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TDHSDPA的研究与分析

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来源: 作者: 2019-03-21 11:04:49

0、前言

移动分组数据业务的支持能力是3G系统最重要的特点之一。随着移动通信和Internet络的迅速发展,许多对流量和迟延要求较高的数据业务如视频、流媒体和下载等不断涌现。这些业务对移动通信系统提出了更高的需求,要求系统提供更高的传输速率和更小的传输时延。为了满足日益增长的分组业务需求,特别是下行业务需求,3GPP提出了HSDPA技术并进行了标准化,HSDPA作为3GPPRelease5版本中的最主要特性(包括FDD以及TDD),于2002年完成了标准化。HSDPA通过采用AMC、HARQ以及高阶调制(16QAM)等技术,并在基站侧实现快速调度,从而可以快速自适应的反映用户信道的变化,获得较高的用户峰值速率和小区数据吞吐率。

TD-SCDMA是我国自主提出的国际3大移动通信标准之一。李小文教授为TD-SCDMA的提出作出了杰出贡献。3GPP制定了高速下行分组接入(HSDPA)协议,使得单载波下行速率理论值达到2.8Mbit/s,若采用N点多载波技术,其下行速率能够达到N×2.8Mbit/s,满足了人们视频、浏览页、下载等功能。

1、TD-HSDPA协议栈结构

图1给出了HSDPA无线接口协议结构。从图中可以看出,NodeB中新增加了MAC层的功能,增加了MAC-hs(hs表示HSDPA)功能模块,MAC-hs主要完成HARQ功能、调度和优先级处理。RNC继续保留原有的R99/R4的功能,包括RLC层的重传控制,而HARQ的重传机制在物理层和MAC层中实现,以达到快速调度和较高的小区吞吐量以及减少时延。

图1 HSDPA无线接口协议结构

2、TD-HSDPA关键技术

为了适应分组数据业务的特点,在TD-SCDMA中引入了共享信道的机制,多个用户共享无线资源。同时根据用户所处环境的不同,系统可以自适应的调整用户的调制方式以及编码速率,以提高系统吞吐量及无线资源效率。自适应编码调制技术(AMC,adaptivemodulationandcoding)、混合自动重传(HARQ,hybrid ARQ)和快速资源调度算法等技术,提高了高速下行分组数据速率和减少时延。

2.1共享信道

考虑到分组业务的特性,突发性强,持续时间不确定,系统采用共享信道的方式为分组用户提供服务,用户通过时分或者码分的形式共享无线资源。系统定义了新的共享信道以及相应的上下行控制信道以支持TD-HSDPA特性。

2.2自适应编码和调制技术(AMC)

AMC通过改变调制方式和信道编码率来调整传输速率,目前采用QPSK和16QAM两种调制方式。系统根据自身物理层能力和信道变化情况,建立一个在共享信道HS-DSCH中传输格式的编码调制格式集合(MCS),每个MCS中的传输格式包括传输数据编码速率和调制方式等参数,当信道条件发生变化时,系统会选择与信道条件对应的不同传输格式来适应信道变化并通知UE。具体为:根据无线信道变化选择合适的调制和编码方式,络侧根据用户瞬时信道质量状况和目前的无线资源,选择最合适的下行链路调制和编码方式,使用户达到尽量高的数据吞吐率。当用户处于有利的通信地点时(如靠近NodeB或存在视距链路),用户数据发送可以采用高阶调制和高速率的信道编码方式,例如:16QAM和3/4编码速率,从而得到高的峰值速率;而当用户处于不利的通信地点时(如位于小区边缘或者信道深衰落),络侧则选取低阶调制方式和低速率的信道编码方案,例如:QPSK和1/4编码速率,来保证通信质量,通过改变调制和编码方式(MCS)以期待同信道所发生的变化保持一致,所需信道信息来自于接收机的反馈信息,采用AMC的优点:①合适位置的用户可以得到较高的数据率,提高了小区系统的平均吞吐量。②由于链自适应是基于调制编码方式的变化而不是基于发射功率的变化,因此降低了干扰变化。

2.3HARQ技术

HARQ是HSDPA系统中采用的又一种新技术,它可以提高系统性能,并可灵活地调整有效编码速率,还可以补偿由于采用链路适配所带来的误码。HSDPA将AMC和HARQ技术结合起来可以达到更好的链路自适应效果。HSDPA先通过AMC提供粗略的数据速率选择方案,然后再使用HARQ技术来提供精确的速率调节,从而提高自适应调节的精度和提高资源利用率。HARQ机制本身的定义是将FEC和ARQ结合起来的一种差错控制方案,HARQ机制的形式很多,而HSDPA技术中主要是采用3种递增冗余的HARQ机制:TYPE-ⅠHARQ,TYPE-ⅡHARQ,TYPE—ⅢHARQ。其中:

TYPE-ⅠHARQ:主要采用了chase合并算法,这种算法是chase博士在1985年提出,发送方每次都发送整个完整的编码码字,接收端将每次收到的数据包与之前收到的所有数据包进行chase合并,组合成一个具有更强纠错能力的码字,从而达到递增冗余的目的。

TYPE-ⅡHARQ:又称为完全递增冗余机制,这种机制在1988年被首次提出,系统信息经过编码后,将编码比特按照一定的周期穿孔,根据码率兼容原则分批发送给接收端,接收端每次都进行码组合,将之前接收的所有比特组合形成更低码率的码字,从而达到递增冗余的目的。

TYPE-ⅢHARQ:又称为部分递增冗余机制,这种方案与TYPE-Ⅱ的主要区别在于,发送端每次发送的码字都是可以独立译码的码字,重传包不但包含与之前帧不同的冗余比特,还包含所有的系统比特。接收机每次也同样进行码组合,由于重传包中含有增加的冗余比特,同时系统比特每次都进行了优化选择,从而达到了递增冗余的目的。

出于对信道效率和调度灵活性的考虑,HARQ协议采用基于下行异步上行同步的机制。

UE侧负责数据接收、合并,根据UE内存决定采用何种方式、格式传输数据,在上行信令上主要是反馈ACK/NACK;下行控制信道的信令的参考主要有HARQ进程标识和新数据块标识指示。每个进程都有唯一的标识新数据块指示用来标明当前数据快是否为新以区别重传。在MAC-hs的数据包头内包含带内信令的相关数据,有优先级分类指示和数据块编号,优先级分类指示用来区分映射到同一物理信道上的不同逻辑信道,优先级数据块编号是标识新数据块在排序时用来识别数据块。

UTRAN侧,调度对具有以下属性的数据队列进行处理:依据1ub的帧协议内容而具有不同优先级,每个优先级的数据队列都配有RNC下来的时延属性参数,从NodeB上报的可获得数据速率信息,调度依据以上参数决定新数据块和重传数据快的发送顺序。

UTRAN侧的HARQ进程功能是新数据块指示设置和处理ACK/NACK。

UE侧与HARQ协议有关的是HARQ实体,HARQ进程和重排序实体,UE侧的HARQ实体处理HARQ进程,将接收到的数据块根据HARQ进程标识分配到不同的HARQ进程中,每UE中只有一个实体,在每个TTI(5ms)中,每个HS-DSCH应该由一个HARQ进程。

UE侧的HARQ进程对新数据指示、数据块错误检测、状态报告和队列的优先级标识进行处理,根据是否有新数据块指示来判断接收到的数据块是否是新数据块,若是新数据块,则内存中等待合并的信息可以放弃,在错误检测中如果数据块有错则产生NACK并保留在内存中等待下一次的CC或者IR,若无错误,则数据块上报并产生ACK。数据块的错去检测是根据数快中的CRC校验来完成的,根据HARQ进程可产生传输状态报告、根据优先级标识,HARQ进程对队列进行处理。

重排序根据数据块的编号,对每个优先级队列内的数据块进行排序和上报,为了防止阻塞情况的发生,重排序实体可以根据基于时间和窗口的机制对部分连续的序列处理,如果信令发生错误,必须有响应的措施,当NACK被误认为ACK时,发送的HARQ协议不会重传,而丢失的数据由RLC处理;当ACK被误认为NACK时,系统可根据数据块的编号来判断,不需要额外处理,因其他问题而导致HS-SCCH被误解码或者其他原因导致状态报告丢失,系统可以按照NACK的情况来处理重新传输数据块。

在R99中,一旦数据未被正确接收,则需要由RNC重传数据,无论是新的还是重传的数据包,R99物理层的处理方式是相同的。而在HSDPA中,数据包首先被NodeB接收并缓存(如图2)。即使数据包已经向用户发送,NodeB仍然保存该数据包,一旦出现数据解码失败,无需RNC参与,NodeB即可自重重传。这样,终端就能够合并每次传输的数据,从而获得新传输的数据的能量。如果由于信令差错导致物理层操作失败,那么还可以采用在物理层重传之上基于RNC的重传。

图2 NodeB重传过程

2.4快速调度

通过将数据的调度和重传移到NodeB实现,可以更加快速的适应信道变化。基站根据UE的反馈,依据一定的调度准则选择用户,或者调整UE使用的调制方式编码速率,以优化系统性能。同时,调度以及数据重传在NodeB实现,可以减小数据传输的时延。

为了支持HSDPA技术,TD-SCDMA新增加的信道如表1所示。

表1 TD-SCDMA新增加的信道

其中HS-DSCH是新增加的传输信道,用于承载高速下行数据,映射到HS-PDSCH上。为了支持HSDPA功能,UTRAN在下行链路上支持HS-PDSCH和HS-SCCH信道,在上行链路支持HS-SICH信道HS-PDSCH用于传送实际分组数据;HS-PDSCH使用扩频因子SF=16或者SF=1;调制技术采用QPSK和16QAM。HS-DSCH总是伴随一个下行DPCH信道和一到多个HS-SCCH信道。对支持在多个载波上同时接收HSDPA数据的UE(简称多载波HSDPAUE),HS-PDSCH可以在多个载波上同时发送,分配给同一UE的HS-PDSCH所在的多个载波应该是连续的。如果UE只支持在单载波上接收HSDPA数据(简称单载波HSDPAUE),则仅分配一个载波上的HS-PDSCH资源,并且HS-PDSCH与伴随DPCH在同一载波上。

HS-SCCH主要用于承载下行链路的信令信息。这些信令信息包括信道化码集、时隙信息、调制方式、传输块大小、HARQ进程号(HARQProcessID)、冗余版本、新数据标志、HS-SCCH循环序列号和UEID等。HS-SCCH使用扩频因子SF=16。

HS-SICH是一个上行物理信道,主要用于携带与HS-DSCH相关的信令信息。这些信令信息包括HARQ确认/否认应答(ACK/NACK)、下行链路的信道质量指示(CQI)。下行链路的信道质量指示(CQI)包括推荐调制方式(RMF)和推荐传输块大小(RTBS)。HS-SICH使用扩频因子SF=16。

对一个多载波HSDPAUE,络侧可以为其分配一到多个HS-DSCH,对应每个载波的HS-DSCH都各自使用独立的HS-SCCH和HS-SICH用于信令信息的传输,用来控制同一UE同一载波上的HS-DSCH的HS-SCCH与HS-SICH需要在同一个载波上;每个HS-DSCH伴随一个HS-SCCH子集,其中HS-SCCH的数目范围可以从一个到最多4个,所有HS-DSCH伴随的HS-SCCH子集构成HS-SCCH集。对一个单载波HSDPAUE,络侧为其分配的HS-SCCH集中只有一个HS-SCCH子集。

对多载波HSDPAUE,控制信道HS-SCCH、HS-SICH在各载波上的配置有两种方式:第一种:将控制同一个UE的所有HS-SCCH、HS-SICH控制信道,以及伴随DPCH信道均配置在同一个载波上,以实现UE多载波接收条件下在上行链路的单载波发送;第二种:控制同一个UE的同一载波的HS-SCCH与HS-SICH相对应,分别成组配置在所控制的HS-PDSCH信道所使用载波上,另外,伴随的DPCH信道也配置在其中的一个载波上。UTRAN应根据UE支持的上行链路同时发送载波数能力,采用合适的控制信道HS-SCCH、HS-SICH配置方式。

由位于NodeB的MAC-hs层负责对资源的调度管理。NodeB根据用户所处的无线环境和用户带宽需求等因素,采用时分和/或码分方式调度不同的用户,决定某一特定的TTI调度给一个或若干个指定用户使用。MAC-hs应支持每个TTI调度一次,支持在不同的TTI调度不同的用户。

HSDPA过程简单描述如下:基站首先通过HS-SCCH通知UE相应的HS-DSCH信息,包括用户标识、HS-PDSCH码道资源、调制方式等。然后相隔预定的时间后,在HS-DSCH上发送数据。UE则监控HS-SCCH,通过识别用户标识,判断该时刻信息是否是给自己的。如果是,则根据HS-SCCH携带的信息,接收并解调共享信道HS-DSCH,获得数据。然后根据测量结果和数据接收的情况,在HS-SICH信道,反馈数据块是否正确接收以及信道质量信息。基站根据反馈,可以决定是否重传数据并且可自适应的调整共享信道的调制和编码方式,如图2。

HSDPA资源分配必须建立在DPCH建立的基础上。图3是TD-HSDPA的资源分配流程图。

图3 TD-HSDPA的资源分配

HSDPA由于采用了MAC、HARQ以及高阶调制(16QAM)等技术,并在基站侧增加了MAC-hs模块,用于实现快速调度,从而可以快速自适应的反映用户信道的变化,获得较高的用户峰值速率和小区数据吞吐率,如图4。

图4 基站和终端之间的快速调度

2.5 快速小区选择(FCS)

利用FCS,通过上行信道UL,UE可以指示出小区内最好的下行链路DL来使用其提供的服务,当激活小区集合(activeset)中有多个小区时,任何时候只有一个小区在发送,这样就潜在地减少了干扰,提高了系统容量。

2.6 MIMO技术

MIMO是在基站发射端和终端接收端都使用多个天线,利用码重用技术增加其峰值吞吐量,码重用可以使分配的HS-DSCH的信道码/扰码对调制为单独数据流的M倍(M是发射天线的数目)。只要接收方有至少M个天线,那么具有相同信道码/扰码的数据流利用空间特性就可以被分辨出来,与码重用相结合所达到的中等数据率,而调制图更小(如用16QAM替代64QAM),为了达到相同的数据率使用单个发射天线的方案需要较大的调制图,而码重用技术使用较小的的Eb/No,这样就可以提高系统性能。资源分配之后,调度和重传就在基站和终端之间完成,如图4。

性能增益可以利用闭环MIMO技术,为此NodeB需要利用来自于UE的反馈信息,如:如果NodeB了解信道现状,theNode B could transmit on orthogonal eigebnodes以去除空间多址干扰。

3、TD-HSDPA资源分配和信道类型转换

单载波峰值速率的最高配置:当上下行时隙比例为1:5时,并将5个下行时隙(TS2~TS6)全部分配给HS-DSCH时可以获得2.8Mbit/s的传输速率,此时将HS-SICH和associatedUplinkDPCH以及PRACH’配置在TS1上,将HS-SCCH和associated Downlink DPCH、PCH、BCH、FACH、PICH、FPACH配置在TSO上。

单载波的典型配置:当上下行时隙比例为2:4时,并将4个下行时隙(TS2~TS5)全部分配给HS-DSCH时可以获得2.24Mbit/s的传输速率,将HS-SCCH和associatedDownlinkDPCH配置到TS6上。

HS-SCCH的数目决定了每个TTI(5ms)最多可以调用的UE数目,若调度算法采用TTI为单位的时分调度,下行只需要配置HS-SCCH,上行只需配置HS-SICH,关于伴随DPCH(用来在传输数据时进行信令的传输),由于系统可用码道较少,为支持更多的UE使用HSDPA,可以考虑多个UE以时分方式共享一个DPCH,但是不宜过多,否则会影响上行信令传输及伴随DPCH之间的功控和同步,此外上下行均需预留一定的DPCH,一方面使切换到本小区的用户可以继续使用HS-DSCH,另一方面,如果正在使用HS-DSCH用户发起语音呼叫,不必中断传输数据而调整到其他载波接收语音服务。

当满足以下条件时可以考虑信道由DCH到HS-DSCH的转换,①系统有可用的伴随DPCH信道;②用户下行数据量大于某个阈值,上行业务量或请求的最大传输速率小于某个阈值;③用户的信道条件低于某个阈值。其中第三点考虑到信道条件很差时使用HSDPA可能很尝试见得不到调用或者即使被调用叶只能采用低阶调制和低速率编码,导致HSDPA资源浪费。

当满足以下条件时可以考虑信道由HS-DSCH到DCH或CEEL_PCH的转换,①下行数据的突发全部传完,如果上行没有数据传输,且用户结束服务,可直接转换到CEEL_PCH,若有用上行数据,下行信道类型可由HS-DSCH转换为DCH:②用户长时间得不到调度,下行信道类型可由HS-DSCH转换为DCH。

4、移动性过程

TD-HSDPA的移动过程和软切换不同,这里UE只与一个小区保持HS-DSCH连接,在CELL_DCH状态下,UE从源小区到目标小区的移动可根据UE的测量报告和络侧的其他信息来作出决定,移动过程由络侧与UE来主导控制,在R5中只支持络侧控制的移动过程,具体地说,服务小区的变更是在基于DCH状态下的软切换过程,由RRC信令过程来完成。

服务小区变更时可保持专有物理信道配置和激活集,也可以和专有信道建立、释放、重配置结合在一起,也可以和接力切换时激活集更新结合在一起。

服务小区更新分为同步更新和异步更新。同步更新是发送和接收的开始和停止由络侧控制,异步更新是UE和络侧的数据发送和接收的开始和停止尽可能地快。

服务小区更新可在同一NodeB的不同小区间更新,也可以在不同NodeB的小区间更新,对UE来说是透明的,第二种过程还伴随服务HS-DSCH的NodeB的重配置,此过程与小区更新是两个独立的过程。

服务小区更新依赖于UTRAN和UE对等无线链路之间的C轮询,以使发送方了解接收方接收数据的情况,设置在新小区发送的队列,因此目前基于轮询的服务小区更新只能在AMRLC方式下工作。

5、结论

HSDPA在3GPPR5协议中引入,以支持更高的峰值速率和小区数据吞吐率。通过以上技术及过程在单载波TD-HSDPA中峰值速率达到2.8Mbit/s。在n频点的基础上引入多载波HSDPA,峰值达到n×2.8Mbit/s。在未来的通信中HSDPA将得到广泛的商用。

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