HARQ重传与软合并：数据包的"纠错保险"如何工作

想象你给朋友念一段电话号码。朋友没听清，让你再说一遍——但聪明的是，他不是把第一次听的直接扔掉，而是把两次听到的内容"叠加"起来，互相印证，拼出完整号码。这就是 HARQ（混合自动重传请求） 的核心思想：重传不是简单的"再来一次"，而是"累积信息、逐步逼近正确结果"。

一、为什么需要HARQ？——无线信道的"丢包困境"

无线通信面临一个根本矛盾：电磁波在空气中传播时，会被建筑遮挡、被其他信号干扰、被接收机的噪声淹没。结果就是——数据包到达接收端时，可能已经面目全非。

解决数据出错，经典思路有两条路：

HARQ = FEC + ARQ 的合体进化版。它既发送冗余校验位（FEC的功劳），又在出错时重传（ARQ的功劳），更关键的是——它把每次传输的"软信息"都保留下来，合并使用。这就是"Hybrid"（混合）的真正含义。

误块率(BLER) vs SNR 对比示意：

  BLER
   1.0 |        ARQ（无合并，每次独立解码）
       |         \
       |          \
   0.5 |           \
       |            \    HARQ（软合并，累积增益）
       |             \________
   0.1 |              \       \________
       |               \               \________
   0.0 |________________\_______________________ SNR
                     0    5    10   15   20 (dB)

  → HARQ通过软合并，在相同SNR下获得更低的误块率

二、HARQ工作的完整流程——一个"快递签收"的类比

把数据传输想象成快递送货：

sequenceDiagram
    participant 发送端 as 发送端（基站/UE）
    participant 接收端 as 接收端（UE/基站）

    Note over 发送端,接收端: 第1次传输（初传）
    发送端->>接收端: 发送编码后的数据包（Transport Block）
    Note right of 接收端: 1. 接收信号并存入软缓冲区<br/>2. 尝试解码<br/>3. CRC校验 → 失败❌
    接收端-->>发送端: NACK（否定确认）

    Note over 发送端,接收端: 第2次传输（重传）
    发送端->>接收端: 发送冗余版本（不同编码比特）
    Note right of 接收端: 1. 接收重传信号<br/>2. 与软缓冲区数据合并<br/>3. 合并后重新解码<br/>4. CRC校验 → 成功✅
    接收端-->>发送端: ACK（确认）

    Note over 发送端,接收端: 传输完成，释放HARQ进程

关键细节拆解：

1. 发送端：原始数据经过信道编码（5G用LDPC码，4G用Turbo码）后，加入CRC校验，通过物理信道发送
2. 接收端：收到信号后，不解码结果本身，而是保留"软比特"（Soft Bit，即每个比特为0或1的概率信息，也叫LLR——对数似然比），存入软缓冲区
3. 解码失败时：不丢弃软比特，而是等待重传
4. 重传到达后：将新的软比特与缓冲区中旧的软比特逐位合并（相加），用合并后的结果再次解码
5. 合并后解码成功的概率，远高于单独用任何一次传输解码的概率

工程直觉：这就好比你听一段录音，第一次有噪音听不清，录下来；第二次播放时你把两段录音叠加，噪音部分随机抵消，有用信号叠加增强，信噪比提高了。

三、软合并的两种武器：Chase合并 vs 增量冗余

软合并是HARQ的灵魂。它有两种实现方式，效果差异显著。

3.1 Chase合并（Chase Combining，CC）

原理：重传时发送完全相同的编码比特。接收端把多次收到的同一组比特的软值相加。

$$\text{LLR}{\text{combined}}(i) = \sum_k(i)$$}^{K} \text{LLR

其中 $K$ 是传输次数，$\text{LLR}_k(i)$ 是第 $k$ 次传输中第 $i$ 个比特的对数似然比。

效果：纯粹提高信噪比（SNR），相当于 $\sqrt{K}$ 倍的功率增益。两次传输约获得 3 dB 的SNR增益。

类比：同一张模糊的照片，多拍几次然后叠加——每张照片的信号一致，噪点随机，叠加后信噪比提升。

3.2 增量冗余（Incremental Redundancy，IR）

原理：重传时发送不同的编码比特（不同的冗余版本，Redundancy Version, RV）。每次重传携带新的校验信息。

效果：不仅获得SNR增益，还获得编码增益——因为等效码率降低了。

$$R_{\text{effective}} = \frac{K \times \text{信息比特数}}{\text{总发送比特数}}$$

每次重传都往"分母"加比特，等效码率持续下降，纠错能力持续增强。

类比：第一次给你看一张低分辨率图片（信息+少量校验），第二次不是重复发同一张图，而是额外发一张不同角度的高频细节图——两次叠加后，你得到的不是简单的亮度增强，而是清晰度的质变。

3.3 两种方式对比

为什么5G主要用IR？ 因为频谱效率。IR每次重传都带来"新信息"，而CC只是简单重复。在宝贵的无线频谱上，每一次传输都应该物尽其用。

四、循环缓冲区与冗余版本——IR的核心引擎

增量冗余之所以能发送"不同的编码比特"，背后靠的是一个精巧的设计：循环缓冲区（Circular Buffer）。

4.1 编码→打孔→传输的流水线

flowchart TD
    A["原始信息比特<br/>(Transport Block)"] --> B["添加CRC"]
    B --> C["码块分段<br/>(Code Block Segmentation)"]
    C --> D["LDPC编码<br/>(母码率 1/3 ~ 1/5)"]
    D --> E["写入循环缓冲区<br/>(Circular Buffer)"]
    E --> F["按RV选取比特<br/>(Rate Matching)"]
    F --> G["调制映射<br/>(QPSK/16QAM/64QAM)"]
    G --> H["发射信号"]

    style E fill:#ff9,stroke:#333
    style F fill:#f96,stroke:#333

关键步骤解释：

1. LDPC编码：5G NR的数据信道使用LDPC码。编码器输出的码率很低（母码率约1/3或1/5），产生大量的校验比特。比如100个信息比特，编码后可能产生300-500个编码比特。

2. 循环缓冲区：所有编码比特被依次写入一个环形缓冲区。结构如下：

循环缓冲区结构示意：

位置:  [0 ............ N/3 ............ 2N/3 ............ N]
       |   系统比特    |    校验1      |    校验2       |
       | (原始信息)    |  (Parity 1)   |  (Parity 2)    |
       ↑              ↑               ↑                ↑
      RV=0起始       RV=1起始        RV=2起始         RV=3起始

3. 冗余版本（RV）：5G NR定义了4个冗余版本（RV0, RV1, RV2, RV3），每个RV指向缓冲区的不同起始位置：

4. 速率匹配：根据分配的物理资源块数量，从RV指向的起始位置开始，依次选取指定数量的比特。选少了等效码率高（传得快但纠错弱），选多了等效码率低（传得慢但纠错强）。

4.2 IR的合并效果

初传 (RV0): 发送 [系统比特 + 部分校验1]
重传 (RV1): 发送 [校验2 + 部分校验1]

合并后: 相当于发送了 [系统比特 + 校验1 + 校验2] 的完整母码
等效码率: 从初传的 0.5 → 合并后的 0.25（纠错能力翻倍！）

工程调试技巧：在路测log中，如果你看到连续多次NACK后最终ACK，通常说明信道条件差，HARQ在"积攒"冗余信息。如果频繁出现4次以上重传，需要检查覆盖或干扰问题。

五、HARQ进程——如何让重传不阻塞新数据？

如果HARQ只是简单的"发→等反馈→重传"，那每次重传之间都要"干等"反馈，吞吐量会暴跌。解决方案是：多个HARQ进程并行工作。

5.1 停等协议的本质

每个HARQ进程本质上是一个停等协议（Stop-and-Wait）：

sequenceDiagram
    participant TX as 发送端
    participant RX as 接收端

    Note over TX,RX: HARQ进程 #0
    TX->>RX: 数据包 #0（初传）
    Note over TX: 等待反馈...<br/>这段时间不能发新数据！
    RX-->>TX: NACK
    TX->>RX: 数据包 #0（重传）
    RX-->>TX: ACK

    Note over TX,RX: 进程 #0 结束，才能开始下一个

问题：从发送到收到ACK/NACK，中间有RTT（Round Trip Time）的等待。在5G NR中，这个等待时间约为几个时隙（slot）。如果只用一个进程，信道利用率极低。

5.2 并行进程流水线

解决方案：启动多个独立的HARQ进程，当一个进程在等反馈时，其他进程继续发送新数据。就像工厂流水线：

gantt
    title HARQ多进程并行传输时序（5G NR示例）
    dateFormat X
    axisFormat %s

    section 进程0
    初传 TB#0     :p0_1, 0, 1
    等待反馈       :p0_w, 1, 4
    重传 TB#0     :p0_2, 4, 5

    section 进程1
    初传 TB#1     :p1_1, 1, 2
    等待反馈       :p1_w, 2, 5

    section 进程2
    初传 TB#2     :p2_1, 2, 3
    等待反馈       :p2_w, 3, 6

    section 进程3
    初传 TB#3     :p3_1, 3, 4
    等待反馈       :p3_w, 4, 7

5G NR的关键改进：反馈时序不再是固定值，而是由DCI（下行控制信息）中的 PDSCH-to-HARQ_feedback timing indicator 字段动态指示。这使得5G能根据业务需求和调度策略灵活调整HARQ时序。

六、5G NR的HARQ三大革新

相比4G LTE，5G NR在HARQ方面做了三个关键改进，每一个都直指实际工程痛点。

6.1 革新一：CBG级重传——不再"整包返工"

在4G LTE中，如果一个大传输块（TB）中只有一小部分出错，也必须重传整个TB。这就像一本100页的文档只有第37页有个错别字，你却要重印整本——浪费严重。

5G NR引入了 CBG（Code Block Group，码块组） 概念：

传输块（TB）结构：

┌─────────────────────────────────────────────────┐
│              Transport Block (TB)                │
├──────────┬──────────┬──────────┬────────────────┤
│ CBG #0   │ CBG #1   │ CBG #2   │ CBG #3         │
│┌──┬──┬──┐│┌──┬──┬──┐│┌──┬──┬──┐│┌──┬──┐         │
││CB│CB│CB│││CB│CB│CB│││CB│CB│CB│││CB│CB│         │
│└──┴──┴──┘│└──┴──┴──┘│└──┴──┴──┘│└──┴──┘         │
└──────────┴──────────┴──────────┴────────────────┘
     ✅         ❌         ✅         ✅
                         只重传这个CBG！

工作机制： - TB被分段为多个码块（CB），CB被分组为码块组（CBG） - 接收端为每个CBG独立反馈ACK/NACK - 重传时只发送失败的CBG，而非整个TB

效率提升：假设一个TB有8个CBG，只有1个出错。传统方式重传整个TB需要100%资源，CBG方式只需 12.5% 的资源。

调试场景：在5G基站日志中查看HARQ反馈时，如果开启了CBG模式，你会看到一组bitmap（如 1011 0111），每个bit对应一个CBG的ACK/NACK状态。如果某个CBG频繁NACK，可能指向该频段的局部干扰。

6.2 革新二：灵活HARQ时序

4G LTE的HARQ反馈时序是硬编码的（FDD固定4ms），5G NR改为动态可配：

$$\text{反馈时刻} = \text{PDSCH时隙} + K_1$$

其中 $K_1$ 由DCI动态指示，取值范围1-15个时隙。

为什么这样设计？ - URLLC场景：$K_1$ 设小（如1-2个时隙），快速反馈，满足低延迟要求 - eMBB场景：$K_1$ 设大（如8-15个时隙），给接收端更多处理时间，提高解码成功率 - TDD灵活配比：不同上下行配比下，都能找到合适的反馈时机

6.3 革新三：异步HARQ

4G LTE的下行HARQ是同步的——重传必须发生在固定的子帧位置。5G NR改为异步HARQ——调度器可以在任意时隙发起重传。

好处： - 调度器有完全的自由度，可以结合信道状态选择最佳重传时机 - 支持优先级调度：如果有更紧急的数据，可以推迟重传 - 配合mini-slot（迷你时隙），可以实现超快速重传

七、双层重传防线：HARQ + RLC ARQ

在协议栈中，HARQ不是孤军奋战的。它和RLC层的ARQ构成了两道防线：

flowchart TB
    subgraph "第一道防线：MAC层 HARQ"
        A["数据传输"] --> B{"CRC校验"}
        B -->|通过| C["ACK → 完成"]
        B -->|失败| D["NACK → 重传<br/>（软合并解码）"]
        D --> E{"合并解码"}
        E -->|通过| C
        E -->|失败，<br/>达到最大次数| F["放弃，交给RLC层"]
    end

    subgraph "第二道防线：RLC层 ARQ"
        F --> G["RLC检测SN缺口<br/>或收到STATUS PDU"]
        G --> H["RLC ARQ重传<br/>（不合并，完全重发）"]
        H --> I{"RLC重传成功？"}
        I -->|是| J["数据完整交付"]
        I -->|否，<br/>达到最大重传| K["触发RRC重建立<br/>或无线链路失败"]
    end

    style A fill:#4CAF50,color:#fff
    style F fill:#FF9800,color:#fff
    style K fill:#F44336,color:#fff

为什么需要两道防线？

• HARQ负责快速纠错：处理大部分的随机错误，一次来回就解决
• RLC ARQ负责兜底：处理HARQ"力不从心"的情况（深衰落、持续性干扰）
• HARQ的软合并有上限：连续多次传输都失败时，软缓冲区满了也没用，需要RLC层"重新来过"

类比：HARQ是急诊室的医生，快速处理大部分病例；RLC ARQ是专科医院，处理急诊室解决不了的疑难杂症。

八、从比特到空中信号：HARQ在完整链路中的位置

把视角拉远，看看HARQ在整个5G下行数据传输链路中处于什么位置：

完整的数据传输处理链路：

应用层数据
    ↓
PDCP层（头压缩、加密）
    ↓
RLC层（分段/级联、ARQ重传）← 第二道防线
    ↓
MAC层（调度、HARQ）← 第一道防线在这里
    ↓
    ├── 添加MAC头和CRC
    ├── HARQ实体管理（进程分配）
    ↓
物理层处理
    ├── 传输块添加CRC
    ├── 码块分段 + 每个CB添加CRC
    ├── LDPC信道编码（母码率1/3~1/5）
    ├── 速率匹配（循环缓冲区 + RV选择）← 软合并的关键
    ├── 调制（QPSK/16QAM/64QAM/256QAM）
    ├── 层映射 + 预编码（MIMO）
    ├── 资源元素映射（RE Mapping）
    ├── OFDM信号生成
    ↓
天线发射 → 无线信道 → 接收端
    ↓
接收端逆向处理 + 软合并解码 → CRC校验 → ACK/NACK

九、实战场景：工程师何时会用到HARQ知识？

场景1：路测分析中的重传率异常

在路测工具（如TEMS、鼎利Pilot）中，你会看到 BLER（Block Error Rate） 和 HARQ重传次数 的统计。正常的初始BLER应在10%左右（这是AMC自适应编码的目标值），经过1-2次HARQ重传后残余BLER应接近0。

异常排查： - 初始BLER > 30% → 覆盖问题或强干扰，检查RSRP/RSRQ/SINR - HARQ重传4次仍失败率高 → 深衰落区域，可能需要增加基站或调整天线 - 重传成功率低但初始BLER正常 → 可能是软缓冲区溢出或调度器配置问题

场景2：5G基站参数优化

在gNB的HARQ相关参数配置中，常见的可调项包括：

场景3：UL HARQ问题排查

上行HARQ与下行有一个关键区别：基站控制上行重传的调度。如果UE的上行HARQ反馈NACK，基站必须在DCI中重新调度该UE的上行重传资源。

常见问题：UE上行BLER高，但基站似乎没有及时调度重传。排查方向： - 检查PHR（Power Headroom Report）——UE可能功率不足 - 检查BSR（Buffer Status Report）——UE是否有数据待发 - 检查DCI format 0_1中的NDI（New Data Indicator）——如果NDI翻转了，说明基站认为前一个数据已经成功，没有触发重传

场景4：理解NDI（New Data Indicator）的含义

NDI是HARQ协议中一个精巧的信号：

调试陷阱：如果看到路测log中NDI频繁翻转但CRC一直失败，不要误以为是"新数据一直在失败"——每次NDI翻转意味着前一次HARQ进程被强制释放（可能是调度器超时），新的TB使用了该进程。需要检查为什么前一次传输未被正确反馈。

十、HARQ性能的数学直觉

软合并的增益可以用一个简化的公式理解：

Chase合并的SNR增益：

$$\text{SNR}{\text{combined}} = \sum$$}^{K} \text{SNR}_k \approx K \cdot \overline{\text{SNR}

两次传输约获得 3 dB 增益（$10\log_{10}(2) \approx 3\text{dB}$），三次约 4.8 dB。

增量冗余的额外编码增益：

$$\text{FER}{\text{IR}} \approx f\left(\frac{E_b}{N_0}, R\right)$$}

其中等效码率 $R_{\text{eff}} = R_0 / K$（$R_0$为初传码率，$K$为传输次数）。码率每降低一半，编码增益约增加 1-2 dB。

综合来看：

IR比CC多出的2-3dB，在小区边缘区域就是"能上网"和"断线"的区别。

十一、4G vs 5G HARQ全对比

常见问题

Q1: HARQ和ARQ到底是什么关系？是替代还是互补？

A: 是互补关系，不是替代。HARQ工作在MAC层，提供快速的物理层重传（1-4个时隙级）；ARQ工作在RLC层，是兜底机制。HARQ能解决90%以上的传输错误，剩下的交给ARQ。两者协同确保端到端数据完整性。

Q2: 为什么5G用LDPC码替代了4G的Turbo码？这对HARQ有什么影响？

A: LDPC码在长码块（大TB）场景下性能优于Turbo码，且并行度更高，更适合5G的大带宽高速率需求。对HARQ的影响是：LDPC支持更灵活的码块分段和CBG粒度，使得5G的CBG级重传更高效。LDPC的两个基图（Base Graph 1和2）分别针对大块和小块数据优化。

Q3: 软缓冲区溢出会怎样？

A: 接收端的软缓冲区大小是有限的（UE能力上报中包含）。如果TB过大或重传次数过多，软缓冲区可能装不下。此时较早的软比特会被覆盖丢弃，导致合并增益下降。5G通过限制最大CB数量和CBG粒度来管理缓冲区开销。

Q4: 实际网络中HARQ重传概率大概是多少？

A: 正常情况下，AMC（自适应调制编码）会将初始BLER控制在10%左右——也就是说大约10%的TB需要第一次HARQ重传。经过1次重传后残余错误率通常降到1%以下。如果重传率持续超过20%，通常意味着覆盖或干扰问题。在高速移动场景（高铁、车载）中，重传率会显著上升。

Q5: TDD网络中HARQ时序为什么比FDD复杂？

A: 因为TDD的上下行切换不是连续的——下行数据发送后，可能要等好几个时隙才轮到上行（用于发ACK/NACK），反之亦然。不同的上下行配比（如DDDSU、DSDDDSUU等）会导致不同的HARQ时序。5G NR通过灵活的 $K_1$ 指示解决了这个问题，但配置错误可能导致ACK/NACK无法及时发送，影响吞吐量。

参考来源

1. 5G HARQ - ShareTechnote — 5G HARQ与LTE HARQ对比，含冗余版本和循环缓冲区详解
2. How HARQ Soft Combining Actually Works — CafeTele — Chase合并与增量冗余的深入技术分析
3. 5G网络不掉线的秘密：HARQ重传与软合并 - CSDN博客 — 中文HARQ原理与NR实战配置案例
4. 5G HARQ Explained - Mohamed ElAdawi — HARQ进程、ACK/NACK时序、码本类型完整指南
5. 5G NR中的HARQ机制基本原理 - OFweek通信网 — HARQ传输策略与性能分析

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。