基于早期HARQ重传控制的5G URLLC性能提升研究：面向TDD系统的高可靠低时延通信新方案

《IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine》：STAGNet: A Spatio-Temporal Graph and LSTM Framework for Accident Anticipation

本文针对5G超可靠低时延通信(URLLC)在时分工双工(TDD)系统中因混合自动重传请求(HARQ)反馈机制导致时延超标的关键问题，提出了一种基于信道状态信息的早期重传控制方法。研究人员通过3GPP高速公路模型下的系统级仿真验证表明，该方法在15/30/60 kHz子载波间隔下可将中断概率降低至1.75%（较传统HARQ提升4.12%），同时保持吞吐量损失仅0.76%，首次实现了TDD架构下1 ms时延约束与99.999%可靠性要求的协同优化，为5G-Advanced向6G超可靠低时延通信(HRLLC)演进提供了关键技术支撑。

　　

在自动驾驶、远程医疗等前沿应用快速发展的今天，超可靠低时延通信(URLLC)已成为5G移动通信系统的核心需求。根据3GPP标准，URLLC要求实现1毫秒以内的用户面时延和99.999%以上的数据包接收成功率。然而，传统混合自动重传请求(HARQ)技术由于依赖确认/否定确认(ACK/NACK)反馈机制，在时分工双工(TDD)系统中会产生1.41毫秒的传输时延，明显超出了URLLC的时延要求。这一矛盾成为制约5G在车联网等实时性要求极高场景中应用的关键瓶颈。

为解决这一难题，日本名古屋工业大学与软银公司的研究团队创新性地提出了基于瞬时信道状态信息的早期HARQ重传控制方法。该方法充分利用TDD系统的信道互易性特性，通过基站接收上行导频符号实时计算信干噪比(SINR)，并与预设阈值进行比较，从而在不需要ACK/NACK反馈的情况下实现智能重传决策。这一突破性设计使得重传时延降至0.91毫秒，成功满足URLLC的严格时延要求。

研究团队采用的关键技术方法包括：基于3GPP高速公路模型的系统级仿真平台，该平台采用19小区环绕布局，基站间距500米，车辆移动速度90公里/小时；利用信道互易性原理，通过解调参考信号(DMRS)实现瞬时SINR估计；建立阈值优化模型，通过回归方程动态调整重传决策阈值γ_th；采用低密度奇偶校验码(LDPC)与冗余版本(RV)序列[0,2]的混合自动重传请求机制。

接收端SINR特性分析

在高速公路传播模型中，研究人员观察到虽然平均接收SINR达到7.15 dB，但受路径损耗和阴影效应影响，SINR值偶尔会降至-5 dB以下。这种瞬时性质量恶化正是导致数据传输错误的主要原因，也凸显了早期重传机制的必要性。通过52.296公里连续行驶的仿真数据，研究为阈值设置提供了实证依据。

15 kHz子载波间隔下的性能验证

在子载波间隔为15 kHz、带宽10 MHz、延迟扩展363 ns的典型场景中，早期HARQ方法展现出显著优势。当阈值γ_th设置为-6.199 dB时，该方法在保持吞吐量657.16 kbps（仅比传统HARQ低0.32%）的同时，将总中断概率降至最低。特别值得注意的是，早期HARQ完全满足了2毫秒的时延要求，而传统闭环HARQ因反馈机制产生了明显的时延超标。

多场景适应性测试

研究团队进一步评估了该方法在15/30/60 kHz三种子载波间隔、不同带宽(5-30 MHz)和延迟扩展(93-1148 ns)条件下的适应性。结果显示，早期HARQ在所有测试场景中均实现了零时延中断，而传统HARQ因重传导致的时延中断概率最高达到4.12%。在吞吐量性能方面，早期HARQ平均仅比传统HARQ低0.76%，最大损失为2.24%（60 kHz SCS、10 MHz带宽、93 ns延迟扩展场景），最小损失仅0.32%。

阈值优化模型的有效性

研究人员提出的阈值回归方程γ_th=1.264log₂(x_SCS)+1.459log₂(x_BW)+1.938log₂(x_ds)-17.557被证明在不同信道条件下均能提供合理的阈值设置。该模型通过综合考虑子载波间隔、带宽、延迟扩展等关键参数，使早期HARQ方法在-8 dB至-2 dB的阈值范围内都能保持优良性能。

本研究通过系统性的仿真验证，证实了早期HARQ方法在5G TDD系统中实现URLLC要求的可行性。该方法不仅解决了传统HARQ时延超标的核心问题，还避免了机器学习等复杂架构的引入，具有较高的工程实施价值。研究结果对5G-Advanced向6G的演进具有重要意义，特别是在自动驾驶、远程控制等对时延和可靠性有极端要求的应用场景中，该技术可为网络设计提供重要参考。未来研究方向包括在多用户场景下的扩展应用以及与实际系统设备的集成验证。

论文最终结论强调，早期HARQ重传控制方法成功平衡了URLLC系统中可靠性与时延之间的矛盾，在多种信道环境下均表现出色。这一创新方案为5G TDD系统的优化提供了新思路，也为后续6G超可靠低时延通信(HRLLC)的技术发展奠定了坚实基础。该研究成果发表于《IEEE Access》期刊，对推动移动通信技术在前沿应用领域的落地具有重要指导意义。