4. 速率匹配与HARQ：速率匹配算法、HARQ重传机制、软合并技术

各位同学，今天我们来聊聊物理层里一个非常关键、也特别有意思的话题——速率匹配与HARQ。说实话，我刚入行那会儿，觉得这玩意儿就是个简单的“打孔”和“重传”，后来在项目里被坑了几次，才真正明白它的分量。

速率匹配解决什么问题？说白了，就是让编码后的数据能塞进物理资源里。而HARQ呢，是保证数据传错了还能救回来。这两者配合得好，系统性能才能上去。我见过不少方案，速率匹配没做好，HARQ增益直接打对折。

4.1 速率匹配算法

速率匹配的核心思想很简单：把编码后的比特流，调整到与可用物理资源匹配的比特数。5G NR里用的是基于循环缓冲区的速率匹配，我特别喜欢这个设计，因为它天然支持HARQ。

具体怎么做呢？分三步走：

1. 比特收集：把LDPC编码后的系统位、校验位1、校验位2，按顺序写入一个循环缓冲区。
2. 比特选择：根据目标码率，从缓冲区里选出一段比特。码率高就多选校验位，码率低就少选。
3. 比特交织：把选出来的比特重新排列，抵抗突发错误。

这里有个细节，我当年踩过坑——循环缓冲区的起始位置。5G NR里，每次HARQ重传，起始位置都不一样。这个偏移量叫RV（Redundancy Version），取值0、1、2、3。RV不同，选出来的比特就不同，相当于每次重传都带了一部分新冗余。

我建议你在实现时，把循环缓冲区设计成环形数组，这样RV切换时只需要移动指针，效率很高。我曾经在一个FPGA项目里，用双端口RAM实现循环缓冲区，读写可以同时进行，吞吐量直接翻倍。

4.2 HARQ重传机制

HARQ，全称是Hybrid Automatic Repeat reQuest。说白了，就是自动重传请求的升级版。普通ARQ只重传，HARQ还带纠错能力。

5G NR用的是异步自适应HARQ。什么意思呢？

• 异步：重传可以在任意时刻发生，不固定时间点。这给了调度器很大的灵活性。
• 自适应：每次重传的MCS、资源分配都可以变化。比如第一次传用了16QAM，重传时信道变差了，可以降到QPSK。

我记得有一次做外场测试，UE在小区边缘，信道变化特别快。如果用了同步HARQ，重传时机固定，经常撞上信道深衰落。换成异步HARQ后，调度器可以等信道变好再重传，BLER直接降了5个点。

HARQ的流程是这样的：

1. 发送端发初传数据，带上HARQ进程ID和NDI（New Data Indicator）。
2. 接收端解码，如果成功，反馈ACK；失败，反馈NACK。
3. 发送端收到NACK后，根据RV配置，从循环缓冲区选新的比特组合，发起重传。
4. 接收端把初传和重传的软比特合并，再解码。
5. 重复直到成功或达到最大重传次数。

4.3 软合并技术

软合并是HARQ的精髓。没有软合并，HARQ就是普通的ARQ，性能差一大截。

软合并有两种方式：

合并方式	原理	适用场景
Chase合并（CC）	每次重传发送相同的比特，接收端把多次接收的LLR直接相加	码率不变，信噪比叠加
增量冗余（IR）	每次重传发送不同的冗余比特，接收端拼接后获得更低码率的码字	码率逐步降低，编码增益提升

5G NR主要用IR。为什么？因为IR的增益更大。你想想看，Chase合并只是把信号能量叠加了，但IR相当于每次重传都给你新的校验信息，编码增益是实打实的。

具体实现时，接收端需要维护一个软比特缓冲区。每次收到重传，根据RV找到对应的位置，把LLR值叠加进去。这里要注意：

• LLR的量化精度要够，我一般用6-8比特。太少了会损失软信息，太多了浪费存储。
• 缓冲区大小要按最大码率来设计。5G NR里，UE的软比特缓冲区大小是协议规定的，但基站侧可以灵活配置。
• 合并时要注意LLR的缩放。不同重传的信道质量可能不同，需要做归一化处理。

软合并的增益有多大？我给你们一个参考数据：在AWGN信道下，1次重传用IR，相比Chase合并，大约有1-2dB的增益。在衰落信道下，这个差距更大，因为IR能更好地利用信道的频率分集。

嗯，这里还要提一下HARQ进程管理。5G NR支持最多16个HARQ进程，每个进程独立工作。进程数太少，会导致发送端等待ACK/NACK的时间变长，吞吐量下降。进程数太多，缓冲区压力大。我一般建议根据RTT（往返时间）来配置，保证在等待反馈期间，发送端有足够的进程继续发数据。

最后总结一句：速率匹配和HARQ是物理层实现里最考验细节的地方。算法本身不难，但边界条件多、状态机复杂。我建议你在写代码之前，先把状态转移图画清楚，把每个RV的比特选择逻辑验证一遍。这样后面调试会省很多时间。

好，这一章就到这里。下一章我们讲信道估计与均衡，那是另一个有意思的话题。