HSUPA技術(shù)介紹

時(shí)間：2012-10-04　來源：　作者：鼎橋通信技術(shù)有限公司　點(diǎn)擊：次

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1、HSUPA應(yīng)用需求

隨著移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不斷增長，無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求不斷凸顯出來，同時(shí)要求無線系統(tǒng)本身必須具有適合傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的一些特性，如高吞吐量、高突發(fā)性、高可靠性等。提供這樣的業(yè)務(wù)對系統(tǒng)容量和數(shù)據(jù)傳輸速率、質(zhì)量提出了較高的要求，例如高質(zhì)量的視頻流、無線視頻會議電話、音樂、電子郵件等應(yīng)用。
隨著HSDPA對下行鏈路性能的提高，實(shí)時(shí)交互和基于IP的業(yè)務(wù)又提出了優(yōu)化上行鏈路的需求。3GPP和CCSA對HSUPA標(biāo)準(zhǔn)化的主要目標(biāo)是：顯著提高上行數(shù)據(jù)分組的峰值傳輸速率，顯著提高上行數(shù)據(jù)分組傳輸?shù)目傮w吞吐量同時(shí)減小數(shù)據(jù)分組的傳輸延遲、減小誤幀率，改善上行專有或共享傳輸信道的性能，從而更好地支持視頻電話、多媒體、電子郵件、遠(yuǎn)程信息處理、游戲、電視短片等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。對無線接入網(wǎng)而言其著眼點(diǎn)是提高背景類、交互類、流類業(yè)務(wù)的峰值速率，并提供對流媒體的保證比特率業(yè)務(wù)支持。

2、HSUPA技術(shù)原理

2.1 自適應(yīng)調(diào)制編碼AMC

3GPP Release 4以前使用的調(diào)制方式都是QPSK，編碼器采用的是固定速率的卷積編碼或Turbo編碼，調(diào)制編碼方式一旦在業(yè)務(wù)建立或重配置時(shí)確定就不能再更改。HSUPA使用的調(diào)制和編碼方式AMC是一種自適應(yīng)的技術(shù)，在通話過程中當(dāng)信道條件改變時(shí)，調(diào)制方式可以相應(yīng)地在QPSK和16QAM之間改變，相應(yīng)地編碼速率也可以在0到1之間選擇最優(yōu)的方式改變。當(dāng)信道條件較好時(shí)，AMC會選擇一個(gè)需要較高載干比的調(diào)制與編碼格式以充分利用現(xiàn)有的信道條件。反之，當(dāng)信道條件較差時(shí)，AMC會選擇一個(gè)低階的調(diào)制方式和較低的編碼速率。
采用AMC的好處之一是在鏈路自適應(yīng)過程中，通過調(diào)整調(diào)制編碼方案而不是調(diào)整發(fā)射功率的方法降低干擾水平，這就克服了傳統(tǒng)功率控制過程中各擴(kuò)頻碼功率變化過程中對其它碼道干擾的變化，可以將載干比維持在一個(gè)相對穩(wěn)定的水平上。
AMC的另一個(gè)好處是提高了上下行鏈路的吞吐量。使用AMC后，對于靠近Node B的用戶，充分利用現(xiàn)有的信道條件，使用高階的調(diào)制方案和較高的編碼速率，來最大化下行鏈路的數(shù)據(jù)吞吐量。

2.2 混合自動重傳請求HARQ

在3GPP的早期版本（Release 99）中，自動重傳請求ARQ和前向糾錯(cuò)編碼FEC分別在RLC和物理層實(shí)現(xiàn)。HSDPA和HSUPA引入了混合自動重傳請求(HARQ)技術(shù)，把前向糾錯(cuò)（FEC）和ARQ 方法結(jié)合在一起，并將兩者統(tǒng)一放到物理層，大大提高了編碼和重傳的效率。HARQ保存以前嘗試中的失敗信息，用于將來的解碼，是一種暗示性鏈路適配技術(shù)。而AMC 采用明示的C/I 或類似措施，設(shè)置調(diào)制和編碼格式，而且HARQ根據(jù)鏈路層確認(rèn)(ACK/NACK)制訂重傳決策。簡單地說，AMC 提供了比較粗略的數(shù)據(jù)速率選擇，而HARQ 則根據(jù)信道條件提供微調(diào)功能。
HARQ與傳統(tǒng)ARQ最大的不同在于每一次重傳都起作用，接收端在解碼之前會將接收到的傳輸塊的所有首傳/重傳版本進(jìn)行合并，之后才進(jìn)行解碼。根據(jù)信道環(huán)境和負(fù)載情況的不同，HARQ 采用了兩種“軟組合”方案來保證消息的正確解碼。追蹤合并（Chase Combine）方式需要在重傳時(shí)發(fā)送與首次傳輸完全相同的分組，接收端在解碼前解碼器會組合收到的副本。增量冗余(Incremental Redundancy)方式要求每次重傳遞增發(fā)送冗余信息，而且每次重傳包含不同的冗余比特，接收端將各次重傳的冗余比特與初始傳輸?shù)娜哂啾忍叵嘟Y(jié)合，從而提高冗余數(shù)據(jù)量以及從空中接口引入的錯(cuò)誤中恢復(fù)的可能性。
為了保證數(shù)據(jù)包的順序傳遞和UE側(cè)的優(yōu)先級處理，E-DCH傳輸信道上會攜帶用于HARQ的帶內(nèi)信令，包括HARQ進(jìn)程號和重傳序列號。一個(gè)數(shù)據(jù)包的首傳和重傳使用相同的HARQ進(jìn)程，重傳序列號與冗余版本相對應(yīng)。此外在發(fā)送端和接收端的MAC-e實(shí)體中都要有一個(gè)緩沖區(qū)，以臨時(shí)存放需要重傳和重排序的MAC-e協(xié)議數(shù)據(jù)單元。
HSUPA中采用了并行的N信道停等方式HARQ。整個(gè)HARQ機(jī)制如圖1所示。Node B分配的物理資源在E-AGCH信道上發(fā)送。E-DCH信道承載的數(shù)據(jù)由隨后的E-HICH信道采用一個(gè)固定的定時(shí)關(guān)系應(yīng)答。
每個(gè)UE的HARQ實(shí)體包括8個(gè)HARQ進(jìn)程（其中4個(gè)HARQ進(jìn)程用于調(diào)度傳輸，4個(gè)HARQ進(jìn)程用于非調(diào)度傳輸），所以這里是4信道停等的HARQ。圖中的HARQ工作流程分如下幾個(gè)步驟：

如果在子幀i接收到一個(gè)絕對授權(quán)（Absolute Grant），這時(shí)UE在子幀(i+T1)傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)塊；
對應(yīng)于在子幀(i+T1)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊，UE將在子幀(i+T1+T2)接收到一個(gè)ACK/NACK反饋，這個(gè)ACK/NACK是通過對E-HICH信道解碼得到的；
如果在子幀(i+T1+T2)接收到NACK反饋，UE需要等待接收到一個(gè)絕對授權(quán)（Absolute Grant）之后才能進(jìn)行重傳；
對于隨后的重傳，接收到NACK反饋和授權(quán)之間的時(shí)間間隔T3是可變的，其時(shí)長依賴于Node B的調(diào)度決策；
如果在子幀(i+T1+T2)接收到一個(gè)ACK反饋，UE將丟棄前面在子幀(i+T1)已經(jīng)傳輸過的數(shù)據(jù)塊，并將與這個(gè)數(shù)據(jù)塊對應(yīng)的HARQ進(jìn)程重新分配給后續(xù)數(shù)據(jù)塊；
HARQ進(jìn)程個(gè)數(shù)是與T1和T2相關(guān)聯(lián)的。

圖1：TD-SCDMA E-DCH HARQ過程

2.3 Node B控制的快速調(diào)度

在Release 5及以前的版本中，對UE的上行調(diào)度由RNC控制，屬于無線資源管理(RRM)的范疇。HSUPA中引入了Node B控制的快速調(diào)度來實(shí)現(xiàn)資源分配和系統(tǒng)負(fù)荷控制。Node B通過一些措施來約束終端可選的傳輸格式和編碼方式，但不做最終決定，UE根據(jù)一定的準(zhǔn)則，在可選的E-TFCS中做出選擇并通知Node B。
Node B調(diào)度的目的是根據(jù)一定的原則合理分配HSUPA用戶去共享公共資源。在HSDPA中，下行總功率通常是一定的，共享的資源體現(xiàn)為碼道或者時(shí)隙資源；而在HSUPA中，控制目標(biāo)則是要求上行RoT值穩(wěn)定于一個(gè)目標(biāo)值。對于WCDMA系統(tǒng)而言，由于其擴(kuò)頻系數(shù)大，采用長擾碼區(qū)分用戶，而沒有信道化碼的約束，這樣上行受限于干擾總體情況，共享資源體現(xiàn)為上行功率資源，或者說是RoT資源。同時(shí)WCDMA有下行宏分集，終端可以接收來自鄰小區(qū)基站的功率控制指令，從而有效的控制對鄰小區(qū)RoT的抬升。而對于TD-SCDMA系統(tǒng)，由于碼道數(shù)相對較少，共享資源體現(xiàn)為功率和碼道兩方面。因此，F(xiàn)DD系統(tǒng)的Node B調(diào)度體現(xiàn)為功率調(diào)度，TDD的調(diào)度體現(xiàn)為功率調(diào)度和OVSF碼道調(diào)度兩方面。
另外，Node B需要知道終端的業(yè)務(wù)量信息、HARQ忙閑狀態(tài)，以及終端的功率余量或者路損信息作為調(diào)度依據(jù)，最終達(dá)到合理分配上行資源、有效控制系統(tǒng)小區(qū)內(nèi)及小區(qū)間干擾、提高上行系統(tǒng)有效吞吐量的目的。
對于TD-SCDMA系統(tǒng)，上行系統(tǒng)同時(shí)受限于碼道資源和上行RoT水平。同時(shí)，由于TD-SCDMA系統(tǒng)帶寬窄、碼道資源少，調(diào)度的主要目的轉(zhuǎn)換為碼道的調(diào)度和速率的控制。又由于TD系統(tǒng)沒有WCDMA系統(tǒng)的下行宏分集，終端無法接收來自其它相鄰基站的功率控制指令，因此單小區(qū)的RoT控制基本上是以穩(wěn)定于某一個(gè)目標(biāo)值為基本出發(fā)點(diǎn)。

2.4 高階調(diào)制

常用的提高數(shù)據(jù)速率的方法有增加系統(tǒng)帶寬和采用高階調(diào)制方式兩種。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平滑升級，增加系統(tǒng)帶寬往往不切合實(shí)際，因此多采用高階調(diào)制方式來提高數(shù)據(jù)速率。采用高階調(diào)制后，在相同的物理資源下，每個(gè)符號可以傳輸更多的比特，從而提高信息速率。在不增加系統(tǒng)帶寬的條件下，高階調(diào)制可以提高頻譜利用率。常用的調(diào)制方式包括QPSK、8PSK、16QAM（甚至64QAM或更高）等。PSK調(diào)制方式利用不同的相位來傳輸信息，而QAM調(diào)制方式則通過幅度和相位共同來傳輸信息。
然而，高階調(diào)制雖然提高了數(shù)據(jù)速率，但它對信道條件的要求更為苛刻，需要較高的信噪比才能正確解調(diào)。此外，高階調(diào)制的功率峰均比(PAPR)比較高，對功放的線性區(qū)間要求也比較高。這些都需要在設(shè)備實(shí)現(xiàn)過程中予以考慮。

3、新增物理信道

為了實(shí)現(xiàn)上述新技術(shù)，HSUPA新增了一些傳輸信道和物理信道。這些信道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到HSUPA技術(shù)應(yīng)用在TD-SCDMA系統(tǒng)中的性能。新增信道的設(shè)計(jì)需要充分考慮TD-SCDMA系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)特點(diǎn)，同時(shí)考慮鏈路自適應(yīng)、物理層快速重傳和快速調(diào)度等技術(shù)的應(yīng)用。新增的傳輸信道包括：

增強(qiáng)的專用信道(E-DCH)：用來承載上行增強(qiáng)數(shù)據(jù)，映射的物理信道是E-PUCH；
E-DCH上行控制信道(E-UCCH)：用來承載E-DCH解碼需要的相關(guān)信令，如傳輸塊大小、重傳序列號和HARQ進(jìn)程號等。

新增的物理信道包括：

E-DCH隨機(jī)接入上行控制信道(E-RUCCH)：承載了調(diào)度信息和UE的無線網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)標(biāo)識(E-RNTI)；
E-DCH絕對授權(quán)信道(E-AGCH)：承載基站的調(diào)度信息，包括功率及物理資源的配置等；
E-DCH物理上行信道(E-PUCH)：E-DCH與E-UCCH這兩個(gè)傳輸信道復(fù)用在一起映射到E-PUCH上；
E-DCH HARQ應(yīng)答指示信道(E-HICH)，承載HARQ應(yīng)答消息ACK/NACK。

其中E-RUCCH和E-PUCH為上行物理信道，E-AGCH和E-HICH為下行物理信道。

上行物理層模型：
下圖是UE同時(shí)具有E-DCH、DCH和HS-DSCH時(shí)的上行物理層模型：

圖2：UE上行物理層模型

下行物理層模型：
下圖是UE同時(shí)具有E-DCH、DCH和HS-DSCH時(shí)的下行物理層模型：

圖3：UE下行物理層模型
E-PUCH是在Node B MAC-e的調(diào)度實(shí)體控制下分配給E-DCH的物理資源，且映射到E-DCH類型的編碼組合傳輸信道CCTrCH。
E-PUCH物理資源分為非調(diào)度資源和調(diào)度資源。非調(diào)度資源由RNC通過高層信令進(jìn)行分配，而調(diào)度資源由Node B MAC-e的調(diào)度實(shí)體進(jìn)行控制分配的。
E-RUCCH映射到由UTRAN定義的相應(yīng)的PRACH物理資源上。
E-DCH HARQ ACK/NACK在E-HICH物理信道上進(jìn)行發(fā)送，UE從UTRAN收到ACK/NACK以后通過L1上傳給MAC。
UE在每個(gè)TTI可以監(jiān)控多個(gè)E-AGCH信道，只要從其中一個(gè)E-AGCH解出它自己的UE ID，就收到一次絕對授權(quán)的資源。

4、業(yè)務(wù)能力提高

下表是上行時(shí)隙數(shù)>=3時(shí)HSUPA吞吐量與R4吞吐量的比較，可以看出HSUPA相比R4在吞吐量方面有大約3倍的提高。

UL:DL時(shí)隙比	HSUPA最大可用時(shí)隙數(shù)	最大吞吐量	R4吞吐量
5:1	5	2.2Mbps	0.640Mbps
4:2	4	1.65Mbps	0.512Mbps
3:3	3	1.1Mbps	0.384Mbps

這一提高一部分歸功于高階調(diào)制的引入，另一部分歸功于HARQ、AMC以及Node B的快速調(diào)度。在引入HARQ和AMC之前，由于重傳控制和編碼速率的控制都在RNC，對信道快衰落的跟蹤幾乎沒有，這樣為了達(dá)到一定的誤碼率要求必須以較低的碼率和較高的發(fā)送功率來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，給無線資源的使用帶來了不必要的浪費(fèi)；引入HARQ和AMC以后重傳控制和編碼速率的控制都放到了Node B，Node B能夠非常及時(shí)地跟蹤信道衰落變化并依此調(diào)整編碼速率，而且因?yàn)橛辛薍ARQ的快速重傳，對每次傳輸?shù)恼`碼率要求都降低了很多，編碼保護(hù)的要求也因此降低，這樣相同的物理信道比特?cái)?shù)就可以傳遞更多的信息比特。

(中國集群通信網(wǎng) | 責(zé)任編輯：陳曉亮)