寬帶無線技術(shù)HSPA

寬帶無線通信技術(shù)

BroadbandWirelessCommunicationTechnology李卓明HarbinInstituteofTechnologySchoolofElectronicandInformationEngineeringCommunicationResearchCenterzhuoming@2024/4/29CommunicationResearchCenter1第5章HSPA技術(shù)5.1HSPA概述5.2高速下行鏈路分組接入（HSDPA）5.3高速上行鏈路分組接入（HSUPA）5.4HSPA的演進(jìn)（HSPA+）2024/4/29CommunicationResearchCenter2Chapter5HSPA技術(shù)5.3高速上行鏈路分組接入（HSUPA）2024/4/29CommunicationResearchCenter35.3高速上行鏈路分組接入引言5.3.1WCDMARelease99版本上行鏈路的分組數(shù)據(jù)能力5.3.2HSUPA的概念5.3.3HSUPA對無線接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)的影響5.3.4HSUPA物理層結(jié)構(gòu)5.3.5E-DCH和相關(guān)的控制信道5.3.6HSUPA物理層工作過程5.3.7HSUPA的性能小結(jié)2024/4/29CommunicationResearchCenter4引言雖然R99規(guī)定了上行可以多碼字并行傳輸，但是出于成本考慮，現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用的終端在上行鏈路上從來就不是多碼傳輸?shù)?，而是普遍只支持一個上行DPDCH物理信道。3.84Mbit/s/4=960kbit/s》剔除信道編碼冗余》384kbit/sHSUPA是R6版本包含的新特性。R5中下行鏈路實現(xiàn)的種種性能提升，可以利用HSUPA這一解決方案同樣在上行鏈路的設(shè)計上實現(xiàn)。HSUPA所應(yīng)用的技術(shù)目的是通過快速物理層（L1）重傳及傳輸合并，加上NodeB控制的調(diào)度等手段改善上行鏈路分組數(shù)據(jù)的傳輸性能。2024/4/29CommunicationResearchCenter55.3.1R99上行鏈路的分組數(shù)據(jù)能力R99本中，有多種方法實現(xiàn)WCDMA上行鏈路的分組數(shù)據(jù)傳輸。R99和R4中有三種不同的信道可以用于上行鏈路分組數(shù)據(jù)傳輸：專用信道（DCH）：數(shù)據(jù)鏈路層通道，承載數(shù)據(jù)（DPDCH）和物理層控制信息（DPCCH）；公共分組信道（CPCH）：擴(kuò)展的RACH信道，承載基于分組方式的用戶數(shù)據(jù)，支持快速工控，不支持軟切換；隨機(jī)接入信道（RACH）：承載隨機(jī)接入申請（PRACH）和少量分組數(shù)據(jù)。3GPPR5版本以后，只保留DCH和RACH。與HSUPA有可比性的是DCH，因為RACH和CPCH只用于在Cell_FACH狀態(tài)發(fā)送數(shù)量有限的數(shù)據(jù)，但不能在Cell_DCH狀態(tài)下使用。DCH基本上可以用于任何一類業(yè)務(wù)，而且在上行鏈路中其擴(kuò)頻因子是動態(tài)可變的，調(diào)節(jié)周期為10~40ms。在每一個10~40ms的交織周期內(nèi)，都可以改變瞬時數(shù)據(jù)速率。2024/4/29CommunicationResearchCenter6UE連接模式的四種狀態(tài)Cell_PCH，URA_PCH，Cell_FACH，Cell_DCH。當(dāng)UE完成RRC連接建立后，才會從空閑模式轉(zhuǎn)移到連接模式，Cell_FACH或Cell_DCH。當(dāng)RRC連接釋放后UE從連接模式到空閑模式。Cell_DCH狀態(tài)的基本特征是，UE被分配了專用的物理信道。在該狀態(tài)下，除了上下行專用物理信道DPCH外，UE還可能被分配物理上下行共享信道PUSCH和/或PDSCH。Cell_FACH狀態(tài)的基本特征是，UE與UTRAN之間不存在專用物理信道連接，UE在下行方向?qū)⑦B續(xù)監(jiān)視FACH傳輸信道，而在上行方向可以使用公共或共享傳輸信道（如RACH），UE在任何時候都可以在相關(guān)傳輸信道上發(fā)起接入過程。2024/4/29CommunicationResearchCenter75.3.2HSUPA概念HSUPA概念的關(guān)鍵思想是要利用類似于HSDPA的技術(shù)、基站調(diào)度和物理層（L1）快速重傳合并等方法增加上行鏈路的分組數(shù)據(jù)吞吐量。電信界廣泛使用HSUPA一詞，但是在3GPP規(guī)范中并不使用。規(guī)范中使用的術(shù)語是增強(qiáng)型DCH（Enhanced-DCH），用于表述HSUPA技術(shù)承載用戶數(shù)據(jù)的傳輸信道。2024/4/29CommunicationResearchCenter8特性DCHE-DCH可變SF有有快速功率控制有有自適應(yīng)調(diào)制無無多碼工作方式規(guī)范有，不使用有，可擴(kuò)展L1快速HARQ無有軟切換有有BTS快速調(diào)度無有DCH和E-DCH的基本性質(zhì)比較HSUPA一般工作原理NodeB根據(jù)設(shè)備專有的反饋信息，估算每一個HSUPA激活用戶需要的數(shù)據(jù)傳輸速率。NodeB中的調(diào)度器根據(jù)收到的反饋信息、調(diào)度算法、用戶的優(yōu)先級方案，將要使用的上行鏈路數(shù)據(jù)速率通知相關(guān)設(shè)備。重傳動作是由NodeB的反饋信息負(fù)責(zé)啟動。2024/4/29CommunicationResearchCenter9HSDPA&HSUPAHSDPA調(diào)度的資源是調(diào)制方式、碼字?jǐn)?shù)量，HSUPA調(diào)度的資源是擴(kuò)頻因子和功率；HSDPA不使用功率控制，HSUPA保留上行鏈路功率控制（防止遠(yuǎn)近效應(yīng)），動態(tài)范圍70dB以上（取決于功率類型和終端最小功率電平）；HSDPA根據(jù)信道質(zhì)量將調(diào)制方式在16QAM和QPSK之間切換，HSUPA并不修改調(diào)制方式（HSPA+中上行才開始采用16QAM調(diào)制）；HSDPA通過分配碼個數(shù)的方式調(diào)節(jié)各終端的速率，HSUPA中則沒有必要。2024/4/29CommunicationResearchCenter10特性HSUPAHSDPA可變擴(kuò)頻因子有無快速功率控制有無自適應(yīng)調(diào)制無有調(diào)度多對一一對多L1快速HARQ有有軟切換有無非調(diào)度重傳有無5.3.3HSUPA對無線接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)的影響像HSDPA一樣，基站也要處理增加的重傳進(jìn)程，所以要在基站中新增MAC層功能，用于處理新的工作進(jìn)程并實現(xiàn)上行鏈路調(diào)度功能的智能化。RLC層的重傳依舊保留，用于防止物理層重傳失敗，但大多數(shù)情況，沒有必要用到RLC層重傳功能。物理層的分組包合并在基站進(jìn)行，因為軟緩沖器放置在此。HSUPA的調(diào)度主體依然是NodeB，由于NodeB是數(shù)據(jù)接收方，調(diào)度時不可避免有一定時延，從而使跟蹤用戶瞬時信號并及時調(diào)度變得困難。2024/4/29CommunicationResearchCenter112024/4/29CommunicationResearchCenter12HSUPA在網(wǎng)絡(luò)中的重傳控制功能HSUPA和HSDPA調(diào)度及重傳方式比較2024/4/29CommunicationResearchCenter13增加實體功能在HSDPA中，為了實現(xiàn)快速調(diào)度和混合ARQ功能，在NodeB中增加了一個MAC-hs實體。而在HSUPA中，為了實現(xiàn)這些功能，也在NodeB中增加了一個MAC-e的實體。手機(jī)上傳的數(shù)據(jù)同時被多個NodeB接收，RNC需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行一下排序，因此需要在RNC中增加一個功能實體處理這些，這個功能實體叫做MAC-es。2024/4/29CommunicationResearchCenter14HSUPA的協(xié)議結(jié)構(gòu)HSUPA的Iub工作過程使用HSUPA需要經(jīng)Iub接口從RNC到NodeB對參數(shù)進(jìn)行配置，這一點(diǎn)與HSDPA類似。NodeB需要從RNC獲取一些關(guān)鍵的參數(shù)和終端特定的QoS信息。HSUPA還會影響Iub的效率，因為目前Iub數(shù)據(jù)速率在初步規(guī)劃時并不需要是各峰值速率之和（除非允許數(shù)據(jù)丟失）。從Iub擁塞的角度看，RNC在是否應(yīng)該降低上行鏈路數(shù)據(jù)速率方面倒是可以為調(diào)度器給出指導(dǎo)意見。RNC可以指示NodeB要么增加要么減少允許的總的數(shù)據(jù)速率。這樣，與Release99版本的工作方式相比，就可以改善Iub的效率。2024/4/29CommunicationResearchCenter152024/4/29CommunicationResearchCenter16Iub擁塞控制5.3.4HSUPA物理層結(jié)構(gòu)在上行方向，傳輸信道E-DCH與R99的DCH信道一起發(fā)送（DCH的控制部分DCCH），以便承載導(dǎo)頻比特和下行功率控制命令。是否為用戶數(shù)據(jù)分配專用物理數(shù)據(jù)信道DPDCH，取決于與上行分組數(shù)據(jù)傳輸并用的業(yè)務(wù)（如AMR語音業(yè)務(wù)）。R6版本為HSUPA新增了以下幾個信道：Enhanced-DPDCH：在上行方向承載用戶數(shù)據(jù)，當(dāng)4個碼道并行使用時，可達(dá)到物理層峰值速率5.7Mbit/s；Enhanced-DPCCH：在上行鏈路承載與E-DPDCH相關(guān)的速率信息、重傳信息以及基站在調(diào)度控制時需要的一些信息；E-DCH混合ARQ指示信道（E-HICH）：在香型鏈路方向承載關(guān)于某個特定的基站是否已正確收到上行分組包的信息；E-DCH絕對特許信道（E-AGCH）和E-DCH相對特許信道（E-RGCH）：承載NodeB的調(diào)度控制信息，控制上行速率。2024/4/29CommunicationResearchCenter175.3.5E-DCH和相關(guān)的控制信道E-DCH傳輸信道由兩個信道組成：用于承載用戶數(shù)據(jù)的E-DPDCH信道和用于承載物理層上行鏈路控制信息的E-DPCCH信道。2024/4/29CommunicationResearchCenter18E-DPDCHR99版本規(guī)定DPDCH可以使用10、20或40ms的傳輸時間間隔（TTI），而對于E?DPDCH，只能采用10ms和2ms的TTI。不能像HSDPA那樣采用單一TTI值的原因是上行鏈路的有效覆蓋半徑。雖然采用2ms的TTI可以使往返時間縮短，但是對于小區(qū)邊緣的用戶而言，會產(chǎn)生過多的控制信令。這樣，3GPP的技術(shù)規(guī)范就采用了10ms和2ms的解決方案。調(diào)制方案與R99版本相比沒有變化，而且都是基于BPSK調(diào)制方式。Release7版本引入了使用16QAM的可能性。由于調(diào)制方式?jīng)]有改變，因此上行的峰值速率需要更多地采用多碼傳輸方式才能實現(xiàn)。采用E-DPDCH時，速率可以按多碼方式的組合來確定，SF值可以采用2或4.2024/4/29CommunicationResearchCenter19當(dāng)SF=2時，單碼信道就將（未編碼的）速率從960kbit/s增加到1920bit/s。當(dāng)SF=4時，如果超過單碼的容量能力，就可以啟用另外一個E_DPCH，并且SF值一樣。2024/4/29CommunicationResearchCenter20當(dāng)超過單碼容量時起用另外一個E-DPDCH的示意圖幾種碼祝賀下不同數(shù)據(jù)速率從單碼情況向最高的5.76Mbit/s的速率變化如下表，實現(xiàn)方案可以是兩個SF=2的并行碼和兩個SF=4的并行碼。2024/4/29CommunicationResearchCenter21碼數(shù)量無信道編碼的數(shù)據(jù)速率（bit/s）一個碼SF=4960兩個碼SF=41920兩個碼SF=23840兩個碼SF=4，兩個碼SF=25760與HSDPA另外一個關(guān)鍵差別是，有了HSUPA，當(dāng)沒有調(diào)度到高速數(shù)據(jù)速率時，用戶不會出現(xiàn)完全靜默的情況。反之，雖然一部分用戶發(fā)射功率較低，但其他用戶可以使用較高的發(fā)射功率。另外，在上行鏈路方向，用戶之間共享的不是碼樹資源，而是上行鏈路的干擾預(yù)算（每個用戶有一個用戶專用的擾碼）。上行鏈路設(shè)計成根據(jù)各用戶設(shè)備的需呀讓用戶數(shù)據(jù)速率一步一步遞進(jìn)式地增加或減小。2024/4/29CommunicationResearchCenter22兩個用戶激活時共享上行鏈路資源的示例E-DPDCH上的信道編碼采用的同樣是Turbo碼。除了用戶數(shù)據(jù)，E-DPDCH不承載任何其他信息，而且與DPCCH和E-DPCCH有關(guān)，前者是承載用戶信道估計的導(dǎo)頻信號，后者是用于承載HSUPA有關(guān)的物理層控制信息。2024/4/29CommunicationResearchCenter23E-DPCCHS-DPCCH承載三種不同類型的信息：與E-DPDCH有關(guān)的速率信息，占用7bit；2bit的重傳信息，用于指示區(qū)別新的分組包和重傳分組包，并指示是否含有冗余；關(guān)于設(shè)備是否要增加數(shù)據(jù)速率的1bit信息。2024/4/29CommunicationResearchCenter24TTI為2ms時的E-DPCCH結(jié)構(gòu)E-DCH混合ARQ指示信道E-HICHE?HICH的任務(wù)簡單，就是在下行鏈路方向指出一個分組包是否已經(jīng)由基站在上行鏈路上正確接收。為了節(jié)省下行鏈路碼空間的資源，多個用戶要共享一個碼道，并且每個用戶都從40個可用的正交特征標(biāo)記中分得一個作為E?HICH，并且還有一個作為E?RGCH（相對特許信道）。這就可以接納多達(dá)20個用戶，每個用戶在SF為128的單條下行鏈路碼道上各有一個專用的E?HICH和E?RGCH。正交特征標(biāo)記是一個時隙的長度，如果在一個跨度為3個相繼時隙的序列里使用3個特征標(biāo)記，可以將其擴(kuò)展為一個2ms的子幀。2024/4/29CommunicationResearchCenter25通常，因為在激活集內(nèi)有一個主用基站，也就是E-DCH服務(wù)小區(qū)，所以如果能夠?qū)Ψ纸M包正確解碼，則其他小區(qū)僅發(fā)送E-HICH。否則它們就什么也不發(fā)，這也就是假定未能對分組包正確解碼或者未檢測到。這有助于使下行鏈路中附加的干擾保持在盡可能小的水平。E-DCH服務(wù)小區(qū)總是和HSDPA的服務(wù)小區(qū)保持一致。2024/4/29CommunicationResearchCenter26多個小區(qū)的E-HICH傳輸示意圖E-DCH相對特許信道E-RGCHE?RGCH和E?HICH共用同一個碼道以節(jié)省碼空間資源。E?RGCH信道的功能是根據(jù)調(diào)度器的決定增加或者降低上行鏈路的傳輸速率。有效傳送的相對特許控制著要使用的增益因子，這在實際應(yīng)用中要映射成實際的數(shù)據(jù)速率或設(shè)備允許的速率。類似于E?HICH的原則可用于持續(xù)時間為2ms或8ms的E?RGCH，此時TTI的持續(xù)時間分別為2ms和10ms。非服務(wù)E?DCH則僅使用E?RGCH作為過載控制手段，而且在正常情況下不發(fā)送任何東西，但是在過載情況下將發(fā)送降速命令，這個命令對于小區(qū)為非服務(wù)小區(qū)的所有用戶通常都是同樣的。2024/4/29CommunicationResearchCenter27E-DCH絕對特許信道E-AGCHE?AGCH的工作方式是一種獨(dú)立的共享信道，小區(qū)內(nèi)的所有用戶都要監(jiān)聽一個E?AGCH，當(dāng)然也可以采用每個小區(qū)多個E?AGCH的建制。在信道上發(fā)送的絕對特許原則上將允許數(shù)據(jù)速率從最低向最高變動或者相反，也可以在兩個極端的速率之間有較小的速率變化。這也就是說，此時的信令要比相對特許更加可靠，因為從16kbit/s變?yōu)?Mbit/s這樣的突發(fā)跳躍會在網(wǎng)絡(luò)中引起一些重大的問題。正是因為這樣，絕對特許要經(jīng)過卷積編碼后發(fā)送，并且伴有用戶特有的16bit的冗余校驗。冗余校驗的目的是要標(biāo)識E?AGCH傳輸所要送達(dá)的特定UE。2024/4/29CommunicationResearchCenter285.3.6HSUPA物理層工作過程在HSUPA中，NodeB調(diào)度器有以下幾個工作：參數(shù)測量，比如測量基站的噪聲電平從而決定是否可以分配一些附加的業(yè)務(wù)量或哪些用戶應(yīng)該分配較低速率；在每個TTI內(nèi)檢測用戶在E-DPCCH上發(fā)來的上行鏈路反饋信息。獲得終端是否正從較高速率中受益以及終端是否有意降速的信息；根據(jù)RNC給定的用戶優(yōu)先級方案，選定一個或幾個特定的用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)速率調(diào)整。2024/4/29CommunicationResearchCenter29HSUPA的調(diào)度過程和相關(guān)信令HSUPA物理層重傳工作根據(jù)TTI，同時使用的HARQ工程可以是4個或8個；終端將按照準(zhǔn)許的數(shù)據(jù)速率發(fā)送分組包；分組包發(fā)出后，監(jiān)測E-DCH激活的激活集內(nèi)所有小區(qū)發(fā)來的E-HICH。最大的激活集可以有6個小區(qū)，并且最多可以有4個小區(qū)分配有E-DCH；如果有小區(qū)發(fā)出明確的確認(rèn)（ACK），則終端將處理新的分組包，否則啟動重傳。HSUPA的工作進(jìn)程已經(jīng)為終端的工作嚴(yán)格規(guī)定了定時關(guān)系值，并且也為來自基站的ACK確認(rèn)和NACK的定時響應(yīng)規(guī)定了嚴(yán)格的定時關(guān)系值。就是說，整個進(jìn)程從UE開始傳輸是就進(jìn)行同步，并且以收到覆蓋區(qū)內(nèi)NodeB發(fā)出的有效ACK確認(rèn)信息結(jié)束。2024/4/29CommunicationResearchCenter30HSUPA和HSDPA聯(lián)動一般情況下，HSUPA的工作預(yù)計都要和HSDPA的工作同時進(jìn)行。物理層信道在設(shè)計上要做到，如果網(wǎng)絡(luò)因某些原因要使用Release99版本作為下行鏈路解決方案的話，不一定同時需要用到HSDPA。當(dāng)與HSDPA同時工作時，產(chǎn)生的性能最好，特別是從時延和時延方差的角度考慮時更是如此，因為當(dāng)兩個方向都使用層1來重傳時，就極少會用到RLC層重傳，即使需要，也會較快完成。另外，使用Release6版本支持的HSDPA將使SRB（Signalingradiobearer，信令無線承載）從中受益，并削減兩個方向的信令時延。2024/4/29CommunicationResearchCenter31可以同時工作的信道數(shù)量相當(dāng)高，不過有一些信道（所有的下行鏈路控制信道）要為多個用戶服務(wù)，如HS-SCCH。2024/4/29CommunicationResearchCenter32HSDPA、HSUPA和DCH同時工作時的層1信道示意圖5.3.7HSUPA的性能HSUPA技術(shù)的引進(jìn)，使得R99在物理層分組包的合并以及NodeB的調(diào)度技術(shù)這兩方面的性能得到改善。HSUPA數(shù)據(jù)速率增加和容量改善的關(guān)鍵因素：物理層的重傳合并，與R99相比，可以允許較高的初始BLER，這樣就使得分組包首次傳輸占用較低的功率；NodeB調(diào)度器對速率及負(fù)載變化的快速反應(yīng)使得系統(tǒng)能更好地為傳輸預(yù)留容量。對于R99，即使速率會有變化，一個384kbit/s的用戶也要占用所以資源來應(yīng)對允許的峰值速率；更廣泛地用多碼傳輸來提高速率，而上行鏈路的調(diào)制方式未變。2024/4/29CommunicationResearchCenter331）增加的數(shù)據(jù)速率從性能的角度考慮，只要通過允許使用2這樣小的SF值，就可以增加數(shù)據(jù)速率。這與4個并行碼（兩個采用SF=2，另外兩個采用SF=4）一起使用，就可以達(dá)到5．76Mbit/s。當(dāng)然，從有效覆蓋半徑的角度看，這樣的峰值數(shù)據(jù)速率純粹是一種理論化值，而且還要求有相當(dāng)寬松的信道條件，以便擺脫因處理增益低帶來的多徑的影響。2024/4/29CommunicationResearchCenter342）物理層的合并重傳物理層的重傳合并允許在初次傳輸時有較低的Eb/N0值。第一次傳輸時的BLER也是時延、容量以及所要求的基帶資源使用情況幾者之間的一種折中。BLER值過低，就可能需要重傳多次，例如，只要有1%的分組包要傳輸一次以上的話，快速重傳的好處就幾乎感覺不到。這樣，分組包第一次傳輸失敗的數(shù)量級就應(yīng)該是10%。當(dāng)與初次BLER為1%的目標(biāo)值相比時，就會使既定數(shù)據(jù)速率所需的傳輸功率降低1dB多一點(diǎn)。BLER值過高最終也不會使容量提高，而只會占用網(wǎng)絡(luò)更多的資源。如果每個分組包平均傳輸兩次，那么支持1Mbit/s的數(shù)據(jù)流量需要的資源就等于2Mbit/s，而且那樣的話，還要降低單個用戶最大的數(shù)據(jù)速率，因為有大量的分組包需要重傳。2024/4/29CommunicationResearchCenter353）基于NodeB的調(diào)度基于NodeB的調(diào)度可以對來自終端的傳輸需求做出快速反應(yīng)。這就是說，空中接口的容量能夠更好地得到利用，從而產(chǎn)生較高的容量。另外，這樣一來還可以同時分配較多的高比特速率用戶，不過到目前為止，用戶還不能指望全都同時達(dá)到最