UMTS网规网优初级教材HSPA基本原理介绍

UMTS网规网优初级教材HSPA基本原理介绍1HSDPA技术原理3核心思想3协议架构3关键技术5自适应调制编码技术(AMC)5多个HARQ进程处理61.3.3HSDPA调度器7合理的资源配置算法7物理层信道结构9高速下行共享物理信道(HS-PDSCH)101.4.1.1HS-PDSCH信道与DPCH信道对比11.2HS-PDSCH的编码过程121.4.1.3HS-PDSCH的调制14高速共享控制信道(HS-SCCH)15高速专用物理控制信道(HS-DPCCH)17伴随专用物理控制信道(A-DPCH)18部分专用物理信道(F-DPCH)182HSUPA技术原理19核心思想19协议架构20关键技术20传输时间间隔(TTI)202.3.2 HARQ多进程处理212.3.3 NodeB控制的调度222.3.4 结构242.4.1 E-DPCCH/-EDPDCH252.4.2 E-DCHRelativeGrantChannel(E-RGCH)26E-DCHHybridARQIndicatorChannel(E-HICH)272.4.4 E-DCHAbsoluteGrantChannel(E-AGCH)271HSDPA技术原理1.1 核心思想理论峰值速率，这得益于HSDPA在物理层引入了大量的关键技术，诸如AMC、HARQ、2ms短帧、多码传输、16QAM调制等。本章将对这些关键技术进行详细讨论与分析。HSDPAO络发展前景广阔，主要是由于其先进技术性大大提升WCDMA统吞吐率，符合用户对高速业务越来越强烈的需求。HSDPAt持高速分组传输，将业务信道从“专用”转为“共享”方式，提高资源利用率。HSDPATB够将数据吞吐率提升23倍，并且可以在现有R99网络上平滑升级，这些都是其受到运营商青睐的重要原因。基于WCDMA系的无线通信系统不断进行技术完善，未来的HSDPAfHSUP厮成HSPA网络，向LTE演进，将为人们提供更方便快捷的移动通信服务。因此HSDP啦术是WCDMA然经历的阶段，符合业务需求和无线技术发展趋势。可以做大胆的预测，在HSDP喊熟商用后，大部分的高速PS业务都可以承载到HSDPAh,而R99只需要承载CS类业务和有保证速率要求的PS业务；在R6HSUPA引入后，高速业务通过HSDPAHSUP婶载，在上下行方向都可以达到较高速率。随着技术发展和协议升级，未来PS域上能够很好地承载实时业务。HSDP勰3GPPR5协议中引入的最重要的无线技术，采用了AMCHAR倘一系列与以前协议版本不同的物理层技术。由于3GPPR4协议与R99协议相比，主要改动集中在核心网、TD-SCDMAI入等方面，对WCDMA线侧基本没有升级改动，因此在进行R5HSDP弹口以前协议版本的无线技术对比时，通常使用“HSDPATR99”这样的描述方式，本文档中就采用这种描述方式。HSDPA勺核心思想是采用“共享”的方式，利用合理的调度算法发挥码资源、功率资源的最大效率，此外AMC2msframe等引入，也是HSDPAfe能提高的要素之一。1.2 协议架构HSDPA作为WCDMA在下行的增强技术，在体系结构中与R99最大的不同是增加了一个新的MAC子层，即MAC-hs子层，该子层负责调度以及流控处理，如图1所示。DTCHDTCHUEUuNode BIub CRNC/SRNC图1HS-DSCH传输信道的协议模型从图1中可以看出：协议模型与R99相比，最大的不同是在NodeB和UE分别引入了MAC-hs子层。NodeB的MAC-hs实体通过Uu口将MAC-hsPDU传递给UE的对等实体MAC-hs。RNC的MAC-d实体通过HS-DSCHFP协议将MAC-dPDU传递给NodeB的MAC-hs实体。在NodeB中引入MAC-hs子层的主要原因包括：1）多用户的快速调度；2）减少重传时延，提升用户的业务感受；3）提高AMC技术链路自适应性能：该技术根据信道质量来调整调制和编码方式，其性能对信道质量上报的时延非常敏感，时延越大链路自适应性能越差。HSDPA除了物理层重传外，同时还支持RLC层重传。RLC层负责对物理层丢包进行重传，可以根据业务特性选择是否进行RLC层重传。对于时延要求较高、丢包率要求较低的业务不需要RLC层重彳专（RLCUM）;而对于丢包率要求较高、时延要求较低的业务则需要RLC层重传（RLCAM）。在R99中，最低层的重传为RLC层重彳专。RLC层重传时延包含了物理层处理时延以及Iub口重传的时延，其中Iub口的重传时延占的比重较大。HSDPA和R99重传机制对比如图2所示。物理层重传比RLC重传更快速，因此HSDPA的业务时延比R99更优。R99 DCHR5 HS-DSCHUEIF量图2HSDPA的重传控制由于HSDPA的物理层使用2ms的短帧，R99使用10ms、20ms、40ms和80ms的长TTI,所以HSDPA物理层时延比R99物理层低很多。HSDPA的环回时延(RTT,RoundTripTime)时延可以低至7080ms左右，而R99的RTT在120750ms左右。1.3 关键技术功率和码资源共享等几个方面的HSDPA主要采用了AMC、HARQ多进程、快速调度、技术来提升性能，下面逐一予以分析。1.3.1 自适应调制编码技术(AMC)链路自适应技术是根据时变衰落信道的变化，通过自适应调整发射功率、符号速率、调制阶数、编码速率、编码方案或上述几个因素的组合来实现链路预算的实时平衡，达到增加系统容量和改善通信质量的目的。在R99中广泛采用链路自适应技术是功率控制技术。AMC则是HSDPA中采用的主要的链路自适应技术，其链路自适应周期为2ms,链路自适应技术基于UE上报的CQI以及HS-DPCCH反馈的ACK/NACK信息。3所示。在HSDPA的链路自适应技术中，一般包含内环和外环链路自适应两种，如图内环链路自适应基于CQI。核心思想是NodeB根据UE上报的CQI选择调制编码方式和传输块的大小。当用户处于良好的无线环境（如靠近NodeB或者有直射径）时，则选择高阶调制和高码率的信道编码方式（如16QAM,3/4编码速率）传送用户数据，从而得到较高的传输速率；而当用户处于小区远点，深衰落或者阴影区时，则选取低阶调制方式和低码率（QPSK调制和1/4编码速率），从而保证通信质量。1.3.2 多个HARQ进程处理HSDPA系统支持多个HARQ进程并行传输，以连续为某个用户发送数据。每个HARQ进程只有收到其反馈信息（ACK/NACK）后，才可以重新传输数据。基站使用一个HARQ进程发送数据后，大约在5个TTI后收到该HARQ进程的反馈信息，再加上基站处理时间，需要6个TTI时间才能重新调度该HARQ进程。所以为了连续的发送数据至少需要6个HARQ进程。但在多用户的情况下，实际上是不需要这么多进程的，因为一般不会连续地调度某一个用户进行数据传输。HS-DPCCHNCQIACQINCQIACQIACQIACQIHS-PDSCHHARQ1HARQ2HARQ3HARQ4HARQ5HARQ6HARQ1HARQ2HARQ3图4单用户6个HARQ进程处理示意图图4是多HARQ进程处理示意图，假设有6个HARQ,并且HARQ的反馈时延小于6个TTI。最初的6个TTI内分别用不同的HARQ进程传新数据，当到第7个TTI时，由于第1个HARQ进程的反馈信息已经收到，所以可以继续用HARQ进程1传输：如果反馈的是ACK,则传新数据，如果反馈的是NACK,则对上次传输的数据进行重传。第2个HARQ的反馈会在第7个TTI收到，所以第8个TTI又可以用进程2传输新数据。由于第3个HARQ进程返回的是NACK,所以第9个TTI要对旧数据进行重传。重传时必须使用与第一次传输时相同的HARQ进程号(HARQProcessID)。1.3.3 HSDPA调度器HSDPA调度器放在NodeB,能够更快的根据无线环境而配置资源，因此会有效提升空口性能。MAC-hs分组调度器在NodeB所处的位置如图5所示。从MAC-hs流控输出的优先级队列数据存储到一个缓冲区中，调度器从该缓冲区中读取各个优先级队列的数据。调度器根据各个UE的信道状况、UE的历史吞吐率、UE的等待时间等来调度各个UE的分组数据。NodeBMAC-hs流控器QueueDataACK/NACK图5MAC-hs分组调度器在系统中的位置物理层反馈信息的及时获得和使用对于分组调度非常重要。例如，ACK/NACK及时获得后可及时重传错误的进程或发射新进程；根据得到的CQI及时地适应无线链路的变化；根据UL-DPCCH的功控命令和DL-DPCCH上的发射功率来及时推算出UE所处的信道状况。1.3.4 合理的资源配置算法对于HSDPA系统，码资源和功率资源是可以动态配置的，这样可以更加有效的利用资源提升吞吐率。动态码资源分配有利于提高系统码资源的利用率。系统可以依据小区非HS-DSCH数据量的需求比例对HS-DSCH信道化码资源进行动态调整。另外由于DPCH承载的一般是话音、视频业务，而HSDPA上承载的是分组业务，且DPCH因为码资源原因无法分配则会导致呼通率降低，而HSDPA是共享资源，码资源变少对用户的呼通率影响较小，因此可认为DPCH对码资源的需求优先级比HS-DSCH对码资源的需求优先级高。基于最大化利用小区资源的原则，动态码资源分配的依据是：在满足非HS-DSCH信道（公共信道、DCH信道）的相关码资源的需求的情况下，最大化码资源利用率；如果非HS-DSCH相关码资源的需求很高，则可适当降低HS-DSCH的码资源需求；如果非HS-DSCH相关码资源的需求变小，则可适当升高HS-DSCH的码资源需求。图6是非HS-DSCH码资源和HS-DSCH码资源占用比例图。信道化码资源HS-DSCH使用资源非HS-DSCH使用资源图6非HS-DSCH码资源和HS-DSCH码资源占用情况的示例图非HS-DSCH相关码资源的需求可以通过监测非HS-DSCH相关的物理信道的码资源占用率（A）得到，HS-DSCH相关物理信道的码资源占用率（B）反映了当前HS-DSCH相关物理信道分配的码资源（除伴随专用信道外）。B随着A的变化而变化，B和A的关系可写成下述关系：B=1-A-DpchCodeHy其中：A是非HS-DSCH相关物理信道所占用的码资源占用率；B是HS-DSCH相关物理信道所分配的码资源占用率；DpchCodeHy是专用信道的码资源占用率。图7是HS-DSCH相关物理信道的动态码资源调整框图。动态码资源分配的优点是可以应对突发的话音或者数据吞吐率的增加，码资源可以被HSDPA相关的物理信道和DPCH物理信道之间重复利用，从而使系统码资源利用达到最大化。HSDPA可以采用动态功率分配策略，小区总发射功率能够保持在一个相对平稳的水平。HSDPA引入后使系统下行干扰更稳定，有助于提升下行发射功率的使用性能。powerR5powerR99rewpp al quoCommon channels ！ce WODIacLPQHS-DSCH (rate controlled)DCH (power controlled)Power usage with DCH* CCommon channelsa -ttHS-DSCH with dynamic power allocation图8HSDPA引入后的下行功率使用示意图由图8可看出，HSDPA采用动态功率分配方式与R99DCH功率分配的区别主要体现在HSDPA业务可以利用小区发射总功率中R99未使用的部分。R99剩余功率为最大可用功率减去公共信道和R99DCH分配功率，公式如下。PR99PcommonPR99_ DCH但由于无线环境的变化特性会引起用户功率的波动，同时测量R99剩余功率存在时延，如果按照100%的小区最大发射总功率计算HSDPA可用功率，很可能会导致下行发射峰值功率超过功放的最大值，因此，即使使用HSDPA后，提高下行负荷也应该控制在9095%。测量R99剩余功率的时延越小，下行的发射总功率就可以越接近小区下行的最大发射功率，下行负荷Power越接近100%。1.4 物理层信道结构为了实现HSDPA的功能特性，3GPPR5在物理层规范中引入了三种新的信道：高速下行共享物理信道（HS-PDSCH）,用于传输下行用户数据的物理信道。高速共享控制信道（HS-SCCH）,下行物理层信令信道。高速专用物理控制信道（HS-DPCCH）,上行物理层信令信道。除此之外，伴随专用物理信道（A-DPCH）在R5中也是必须的，用于承载RRC信令或并发业务数据（如CS12.2k话音）。如图9所示：图9HSDPA相关的物理层信道1.4.1 高速下行共享物理信道(HS-PDSCH)HS-PDSCH信道是下行物理信道，它的引入是为了承载传输信道HS-DSCH,也就是承载实际的用户数据。其扩频因子固定为16,调制方式可以是QPSK或16QAM，信道编码采用1/3Turbo码，包含两级速率匹配。信道结构如图10所示。DataNdata1bitsSlot#0Slot#1Slot#24A1subframe:Tf=2ms图10HS-PDSCH的信道结构3其中，M为每个调制符号所代表的比特数。对于QPSK而言，M=2,在2msTTI内物理信道比特数为960,也就是480kbps；对于16QAM而言，M=4,在2msTTI内物理信道比特数为1920,也就是960kbps。如果15个码道并行传输，并且采用16QAM进行调制，那么物理层峰值速率达14.4Mbps,MAC-hs层的峰值速率为13.9Mbps。如图11所示：上图是HS-PDSCH信道在2ms内传输最大传输块时的编码过程，从图3-5中可以看出：在2msTTI内可以传输的最大的MAC-hsPDU为27952比特，最大的物理信道比特数为：15（HS-PDSCH的码道数）X1920（每码道的物理彳t道比特数）=28800bits。所以据此可知，HS-PDSCH可传的最大的MAC-hs速率为27952bits/2ms=13.9Mbps,而最大的物理信道速率为：28800bits/2ms=14.4Mbps。R6与R5相比，HS-PDSCH的信道结构没有变化。1.4.1.1 HS-PDSCH信道与DPCH信道对比HS-PDSCH信道与R99已有的DPCH信道相比有很多特点2:2ms短帧:HS-PDSCH采用2msTTI,与R99支持的10ms、20ms、40ms、80msTTI相比，可减小无线链路自适应时延，提高调度的时间粒度，更好地跟踪时变的无线环境。16QAM高阶调制：HSDPA除了支持QPSK外，还引入了16QAM调制，而R99只支持QPSK。多码传输：HS-PDSCH信道支持多码传输和用户之间的时分码道复用，而对于DPCH来讲，每种业务只能使用一个码道。由于HS-PDSCH信道的扩频因子为16,所以在同一个扰码下共有16个SF为16的码道。但是由于下行公共信道、HS-SCCH信道以及A-DPCH信道（伴随信道）都需要码资源，所以HS-PDSCH可用的最大码道数为15个。混合自动请求重传（HARQ）:混合自动请求重传要求速率匹配时根据RV（RedundencyVersion）参数进行打孔或重复，当重传时可采用相同或不同的传输格式。当采用不同的传输格式时，对于QPSK来讲，RV参数可以改变打孔和重复的位置；对于16QAM来讲，RV参数除了可以改变打孔和重复的位置外，还可以改变比特映射成符号的顺序（星座重排），以平衡第一次传输中各个比特可靠度的不同。自适应调制编码（AMC）:HS-PDSCH放弃了快速功控的链路自适应策略，而是采用自适应的调制编码技术实现链路自适应。硬切换或小区变更（移动性管理）：UE同一时刻只与一个小区进行通信，当邻近HSDPA小区的信号质量高于号质量Wj于HSDPA服务小区的信号质量时，可通过移动性管理将UE切换到信号质量好的小区。HS-PDSCH仅使用Turbo码，而DPCH根据业务选择使用卷积码或Turbo码。HS-PDSCH在整个TTI内连续发射，从而使得无线信道在整个2ms范围内充分利用。而DPCH在没有数据时其Data1/Data2/TFCI域将会有不连续发射（DTX）现象发生，使得DPCH不能充分利用码资源。动态资源共享：HS-PDSCH可以在2ms内进行动态资源共享，包括共享码道资源和功率资源。在DPCH中，当无线链路建立以后，无论信道的数据量多少，码资源是一直被占用的，这样导致码资源的浪费。而对于HS-DSCH信道来说，如果某一用户没有数据，那么就不为该用户分配码道，而是把这些码道分给其它用户，所以HS-PDSCH信道的资源利用率比DPCH高。1.4.1.2 HS-PDSCH的编码过程HS-PDSCH的编码链比R99简单，因为它不需要处理DTX或压缩模式。如果决定在一个TTI内为某个用户服务，那么在这个TTI内数据是满的，不存在DTX。如果某个用户处于下行压缩模式，那么调度器会根据定时关系不调度处于压缩模式的TTI。同时HS-DSCH只有一个传输信道，省掉了传输信道复用和解复用的操作。另外，编码链中比特加扰、星座重排也是HSDPA相对于R99所特有的。HS-PDSCH的信道编码过程如图12所示：物理信道1物理信道P图12HS-DSCH的信道编码过程错产间用尽循环冗余校验（CRC）功能是为了检测传输块传输的正确与否。由于CRC检错能力较强，并且实现简单，所以经常用来检错。HSDPA使用24比特的CRC校验；比特加扰功能是为了避免长时间的出现连1或连0,因为长时间的出现连1或连0会使16QAM解调时幅度估计非常困难；码块分割功能将大于5114bits的数据块分成若干段，使每段长度小于等于5114bits,然后输入到Turbo编码器分别进行编码使输入Turbo编码器的最大传输块为5114;信道编码与R99相比并无改变，仍采用码率为1/3的Turbo码，编码器内部仍由两个卷积编码器和一个内交织器组成，采用Turbo码的主要原因是在处理较大传输块时，它的性能比卷积码优越；速率匹配完成Turbo编码器输出比特到物理信道比特的映射。HS-PDSCH的速率匹配分为两级：第一级完成Turbo编码器输出比特到HARQ虚拟缓冲器的映射；第二级速率匹配在冗余参数的控制下完成第一级输出的比特到物理信道比特的映射。速率匹配的引入是为了使传输块编码速率的粒度更小，更精确适应信道条件，同时也使重传可以采用与第一次相同或不同的传输格式；物理信道分割功能将速率匹配之后的数据按照码道数对信道编码、速率匹配之后的数据进行分段，然后输入到各个物理信道交织器中；交织功能与R99相同，也是为了减少连续的大面积错误，从而提高Turbo译码器的译码性能。将每个物理信道分别进行交织，对于QPSK使用单交织器，16QAM使用两个交织器；16QAM星座重排功能是16QAM特有的，用于比特间可靠度的平衡。1.4.1.3 HS-PDSCH的调制HS-PDSCH的调制技术与R99DPCH不同，除了采用QPSK外，还引入了高阶调制技术16QAM。在HSDPA技术可行性研究阶段，还考虑了8PSK和64QAM,由于64QAM实现过于复杂，而且QPSK和16QAM已经能够提供至少30dB的信噪比动态范围，所以并没有引入8PSK和64QAM。QPSK和16QAM的星座图如图13所示。由于QPSK星座图只有4个星座点，所以一个符号代表2个比特，而16QAM星座图有16个星座点，所以一个符号代表4个比特。HSDPA的引入并没有改变码片速率，也就是每载波的带宽不变，所以16QAM的频谱效率与QPSK相比提高一倍。但是由于16QAM的星座点距离较近，所以需要的信噪比也比QPSK高，同时16QAM不仅要求进行幅度估计，而且还要求更精确的相位估计。相位估计可以直接由CPICH信道进行估计，幅度估1t需要对接收到的CPICH与HS-PDSCH的功率差进行估计，所以在使用16QAM调制时，每个TTI内HS-PDSCH的发射功率是不能变的，否则会造成解调性能严重下降。10111U10muII LI1001*I Hlm i-lionL101(1 JI?!0)10IH|QPSK16QAM图13QPSK与16QAM的星座图16QAM调制是使HSDPA系统容量提高的重要技术，在小区附近区域使用16QAM,而在小区中间和边缘使用QPSK。使得可以充分利用信道条件，显著提高信道质量好时的吞吐率，而R99在信道质量好时是通过减少功率来适应链路的，把省下来的功率给小区边缘的用户使用，使得HSDPA整体的功率利用效率高于R99。1.4.2 高速共享控制信道（HS-SCCH）HS-SCCH信道是下行的物理信道，它的引入是为了承载译码HS-PDSCH信道所需的物理层信令。其扩频因子为128,调制方式为QPSK,信道编码为卷积码，采用一级速率匹配。HS-SCCH信道承载的信令包含两部分，如图14所示：第一部分（Slot#。）包括信道化码、调制方式，UE将在Slot#1内解出这些信息，用于在Slot#2的开始时刻启动HS-PDSCH解扰解扩过程，避免UE侧码片级的数据缓存；第二部分（Slot#1和Slot#2）包括传输块大小指示ki、HARQ进程号、RV参数、新数据指示。第二部分信息将会在Slot#2结束后的一段时间内解出来，在没解出之前，要缓存HS-PDSCH解码后的符号级数据，等第二部分信息解出之后进行HS-PDSCH信道的解速率匹配、软比特合并、Turbo译码等操作。DataNdata1bitsSlot#0Slot#1Slot#21subframe:T=2ms图14HS-SCCH的信道结构错由找到引用源从图14中可以看出：HS-SCCH在2msTTI内传输的比特数固定不变。根据码复用所支持的最大用户数，UTRAN分配相应数目的HS-SCCH码道。每个终端最多可以监控4条HS-SCCH信道。一般在一个TTI内调度的用户数不超过4个（避免HS-SCCH对功率和码道资源的过量消耗），HS-SCCH的数目可以根据HSDPA业务的功率资源和码道资源进行合理配置。当连续调度某个终端时，HS-SCCH在连续的TTI应当使用同一个码道，以减小UE复杂度、增强信令的可靠度。在R5和R6协议中HS-SCCH的信道结构没有变化。在HSDPA中，根据配置的HS-SCCH码道数决定码分调度的情况。当RNC只为小区配一条HS-SCCH码道时，那么多用户只能通过时分复用的形式共享HS-PDSCH信道，在一个TTI内只为一个用户服务，调度器会尽可能的将小区中HSDPA可用的资源（功率资源和码道资源）分配给同一个用户，如图15所示。用户1用户2用户3HS-SCCHHS-PDSCH码道1用户1用户2用户3码道2用户1用户2用户3码道3用户1用户2用户3码道4用户1用户2用户3码道5用户1用户2用户32 ms图15配置单条HS-SCCH时HS-PDSCH的复用形式而当配置多条HS-SCCH码道时，在一个TTI内可以调度多个用户，在一个TTI内调度的用户数最多为分配给HS-SCCH的码道数。调度器首先根据调度算法选择一个优先级最高的用户，然后根据其信道质量、剩余功率、剩余码道、用户数据量等情况为其分配码道资源和功率资源，同时决定传输块的大小、调制方式等物理层参数，调度完该用户后如果还有功率和码道资源，则继续调度下一用户，一直到资源用完。如图16所示。用户1用户2用户1用户2用户3用户3HS-SCCHHS-PDSCH用户1用户2用户1用户1用户2用户3用户2用户2用户3用户2用户3用户3用户2用户3用户3码道1码道2码道3码道4码道52 ms图16配置多条HS-SCCH时HS-PDSCH的复用形式HS-PDSCH信道码复用是可配置的。当分配给HSDPA的资源较少时，一般不需要使用码复用的方式，因为一个用户就可以充分利用码资源和功率资源。如果使用码复用，则必然带来HS-SCCH的码资源和功率资源的消耗，从而使小区吞吐率低于非码复用的情况；随着HSDPA业务量的增加，分配给HSDPA的资源越来越多，则要考虑码复用的方式，因为一个TTI内调度一个用户很有可能造成功率资源和码道资源都有剩余的情况，导致资源利用效率不高。1.4.3 高速专用物理控制信道（HS-DPCCH）HS-DPCCH是上行的物理信道，它的引入是为了承载必要的反馈信息，包才HS-PDSCH信道译码信息（ACK/NACK,即正确应答/非正确应答）和信道质量指示信息（CQI）。该信道的扩频因子为256,调制方式为BPSK,与UL-DPCCH和UL-DPDCH是I/Q复用和码道复用的，根据UL-DPDCH的个数决定HS-DPCCH复用在I路还是Q路，以平衡I、Q两路。引入HS-DPCCH后，DPCH的信道结构没有改变。引入HS-DPCCH后的负面影响是UE的峰均比（PAR）增加，导致UE的有效发射功率降低，同时也会影响上行覆盖，详见第六章以及第八章的分析和实测。HS-DPCCH信道结如图17所示。图17HS-DPCCH的信道结构3第一部分：ACK/NACK域，指示HS-PDSCH的译码结果。采用简单重复10次的编码方法，用10比特来表示下行译码信息，包括ACK/NACK/DTX,基站检测时可以采用三值检测算法。如果译出的是ACK则说明下行HS-SCCH译码正确，HS-PDSCH译码正确；如果译出的是NACK,则说明下行HS-SCCH译码正确，但HS-PDSCH译码错误；如果译出的是DTX,则说明下行HS-SCCH译码错误，HS-PDSCH没有解调。第二部分：CQI域，指示UE的信道质量。CQI编码采用扩充的（20,5）的REED-MULLER编码，用20比特表示5比特的CQI二进制编码，CQI译码可以采用快速哈达码变换法。CQI范围是从0到30,其中0表示信道质量很差，不允许发送；CQI从1到30所表示的信道质量范围支持从单码道的QPSK传输到15码道的16QAM传输（包括多种速率）。在设计CQI对应传输格式时，还必须考虑终端的能力限制，当CQI超过最大传输格式时，要通过功率缩减因子告知NodeB减少发射功率。CQI的传输受CQI的上报周期和CQI的重复因子控制。HS-DPCCH链路性能是由重复因子以及各个域的功率偏移（相对于UL-DPCCH）控制的。而重复因子和功率偏移值又可以通过RNC或NodeB修改，从而达到控制HS-DPCCH链路性能的目的。HS-DPCCH信道在R6中已经得到了增强，通过在ACK/NACK前后增加PRE/POST的方案，使原来的三值检测变为二值检测，并且由原来的一个TTI检测变为多个TTI检测，所以增强了HS-DPCCH的解调性能。译码时，NodeB根据调度情况以及译码结果做出最佳的判决。这种方法能够明显地降低HS-DPCCH的峰值功率，从而降低UE的峰均比，提高UE的功率效率，同时增加上行覆盖。1.4.4 伴随专用物理控制信道（A-DPCH）为了承载HSDPA业务，不仅需要HS-PDSCH、HS-SCCH、HS-DPCCH信道，而且还需要A-DPCH（AssociatedDedicatedPhysicalCHannel）信道,该信道即是R99中的DPCH。A-DPCH对于HSDPA业务来说是必需的，用于传输RRC信令，并且DL-DPCH可以辅助HS-SCCH信道的功控，UL-DPCH可以辅助HS-DPCCH信道的功控。在R5中为每个HSDPA用户都要分配一条SF为256（256到32，根据伴随的业务而定）的下行码道来承载A-DPCH，导致接入的HSDPA用户数在分配较多HS-PDSCH码道时受到限制。例如：HS-PDSCH配置15条码道，HS-SCCH配置1条码道，那么在这种情况下只能够接入6个HSDPA用户，计算如下：16个SF256（等效1个SF16）-8个SF256（公共信道占用）-2个SF256（1个HS-SCCH）=6个SF256。从上面的分析可知，HSDPA用户越多，A-DPCH消耗的码资源也越多，每增加一个HSDPA用户，至少就要消耗一个SF为256的码资源。例如：当一个小区有128个用户，那么A-DPCH就要消耗128个SF为256的码资源，相当于整个小区码资源的一半。所以在R6版本协议中，为了节省伴随信道的码资源，引入了多用户时分复用的F-DPCH信道。1.4.5 部分专用物理信道（F-DPCH）在R6协议中，为了节省码资源，新引入了F-DPCH（FractionalDedicatedPhysicalCHannel）信道。F-DPCH并不是取代A-DPCH,在R6协议中两信道是同时存在的，HSDPA用户接入时，网络侧既可以选择F-DPCH信道，也可以选择A-DPCH信道为UE服务。当需要将数据映射到DPCH上时（如AMR业务或CS），则不能使用F-DPCH。F-DPCH最大的改进是多用户可以时分复用一个SF256的码道，信道结构如图18所示：512chips1radioframe:Tf=10ms图18F-DPCH的信道结构3从图18中可以看出，每个用户需要占用256个码片，用于承载TPC命令。每个时隙有2560个码片，因此所以一条F-DPCH最多可以10个用户时分复用，这就大大减少了码资源的消耗。但是，由于F-DPCH只承载TPC命令，那么原来在A-DPCH中承载的SRB信令在R6中只能在HS-PDSCH上承载，因此需要调度器对SRB信令的调度进行特殊处理，以保证SRB信令的可靠度和时延。由于HSDPA比R99时延低，所以SRB信令在HSDPA上承载更有利，可以减小业务的建立时延。由于F-DPCH信道不包含导频比特，所以基于导频比特的相位调整不能实现，也就使闭环发射分集不能使用。从上面分析可知，引入F-DPCH的好处包括：1）减少码资源的消耗；2）减小业务的建立时延。不足之处包括：1）不能在DPCH上建立CS业务，所有业务都要建立在HS-DSCH上；2）不能使用闭环发射分集。2HSUPA技术原理2.1 核心思想高速上行分组接入HSUPA（正式名称为E-DCH或EUL,即增强型上行链路技术）是一种上行传输的增强型技术。相对R99的DCH,HSUPA的引入使上行分组的接收性能有了明显地改善，服务质量得到显著的提高。引入HSUPA后，在系统容量上大约有50%-70%的增加，端到端分组数据包的延迟有20%-55%的减少，在用户分组呼叫上行流量上有大约50%的增加。在终端侧表现为更快速的数据传输、更少的延迟（例如可以支持更流畅的游戏交互）。HSUPA通过将调度器放置在NodeB中的策略，大大缩短了调度控制信令和UE响应的时延，从而可以更快速、精确、有效地控制小区负载，使小区负载总是处于十分接近预设负载门限的水平。结合HARQ、更短的TTI等关键技术，HSUPA使UE能够以尽可能多的功率分配给E-DCH,从而提供了更大的上行吞吐率，充分利用了有限的功率和带宽资源。HSUP啦术是WCDMA行链路的增强型技术，可以应用于无线游戏、交互类型业务、基于流媒体的视频业务、数据上载业务等。2.2 协议架构DTCH DCCHDCCH DTCHUENodeBIubDRNCIurSRNCUE引入新的Mac实体MAC-es/MAC-e，位于MAC-d之下。MAC-es/MAC-e负责HARQ重传，调度，MAC-e复用，E-TFC选择。NodeB引入新的MAC实体MAC-e,负责HARQ重传，调度，MAC-e解复用。SRNC引入新的MAC实体MAC-es,负责重排序，宏分集合并。2.3 关键技术与R99相比，HSUPA引入了多码传输、SF=2或4的扩频因子、HARQ技术、快速数据调度以及10msTTI/2msTTI,并将调度器从RNC移到NodeB中，以在NodeB中实现MAC-e协议控制的E-DCH调度。以下主要对传输时间间隔、HARQ多进程和NodeB快速调度三个方面的技术逐一予以分析。2.3.1 传输时间间隔(TTI)HSUPA上行引入了可选的较短的2ms的传输时间间隔(TTI)。在HSDPA下行链路中引入2msTTI的想法是由于HS-PDSCH传输没有采用功率控制。而这个问题在上行链路中没有，因为上行链路中不用功率控制将会降低系统容量。在上行中较短TTI的动机主要是因为可望降低HARQ重传延迟。2msTTI面临的是来自于终端中功率资源有限导致的上行链路覆盖问题。当每个TTI中含有同样多的数据时，2ms内发射的能量可能比10ms少。此外，当TTI降为2ms时，交织(interleaving)增益被降低了。因此，为实现小区边缘的正常工作，规范将一直使用10msTTI。图19是3GPP关于UECategory的规定，可以看到10msTTI对每一类应用都是必需的，而2ms为部分应用的可选项。当然，在没有链路覆盖等其他限制条件下，我们可以看到2msTTI能相应提高系统容量，在好的无线环境下，2ms能带来更高的峰值速率。HSUPAUE类型如下图所示。HSUPACMegoiyCodesx3prcedingTHTransportBlock口rate11xSF41072960.73Mjps22xSF410145921.46Mbp霖22xSF4229191.46Mjps32xSF410145921.46Mbp号42xSF210200002Mbps42xSF2253372$Mbps52xSF210200002Mbg62xSF2+2xSF410200002LWps62xSF2+2xSF42115205J6Mbps图19HSUPAUE分类2.3.2 HARQ多进程处理HybridAutomaticRepeatreQuest(HARQ)是一种前向纠错FEC和重传相结合的技术。它可以根据链路的状况快速地调整信道的传输速率并实现FEC与重传的结合。物理层HARQ受高层控制。与HSDPA类似，HARQ被3GPP引入到HSUPA中，以减小时延并增加重发数据的效率，可以提高系统性能，并可灵活地调整有效码元的速率，还可以补偿由于采用链路适配所带来的误码。HSUPA的HARQ功能主要在NodeB的MAC-e和物理层体现。N-channel SAW HARQ 机制，如与HSDPAHARQ一样，HSUPAHARQ多进程均采用卜图所示。UE1 HARQ channel 1UL DPCCH UE1UL DPCCH UE2Node BHSPDSCHJE Packet i|uEi packet 2UEi Packet 3UE Packet 4UE2 Packet UE Packet 叫 packet ：UE Packet 里 Packet UE Packet 7U4 Packet 2UE1 HARQ channel 2UE1 HARQ channelUE1 HARQ channel 4UE2HARQchannel1HARQ有两种运行方式。一种是在重传时，与初次发射时相同，这种方式又被称之为ChaseCombineCCC）或softcombining。另一种就是重传时的数据与前次发射有所不同（如仅包含校验比特），这种方式又被称之为IncrementalRedundancy（IR）。后一种方式的性能要优于第一种，但在终端侧需要更大的内存。终端的缺省内存容量是根据终端所能支持的最大数据速率和softcombining方式设计的，因而在最大数据速率时，只可能使用softcombining。而在使用较低的数据速率传输数据时，两种方式都可以使用。IR会增加UE的内存复杂度，但3GPP本身不限制具体使用那种方式，CC可以看作是IR的一种特殊形式。2.3.3 NodeB控制的调度HSUPANodeB控制的调度基本架构。*UEsendsraterequesttoservingNodeBServingNodeBsendsbackabsolutegrant* NodeB scheduling controls the noise rise vey fast Scheduling delay up to 10 msNodeBscansendtoUEarelativegrant2HssGrantedvalue:pov/erorrate图20HSUPANodeB控制的调度基本架构从图20可以看出，UE首先向服务NodeB发送包括调度信息（承载在E-DPDCH上的带内信令，包才4比特的高优先级逻辑信道ID、9比特的UE缓存占有状况（5比特的TotalE-DCHBufferStatus（TEBS）以及4比特的HighestpriorityLogicalchannelBufferStatus（HLBS）、5比特的UE功率状况）以及承载在E-DPCCH上的“Happy”比特的调度请求，以请求服务NodeB分配资源。服务NodeB根据QoS相关信息和UE的调度请求信息来决定调度授权。调度授权具有如下属性：调度授权仅用于E-DCHTFC选择算法，不用于DCHTFC选择；调度授权控制激活process的最大允许的E-DPDCH/DPCCH功率比率，对于非激活process,功率比率为0,UE禁止发送；所有的授权是确定性的；调度授权可以每TTI或更低的频率发送。UE可使用绝对授权由NodeB发送的调度授权有两种类型：绝对授权和相对授权，其中前者提供的UL最大资源的绝对限制，而后者可对前一次使用的授权值进行增加或降低。服务E-DCH服务小区发送，可对一个UE、一组UE或所有UE有效。绝对授权包括：授权所针对的UE（或UE组）的E-RNTI（16比特掩码处理）；UE允许使用的最大功率比值,占5个比特；HARQ进程激活标志，1个比特。从而组成6个比特的绝对授权信息Xag,1,xag,2,Node-Bxag,6,可通过绝对授权信道（E-AGCH）发送。相对授权（更新）可由服务和非服务作为绝对授权的补充进行发送。来自服务E-DCHRLS的相对授权可取以下三个值中的一个:“UP”、“DOWN”或“HOLD”；来自非服务E-DCHRL的相对授权可取以下两个值:或“DOWN”。“HOLD”以DTX发送。“DOWN”命令则对应于“overloadindicator”(过载(Raise Over Thermal , RoT),指示）。总之，NodeB控制的调度可非常快速地控制噪声抬高量授权值主要是功率或比特速率。被调度到的UE可根据接收到的由绝对授权和相对授权组成的调度信息以及前次传送的ACK/NACK选择重传序列号RSN（包括HARQRV版本选择）以及合适的物理层E-DPDCH和E-DPCCH功率偏差，从而传输数据。从整个UTRAN协议角度来看,HSUPA基本工作原理框图如图 21所示。SRNCMAC-dFPMAC-es | |Iur/Iub FP八 ADRNC1 TNL bearer per MAC-d flowNodeB slur/Iub FPNodeB dFPMAC-eMAC-eSchedulerMRCMRCserving cellUEE-DPD E-DPMAC-e/MAC-esE-HICH (ACK/NACKs) E-RGCH (relative grants) (ChCode, signature - UE)E-AGCH (Absolute Grants, E-RNTI- UE)MAC-d21HSUPA的整体框架图21给出一个使用E-DCH并处于软切换状态的UE与URTAN的连接关系，以及UE侧和网络侧与HSUPA相关的协议实体，从中可以看出HSUPA的基本概念和基本工作原理：?E-DCH激活集：与UE之间有E-DCH承载的小区集合。可以是DCH激活集的一个子集。?E-DCH服务小区：UE接收绝对授权（AbsoluteGrants）的小区。UE只有一个E-DCH服务小区。?E-DCH服务RLS：包含E-DCH服务小区的一组RL，一般是E-DCH服务小区所在NodeB下的E-DCH激活集小区集合。?非服务E-DCHRLS：所有非E-DCH服务RLS的E-DCH小区组成的集合。HSUPA最主要的特征是NodeB控制的调度，其过程如下：?UE有一个E-DCH服务小区，E-DCH服务小区所在NodeB负责E-DCH调度。E-DCH服务小区通过下行E-AGCH信道向UE发送调度命令，即绝对授权（AbsoluteGrant），绝对授权规定UE的最大可用资源的绝对值，绝对授权包括UE的E-RNTI，UE允许的最大发射功率等信息。?E-DCH服务小区和非E-DCH服务小区通过下行E-RGCH信道向UE发送相对授权（RelativeGrant），相对授权是相对于绝对授权的偏移（微调），可以是“UP”，“HOLD”，“DOWN”三种取值，UP是上调，DOWN是下调，HOLD不变。只有ServingE-DCHRLS可以发送UP，Non-ServingE-DCHRLS只能发送HOLD或DOWN。Non-ServingE-DCHRLS发送DOWN的原因一般为上行负荷过重。?UE根据收到的授权信息进行E-TFC选择，在E-DPDCH上发送数据（包括重发的数据），在E-DPCCH上发送E-TFC信息，HARQRV信息（RSN）及一位HappyBit。Happybit用于通知NodeBUE是否对当前分配的资源（授权）满意，即是否需要更高的授权。?E-DCHSet中同一个NodeB下不同小区收到的E-DCH数据首先进行MRC合并，然后交由Mac-e处理。每个UE在每个NodeB中有一个Mac-e，Mac-e将Mac-ePDU解复用形成MAC-esPDU送往RNC。Mac-e还负责发送E-DCH调度信息，发送HARQ的响应ACK/NACK。?每个UE在SRNC有一个Mac-es实体，Mac-es将来自不同NodeBMAC-esPDU进行宏分集合并，然后进行重排序，拆分成Mac-dPDU，送往Mac-d。HSUPA在下行方向，使用资源指示（SchedulingGrant，调度授权）来指示UE可用的最大上行资源。NodeB根据小区负荷、业务QoS相关信息和UE的调度请求信息来决定调度授权。在上行方向，UE结合NodeB的调度授权和当前的剩余功率，确定本次传输实际使用的服务授权。2.4物理层信道结构HSUPA引入两条新的上行物理信道E-DPCCH和E-DPDCH，以及三条下行物理信道2.4.1E-DPCCH/-EDPDCH与R99架构相比，HSUPA引入了多码传输、SF=2或4的扩频因子、HARQ技术、快速数据调度以及10msTTI/2msTTI,并将调度器从RNC移到NodeB中，以在NodeB中实现MAC-e协议控制的E-DCH调度为与上述工作原理相适应，HSUPA引入了一条新的上行链路传输信道，即增强专用信道(E-DCH),以承载用户数据。对应的物理信道为E-DCH上行链路专用物理数据信道(E-DPDCH),SF从2至IJ256。SF=2的扩频因子是R99所没有的。每条无线链路可以0多条E-DPDCH。为承载伴随E-DCH的控制信息，HSUPA引入了一条E-DCH上行链路专用物理控制信道(E-DPCCH),SF始终为256。E-DPCCH用于承载E-DCH相关控制信息(E-RNTI,RSN,HappyBit)。每条无线链路至多有1条E-DPCCH。每个E-DPCCH/E-DPDCH无线帧划分为5个子帧，每个子帧2ms。E-DPCCH和E-DPDCH的时隙结构如下表所示表1E-DPDCHslotformatsSlotFormat#iChannelBitRate(kbps)SFBits/FrameBits/SubframeBits/SlotNdata0606460012040112032120024080224016240048016034808480096032049604960019206405192021920038401280表2E-DPCCHslotformatsSlotFormat#iChannelBitRate(kbps)SFBits/FrameBits/SubframeBits/SlotNdata0152561503010E-DPDCHData, N data bitsE-DPCCH1 subframe = 2 msTsiot = 2560 chips, N data = 10*2 k+2 bits (k=05)1radioframe,Tf=10ms2.4.2E-DCHRelativeGrantChannel(E-RGCH)E-RGCH用于承载E-DCH相对授权(relativegrants)