TD-SCDMA HSDPA終端的實現(xiàn)

摘要　相對于3G的另外兩個國際標準（WCDMA、CDMA 2000）來說，TD-SCDMA系統(tǒng)HSDPA（高速下行分組接入技術(shù)）終端的發(fā)展相對滯后，加速其發(fā)展是增加競爭力的重要因素。文章分析了高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在TD-SCDMA系統(tǒng)實現(xiàn)的重要意義，并探討了HSDPA功能在終端的實現(xiàn)機制和解決方案。

1、TD-SCDMA高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的重要意義

目前，日本和韓國的3G經(jīng)營商已經(jīng)在體驗3G高速數(shù)據(jù)服務(wù)方面取得巨大成功。日本DoCoMo公司于2001年推出的WCDMA-FOMA服務(wù)，截止到2004年5月已擁有400萬用戶，所創(chuàng)造的收入已經(jīng)占到其總收入的20%以上。韓國電信公司（SKT）于2003年第3季度部署了1x EV-DO網(wǎng)絡(luò)之后，該公司數(shù)據(jù)服務(wù)收入占據(jù)每用戶平均收入（ARPU）值的比例上升到了34%。預計在未來幾年內(nèi)，數(shù)據(jù)服務(wù)仍將會取得大幅度增長，并成為第三代（3G）移動通信的主要應(yīng)用和主要收入來源。

為了適應(yīng)多媒體應(yīng)用對高速數(shù)據(jù)傳輸日益增長的需要，第三代移動通信合作項目組（3GPP）公布了一種新的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)——HSDPA（高速下行分組接入技術(shù)）。該技術(shù)在WCDMA系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)電信相關(guān)部門的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，目前全球共有123個HSDPA網(wǎng)絡(luò)在56個國家/地區(qū)計劃部署，其中有70個WCDMA-HSDPA網(wǎng)絡(luò)在39個國家/地區(qū)商用，14個WCDMA-HSDPA網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)達到3.6Mb/s的速率。終端方面，目前已經(jīng)有66款HSDPA終端上市，其中22款手持機、44款PC卡及路由器，共19家提供商；另外還有13款內(nèi)置HSDPA功能的PC機，共有8家提供商。

綜合以上的數(shù)字我們可以看到，高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是第三代移動通信的重要服務(wù)，也是運營商的主要收入來源。TD-SCDMA如果要讓用戶體驗到其優(yōu)越于2G的服務(wù)，必然要提供高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。國產(chǎn)的3G標準TD-SCDMA要在和其他3G標準的競爭中占有一席之地，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)也具有相當重要的意義。

2、TD-SCDMA高速下行數(shù)據(jù)終端實現(xiàn)機制和原理

2.1　TD-SCDMA高速下行主要技術(shù)

TD-SCDMA在3GPP Release 5版本的規(guī)范里引入了HSDPA技術(shù)。該技術(shù)能夠在不改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的情況下提高TD-SCDMA系統(tǒng)下行傳輸數(shù)率，單載波理論值為2.8Mb/s。HSDPA主要引入了HARQ（混合自動重傳）技術(shù)、AMC（自適應(yīng)調(diào)制編碼）技術(shù)、快速調(diào)度和高階調(diào)制技術(shù)。

HARQ（混合自動重傳）技術(shù)是將FEC（前向糾錯）同ARQ相結(jié)合的糾錯方法，利用FEC技術(shù)的糾錯能力以提高系統(tǒng)的傳輸效率，并通過ARQ技術(shù)來提高系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃�。發(fā)端發(fā)送的碼不僅能夠檢錯，而且還具有一定的糾錯能力。收端譯碼器收到碼字后，首先檢查錯誤情況，如果可以則自動糾錯；如果錯誤很多，解碼失敗的話，則保存接收到的數(shù)據(jù)，并要求發(fā)送方重傳一定的數(shù)據(jù)。這種方式在一定程度上避免了FEC方式需要復雜的譯碼設(shè)備和ARQ方式信息連貫性差的缺點。

AMC（自適應(yīng)調(diào)制編碼）技術(shù)基本原理是網(wǎng)絡(luò)側(cè)根據(jù)信道的實際情況確定當前信道的容量，根據(jù)容量來確定合適的調(diào)制編碼方式，以便最大限度地發(fā)送信息，實現(xiàn)較高地傳輸數(shù)率。而且，針對每一個用戶的信道質(zhì)量變化，AMC都能夠提供相應(yīng)變化的調(diào)制編碼方案，從而獲得較高的傳輸數(shù)率和頻譜利用率。AMC和HARO兩者結(jié)合起來可以得到很好的效果：AMC提供粗略的數(shù)據(jù)速率選擇，而HARQ可以根據(jù)數(shù)據(jù)信道條件對數(shù)據(jù)速率進行較精細的調(diào)整。

快速調(diào)度技術(shù)主要是指原來在RNC（Radio Network Controller）中實現(xiàn)的分組調(diào)度功能轉(zhuǎn)移到Node B來實現(xiàn)，從而大幅度的減少數(shù)據(jù)傳輸處理時延。

2.2　TD-SCDMA HSDPA終端實現(xiàn)機制

為了在TD-SCDMA系統(tǒng)中實現(xiàn)HSDPA功能，引入了一個新的傳輸信道HS-DSCH（High Speed-Downlink Shared Channel）和三個新的物理信道HS-PDSCH（High Speed Physical Downlink Shared Channel）、HS-SCCH（Shared Control Channel for HS-DSCH）、HS-SICH（Shared Information Channel for HS-DSCH）。同時引入了MAC—-hs實體，處理MAC（Medium Access Control）層HS-DSCH的相關(guān)功能，包括HARQ協(xié)議處理、重排、拆分調(diào)度等。

（1）終端側(cè)MAC-hs實體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1　終端側(cè)MAC-hs實體結(jié)構(gòu)

其中主要的是HARQ實體和重排實體。MAC-hs的詳細配置信息是通過MAC控制接入節(jié)點從RRC（Radio Resource Control）層獲得的。

HARQ實體負責處理HARQ協(xié)議。在每個TTI（TD-SCDMA HSDPA系統(tǒng)的TTI=5ms）里，終端有一個HARQ進程在運行，負責執(zhí)行HARQ相關(guān)的所有任務(wù)，如處理ACK/NACK等。HSDPA的HARQ采取了最簡單的SAW（Stop And Wait）機制。SAW機制雖然實現(xiàn)非常簡單，但是由于下一個數(shù)據(jù)塊的傳送需要等到上一個數(shù)據(jù)塊的確認消息而使其效率比較低。為了提高資源利用率，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)側(cè)的配置，多個HARQ進程同時進行。這樣，當一個HARQ進程處于確認消息等待狀態(tài)時，另外的HARQ進程可以進行數(shù)據(jù)的傳送。

重排實體根據(jù)接收到的TSN（傳輸序列號）對數(shù)據(jù)塊進行排序，并將順序的數(shù)據(jù)塊依次傳送給拆分實體。當接收到的數(shù)據(jù)塊不連續(xù)時就會啟動一個定時器（T1），把收到的不連續(xù)數(shù)據(jù)塊緩存在重排實體里。當定時器T1到時，將所有正確接收到的數(shù)據(jù)塊都傳送給拆分實體。

拆分實體主要是將MAC-hs PDU的頭解析后去除，并將可能的末尾填充比特去除，由此得到MAC-d PDU，然后傳送到MAC-d實體進行處理。

（2）HS-DSCH、HS-PDSCH、HS-SCCH和HS-SICH的實現(xiàn)

一個終端對應(yīng)的只有一個HS-DSCH，不同的終端可以通過時分復用或者碼分復用來共享HS-DSCH信道。在HS-DSCH傳輸信道上每次只傳送一個傳輸塊。CRC的長度固定為24比特，信道編碼采用1/3 Turbo方式。HS-DSCH映射的物理信道是HS-PDSCH，擴頻因子可以使用SF=1或者SF=16，調(diào)制方式可以采用QPSK或者16QAM。HS-PDSCH功率控制由網(wǎng)絡(luò)側(cè)根據(jù)編碼調(diào)制方式和HS-SICH上的TPC綜合決定。

HS-SCCH是一個物理信道，是HSDPA專用的下行控制信道。它使用的擴頻因子為SF=16，調(diào)制方式采用QPSK。HS-SCCH承載著所有HSDPA相關(guān)物理層的配置信息和控制信息。終端根據(jù)HS-SCCH的配置信息接收HSDPA的下行數(shù)據(jù)。HS-SCCH信道上的配置信息主要包括UE_TD、TFRI、HARQ、HS-SICH上行同步和功控等相關(guān)信息。UE_ID用于表示當前配置信息所屬的終端。TFRI主要包括碼道、時隙的分配信息，傳輸塊大小和調(diào)制方式信息，分別用于指示終端下一次接收HSDPA數(shù)據(jù)所使用HS-PDSCH的碼道、時隙位置，傳輸塊的大小和調(diào)制方式是QPSK還是16QAM。HARQ相關(guān)信息包括HARQ進程信息、新數(shù)據(jù)指示信息和冗余版本信息。新數(shù)據(jù)指示信息表明此次數(shù)據(jù)是新數(shù)據(jù)還是重發(fā)數(shù)據(jù)。當前終端收到HS-SCCH信道信息時刻必須比為HS-PDSCH配置的第一個時隙提前至少3個時隙的時間，并且TD-SCDMA的上、下行導頻時隙不在計算之內(nèi)。HS-SCCH的初始發(fā)射功率由網(wǎng)絡(luò)側(cè)決定。HS-SCCH的閉環(huán)功率控制由HS-SICH信道上的TPC（傳輸功率控制）信息控制。

HS-SICH是一個物理信道，是TD-SCDMA HSDPA專用的上行控制信道。它使用的擴頻因子為SF=16，調(diào)制方式采用QPSK。HS-SICH信道用于反饋相關(guān)上行信息，主要包括CQI（信道質(zhì)量指示）和ACK/NACK。為了支持HARQ的反饋信息，終端在接收到HSDPA數(shù)據(jù)后需要向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送ACK或者NACK。終端將1比特的反饋信息通過重復的方式編碼成36比特，以提高反饋信息傳送的可靠性。終端根據(jù)測量的結(jié)果選擇RTBS（推薦傳輸塊大小）和RMF（推薦調(diào)制方式）。RTBS采用R-M編碼方式將6比特信息轉(zhuǎn)換成32比特，RMF則采用重復的方式將1比特編碼成16比特。RTBS和RMF的組合就是CQI。當前終端發(fā)送HS-SICH信道信息時刻必須比其對應(yīng)的HS-PDSCH配置的最后一個時隙滯后至少9個時隙的時間，并且TD-SCDMA的上、下行導頻時隙不在計算之內(nèi)。HS-SICH的上行開環(huán)功控由網(wǎng)絡(luò)側(cè)配置期望接收功率和終端測量路損得到。HS-SICH閉環(huán)功控由HS-SCCH上的TPC（傳輸功率控制）信息控制。HS-SICH初始上行同步根據(jù)相關(guān)DPCH，以后的上行同步取決于HS-SCCH上的SS控制字。

（3）HSDPA數(shù)據(jù)傳送典型過程

終端用戶需要HSDPA相關(guān)服務(wù)時，首先發(fā)起PDP上下文激活的信令流程。在此信令過程中，網(wǎng)絡(luò)側(cè)給終端配置了與HSDPA相關(guān)的HS-SCCH、HS-SICH信息。

當需要在HS-PDSCH傳送HSDPA下行數(shù)據(jù)時，網(wǎng)絡(luò)側(cè)根據(jù)各個用戶的信道條件、各個用戶在緩沖區(qū)內(nèi)的剩余數(shù)據(jù)量、自從上次某個用戶服務(wù)后所經(jīng)過的時間以及哪些用戶的重傳還沒有執(zhí)行等因素選擇合適的用戶。網(wǎng)絡(luò)側(cè)先在HS-SCCH上發(fā)送用戶標識信息、用來傳送數(shù)據(jù)的HS-PDSCH的配置信息。

終端在收到HS-SCCH后，根據(jù)上面攜帶的用戶標識來判斷此HSDPA數(shù)據(jù)是否屬于自己。如果屬于自己，則根據(jù)HS-SCCH所指示的HS-PDSCH的配置情況進行數(shù)據(jù)接收。終端根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)和測量結(jié)果在HS-SICH上向網(wǎng)絡(luò)反饋結(jié)果，用以指示數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖欠癯晒Γ�并且指示網(wǎng)絡(luò)側(cè)在下一次的數(shù)據(jù)傳輸中采用那種CQI。

網(wǎng)絡(luò)側(cè)在收到終端HS-SICH上的信息后，進行后續(xù)數(shù)據(jù)的傳輸或者當前數(shù)據(jù)的重傳。

用戶希望結(jié)束HSDPA數(shù)據(jù)服務(wù)時，終端發(fā)起PDP上下文去激活的信令流程。在此信令過程中，網(wǎng)絡(luò)側(cè)將釋放所有的HSDPA相關(guān)的配置。

3、TD-SCDMA HSDPA終端解決方案

本方案是在T3G（天碁科技）公司TD-SCDMA/GSM自動雙模解決方案基礎(chǔ)上討論TD-SCDMA HSDPA（高速下行分組接入技術(shù)）的實現(xiàn)。

由于HSDPA主要是滿足用戶高速下行數(shù)據(jù)的應(yīng)用要求，物理層需要在很短的TTI內(nèi)把數(shù)據(jù)解調(diào)出來傳送給上層，這就要求下行的處理能力強，而且速度必須快。本方案的物理層采用單獨的內(nèi)核和操作系統(tǒng)，高層協(xié)議采用另外的內(nèi)核和操作系統(tǒng)。HSDPA數(shù)據(jù)的處理和反饋速度要求非常快，為了加快終端和網(wǎng)絡(luò)的實時性，把所有的HARQ功能都放在終端的物理層來實現(xiàn)。在HARQ的實現(xiàn)過程中，終端如果無法正確解碼HADPA數(shù)據(jù)，就會給網(wǎng)絡(luò)側(cè)回復NACK信息。同時會將這部分HSDPA數(shù)據(jù)軟比特緩存起來，以便和接收到的重發(fā)數(shù)據(jù)一起解碼而獲得最好的效果。由于HSDPA的數(shù)據(jù)量相當大，這就要求物理層同時具備很大的存儲空間。

為了實現(xiàn)HSDPA，在MAC中增加了MAC-hs實體來實現(xiàn)重排功能。當MAC-hs收到的HSDPA數(shù)據(jù)塊的TSN不連續(xù)時就需要緩存暫時無法上傳給拆分實體的數(shù)據(jù)，因此也需要額外的緩存空間。

本方案硬件平臺框圖如圖2所示：

圖2　TD-SCDMA HSDPA參考硬件平臺

在協(xié)議棧方面，在基于T3G原有的TD-SCDMA/GSM雙模協(xié)議棧的基礎(chǔ)上增加了支持HSDPA的功能。根據(jù)3GPP標準的定義，在MAC層增加了MAC-hs實體，增加了對HS-DSCH的支持。在物理層也根據(jù)標準的定義增加了對HS-PDSCH、HS-SCCH和HS-SICH相關(guān)編解碼的支持。增加了RRC層和MAC層、物理層接口對HSDPA的支持。從而實現(xiàn)了對HARQ、16QAM和AMC的支持。本方案將所有HARQ的功能都放在物理層的獨立的內(nèi)核來處理，反饋信息ACK/NACK不需要從MAC傳送到物理層后再發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)側(cè)，大大增加了HSDPA相關(guān)處理和反饋的實時性。TD-SCDMA HSDPA相關(guān)的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3　TD-SCDMA HSDPA相關(guān)的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

4、總結(jié)

經(jīng)過多年的努力，TD-SCDMA標準已經(jīng)越來越受到國際的認可和支持。TD-SCDMA系統(tǒng)HSDPA的實現(xiàn)能夠大大加強其在3G國際標準里的競爭力。TD-SCDMA HSDPA終端的實現(xiàn)和產(chǎn)業(yè)化是其中很關(guān)鍵的一環(huán)。

TD-SCDMA終端如果能夠配合網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)HARQ、高階調(diào)制、AMC和快速調(diào)度等功能，將會更好的支持高速下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)——HSDPA。同時，芯片集成度的增高、進一步的高階調(diào)制技術(shù)、MIMO技術(shù)等的研究和實現(xiàn)必將為TD-SCDMA高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進一步發(fā)展提供更多的空間。