HSPA+終端標準現(xiàn)狀及其分析

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隨著移動通信的快速發(fā)展,競爭加劇,各標準組織緊鑼密鼓的開展相關標準的研究工作。HSPA+是介于HSPA與LTE之間的標準,3GPP初步將其歸類到R7系列。本文從HSPA+終端類別的定義,來探討它與HSPA終端的關系,以及HSPA+終端的新特點。
1 終端類別
HSPA+是HSPA(3GPPR6)的向下演進版本,是上下行增強的技術,在FDD系統(tǒng)中,上下行資源是分開處理的,因此這里討論的HSPA+的終端類別要分別從上下兩個角度進行。
從標準定義的角度,HSPA+的下行業(yè)務信道是HS-DSCH,因此一定程度上下行的終端類別也稱為“HSDPA終端類別”,當然這里的“HSDPA終端類別”是不同于3GPPR5中的HSDPA。同樣,從標準的角度,HSPA+的上行業(yè)務信道是E-DCH,因此上行的終端類別可稱為“HSUPA終端類別”。,當然阿媽妮這也是不同于3GPPR6的“HSUPA終端類別”。
1.1 HSDPA終端類別

表格1 HSDPA終端類別及參數(shù)一覽表

分析上表格,可見HSPA+終端完全后向兼容HSDPA的終端,Category1-12即為HSDPA的終端定義。當然HSPA+終端的標準還在進一步修訂中,也許還存在其他類別的終端。
1.2 HSUPA終端類別
按照3GPP25.306V730的定義,HSUPA(FDD)的終端共分為7類,如表格2所示。

表格2 HSDPA終端類別及參數(shù)一覽表

分析上表格,可見HSPA+終端完全后向兼容HSUPA的終端,Category1-6即為HSUPA的終端定義。當然HSPA+終端的標準還在進一步修訂中,也許還存在其他類別的終端。
1.3 與HSPA終端的關系
2 影響HSPA+終端性能的關鍵要素
表格1,2詳細的列出了不同類別的終端對應的峰值速率,以及影響峰值速率的各種因素?偨Y(jié)如下,影響HSPA+終端的各種關鍵因素如下:
2.1 調(diào)制方式
HSPA+可采用QPSK,16QAM,64QAM三種調(diào)制方式。QPSK每一符號代表2bit,16QAM每符號代表4bit,而64QAM每符號代表6bit,因此隨著調(diào)制方式的差異,每符號代表的信息量呈現(xiàn)差異。
從表格一可見,Category1-10的峰值速率是在16QAM下計算出,它高于Category11-12的峰值速率,后者只支持QPSK。而Category13-14采用64QAM后較前面的12類都要高。
從表格二可見,Category7速率最高,它采用16QAM,而其他6類只采用了QPSK。
2.2 天線方式
3GPPR6及以前的版本都采用傳統(tǒng)的收發(fā)天線,HSPA+采用全新的MIMO(2X2)配置,利用天線間的不相關性極大系統(tǒng)效率,特別是在信號環(huán)境好的情況下,每根天線可傳輸不同的信息,實現(xiàn)峰值速率的翻倍。
從表格一可見,配置了MIMO的終端Category15-16峰值速率最大,計算過程如下:
Category15在單TTI(2ms)內(nèi)的可傳輸?shù)淖畲髠鬏攭K為23370bit,因此它的峰值速率為:23370bit/2msx2=23.4Mbps;
Category16在單TTI(2ms)內(nèi)的可傳輸?shù)淖畲髠鬏攭K為27952bit,因此它的峰值速率為:27952bit/2msx2=28Mbps;
這里要說的是上面兩個計算公式中后面乘上的2,是代表2根發(fā)MIMO天線承載不同的信息,因此峰值速率翻倍。
2.3 支持的最大碼字數(shù)
一、HSDPA
HSDPA采用固定SF=16的碼道,單小區(qū)除公共信道占用一個SF=16的碼字外,HSDPA最大可用的碼字數(shù)為15個。從表格一可見,16類終端支持的最大碼字數(shù)分別為5、10、15。依據(jù)WCDMA的通信原理,信號從信源編碼,到信道編碼,再進行擴頻調(diào)制到3.84Mchips/s的帶寬上,因此:
如果是QPSK調(diào)制,HSDPA單碼道的極限傳輸能力是:3840/16´2=480kbps;
如果16QAM調(diào)制,HSDPA單碼道極限傳輸能力是:3840/16´4=960kbps;
如果是64QAM調(diào)制,HSDPA單碼道極限傳輸能力是:3840/16´6=1440kbps;
由此可見HSDPA的速率與可使用的碼道數(shù)緊密相關,在其他條件一致的情況下,使用的碼道數(shù)越多,能夠達到的峰值速率越大。
二、HSUPA
上行UE可采用的碼道數(shù)跟自身信道環(huán)境,以及需要傳輸?shù)乃俾氏嚓P,它采用可變的可變因子SF,分別是64、32、16、8、4、2。同時它采用多碼道傳輸。從表格二可見,在其他條件(SF,TTI,調(diào)制方式)相同的情況下,4碼道的傳輸速率明顯高于2碼道的能力。
2.4 軟信道容量
針對HSDPA的16類終端,規(guī)范分別定義了相應的軟信道容量,HARQ的虛擬IR緩存,即HS-DSCH能傳輸?shù)目傂畔⒘俊?BR>混合ARQ是HSDPA的關鍵技術之一。它完成信道編碼后的輸出比特數(shù)與映射進HS-PDSCH物理信道集合的總比特數(shù)的匹配。HARQ功能由冗余版本(RV)參數(shù)控制;旌螦RQ的輸出比特的精確設置依賴于輸入比特數(shù)、輸出比特數(shù)和RV參數(shù)。
HARQ功能包括2次速率匹配和一個虛擬IR緩存,也稱為軟信道容量,軟信道容量決定了混合ARQ的第一次速率匹配,會影響網(wǎng)絡側(cè)使用的傳輸格式(RV),一定程度上影響了UE的傳輸能力,當然該容量越大對應有效的傳輸信息越大,UE的速率會越高。從表格一可以得到驗證。
2.5 最小TTI的間隔
HSDPA采用資源共享的方式,幀長TTI為2ms,碼分方式下,每個TTI可同時容納4個用戶。假如在資源分配許可的情況下,UE可以一直占用資源,而且每個TTI都有信息發(fā)送,那么可實現(xiàn)資源利用率的最大化;但是UE在占用TTI的情況下,卻不能發(fā)送數(shù)據(jù),就會浪費系統(tǒng)資源。例如最小TTI間隔為2或3的UE,與TTI間隔為1的相比,在傳輸同等的信息量的情況下,前者的速率是后者的1/2或1/3,因為它占用的時間比別人長2到3倍。因此最小TTI間隔也影響終端的性能。
當最小TTI的間隔越小,代表可發(fā)送信息的機會越多,可實現(xiàn)的速率越大。性能低的手機在網(wǎng)時,即較高的Inter-TTI會造成網(wǎng)絡側(cè)基站頻譜利用效率降低
當然從目前的各芯片廠商的研發(fā)來看,開發(fā)最小TTI間隔較大的終端不太可能,如Category1,2,3,4類的終端。
3 HSPA+關鍵技術
上面列出了影響HSPA+終端的關鍵要素,但實際上如何保證這些要素,怎么實現(xiàn)各類別終端間的差異,關鍵還是由一系列的新技術決定。
此外,從終端的角度,一直以來困擾終端的問題就是體積,耗電的問題。眾所周知,3G終端耗電量略高于2G終端,這一方面和3G技術的復雜性相關。3G的CDMA技術復雜,基帶數(shù)據(jù)處理量大,射頻功率放大器的線形度要求很高,導致3G終端基帶處理芯片和射頻芯片組的耗電量相對增加。而且HSPA+提供了比HSPA更加復雜的基帶及射頻技術,動態(tài)的功率及碼資源調(diào)整,16QAM/64QAM/MIMO的引入等導致HSPA+具有較HSPA更高的功耗。此外,速率越快,對手機天線的性能要求越高,所消耗的電量也越大。因此HSPA+終端從信令處理的角度充分考慮了節(jié)能省電相關的技術。
此外,隨著All-IP理念的強化,HSPA+將成為一個全IP,全業(yè)務的運營網(wǎng)絡,因此它突破原有的HSPA純粹支持BE業(yè)務的局限,將實現(xiàn)語音(VoIP)、視頻(VT)、高速下載等多媒體業(yè)務的融合。
綜合上述兩個要點,HSPA+終端采用的新技術如下:
3.1 DPCCH 時隙的更改
按照3GPP25.211的規(guī)范定義,原有的上行DPCCH共有6種時隙結(jié)構(gòu),每個時隙有導頻比特、TFCI、TPC以及FBI四個比特域。導頻比特用來在接收端進行信道估計,TFCI指示當前幀的傳輸速率,TPC傳送進行下行鏈路功率控制需要的功率控制命令。下行鏈路使用閉環(huán)發(fā)射分集時需要FBI比特。
但是采用HS-DSCH后,可實現(xiàn)盲解碼,不需要TFCI的速率指示,此外,非閉環(huán)時不使用FBI,因此有效的比特就是TPC,Pilot。新增的時隙格式4將DPCCH的10bit分為6bit的Pilot,4bit的TPC,即保證有效比特單元,減少不必要的比特發(fā)送,實現(xiàn)資源的有效利用。
3.2 UL-DTX
對于WCDMA以前的版本,DPCH傳輸?shù)臅r候,UL_DTX(UplinkDiscontinuousTransmission)只存在DPDCH數(shù)據(jù)信道,但是在R7中,引入了上行控制信道DPCCH下的UL_DTX功能,主要應用在以下場景:
當HS-DPCCH沒有HARQ-ACK/NACK消息發(fā)送時;
當HS-DPCCH沒有CQI消息發(fā)送時;
在ULDPCCH上沒有E-DCH的相關傳輸;
當時隙處于ULDPCCHburst樣式時;
UL-DTX的應用一方面可減少終端的耗電量,此外還可以減少對上行的干擾。
3.3 HS-SCCH less Transmissions
在3GPPR5/R6版本中,HS-SCCH信道是下行物理共享信道,它的引入是為了承載HS-PDSCH信道所需的物理層信令。其擴頻因子為128,每2ms對相應的終端下發(fā)相應的調(diào)度指令。但調(diào)度的情況要依據(jù)HS-SCCH的配置數(shù)目,當只配一條時,多用戶只能通過時分復用的形式共享HS-PDSCH信道,在一個TTI內(nèi)只能為一個用戶服務,當然它最多可配置4條,即在單TTI內(nèi)可調(diào)度4用戶。
因此,HS-SCCH的使用耗費很大的碼字、功率資源,降低系統(tǒng)的使用效率,在R7版本中,引入HS-SCCHlessTransmissions模式,一方面將部分信令打包承載在HS-PDSCH高速信道上,此外,UE端采用盲解調(diào)的方式,極大節(jié)省了HS-SCCH的碼字、功率資源,提高系統(tǒng)效率。
3.4 增強的F-DPCH
為了最優(yōu)系統(tǒng)使用效率,R6引入了F-DPCH(FractionalDedicatedPhysicalChannel),它主要用來傳輸下行的功控指令TPC,它的最大好處是多用戶(最多10個用戶)可時分共享一條SF=256的碼道。但它并不是替代A-DPCH(A-DPCH配置給每個使用HSDPA業(yè)務的用戶),網(wǎng)絡側(cè)根據(jù)終端的支持情況,即可以選擇F-DPCH,也可以選擇A-DPCH。
但是在R7中,對應任何一條RL,都對應相應的F-DPCH,同時原A-DPCH承載的信令轉(zhuǎn)移到HS-DSCH上承載,由于HSDPA較R99速率高,因此SRB承載在HS-DSCH上能夠降低業(yè)務建立的時延。
3.5 增強的Cell_FACH
考慮到數(shù)據(jù)承載的效率,引入了增強的Cell_FACH,Cell_PCH狀態(tài),它的傳輸信道不再是原有的DCH,而是高速的HS-DSCH,因此容量增加,時延降低。
3.6 其他技術
在其他版本中,考慮到終端的耗電量、處理復雜形,體積等問題,因此如MIMO,64QAM等只是在網(wǎng)絡側(cè)考慮,但是從提升終端性能,提高峰值速率的角度,這些網(wǎng)絡側(cè)的新技術也會在終端側(cè)考慮。
當然為配合應用這些層一技術的時候,層二相應的功能,如RLCPDU的大小也需要相應的進行調(diào)整。
4 總結(jié)
本文給出了HSPA+終端的類別,以及影響性能的關鍵要素,同時結(jié)合終端性能的提升以及HSPA+的業(yè)務目標給出HSPA+終端的新技術。當然HSPA+終端還在進一步發(fā)展中,還存在新終端類別出現(xiàn)的可能,相關新技術也需要進一步的完善,預計在今年底能夠凍結(jié)。但是HSPA+終端是完全后向兼容HSPA終端,因此它會有效保護已部署HSPA的運營商的投資。

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