HSDPA與HSUPA增強(qiáng)功能及測(cè)試分析

寬頻蜂巢式數(shù)據(jù)服務(wù)市場(chǎng)正在迅速變化。僅僅在幾年前，UMTS技術(shù)仍處在早期部署階段，能夠利用提高頻寬的服務(wù)少之又少，而能夠支援這些服務(wù)的手機(jī)數(shù)量就更少�，F(xiàn)在，UMTS終于慢慢成為主流技術(shù)，中等價(jià)位手機(jī)已經(jīng)上市，可獲得更多的終端用戶。

由于這一市場(chǎng)的發(fā)展，廠商和制造商正尋求各種方式，首先滿足數(shù)量不斷提高的潛在3G用戶需求，其次是改善用戶在這些寬頻服務(wù)中的感受。在技術(shù)方面，這需要改善3G網(wǎng)路容量，支援的峰值速率必須超過Rel.99 UMTS支援的384kbps，在理想情況下還應(yīng)使用3G頻譜。

第三代合作計(jì)劃(3GPP)在早期階段已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這種需求，其任務(wù)是制訂基于WCDMA的3G標(biāo)準(zhǔn)。在2000年，它作為3GPP Rel-4標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)的一部份進(jìn)行可行性研究，其目標(biāo)是確定可望改進(jìn)容量及可以實(shí)現(xiàn)峰值數(shù)據(jù)速率的技術(shù)，特別是在下行方向。這一努力使得作為3GPP Rel-5的一部份的一系列增強(qiáng)規(guī)格得到核準(zhǔn)，這些規(guī)格統(tǒng)稱為HSDPA(高速下行封包接取)。

由于互動(dòng)服務(wù)的數(shù)量不斷提高，這些服務(wù)由最終用戶產(chǎn)生內(nèi)容而不是使用內(nèi)容，人們需要改善上行使用容量。3GPP Rel-6中的‘FDD增強(qiáng)上行’功能滿足了這種要求，這就是我們通常所說的HSUPA (高速上行封包接取)。

HSDPA和HSUPA都在3G無線接取網(wǎng)路(即UTRAN)中導(dǎo)入了新功能，必須使用相應(yīng)的軟體升級(jí)Node-B和RNC。與蜂巢式網(wǎng)路中的任何其它技術(shù)進(jìn)展一樣，在部署之前必須全面測(cè)試這些增強(qiáng)功能，包括功能級(jí)和性能級(jí)。本文的目的是介紹UTRAN增強(qiáng)功能，展示在開發(fā)/部署這些新技術(shù)時(shí)存在哪類測(cè)試要求。

HSDPA簡(jiǎn)介及功能測(cè)試

HSDPA設(shè)計(jì)用于在一個(gè)小區(qū)中支援14.4Mbps的峰值數(shù)據(jù)速率。UTRAN的主要增強(qiáng)功能是導(dǎo)入了一條新的傳輸訊息通道，稱為高速共享數(shù)據(jù)信息通道(HS-DSCH，參見表1)，外加上行和下行使用的兩條控制信息通道。

表1：HSDPA專用傳輸信息通道和實(shí)體信息通道

顧名思義，HS-DSCH是多個(gè)用戶可同時(shí)使用的一條共享信息通道，滿足了具有突發(fā)服務(wù)特點(diǎn)的應(yīng)用需求。

這條新傳輸信息通道的導(dǎo)入影響著多個(gè)協(xié)議層，最明顯的變化在實(shí)體層和MAC層。以下特性實(shí)現(xiàn)了HSDPA的高吞吐量功能：

1. HSDPA導(dǎo)入了一種自適應(yīng)調(diào)變和編碼(AMC)方案，根據(jù)終端和Node-B提供的信息通道條件相關(guān)資訊選擇調(diào)變方法和編碼速率。在下行方向，HSDPA支援16QAM作為良好信息通道條件下傳輸數(shù)據(jù)的高階調(diào)變方法，同時(shí)支援用于WCDMA中的QPSK。

2. HSDPA採(cǎi)用混合自動(dòng)重覆請(qǐng)求(HARQ)協(xié)議處理重傳，保證無差錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸。HARQ是稱為MAC-hs的新型MAC實(shí)體的關(guān)鍵要素，同時(shí)位于Node-B和用戶設(shè)備中(UE)，參見圖1。

圖1：HSDPA L1/L2協(xié)議結(jié)構(gòu)

3. 快速封包調(diào)度演算法作為Node-B功能的一部份實(shí)現(xiàn)，它把HS-DSCH資源(如時(shí)隙和程式碼)分配給不同的用戶。

從這些特性可以看出，以前為RLC協(xié)議層及服務(wù)RNC(SRNC)預(yù)留的部份功能已經(jīng)下移到MAC協(xié)議層及Node-B中。時(shí)間關(guān)鍵的功能(如HARQ處理和封包調(diào)度)對(duì)無線介面至關(guān)重要，因?yàn)镠SDPA指定的傳輸時(shí)間間隔(TTI)僅2ms，是Rel. 99 WCDMA指定之最小TTI的1/5。換言之，重傳及調(diào)變方法和編碼速率變化等可能會(huì)每隔2ms產(chǎn)生一次。這么低的TTI明顯允許Node-B更快地對(duì)變化的訊息通道條件作出反應(yīng)，因此HSDPA為高吞吐量應(yīng)用提供了更好的性能。

HSDPA標(biāo)準(zhǔn)比HS-DSCH更進(jìn)一步，新增了以下兩條傳輸訊息通道和實(shí)體層訊息通道：

1. 高速共享控制信息通道(HS-SCCH)是一條下行信息通道，用來提供與HS-PDSCH有關(guān)的控制資訊。它包括下一個(gè)HSDPA子訊框指向的移動(dòng)終端標(biāo)識(shí)、資訊程式碼集資訊，以及解碼HS-DSCH子訊框使用的調(diào)變方案等資訊。

2. 高速專用實(shí)體控制信息通道(HS-DPCCH)是一條上行控制信息通道，用來傳送信息通道品質(zhì)資訊(由CQI信息通道品質(zhì)指示位元攜帶)及與Node-B中HARQ作業(yè)有關(guān)的ACK/NACK消息。

MAC協(xié)議增強(qiáng)功能

HSDPA不僅導(dǎo)入了新的傳輸信息通道和實(shí)體層信息通道，還對(duì)包括MAC層的高層協(xié)議產(chǎn)生影響。圖1顯示了HSDPA的第一層/第二層協(xié)議結(jié)構(gòu)。

不同類型的MAC實(shí)體用來識(shí)別不同類別的傳輸信息通道。3GPP Rel. 99中區(qū)分了專用傳輸信息通道和共用傳輸信息通道，因此MAC層包含一個(gè)MAC-d實(shí)體和一個(gè)MAC-c實(shí)體。HSDPA的導(dǎo)入需要定義一個(gè)新的實(shí)體，稱為MAC-hs。在Rel. 99規(guī)格中，MAC層在RNC中實(shí)現(xiàn)，相較之下MAC-hs則用于Node-B中，考慮了標(biāo)準(zhǔn)高性能實(shí)現(xiàn)方式的要求。

Node-B MAC-hs負(fù)責(zé)處理與HS-DSCH有關(guān)的第二層功能，包括下述功能：

1. 處理HARQ協(xié)議，包括產(chǎn)生ACK和NACK消息。

2. 重新排列失序的子訊框順序。注意，這實(shí)際上是RLC協(xié)議的功能，但這個(gè)協(xié)議層沒有在HS-DSCH的Node-B中實(shí)現(xiàn)。因此，MAC-hs必須接管RLC的部份關(guān)鍵任務(wù)。由于HARQ的重傳處理，子訊框到達(dá)時(shí)可能會(huì)失序。

3. 多工多個(gè)MAC-d串流到一個(gè)MAC-hs串流，并從一個(gè)MAC-hs串流對(duì)多條MAC-d串流進(jìn)行解多工。

4. 下行封包調(diào)度。

在控制面協(xié)議部份，HSDPA的導(dǎo)入還要求增加和修改UTRAN內(nèi)部使用的控制面協(xié)議，特別是下列協(xié)議：

1. 無線資源控制(RRC)協(xié)議，負(fù)責(zé)一系列UTRAN專用功能，包括(信號(hào))無線承載(Radio Bearer)管理。

2. Node-B應(yīng)用部份(NBAP)協(xié)議，它在Iub介面(即Node-B和RNC之間的介面)上實(shí)現(xiàn)，NBAP使得RNC能夠管理Node-B上的資源。HS-DSCH構(gòu)成了一種額外的Node-B資源類型，也需使用NBAP協(xié)議進(jìn)行管理。

3. 無線網(wǎng)路子系統(tǒng)應(yīng)用部份(RNSAP)在兩個(gè)RNC之間的Iur介面上實(shí)現(xiàn)，也受到HSDPA影響，因?yàn)樵谶@種情況下，Node B中的HSDPA相關(guān)資源由不同于Node B主控RNC的服務(wù)RNC管理。

在用戶面協(xié)議部份，用來在UTRAN內(nèi)部傳送HS-DSCH傳輸區(qū)塊的相關(guān)用戶面協(xié)議是HS-DSCH訊框協(xié)議(HS-DSCH FP)，如圖1所示。顧名思義，訊框協(xié)議一般負(fù)責(zé)把傳輸區(qū)塊(從MAC層傳送到實(shí)體層的數(shù)據(jù)基本單位)整合，并‘封包化’成可透過UTRAN傳輸網(wǎng)路(在Rel. 99 UMTS中是基于ATM)傳送的格式。訊框協(xié)議支援的其它功能包括節(jié)點(diǎn)和傳輸訊息通道同步。

一個(gè)重要的HS-DSCH FP功能與需要控制HS-DSCH中從RNC發(fā)送到Node-B的MAC-d協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)有關(guān)。由于Node-B緩沖器有限，因此必須采用某種流量控制形式，這可以用RNC和Node-B之間交換的專用HS-DSCH FP消息實(shí)現(xiàn)。RNC把容量請(qǐng)求消息發(fā)送到Node-B，顯示數(shù)據(jù)準(zhǔn)備傳輸。根據(jù)Node-B內(nèi)部目前緩沖器狀態(tài)，這個(gè)網(wǎng)元(network element)透過容量分配消息，顯示在一定時(shí)間週期內(nèi)允許RNC傳輸多少個(gè)(如果有的話) MAC-d協(xié)議數(shù)據(jù)單元。

如前所述，在標(biāo)準(zhǔn)發(fā)?鴨安渴鵯埃�需在UTRAN內(nèi)全面測(cè)試網(wǎng)元。檢驗(yàn)正確實(shí)現(xiàn)用戶面和控制面程式只是必須解決的測(cè)試問題的一部份。由于在Node-B和RNC之間以很高的吞吐量交換用戶數(shù)據(jù)，因此還需要對(duì)Node-B和RNC執(zhí)行性能測(cè)試。換句話說，需要解決的問題之一是使用的容量分配演算法，特別是在Node-B中是否能夠正確處理從RNC發(fā)來的以最高吞吐量到達(dá)的用戶數(shù)據(jù)，即達(dá)到理論最大值14.4Mbps。

圖2顯示了一個(gè)典型的功能測(cè)試案例。

圖2：HSDPA測(cè)試方案

在這案例中，協(xié)議測(cè)試儀模擬RNC，即根據(jù)測(cè)試工程師開發(fā)的測(cè)試方案針對(duì)Node-B產(chǎn)生相應(yīng)的消息。測(cè)試儀自動(dòng)模擬不屬于測(cè)試用例、但要求使用的所有底層協(xié)議層。該特定案例還模擬核心網(wǎng)路，如SGSN、GGSN和HLR。透過這種方式，可以檢驗(yàn)透過Iub介面正確實(shí)現(xiàn)控制面程式。

在本案例中，Node-B是被測(cè)設(shè)備(DUT)。其它測(cè)試可能要求測(cè)試RNC，而協(xié)議測(cè)試儀則模擬Node-B和UE。

在另一個(gè)測(cè)試案例中，目標(biāo)是檢驗(yàn)Node-B的記憶體管理，測(cè)試其實(shí)現(xiàn)方案是否能夠處理來自一部或多部終端的高吞吐量用戶服務(wù)。在這種情況下，需要模擬的協(xié)議是HS-DSCH FP；由協(xié)議測(cè)試儀模擬設(shè)置要求的無線承載(即RRC和NBAP)所需的其它協(xié)議。如圖2所示，實(shí)際服務(wù)由外部FTP伺服器模擬器提供，例如這個(gè)模擬器可以透過乙太網(wǎng)路連接到協(xié)議測(cè)試儀。在這該案例中，測(cè)試用例可以由速率逐漸提高(最高達(dá)14.4Mbps)的用戶面服務(wù)組成，以確定在任何時(shí)間點(diǎn)上Node-B中是否會(huì)產(chǎn)生緩沖器溢出。另一個(gè)測(cè)試用例則模擬到多個(gè)UE的服務(wù)，以檢驗(yàn)Node-B的資源分配功能。