次传输经历的是独立的噪声，LLR相加后噪声项趋向抵消（零均值），而信号项叠加增强。理论上，一次重传可带来约3 dB的信噪比增益。

类比：就像你拍了一张模糊的照片，再拍一张同样场景但模糊位置不同的照片。把两张照片叠加，模糊会减轻，画面更清晰。

Incremental Redundancy（增量冗余，IR）

基站重传时使用不同的冗余版本（不同RV），发送的是初次传输中未包含的校验比特。接收端将新旧信息拼接，形成更低码率的码字。

$$R_{\text{eff}} = \frac{K}{N_1 + N_2 + \cdots}$$

其中 $K$ 是信息比特数，$N_i$ 是第 $i$ 次传输的编码比特数。每次重传都增加了分母（更多校验位），有效码率降低，纠错能力增强。

类比：第一次考试你只带了铅笔（基本工具），考砸了；补考时你带了铅笔+橡皮+尺子（更多辅助工具），工具更完备，通过概率大增。

flowchart TB
    subgraph 发送端处理流程
        TB["传输块 TB"] --> CRC["附加CRC"]
        CRC --> CB["码块分割"]
        CB --> LDPC["LDPC编码<br/>(信息位+校验位)"]
        LDPC --> RM["速率匹配<br/>(选择RV版本)"]
        RM --> MOD["调制映射"]
    end

    subgraph RV选择策略
        direction LR
        RV0["RV0: 系统位为主<br/>首次传输<br/>可自解码"]
        RV2["RV2: 校验位为主<br/>第1次重传"]
        RV3["RV3: 额外校验位<br/>第2次重传"]
        RV1["RV1: 补充校验位<br/>第3次重传"]
        RV0 --> RV2 --> RV3 --> RV1
    end

    RM -.->|"选择RV"| RV0

    subgraph 接收端合并策略
        direction TB
        RX["接收信号→LLR"] --> DEC{"LDPC解码"}
        DEC -->|成功| ACK["发送ACK"]
        DEC -->|失败| BUF["存入软缓冲区"]
        BUF --> WAIT["等待重传"]
        WAIT --> COMB["与新LLR软合并"]
        COMB --> DEC2{"再次解码"}
        DEC2 -->|成功| ACK2["发送ACK"]
        DEC2 -->|失败| BUF2["更新软缓冲区"]
    end

    MOD -->|"无线信道"| RX

2.3 Chase vs IR 性能对比

为什么5G偏好IR？ 因为IR的每次重传都在传递"新知识"（新的校验位），而Chase只是在重复"旧知识"。在高码率场景下（如0.93），可用的校验位本来就少，不同RV之间会重叠，IR退化为Chase Combining——这也是为什么说Chase是IR的特例。

三、HARQ进程：多条流水线并行运转

3.1 停等协议的效率瓶颈

最简单的重传协议是停等式（Stop-and-Wait）：发一个包，等ACK/NACK，再发下一个。问题在于：从发送到收到反馈需要一定时间（往返时延RTT），这期间无线信道是空闲的——白白浪费了宝贵的频谱资源。

$$\eta_{\text{SAW}} = \frac{T_{\text{传输}}}{T_{\text{传输}} + T_{\text{等待ACK}} + T_{\text{处理}}}$$

假设传输一个时隙（0.5ms），等待ACK反馈需要4个时隙（2ms），处理时间1个时隙，则效率只有 $\frac{0.5}{0.5+2+0.5} \approx 16.7\%$。

3.2 多进程并行HARQ

解决方案是多个停等进程并行运行。就像超市收银台——一个收银台在等你找钱包时，另一个收银台已经在为下一位顾客服务了。

sequenceDiagram
    participant gNB as 基站 gNB
    participant P0 as HARQ进程0
    participant P1 as HARQ进程1
    participant P2 as HARQ进程2
    participant P3 as HARQ进程3

    Note over gNB,P3: 时隙0: 发送TB0到进程0
    gNB->>P0: TB0 (RV0)

    Note over gNB,P3: 时隙1: 发送TB1到进程1
    gNB->>P1: TB1 (RV0)

    Note over gNB,P3: 时隙2: 发送TB2到进程2
    gNB->>P2: TB2 (RV0)

    Note over gNB,P3: 时隙3: 发送TB3到进程3
    gNB->>P3: TB3 (RV0)

    Note over gNB,P3: 时隙4: 进程0收到NACK
    P0->>gNB: NACK (TB0失败)

    Note over gNB,P3: 时隙4: 同时发送TB4到进程0(新数据)
    gNB->>P0: TB4 (RV0, 新数据)

    Note over gNB,P3: 时隙4: 进程1收到ACK
    P1->>gNB: ACK (TB1成功)

    Note over gNB,P3: 时隙5: 进程0的TB0重传
    gNB->>P1: TB0重传 (RV2)

5G NR支持最多16个HARQ进程（上下行各16个）。每个进程独立维护自己的软缓冲区、冗余版本状态和新数据指示（NDI）。

3.3 异步HARQ：5G的重要改进

4G LTE的下行HARQ是同步的——重传必须在固定的时序位置发生。这虽然简单，但缺乏调度灵活性。

5G NR上下行均采用异步HARQ：基站可以在任意时隙调度重传，通过DCI（下行控制信息）中的HARQ进程号和新数据指示（NDI）来标识。这给了调度器更大的自由度，可以根据信道状态和资源 availability 灵活安排重传。

NDI（New Data Indicator）的巧妙设计：每个HARQ进程有一个1比特的NDI翻转标志。当基站发送新数据时，NDI翻转（0→1或1→0）；当发送重传时，NDI不变。UE通过检测NDI是否翻转来判断这是新数据还是重传。

四、冗余版本（RV）：精心设计的校验位分配

4.1 四个冗余版本的布局

5G NR定义了4个冗余版本：RV0、RV1、RV2、RV3。它们对应LDPC编码输出中不同起始位置的比特选择。

LDPC编码器的输出可以看作一个很长的环形缓冲区，前面是系统位（原始数据），后面是校验位。速率匹配时，从缓冲区中按一定规则选取一段比特发送。

标准推荐的RV序列是 0→2→3→1，这个顺序经过精心设计，确保每次重传都能最大化增量冗余增益。

4.2 为什么RV0必须"可自解码"

RV0包含完整的系统位（原始数据比特），这意味着即使UE没有收到之前任何传输，仅凭RV0也能尝试独立解码。这对于以下场景至关重要：

• UE刚接入时可能错过之前的传输
• 软缓冲区溢出时旧数据可能被清除
• 切换场景中新基站不知道旧基站的重传历史

而RV1/2/3主要包含校验位，单独无法恢复原始数据——它们的价值在于与RV0组合后降低有效码率，增强纠错能力。

五、CBG级HARQ：大包的精细修补

5.1 传统TB级重传的问题

一个传输块（TB）可能包含数千甚至数万个比特。如果整包解码失败，实际上可能只是其中一小部分（某个码块CB）出了问题。如果整包重传，浪费了大量频谱资源。

这就像一份100页的报告中只有第37页有个错别字——你不需要重新打印整份报告，只需补发第37页。

5.2 Code Block Group（CBG）机制

5G R16引入了CBG级HARQ反馈：将一个TB分成多个码块组（CBG），UE可以针对每个CBG独立反馈ACK/NACK，基站只重传出错的CBG。

$$\text{CBG数量} = \min(N_{\text{CB}}, 2, 4, 6, 8)$$

其中 $N_{\text{CB}}$ 是码块数量，具体值由RRC参数配置。

对于高速率场景（4层×256QAM×100MHz），CBG级重传可以带来5-10倍的重传效率提升。

六、HARQ-ACK反馈时序：5G的灵活调度

6.1 K1参数——从接收到反馈的时延

5G NR中，UE收到PDSCH后，并非在固定时隙反馈ACK/NACK，而是通过DCI中的PDSCH-to-HARQ_feedback定时指示（即K1值）来确定反馈时机。

$$n_{\text{PUCCH}} = n_{\text{PDSCH}} + K_1$$

K1的取值范围为1~15个时隙，由RRC配置候选集合，DCI从中选择。这种灵活设计带来的好处是：

6.2 HARQ-ACK码本

当UE需要在一个PUCCH上反馈多个PDSCH的ACK/NACK时，需要一种机制来告诉基站"这个反馈位对应哪个PDSCH"。这就是HARQ-ACK码本。

5G支持两种码本类型：

Type 1（半静态码本）：反馈位数固定，基于RRC配置的时隙绑定窗口大小。即使某些时隙没有PDSCH调度，也保留对应的反馈位。

Type 2（动态码本）：反馈位数动态变化，基于实际收到的DCI调度信息生成。每个DCI中包含一个计数器DAI（Downlink Assignment Index），帮助UE确认是否遗漏了某个调度。

七、HARQ在协议栈中的位置与配合

7.1 MAC层的快速纠错 vs RLC层的可靠兜底

HARQ位于MAC层，提供毫秒级的快速纠错。但它并不能保证100%可靠——当达到最大重传次数（通常4次）后仍然失败，就把问题交给RLC层的ARQ机制来处理。

flowchart TB
    subgraph 协议栈纠错层级
        direction TB
        PHY["物理层<br/>FEC编解码<br/>(LDPC/Polar)"]
        MAC_HARQ["MAC层<br/>HARQ快速重传<br/>延迟: ~1-4ms<br/>最大重传: 4次"]
        RLC_ARQ["RLC层<br/>ARQ可靠重传<br/>延迟: ~10-100ms<br/>最大重传: 由RRC配置"]
        PDCP["PDCP层<br/>完整性保护/加密<br/>辅助重排序"]
    end

    PHY -->|"残余错误"| MAC_HARQ
    MAC_HARQ -->|"HARQ失败"| RLC_ARQ
    RLC_ARQ -->|"RLC失败<br/>(极端情况)"| PDCP

    subgraph 各层保障
        D1["BLER目标: ~10%"]
        D2["HARQ后残余BLER: ~0.1%"]
        D3["RLC后残余错误: ~0.00001%"]
    end

    PHY -.-> D1
    MAC_HARQ -.-> D2
    RLC_ARQ -.-> D3

这个分层设计体现了一个重要原则：快速但不完美的纠错（HARQ）在前，慢速但完美的纠错（RLC ARQ）在后。大部分错误在HARQ阶段就解决了（约99.9%），RLC只处理极少数残余错误。

7.2 为什么不能只用HARQ或只用RLC

两者的配合使得5G能够同时满足eMBB的高速需求和URLLC的超可靠低延迟需求。

八、实战连接：工程师眼中的HARQ

8.1 日志中的HARQ诊断

当你在分析UE日志时，以下信息是HARQ分析的关键：

常见日志诊断场景：

1. RV始终为0的重传 → 可能是Chase Combining（正常）或调度器异常（异常）
2. 连续4次NACK后仍在重传 → 可能是HARQ最大重传次数配置有误
3. NDI未翻转但RV回到0 → 可能是调度器重新发起传输，旧数据被新数据覆盖
4. 上行HARQ NACK率高 → 可能是UE功率不足或上行干扰严重

8.2 HARQ对吞吐量的影响

HARQ重传会直接降低用户吞吐量。在正常网络中，下行HARQ重传率应低于5%。如果重传率超过10%，需要排查：

• 覆盖问题（RSRP过低）
• 干扰问题（邻区PCI冲突、外部干扰源）
• 调度参数问题（MCS过高、初始BLER目标设置不当）
• UE软缓冲区溢出

8.3 常见调试陷阱

陷阱一：看到NACK就认为信道质量差。实际上，10%的初始BLER是设计目标，并非异常。只有重传后仍然NACK才说明问题严重。

陷阱二：忽略HARQ进程号。不同进程的NACK可能是不同TB的问题，需要按进程分别分析。

陷阱三：混淆HARQ重传和RLC重传。HARQ重传在MAC层（微秒级），RLC重传更高层（毫秒级）。日志中需要区分两者的计数器。

常见问题

Q: HARQ和ARQ到底有什么区别？ A: HARQ在MAC层，利用软合并实现毫秒级快速纠错；ARQ在RLC层，只做简单重传（不合并），延迟更大但保证最终可靠性。HARQ是"又快又好但可能失败"，ARQ是"慢但一定成功"的兜底机制。

Q: Chase Combining和Incremental Redundancy哪个更好？ A: IR更好。IR每次重传都传递新的校验位，有效码率逐次降低，单次重传增益可达6 dB，远高于Chase的3 dB。但在高码率场景下，IR可用的额外校验位有限，会退化为Chase Combining。实际网络中，基站调度器通常默认使用IR。

Q: 5G为什么把HARQ进程数从4G的8个增加到16个？ A: 5G NR支持更灵活的参数集（更大的子载波间隔意味着更短的时隙）和更长的反馈时延（尤其在TDD配置下），需要更多并行进程来保持信道利用率不下降。此外，载波聚合场景下每个载波独立维护HARQ进程，16个进程提供了更大的调度灵活性。

Q: CBG级HARQ有什么实际好处？ A: 对于大包传输（如4层256QAM），一个TB可能包含几十个码块。如果只有1个码块出错，传统TB级重传需要重传整个TB（几十KB），而CBG级只重传出错的码块（几KB），频谱效率提升5-10倍。这对于高吞吐量场景（eMBB）尤其重要。

Q: 如果HARQ达到最大重传次数还是失败怎么办？ A: MAC层HARQ放弃后，错误交给RLC层的ARQ机制处理。RLC会重新分段并请求重传，延迟会增大但最终能保证数据可靠送达。如果RLC也失败了（极端情况），PDCP层会触发无线链路失败（RLF）流程，UE可能需要进行RRC重建或切换。

参考来源

1. 5G NR Hybrid ARQ — Devopedia — 5G NR HARQ技术综述，涵盖软合并、RV、CBG等主题
2. How HARQ Soft Combining Actually Works — CafeTele — 深入解析Chase vs IR的比特级工作原理，含软缓冲区限制分析
3. 5G HARQ Explained — Mohamed ELAdawi — 5G HARQ全流程详解，含码本类型、时序关系和4G/5G对比
4. Chase Combining HARQ vs Incremental Redundancy HARQ — RF Wireless World — 两种软合并方式的对比表格和差异分析

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。