طلب التكرار التلقائي الهجين

طلب إعادة الإرسال التلقائي الهجين (HARQ ) هو مزيج من تصحيح الأخطاء الأمامية عالي السرعة (FEC) والتحكم في أخطاء طلب إعادة الإرسال التلقائي (ARQ). في ARQ القياسي، تُضاف بتات زائدة إلى البيانات المراد إرسالها باستخدام رمز كشف الأخطاء (ED) مثل فحص التكرار الدوري (CRC). عند اكتشاف رسالة تالفة، يطلب جهاز الاستقبال رسالة جديدة من المرسل. أما في ARQ الهجين، فتُشفّر البيانات الأصلية باستخدام رمز FEC، وتُرسل بتات التكافؤ إما فورًا مع الرسالة أو عند الطلب فقط عندما يكتشف جهاز الاستقبال رسالة خاطئة. يمكن الاستغناء عن رمز ED عند استخدام رمز قادر على تصحيح الأخطاء الأمامية (FEC) بالإضافة إلى كشف الأخطاء، مثل رمز ريد-سولومون . يُختار رمز FEC لتصحيح مجموعة فرعية متوقعة من جميع الأخطاء المحتملة، بينما تُستخدم طريقة ARQ كخيار احتياطي لتصحيح الأخطاء التي لا يمكن تصحيحها باستخدام التكرار المُرسل في الإرسال الأولي فقط. نتيجةً لذلك، يُظهر بروتوكول ARQ الهجين أداءً أفضل من بروتوكول ARQ العادي في ظروف الإشارة الضعيفة، ولكن في أبسط صوره، يأتي هذا على حساب انخفاض ملحوظ في معدل نقل البيانات في ظروف الإشارة الجيدة. عادةً ما توجد نقطة فاصلة لجودة الإشارة يكون عندها بروتوكول ARQ الهجين البسيط أفضل، وعندها يكون بروتوكول ARQ الأساسي أفضل.

يُضيف أبسط إصدار من بروتوكول HARQ، وهو النوع الأول منه ، معلومات تصحيح الأخطاء (ED) وتصحيح الأخطاء الأمامية (FEC) إلى كل رسالة قبل إرسالها. عند استلام كتلة البيانات المشفرة، يقوم المُستقبِل أولاً بفك تشفير رمز تصحيح الأخطاء. إذا كانت جودة القناة جيدة بما يكفي، يُمكن تصحيح جميع أخطاء الإرسال، ويستطيع المُستقبِل الحصول على كتلة البيانات الصحيحة. أما إذا كانت جودة القناة رديئة، ولم يكن بالإمكان تصحيح جميع أخطاء الإرسال، فسيكتشف المُستقبِل هذه الحالة باستخدام رمز كشف الأخطاء، ثم يتم رفض كتلة البيانات المشفرة المُستلمة، ويطلب المُستقبِل إعادة إرسالها، على غرار بروتوكول ARQ. ^{[ 1 ]}

في شكل أكثر تطوراً، وهو بروتوكول HARQ من النوع الثاني ، يقوم مُرسِل الرسالة بالتناوب بين بتات الرسالة وبتات التكافؤ لكشف الأخطاء وبتات تكافؤ تصحيح الأخطاء الأمامية فقط. عند استلام الإرسال الأول خالياً من الأخطاء، لا تُرسَل بتات تكافؤ تصحيح الأخطاء الأمامية. كما يمكن دمج إرسالين متتاليين لتصحيح الأخطاء إذا لم يكن أي منهما خالياً منها. ^{[ 2 ]}

لفهم الفرق بين بروتوكول ARQ الهجين من النوع الأول والنوع الثاني، انظر إلى حجم المعلومات المضافة بواسطة كل من ED وFEC: عادةً ما يضيف اكتشاف الأخطاء بضعة بايتات فقط إلى الرسالة، وهو ما يمثل زيادة طفيفة في طولها. أما FEC، فيمكنه غالبًا مضاعفة طول الرسالة أو حتى ثلاثة أضعافها باستخدام وحدات تصحيح الأخطاء. من حيث الإنتاجية، يستهلك بروتوكول ARQ القياسي عادةً نسبة قليلة من سعة القناة لتوفير حماية موثوقة ضد الأخطاء، بينما يستهلك FEC عادةً نصف سعة القناة أو أكثر لتحسينها.

في بروتوكول ARQ القياسي، يجب استلام الإرسال دون أي خطأ حتى ينجح اكتشاف الأخطاء. أما في بروتوكول ARQ الهجين من النوع الثاني، فيحتوي الإرسال الأول على البيانات فقط واكتشاف الأخطاء (كما هو الحال في بروتوكول ARQ القياسي). إذا تم استلامه دون أخطاء، ينتهي الإرسال. أما إذا تم استلام بيانات بها أخطاء، فسيحتوي الإرسال الثاني على بيانات التكافؤ لتصحيح الأخطاء الأمامية واكتشاف الأخطاء. إذا تم استلامه دون أخطاء، ينتهي الإرسال. أما إذا تم استلام بيانات بها أخطاء، فيمكن محاولة تصحيحها بدمج المعلومات المستلمة من كلا الإرسالين.

يعاني بروتوكول ARQ الهجين من النوع الأول فقط من فقدان السعة في ظروف الإشارة القوية. أما بروتوكول ARQ الهجين من النوع الثاني فلا يعاني من ذلك، لأن بتات تصحيح الخطأ الأمامي (FEC) تُرسل فقط عند إعادة الإرسال اللاحقة حسب الحاجة. في ظروف الإشارة القوية، يؤدي بروتوكول ARQ الهجين من النوع الثاني أداءً بسعة مماثلة لبروتوكول ARQ القياسي. وفي ظروف الإشارة الضعيفة، يؤدي بروتوكول ARQ الهجين من النوع الثاني أداءً بحساسية مماثلة لحساسية بروتوكول FEC القياسي.

عمليًا، غالبًا ما تُخزَّن كتل البيانات المشفرة التي تم استلامها بشكل خاطئ في جهاز الاستقبال بدلًا من تجاهلها، وعند استلام الكتلة المعاد إرسالها، يتم دمج الكتلتين. يُطلق على هذه العملية اسم "إعادة الإرسال الهجينة مع الدمج الناعم" (دالمان وآخرون، ص  120). مع أنه من الممكن ألا يُمكن فك تشفير إرسالين مُحددين بشكل مستقل دون خطأ، إلا أنه قد يحدث أن يُوفر لنا دمج الإرسالات التي تم استلامها بشكل خاطئ سابقًا معلومات كافية لفك التشفير بشكل صحيح. توجد طريقتان رئيسيتان للدمج الناعم في إعادة الإرسال الهجينة مع الدمج الناعم:

• دمج التتبع: تحتوي كل عملية إعادة إرسال على نفس المعلومات (بيانات وبتات التكافؤ). يستخدم جهاز الاستقبال دمج النسبة القصوى لدمج البتات المستلمة مع البتات نفسها من عمليات الإرسال السابقة. ولأن جميع عمليات الإرسال متطابقة، يمكن اعتبار دمج التتبع بمثابة ترميز تكراري إضافي . ويمكن اعتبار كل عملية إعادة إرسال بمثابة إضافة طاقة إضافية إلى الإرسال المستلم من خلال زيادة نسبة Eb/N0 .
• التكرار التزايدي: تحتوي كل عملية إعادة إرسال على معلومات مختلفة عن سابقتها. يتم توليد مجموعات متعددة من البتات المشفرة، تمثل كل منها نفس مجموعة بتات المعلومات. عادةً ما تستخدم عملية إعادة الإرسال مجموعة مختلفة من البتات المشفرة عن الإرسال السابق، مع إصدارات تكرار مختلفة يتم توليدها عن طريق ثقب مخرج المُشفِّر. وبالتالي، يحصل المُستقبِل على معلومات إضافية في كل عملية إعادة إرسال.

توجد عدة صيغ للطريقتين الرئيسيتين. على سبيل المثال، في دمج المطاردة الجزئي، يُعاد إرسال مجموعة فرعية فقط من البتات في الإرسال الأصلي. أما في التكرار التزايدي الجزئي، فتُضمَّن البتات النظامية دائمًا بحيث يكون كل إرسال قابلًا للفك الذاتي.

من أمثلة تقنية HARQ ذات التكرار التزايدي تقنية HSDPA : حيث تُشفّر كتلة البيانات أولاً باستخدام رمز Turbo مثقوب بنسبة 1/3 ، ثم خلال كل عملية إرسال (إعادة إرسال)، تُثقب الكتلة المشفرة عادةً بشكل أكبر (أي يتم اختيار جزء فقط من البتات المشفرة) وتُرسل. يختلف نمط الثقب المستخدم خلال كل عملية إرسال (إعادة إرسال)، لذا تُرسل بتات مشفرة مختلفة في كل مرة. على الرغم من أن معيار HSDPA يدعم كلاً من دمج Chase والتكرار التزايدي، فقد ثبت أن التكرار التزايدي يتفوق دائمًا تقريبًا على دمج Chase، على حساب زيادة التعقيد. ^{[ 3 ]}

يمكن استخدام بروتوكول HARQ في وضع الإيقاف والانتظار أو في وضع التكرار الانتقائي . يُعد وضع الإيقاف والانتظار أبسط، لكن انتظار تأكيد المُستقبِل يُقلل من الكفاءة. لذا، غالبًا ما تُنفَّذ عمليات HARQ المتعددة في وضع الإيقاف والانتظار بالتوازي عمليًا: فبينما تنتظر إحدى عمليات HARQ تأكيدًا، يُمكن لعملية أخرى استخدام القناة لإرسال المزيد من البيانات.

هناك رموز تصحيح الأخطاء الأمامية الأخرى التي يمكن استخدامها في مخطط HARQ إلى جانب رموز Turbo، على سبيل المثال رمز التكرار والتجميع غير المنتظم الممتد (eIRA) ورمز Efficiently-Encodable Rate-Compatible (E2RC)، وكلاهما عبارة عن رموز فحص التكافؤ منخفضة الكثافة .

تُستخدم تقنية HARQ في شبكات HSDPA و HSUPA التي توفر نقل بيانات عالي السرعة (في اتجاه التنزيل والرفع على التوالي) لشبكات الهاتف المحمول مثل UMTS ، وفي معيار IEEE 802.16-2005 للوصول اللاسلكي عريض النطاق عبر الهاتف المحمول، والمعروف أيضًا باسم "WiMAX المحمول" . كما تُستخدم أيضًا في شبكات Evolution-Data Optimized وشبكات LTE اللاسلكية.

يُستخدم بروتوكول ARQ الهجين من النوع الأول في معيار ITU-T G.hn ، وهو معيار شبكة محلية عالية السرعة قادر على العمل بمعدلات بيانات تصل إلى 1  جيجابت/ثانية عبر الأسلاك المنزلية الموجودة ( خطوط الكهرباء ، وخطوط الهاتف، والكابلات المحورية ). يستخدم G.hn خوارزمية CRC-32C لاكتشاف الأخطاء، وLDPC لتصحيح الأخطاء الأمامية، وتقنية التكرار الانتقائي لبروتوكول ARQ.

• سولجانين، إيمينا؛ روهينغ ليو؛ بريدراج سباسوجيفيتش (2004). "بروتوكول ARQ الهجين مع تخصيصات الإرسال العشوائية" . التطورات في نظرية معلومات الشبكات . بروفيدنس، رود آيلاند : الجمعية الرياضية الأمريكية . ص 321-334 . ISBN  0-8218-3467-3تم الاطلاع عليه بتاريخ 18 مارس 2009 .متوفر أيضاً كنسخة أولية .
• كومرو، ر.؛ د. كوستيلو (يوليو 1984). "مخططات ARQ لنقل البيانات في أنظمة الراديو المتنقلة". مجلة IEEE للمجالات المختارة في الاتصالات . 2 (4): 472-481 . Bibcode : 1984IJSAC...2..472C . doi : 10.1109/JSAC.1984.1146084 .
• دافيدا، جورج آي .؛ سودهاكار إم. ريدي (سبتمبر 1972). "تصحيح الخطأ الأمامي باستخدام التغذية الراجعة للقرار" . المعلومات والتحكم . 21 (2): 117-133 . doi : 10.1016/S0019-9958(72)90057-5 .
• مطابقة المعدل و HARQ (WCDMA/HSDPA) .
• دالمان، إريك؛ باركفال، ستيفان؛ سكولد، يوهان. بيمينغ، لكل (2008). تطور 3G – HSPA وLTE للنطاق العريض للأجهزة المحمولة (2  ed.). الصحافة الأكاديمية. ص 119 – 123. ISBN  978-0-12-374538-5.