TD-HSUPA：更高傳輸速率改善用戶體驗(yàn)

摘要：TD-SCDMA（以下簡稱TD）系統(tǒng)引入HSUPA技術(shù)后，將極大地提高對(duì)上行分組數(shù)據(jù)的支持，以及系統(tǒng)承載數(shù)據(jù)服務(wù)的容量，并為高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供更好的覆蓋。用戶將能感受到更好的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、更短的服務(wù)反應(yīng)時(shí)間和更可靠的服務(wù)。同時(shí)，TD-HSUPA 標(biāo)準(zhǔn)化工作的完成于TD后續(xù)產(chǎn)品的開發(fā)也具有指導(dǎo)和參考作用。

一、概述

隨著3GPP HSDPA標(biāo)準(zhǔn)化的完成，3G系統(tǒng)對(duì)下行分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持能力有了很大的增強(qiáng)。這自然就引發(fā)了一個(gè)考慮，HSDPA采用的關(guān)鍵技術(shù)是否可以應(yīng)用于上行分組業(yè)務(wù)的優(yōu)化，進(jìn)而對(duì)覆蓋、吞吐量以及時(shí)延等上行性能進(jìn)行改善。于是，3GPP啟動(dòng)了針對(duì)HSUPA技術(shù)的研究，最早是建立了WCDMA上行增強(qiáng)可行性分析的研究項(xiàng)目。隨后，TDD廠家也提出并建立了TDD上行增強(qiáng)研究項(xiàng)目，對(duì)基站快速調(diào)度、AMC、HARQ等技術(shù)進(jìn)行評(píng)估。作為3GPP標(biāo)準(zhǔn)重要組成部分的TD-SCDMA，也在HSUPA方面做了很多研究和評(píng)估工作。

二、四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)提高峰值速率

上行增強(qiáng)技術(shù)的主要目的是顯著提高分組數(shù)據(jù)的峰值傳輸速率，以及上行分組數(shù)據(jù)的總體吞吐率，同時(shí)減少傳輸延遲和誤幀率。在TD系統(tǒng)中，與HSDPA相似，HSUPA主要考慮的技術(shù)包括AMC、HARQ、Node B快速調(diào)度，以及用戶終端（UE）如何共享上行信道資源。

1.  上行資源共享

在上行資源共享方面，TDD與FDD系統(tǒng)有所不同。在FDD系統(tǒng)中，HSUPA與HSDPA的不同之處在于：HSDPA中，HS-DSCH作為一個(gè)共享信道，為多用戶共享；而HSUPA中，每個(gè)用戶都有自己到Node B的數(shù)據(jù)鏈路。TDD系統(tǒng)則由于使用cell-specific擾碼區(qū)分小區(qū)，因而上行碼道受限，因此，增強(qiáng)技術(shù)考慮的出發(fā)點(diǎn)還是基于共享資源的考慮，采用共享機(jī)制可以緩解資源受限的問題。

2.  Node B快速調(diào)度

Node B快速調(diào)度的主要好處在于減小傳輸時(shí)延和提高吞吐量，這是因?yàn)闇p少了Iub接口上的傳輸過程以及對(duì)重傳、UE緩存測量的快速反饋。

除了在時(shí)延和吞吐量方面的好處，TD上行增強(qiáng)采用基站調(diào)度在資源分配和干擾控制兩個(gè)方面也都帶來了好處。由于TDD上行碼道資源受限，對(duì)物理資源采用共享形式，并由基站進(jìn)行快速調(diào)度，可以緩解碼道資源受限以及快速適應(yīng)無線環(huán)境變化。而且，通過快速控制UE的速率，基站也可以更好地控制空中接口的干擾情況。

3.  AMC

作為鏈路自適應(yīng)技術(shù)的AMC，通過在信道質(zhì)量好的情況下采用高階調(diào)制來提高系統(tǒng)容量，其原理與HSDPA中類似。

在上行采用什么樣的調(diào)制方式，需要從系統(tǒng)性能和對(duì)UE功放的影響兩方面進(jìn)行分析。根據(jù)仿真結(jié)果，采用8PSK和16QAM，相對(duì)于僅用QPSK的情況，系統(tǒng)容量可提升54%~56%。

在上行，峰均比也是一個(gè)需要注意的問題，因此，對(duì)于采用高階調(diào)制后對(duì)UE功率回退的影響也進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，8PSK的峰均比較QPSK方式略低。對(duì)于16QAM，峰均比較QPSK方式高出2.1 dB。

4.  HARQ

類似于HSDPA，HARQ可以對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行快速重傳，并且減少無線鏈路控制（RLC）重傳以改善用戶體驗(yàn)。因此，在上行增強(qiáng)中對(duì)HARQ的考慮主要在于減少時(shí)延和提高用戶及系統(tǒng)的吞吐量。HARQ的采用對(duì)物理層和MAC層都將產(chǎn)生影響，在上行增強(qiáng)中引入HARQ，需要慎重考慮Node B、UE存儲(chǔ)空間的要求，以及帶來的信令負(fù)荷、復(fù)雜度、UE功率限制等因素。

5.  TD-SCDMA HSUPA 與HSDPA的比較

雖然HSUPA與HSDPA采用的關(guān)鍵技術(shù)相同，但是在具體的實(shí)現(xiàn)方式上，HSUPA還是與HSDPA有著一些差別（見表1）。這主要是由于在上行，調(diào)度控制在基站，但是數(shù)據(jù)傳輸卻在UE進(jìn)行，因此基站需要獲得調(diào)度相關(guān)的信息，并且上行干擾控制也是一個(gè)需要慎重考慮的問題。

表1  HSUPA與HSDPA的差異

三、系統(tǒng)改進(jìn)支持新標(biāo)準(zhǔn)

1.  UE側(cè)MAC-e/es結(jié)構(gòu)

UE側(cè)MAC-e/es實(shí)體負(fù)責(zé)處理E-DCH相關(guān)功能，主要分為以下四部分。

HARQ實(shí)體處理HARQ協(xié)議的相關(guān)功能。其負(fù)責(zé)MAC-e負(fù)載的存儲(chǔ)與重傳，HARQ協(xié)議相關(guān)配置信息由RRC通過MAC-Cotrol SAP進(jìn)行配置；HARQ實(shí)體確定L1層傳輸需要的HARQ進(jìn)程ID、E-TFC、重傳序號(hào)RSN及power offset的指示等，HARQ傳輸?shù)腞V參數(shù)可以從RSN中推導(dǎo)出，而且，RRC也能夠?qū)�L1層的每次傳輸都配置為RV=0。

復(fù)用及TSN設(shè)置實(shí)體負(fù)責(zé)將多個(gè)MAC-d PDU級(jí)聯(lián)到一個(gè)MAC-es PDU中，以及將一個(gè)或多個(gè)MAC-es PDU復(fù)用到一個(gè)MAC-e PDU，并根據(jù)E-TFC選擇功能的指示，準(zhǔn)備在下一個(gè)TTI內(nèi)傳輸。同時(shí)，該實(shí)體也負(fù)責(zé)管理與設(shè)置每條邏輯信道中每個(gè)MAC-es PDU的TSN。

E-TFC選擇實(shí)體根據(jù)從UTRAN接收到的調(diào)度信息（來自E-AGCH）及RRC通知的Serving Grant，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腅-TFC選擇，并對(duì)映射到E-DCH上的不同數(shù)據(jù)流進(jìn)行選擇。RRC通過MAC-Control SAP對(duì)E-TFC實(shí)體進(jìn)行設(shè)置，E-TFC選擇同時(shí)也對(duì)復(fù)用功能起控制作用。

調(diào)度接入控制實(shí)體負(fù)責(zé)區(qū)分來自不同信道的上行伴隨信令。當(dāng)分配了E-DCH資源時(shí)，上行伴隨信令由E-UCCH傳輸；沒有E-DCH資源時(shí)，則由E-RUCCH傳輸。

2.  UTRAN側(cè)MAC-e/es結(jié)構(gòu)

為支持E-DCH，系統(tǒng)側(cè)增加了MAC-e/es實(shí)體。其中，MAC-e實(shí)體位于Node B, MAC-es實(shí)體位于SRNC。針對(duì)每個(gè)UE，在SRNC存在一個(gè)MAC-es實(shí)體，該實(shí)體和位于Node B的MAC-e實(shí)體一起處理E-DCH的相關(guān)功能。

MAC-es包含三個(gè)實(shí)體。其中，重排序隊(duì)列分發(fā)實(shí)體負(fù)責(zé)根據(jù)SRNC的配置，將MAC-es PDUs路由到正確的重排序緩存區(qū)。其將接收到的順序TSN的MAC-es PDU數(shù)據(jù)傳遞到Disassembly，如果有較低TSN序號(hào)的數(shù)據(jù)丟失，則數(shù)據(jù)不會(huì)傳遞給Disassembly。分解（Disassembly）功能負(fù)責(zé)分解MAC-es PDUs，去除MAC-hs頭，得到 MAC-d PDU’s 并傳遞給MAC-d。每個(gè)UE對(duì)應(yīng)Node B中的一個(gè)MAC-e實(shí)體，但Node B中只有一個(gè)E-DCH調(diào)度器，負(fù)責(zé)處理與HSUPA相關(guān)的特定功能。

E-DCH調(diào)度在UE間管理小區(qū)的E-DCH資源，基于UE的調(diào)度請(qǐng)求信息，決定并發(fā)送相應(yīng)的調(diào)度許可。E-DCH控制實(shí)體負(fù)責(zé)調(diào)度請(qǐng)求信息的接收及調(diào)度許可的發(fā)送。解復(fù)用實(shí)體對(duì)MAC-e PDU進(jìn)行解復(fù)用操作，將MAC-es PDU轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的MAC-d flow。HARQ實(shí)體則處理與HARQ協(xié)議相關(guān)的所有功能。

3.  E-DCH信道及相關(guān)控制信道

為了支持HSUPA特性，TD系統(tǒng)上行新增加了E-DCH信道，用于承載高速上行數(shù)據(jù)。E-DCH使用的資源包括功率、時(shí)隙、碼道等，可由Node B調(diào)度分配。

E-DCH映射到E-PUCH信道上。E-PUCH作為上行信道，支持可變擴(kuò)頻因子，其根據(jù)是否承載上行控制信息，有兩種形式。E-PUCH信道資源分為調(diào)度和非調(diào)度兩類，其中，非調(diào)度部分由無線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）分配，調(diào)度部分則由Node B MAC-e實(shí)體進(jìn)行調(diào)度分配。

在上行還定義了2個(gè)控制信道E-UCCH和E-RUCCH，用于傳輸上行增強(qiáng)相關(guān)的信令信息。在下行方向，為了支持基站調(diào)度，增加了E-AGCH和EHICH 信道。其中E-AGCH用于傳輸基站調(diào)度信息，E-HICH信道用于支持HARQ過程，傳輸應(yīng)答信息（ACK/NACK）。

4.  HARQ方案

系統(tǒng)中采用了并行停等HARQ協(xié)議，支持Chase和增量冗余合并。E-DCH 傳輸資源由Node B通過E-AGCH分配，隨后由E-HICH返回應(yīng)答信息。

HARQ相關(guān)的上下行信令主要有：通過上行E-UCCH攜帶的HARQ進(jìn)程ID，3比特；重傳序列號(hào)（RSN），2比特；其它，如支持的進(jìn)程個(gè)數(shù)和nE-HICH相關(guān)信息由高層配置。

5.  Node B調(diào)度過程

HSUPA的調(diào)度過程分為四個(gè)步驟。首先，UE通過E-RUCCH 發(fā)起調(diào)度請(qǐng)求，調(diào)度請(qǐng)求包含調(diào)度相關(guān)信息以及UE的標(biāo)識(shí)E-RNTI。

然后，Node B調(diào)度器接收到請(qǐng)求后，若允許該UE發(fā)送上行增強(qiáng)數(shù)據(jù)，將通過E-AGCH發(fā)送接入允許信息給UE。由于E-AGCH是共享信道，因此，接入允許信息還需要攜帶用戶標(biāo)識(shí)，以區(qū)分該接入允許是給哪個(gè)UE的，同時(shí)還要指示UE其接收應(yīng)答信息的E-HICH信道標(biāo)識(shí)。

接下來，UE收到E-AGCH，解得信息是給自己的后，就根據(jù)分配的資源和功率在E-DCH上選擇自己可以使用的速率并開始數(shù)據(jù)傳輸，具有接入允許的UE，可以在MAC-e頭重新攜帶調(diào)度信息。

最后，Node B接收E-DCH信息，解調(diào)后根據(jù)數(shù)據(jù)是否正確，在該用戶監(jiān)聽的E-HICH信道上反饋ACK/NACK信息。UE根據(jù)反饋信息判斷是否需要重傳。

四、標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展順利

2005年，在3GPP開始了對(duì)TD系統(tǒng)上行增強(qiáng)技術(shù)的分析評(píng)估工作。通過仿真分析，驗(yàn)證了HARQ、AMC等技術(shù)能對(duì)上行分組性能帶來較大的提升。2006年3月，3GPP正式提出并通過了開展TD上行增強(qiáng)工作項(xiàng)目的建議。TD-HSUPA標(biāo)準(zhǔn)化工作正式開展，并在3GPP的幾個(gè)工作組建立了相關(guān)的技術(shù)報(bào)告，開始具體的標(biāo)準(zhǔn)研究工作。其中，以RAN1工作組和RAN2工作組為主建立了兩個(gè)技術(shù)報(bào)告，分別研究對(duì)空中接口物理層協(xié)議和MAC層協(xié)議的修改和影響。同時(shí)，由于Node B增加了MAC-e實(shí)體，對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定影響，加上對(duì)新增的特性指標(biāo)和性能分析，RAN3工作組和RAN4工作組也展開了相關(guān)研究。該工作項(xiàng)目于2007年6月份完成，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容已經(jīng)在3GPP R7版本中體現(xiàn)。

在3GPP完成HSUPA R7的規(guī)范后，國內(nèi)CCSA也啟動(dòng)了行標(biāo)制定的工作。在2007年4月的會(huì)議上建立了TD-HSUPA行標(biāo)項(xiàng)目，內(nèi)容以及工作考慮包括制定總體技術(shù)報(bào)告以指導(dǎo)接口技術(shù)要求�？紤]到兼容一版行標(biāo)N頻點(diǎn)特性以及TD產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀，大唐移動(dòng)提議先考慮單載波的方式，關(guān)鍵技術(shù)與3GPP Rel-7 HSUPA保持一致，規(guī)范制定和修改上考慮N頻點(diǎn)特性，這一點(diǎn)得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)可。在CCSA的組織下，TD-HSUPA特性將體現(xiàn)在3版行標(biāo)中。目前，相關(guān)規(guī)范正在制定起草過程中，已完成接口技術(shù)要求征求意見稿，在協(xié)會(huì) TC5 WG9工作組征詢意見，并且預(yù)計(jì)下半年將啟動(dòng)設(shè)備和測試規(guī)范的起草工作。