HSUPA技術(shù)實(shí)現(xiàn)及其應(yīng)用分析

摘要　HSUPA作為繼HSDPA后又一個(gè)增強(qiáng)的數(shù)據(jù)解決方案，在全球多媒體發(fā)展、視頻監(jiān)控以及移動(dòng)VoIP升溫的腳步聲中，走入運(yùn)營(yíng)商的視野，受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。文章介紹了HSUPA的關(guān)鍵技術(shù)，詳細(xì)分析了HSUPA的引入對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶來的影響，對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃帶來的影響。最后給出HSUPA的應(yīng)用部署前景。

1、HSUPA關(guān)鍵技術(shù)

與HSDPA類似，HSUPA采用了物理層快速重傳及軟合并（HARQ）、Node B分布調(diào)度、更短的TTI、高階調(diào)制等技術(shù)。因此HSUPA的系統(tǒng)性能主要由擴(kuò)頻、調(diào)制、編碼、HAQR重傳和軟合并、調(diào)度效率以及特定無線環(huán)境等因素確定。

1.1　軟合并與HARQ技術(shù)

HSUPA采用混合自動(dòng)重傳HARQ技術(shù)，應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的傳輸信道。HARQ是一種糾錯(cuò)技術(shù)�；旌希℉ybrid）的意思是它綜合了前向糾錯(cuò)碼（FEC）和重傳（ARQ）兩種方式的特點(diǎn)。R99/R4采用了傳統(tǒng)的ARQ方法，重傳功能在RLC實(shí)現(xiàn)。HSUPA在Node B增加了H-ARQ功能，用以提高傳輸速率和減小時(shí)延。在HSUPA中采用的是多進(jìn)程停等HARQ機(jī)制。停等協(xié)議SAW（Stop & Wait）是對(duì)每個(gè)進(jìn)程來說，發(fā)送完數(shù)據(jù)包后等待接收正確的確認(rèn)信息，如果對(duì)方?jīng)]有正確接收，則重傳數(shù)據(jù)包，如果對(duì)方已經(jīng)正確接收，則發(fā)送下一個(gè)新的數(shù)據(jù)包。在HSUPA中，10msTTI對(duì)應(yīng)4個(gè)HARQ進(jìn)程，2msTTI對(duì)應(yīng)8個(gè)HARQ進(jìn)程。對(duì)于HARQ的前向糾錯(cuò)，分為CC（Chase Combining）和IR（Incremental Redundancy）兩種方式。CC方式重傳的信息和第一次發(fā)送的內(nèi)容完全一樣，這樣UE在解碼前，先把重傳的信息進(jìn)行最大比合并后，再進(jìn)行解碼，提高解碼增益。IR方式的重傳支持兩種類型，一種是重傳時(shí)發(fā)送和前次發(fā)送完全不一樣的冗余信息，該信息只有和第一次發(fā)送的信息合并后才可以解碼；另外一種是重傳時(shí)發(fā)送和前次完全不一樣的冗余信息，但該信息是可以自解碼的。在每次HARQ重傳時(shí)，通過給定增量冗余方式，提高譯碼前向糾錯(cuò)的能力。

1.2　快速調(diào)度

HSUPA采用Node B的非集中調(diào)度策略。非集中調(diào)度策略是針對(duì)RNC內(nèi)的集中式調(diào)度策略而言，RNC集中調(diào)度的優(yōu)點(diǎn)是知道UE多個(gè)無線鏈路的解調(diào)性能以及相應(yīng)小區(qū)負(fù)載信息，可以更準(zhǔn)確的調(diào)度UE的數(shù)據(jù)傳輸速率，防止UE過高的發(fā)射功率給某些小區(qū)帶來過大的底噪攀升，但是缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間太慢。Node B非集中調(diào)度的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)當(dāng)前UE的信道條件好壞和小區(qū)負(fù)載狀況，以最快2ms的速率對(duì)用戶的數(shù)據(jù)傳輸速率進(jìn)行調(diào)度，可以獲得快速調(diào)度帶來的性能增益，缺點(diǎn)是無法知道調(diào)度UE發(fā)射功率給其他鄰小區(qū)帶來的底噪攀升。為了解決軟切換區(qū)域服務(wù)小區(qū)Node B調(diào)度給其他鄰小區(qū)帶來的不可估計(jì)的底噪影響，在HSUPA中，最終的UE傳輸格式選擇權(quán)由UE自己決定，UE可以根據(jù)當(dāng)前各個(gè)小區(qū)下行傳輸速率調(diào)度指示RG信息以及自己剩余可用功率信息，決定是否增加傳輸速率，還是降低傳輸速率。比如，如果UE接收的非服務(wù)小區(qū)傳輸速率調(diào)整指示RG為下調(diào)傳輸速率，則即使UE服務(wù)小區(qū)指示UE上調(diào)傳輸速率，也將按照下調(diào)傳輸速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，防止過大的發(fā)射功率抬高非服務(wù)小區(qū)的底噪聲，超過了負(fù)載要求，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。Node B采用非集中式的快速調(diào)度機(jī)制，和R99/R4的DCH相比，可以使得Node B工作在較高的負(fù)載水平，這樣網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的負(fù)載余量預(yù)留可以大大的減小，提高了系統(tǒng)上行的容量。

1.3　2ms短幀

HSUPA采用2ms短幀，減小了傳輸時(shí)延，主要體現(xiàn)在空口數(shù)據(jù)傳輸相比10ms有比較大的時(shí)延減小，并且發(fā)射方數(shù)據(jù)組成幀時(shí)需要的幀對(duì)齊時(shí)間也減小了。2ms短幀使得Node B控制的HARQ進(jìn)程的往返RTT（Round　Trip Time）減小了，并提高了快速調(diào)度響應(yīng)時(shí)間。相對(duì)10ms幀來說，可以更好的利用資源，獲得更高的系統(tǒng)容量。

下面具體分析一下2ms TTI和10ms TTI相比帶來的性能增益。

表1　HSUPA調(diào)度周期仿真參數(shù)

HSUPA調(diào)度周期仿真參數(shù)如表1所示。2ms TTI的EDCH調(diào)度周期為2ms，Node B根據(jù)當(dāng)前小區(qū)負(fù)載特性確定用戶調(diào)整的速率指示（RG，Rate Grant）值，并發(fā)送給用戶，用戶使用該調(diào)度信息（SI，Scheduling Information）時(shí)，考慮處理時(shí)延等因素，調(diào)度對(duì)應(yīng)上行數(shù)據(jù)傳輸格式有10個(gè)時(shí)隙的延遲；10ms TTI的E-DCH調(diào)度周期和上行數(shù)據(jù)使用SI的延遲分別為10ms和35時(shí)隙。仿真結(jié)果顯示，在4.5dB RoT的情況下，2ms TTI的E-DCH小區(qū)吞吐率比10ms TTI的E-DCH小區(qū)吞吐率提高了16%，并且隨著工作負(fù)載點(diǎn)的增加，獲得的性能提升更大�？梢姸蘐TI帶來了較大的性能增益。

2、HSUPA在UMTS中的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1　在物理層的實(shí)現(xiàn)

為了支持HSUPA，物理層在上行增加了E-DPCCH和E-DPDCH，在下行增加了E-AGCH、E-RGCH和E-HICH。上行增強(qiáng)專用數(shù)據(jù)信道E-DPDCH用于承載HSUPA用戶上行的傳輸數(shù)據(jù)，最大支持2個(gè)SF=4同時(shí)組合2個(gè)SF=2的多碼傳輸，峰值速率可達(dá)5.76Mb/s，E-DPDCH采用BPSK調(diào)制；上行增強(qiáng)控制信道E-DPCCH承載解調(diào)數(shù)據(jù)信道E-DPDCH的伴隨信令。下行絕對(duì)授權(quán)信道E-AGCH為公共信道，由用戶服務(wù)E-DCH無線連接所在的小區(qū)指示UE E-DPDCH最大可用功率偏置，通常為慢速調(diào)節(jié)；下行相對(duì)授權(quán)信道E-RGCH為專用信道，最快可按2ms時(shí)間快速調(diào)整UE的上行可用功率；下行HARQ指示信道E-HICH用于反饋用戶接收進(jìn)程數(shù)據(jù)是否正確的ACK/NACK信息。

2.2　在MAC層的實(shí)現(xiàn)

2.2.1　UE側(cè)的MAC層實(shí)現(xiàn)

（1）總體結(jié)構(gòu)

UE MAC結(jié)構(gòu)見圖1。它包含一個(gè)新的MAC-es/MAC-e實(shí)體。結(jié)構(gòu)中加了兩個(gè)連接：MAC-d和MAC-es/MAC-e之間的連接，MAC-es/MAC-e與MAC控制SAP之間的連接。

圖1　UE側(cè)MAC結(jié)構(gòu)

一個(gè)RLC PDU通過邏輯信道進(jìn)入MAC-d。MAC-d C/T復(fù)用被旁路。在MAC-e頭中，DDI（數(shù)據(jù)描述指示）域識(shí)別邏輯信道、MAC-d流和MAC-d PDU大小，DDI映射表通過RRC通知，N域指示了相應(yīng)于同一DDI值的連續(xù)的MAC-d PDUs的數(shù)目。一個(gè)特殊的DDIO域指示了MAC-e PDU數(shù)據(jù)頭定義的結(jié)束。TSN域提供了E-DCH上的傳輸序列號(hào)。MAC-e PDU下傳給HARQ實(shí)體，然后HARQ實(shí)體將該MAC-e PDU置于層1的一個(gè)TTI中發(fā)送。

（2）MAC-e/es實(shí)體

MAC-es/e處理E-DCH的特定功能。UE中的MAC-e和MAC-es不再細(xì)分。在以下模型中，MAC-e/es包含如下實(shí)體：

◆HARQ

HARQ實(shí)體負(fù)責(zé)處理和HARQ協(xié)議有關(guān)的MAC功能。它負(fù)責(zé)存儲(chǔ)MAC-e PDU數(shù)據(jù)以及可能的重傳。HARQ協(xié)議的具體配置由RRC通過MAC控制SAP提供。HARQ實(shí)體提供E-TFC、RSN和用于L1的功率偏置。L1從RSN、CFN以及子幀號(hào)（在2ms TTI時(shí)需要）導(dǎo)出HARQ的RV參數(shù)�；蛘逺V參數(shù)由RRC信令配置為常數(shù)0。

◆復(fù)用

復(fù)用實(shí)體負(fù)責(zé)連接多個(gè)MAC-d PDUs到MAC-es PDUs，并且按照E-TFC選擇算法的指令復(fù)用一個(gè)或者多個(gè)MAC-es PDUs成為一個(gè)MAC-e PDU，該MAC-e PDU在下一個(gè)TTI中傳輸。復(fù)用實(shí)體還負(fù)責(zé)管理和設(shè)置每個(gè)MAC-es PDU的每個(gè)邏輯信道的TSN。

◆E-TFC選擇

這個(gè)實(shí)體負(fù)責(zé)根據(jù)發(fā)自UTRAN經(jīng)L1接收的調(diào)度信息（RG和AG）來進(jìn)行E-TFC選擇，以及對(duì)映射到E-DCH上的不同的MAC-d流進(jìn)行仲裁。E-TFC實(shí)體的具體配置由RRC通過MAC控制SAP提供。E-TFC選擇功能控制MAC-es PDU數(shù)據(jù)塊的復(fù)用。

（3）MAC-d實(shí)體

為了支持E-DCH，加入了一個(gè)到MAC-e/es的新的連接。

2.2.2　在UTRAN側(cè)的MAC層實(shí)現(xiàn)

（1）總體結(jié)構(gòu)

UTRAN MAC總體結(jié)構(gòu)見圖2。它包含一個(gè)新的MAC-e實(shí)體和一個(gè)新的MAC-es實(shí)體。對(duì)于每一個(gè)使用E-DCH的UE，該UE對(duì)應(yīng)的每個(gè)Node-B配置一個(gè)MAC-e實(shí)體，SRNC配置一個(gè)MAC-es實(shí)體。位于Node B中的MAC-e控制E-DCH的接入，該MAC-e連接到位于SRNC中的MAC-es。MAC-es進(jìn)一步連接到MAC-d。對(duì)于控制信息，在Node B中的MAC-e和一個(gè)MAC控制SAP之間定義了新的連接，同時(shí)，在SRNC中的MAC-es和MAC控制SAP也之間定義了新的連接。

圖2　UTRAN側(cè)的MAC結(jié)構(gòu)

每一個(gè)MAC-d流有一個(gè)Iub傳輸承載。

從協(xié)議總體架構(gòu)來看，一個(gè)MAC-e PDU從層1進(jìn)入MAC。在HARQ處理后，MAC-e PDU解復(fù)用后形成MAC-es PDUs，這些MAC-es PDUs對(duì)應(yīng)各自的MAC-d流。6比特DDI（數(shù)據(jù)描述指示符）域與MAC-d流之間的映射，以及MAC-d PDU的大小由SRNC提供給Node B。SRNC定義了MAC-d流到它對(duì)應(yīng)的Iub承載的映射。DDI域的一個(gè)特定值指示MAC-e PDU數(shù)據(jù)頭定義的結(jié)束。MAC-es PDUs經(jīng)Iub發(fā)給MAC-es實(shí)體，在MAC-es實(shí)體中被分配到對(duì)應(yīng)邏輯信道的重排序隊(duì)列中。重排序后，順序數(shù)據(jù)單元被分解為MAC-d PDUs。上述是針對(duì)沒有軟切換的情況，存在軟切換時(shí)，還需要進(jìn)行宏分集處理。最終的MAC-d PDUs被發(fā)給MAC-d實(shí)體。

（2）Node B的MAC-e實(shí)體

在Node B中，對(duì)每一個(gè)UE都有一個(gè)MAC-e實(shí)體，以及一個(gè)E-DCH調(diào)度器。MAC-e和E-DCH調(diào)度器處理Node B中與HSUPA相關(guān)的功能。在下面的模型中，MAC-e和E-DCH調(diào)度器包含如下實(shí)體：

◆E-DCH調(diào)度：該功能為不同UE分配E-DCH小區(qū)資源。根據(jù)UE的調(diào)度請(qǐng)求，進(jìn)行具體的調(diào)度分配。

◆E-DCH控制：E-DCH控制實(shí)體負(fù)責(zé)接收調(diào)度請(qǐng)求和發(fā)送分配給各UE的調(diào)度。

◆解復(fù)用：該功能進(jìn)行MAC-e PDUs的解復(fù)用。MAC-es PDUs分解到關(guān)聯(lián)的MAC-d流。

◆HARQ：一個(gè)HARQ實(shí)體能支持HARQ協(xié)議的多個(gè)進(jìn)程。每個(gè)進(jìn)程負(fù)責(zé)產(chǎn)生ACK或NACK，它們用于指示E-DCH進(jìn)程數(shù)據(jù)發(fā)射是否成功。HARQ實(shí)體處理HARQ協(xié)議需要的所有任務(wù)。

（3）RNC的MAC-es實(shí)體

對(duì)于每個(gè)UE，SRNC中都有一個(gè)MAC-es實(shí)體，MAC-es包含以下功能實(shí)體：

◆重排序隊(duì)列分配：根據(jù)SRNC的配置，重排序隊(duì)列分配功能將MAC-es PDUs送到合適的重排序緩沖區(qū)中。

◆重排序：該功能根據(jù)接收到的TSN和Node B觸發(fā)標(biāo)識(shí)（即CFN，子幀號(hào)）將接收到的MAC-es PDUs重排序。在接收時(shí)，有連續(xù)TSN的MAC-es PDUs被提交到解復(fù)用實(shí)體。SRNC控制重排序?qū)嶓w的數(shù)目。每個(gè)邏輯信道有一個(gè)重排序隊(duì)列。

◆宏分集選擇：在多個(gè)Node Bs進(jìn)行軟切換時(shí)，在MAC-es實(shí)體中進(jìn)行宏分集選擇。宏分集選擇可以考慮在重派隊(duì)列分配之前實(shí)現(xiàn)。

◆解復(fù)用：負(fù)責(zé)MAC-es PDUs的分解。當(dāng)分解一個(gè)MAC-es PDU時(shí)，刪除MAC-es頭，提取出MAC-d PDU，然后上傳給MAC-d實(shí)體。

（4）RNC的MAC-d實(shí)體。

為了支持E-DCH，加入了一個(gè)到MAC-es的新的連接。

HSUPA的引入對(duì)RLC曾沒有影響，對(duì)RRC層也只是消息信元上的改變，對(duì)消息信令也不存在影響。

2.2.3　HSUPA的階段實(shí)現(xiàn)方案

按照3GPP的規(guī)定，HSUPA峰值速率為5.76Mb/s，從它所規(guī)定的6類終端的要求可見，如表2所示：

表2　HSUPA的終端類別

其中只支持10ms TTI的有三種，只支持2msTTI也是三種。從系統(tǒng)演進(jìn)的平穩(wěn)性考慮，HSUPA在商用初期傾向于使用10ms的TTI，即2Mb/s的終端，后期支持到5.76Mb/s因此HSUPA的商用與如同HSDPA一樣，也是分階段進(jìn)行。

3、HSUPA對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的影響

在3GPP規(guī)范討論過程中，對(duì)HSUPA研究最終認(rèn)為使用QPSK調(diào)制編碼，上行H-ARQ的應(yīng)用，Node B控制上行調(diào)度，更短的幀結(jié)構(gòu)會(huì)達(dá)到50%～70%的上行容量增益，數(shù)據(jù)呼叫時(shí)延減少20%～55%，用于上行平均數(shù)據(jù)呼叫的數(shù)率可提高大概50%。HSUPA和CDMA Rev.A的關(guān)鍵技術(shù)非常接近，從CDMA2000 1x RTT Rev.A的模擬結(jié)果和現(xiàn)網(wǎng)觀察可以認(rèn)為上述結(jié)論相對(duì)可靠和保守。

但是如果HSUPA和R99/R4/R5混合在同一載波組網(wǎng)（1x EV-DO Rev.A不存在這個(gè)問題），HSUPA是否會(huì)對(duì)原網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響?下面主要討論HSUPA/R99混合組網(wǎng)的情況下，HSUPA的引入對(duì)原網(wǎng)絡(luò)的可能的影響。

3.1　下行碼資源

HSUPA在下行引入E-AGCH、E-RGCH和E-HICH三種控制信道。

E-DCH絕對(duì)準(zhǔn)予信道（E-AGCH：E-DCH ab-solute grant channel）：承載E-DCH的下行絕對(duì)信息，如小區(qū)信息。每個(gè)配置E-DCH的UE只需要監(jiān)聽服務(wù)小區(qū)的E-AGCH信道即可，該信道是公共信道，SF=256。

E-DCH HARQ確認(rèn)指示信道（E-HICH：E-DCH HARQ Acknowledgement Indicator　Channel）：承載E-DCH下行信令信息的專用信道，如HARQ的ACK/NACK信息，擴(kuò)頻因子SF=128。

E-DCH相關(guān)準(zhǔn)予信道（E-RGCH：E-DCH Relative Grant Channel）：承載E-DCH的下行相關(guān)信息，該信道SF=128。

E-RGCH和E-HICH兩個(gè)信道通過碼組復(fù)用在同一條SF=128的信道上，因此引入HSUPA后，要占用一個(gè)SF=128，一個(gè)SF=256的下行碼道。對(duì)于下行碼資源，在無線環(huán)境好的室內(nèi)，有存在碼字受限的可能，因此HSUPA的引入對(duì)碼字有一定的影響。

3.2　下行功率資源

上述三個(gè)公共信道中E-AGCH屬于共享信道，功率消耗與同時(shí)支撐的用戶數(shù)、調(diào)度策略等因素有關(guān)，依據(jù)HSDPA中HS-SCCH的功率占用情況推斷，一條E-AGCH最大可能占用小區(qū)下行發(fā)射功率的5%～7%，E-RGCH和E-HICH要占用5%左右，因此一共占用10%～12%。對(duì)于多數(shù)環(huán)境下下行功率受限的無線系統(tǒng)，這些功率的占用可能會(huì)造成下行容量的損失。

3.3　上行干擾

從網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的角度來看，在R99/HSDPA階段，一般上行負(fù)載都設(shè)置在50%左右，引入HSUPA后，由于引入了靈活的上行調(diào)度策略，使得上行的負(fù)載處于可控的范疇，因此從目前的理論分析來看，引入HSUPA后會(huì)引入較高的負(fù)載，因此會(huì)導(dǎo)致較原來要大的上行干擾。引入的干擾是否會(huì)對(duì)R99/R4有一定的影響，需要對(duì)其做出更深入分析。

4、HSUPA應(yīng)用及部署前景

作為WCDMA網(wǎng)絡(luò)繼HSDPA之后的下一步演進(jìn)方案，HSUPA的目標(biāo)是進(jìn)一步改善用戶業(yè)務(wù)感受和提升網(wǎng)絡(luò)上行性能，為新興數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供更高的上行數(shù)據(jù)速率和更低的時(shí)延，為VoIP的部署打下基礎(chǔ)。

HSUPA網(wǎng)絡(luò)部署：數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)生地帶一般相似，因此初期規(guī)劃可以參照HSDPA的規(guī)劃，在HSDPA的覆蓋區(qū)域引入HSUPA，熱點(diǎn)區(qū)域做重點(diǎn)覆蓋，一般小區(qū)邊緣做低速覆蓋，與R99/R4/HSDPA在同一頻點(diǎn)部署。網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的中后期，隨著上下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的快速發(fā)展，可將HSDPA/HSUPA剝離，采用單獨(dú)的載頻。

從整個(gè)行業(yè)的情況看，在全球全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)——AIPN （All IP Network）的發(fā)展趨勢(shì)下，伴隨著視頻監(jiān)控、移動(dòng)VoIP的升溫，多媒體業(yè)務(wù)的廣泛應(yīng)用，業(yè)界對(duì)上行高速數(shù)據(jù)技術(shù)的需求也逐步迫切，很多地方采用WiMAX、WiFi等技術(shù)已經(jīng)開展了相應(yīng)的工作，HSUPA作為WCDMA陣營(yíng)的平滑演進(jìn)策略，勢(shì)必成為他們的必選方案，特別是已經(jīng)引入HSDPA的運(yùn)營(yíng)商，引入HSUPA只是簡(jiǎn)單的軟件升級(jí)，不需要規(guī)模性的改造。因此HSUPA的引入勢(shì)在必行。