WCDMA增強型上行鏈路（Enhanced Uplink）技術研究

摘要　增強型上行鏈路（Enhanced Uplink）是3G中R6的技術特征，通過采用基站（Node B）控制的調(diào)度、結(jié)合軟合并的快速混合自動重傳請求（HARQ）、更短的時幀（TTI）等關鍵技術，可使用戶設備（UE）能以盡可能高的功率傳輸數(shù)據(jù)，在減少時延的基礎上得到更大的系統(tǒng)上行吞吐量。本文通過討論增強型上行鏈路的目標以及與高速下行分組接入（HSDPA）的對比來闡述其中的基本原則，并討論了相應的關鍵技術的實現(xiàn)。

WCDMA的R5版本中引入增強型上行鏈路是WCDMA下行鏈路方向針對分組數(shù)據(jù)業(yè)務的優(yōu)化和演進。能夠很大地提高下行鏈路的傳輸速率和吞吐量。相比而言，上行鏈路速率和吞吐量偏低，不能很好地支持多媒體通信、視頻會議、VoIP等要求高速對稱數(shù)據(jù)通信業(yè)務。為滿足更高的上行速率業(yè)務發(fā)展需要，3GPP從R6版本開始，開展了對增強型上行鏈路或稱為高速上行分組接入的研究和標準制定工作。

增強型上行鏈路是繼HSDPA后，WCDMA的又一次重要演進。通過采用一系列的關鍵技術，相對于R99版本，用戶能體驗到一種具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更少時延的服務，系統(tǒng)性能也能得到極大的提高。因此，在高性能分組數(shù)據(jù)應用方面，增強上行是HSDPA必然的補充。

一、增強型上行鏈路的基本原則

增強型上行鏈路的目標是在上行方向改善容量和數(shù)據(jù)吞吐量，降低專用信道中的延遲，并增加高比特速率的覆蓋范圍。低時延在實際應用時極為重要，若要傳輸更高的比特率，就必須要有更低的時延。并且，由于TCP性能取決于端到端的往返時間（RountTripTime，RTT），如果上行延遲減少則下行中的吞吐量將相應增加。此外，對系統(tǒng)而言，在上行鏈路中，增加高比特速率的覆蓋范圍比提高單純的理論峰值數(shù)據(jù)速率有更高的價值。

為了達到這些目標，一些專為HSDPA研究的新技術從理論上也可以用于上行鏈路。然而，實際情況下，下行鏈路和上行鏈路在功率資源處理、遠近效應和功率控制等方面有顯著區(qū)別，不允許在上行鏈路上簡單引入類似HSDPA的機制。

首先，在傳輸功率資源的處理方式上，下行鏈路傳輸功率資源是集中管理的、上行鏈路上每個用戶的功率資源是分散控制的，且受手機終端能力的限制。HSDPA中使用的下行鏈路時分機制為用戶提供瞬時最大數(shù)據(jù)速率的方式在上行鏈路上是不可實現(xiàn)的。此差別在進行HSUPA調(diào)度設計時尤其重要。

其次，WCDMA系統(tǒng)下行采用擾碼（Gold序列）區(qū)分小區(qū)，擴頻碼（OVSF&Walsh碼）區(qū)分用戶，上行采用擾碼（Gold序列）區(qū)分用戶，而擴頻碼（OVSF&Walsh碼）區(qū)分信道。由于擴頻碼完全正交，因此，下行不存在用戶間的遠近（Near Far）效應；而擾碼自相關性好，而互相關性差，不完全正交，因此，上行存在用戶間的遠近效應。上行的擾碼區(qū)分用戶這個特點也可以利用更多的碼道。于是，需要采用比16 QAM更低階的調(diào)制以簡化終端的設計。

最后，快速功率控制對于克服上行用戶間的遠近效應，并保證與未采用增強功能的終端和業(yè)務之間共存是非常重要的，這也是實現(xiàn)上行快速鏈路適配的一條主要途徑。而HSDPA采用碼率匹配（Rate Matching）的方式，即靈活根據(jù)當前的功率占用情況，來選擇相應的傳輸速率。因此，HSDPA不采用功率控制，這也是為什么HSDPA一定要采用2ms幀長的原因。如果幀長10ms或者更長，HSDPA就難以跟蹤信道的變化，難以實現(xiàn)快速的鏈路適配（500次/秒）。

增強型上行鏈路在功率控制的基礎上，實現(xiàn)了上行的軟切換及更軟切換，通過在多個小區(qū)進行上行鏈路功率控制來限制相鄰小區(qū)產(chǎn)生的干擾。另外，還提供宏分集增益。軟切換有兩方面含義：多個小區(qū)的功率控制和多個小區(qū)的接收。這是HSDPA不具備的，HSDPA只有硬切換。

二、增強型上行鏈路的關鍵技術

增強型上行鏈路物理層關鍵技術的本質(zhì)都是對WCDMA分組傳輸技術的加強。由此，引入了新的信道，并且同樣采用了HSDPA中基于Node B的快速調(diào)度技術、結(jié)合軟合并的快速HARQ技術和短幀2ms技術等，但考慮到上行鏈路自身的一些特點，HSDPA中采用的AMC技術和高階調(diào)制并沒有被增強型上行鏈路采用。

1.新增實體和信道

正是由于上下行鏈路的諸多差異，增強型上行鏈路在最大程度地繼承以前版本中定義的功能實體以及與邏輯層之間功能劃分的基礎上，引入了新的結(jié)構(gòu)，稱為增強型專用信道（E-DCH），如圖1所示。UE端新增的MAC實體MAC-es/MAC-e，處理HARQ重傳、調(diào)度、MAC-e復用、E-DCH TFC選擇。Node B端增加了MAC-e實體用來處理HARQ重傳、調(diào)度、MAC-e解復用。SRNC新增的MAC實體（MAC-es），用來重新排序和組合處于軟交換中的來自不同Node B的數(shù)據(jù)。相對于R99版本，無線鏈路控制（RLC）和在無線網(wǎng)絡控制器（RNC）中的MAC實體仍然沒有變動。

表1列出增強型上行鏈路在物理層增加的5種新信道。

表1　增強型上行鏈路的傳輸信道和物理信道定義

圖1　增強型上行鏈路E-DCH的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

2.基于Node B的調(diào)度

前面已經(jīng)提過，WCDMA無線鏈路具有共享資源特性，同時，分組數(shù)據(jù)具有突發(fā)特性，這就需要良好的調(diào)度策略，對系統(tǒng)有限共享資源進行合理分配，使資源利用率達到滿足合理前提的最大化。而調(diào)度算法沒有被標準化，因此，能采取不同的調(diào)度策略。常用的調(diào)度算法包括最大C/I算法、輪循算法、正比公平算法。當不同的信道環(huán)境和業(yè)務類型在調(diào)度策略中有不同的要求時，這種靈活性對系統(tǒng)的性能影響很大。嘗試最優(yōu)的調(diào)度算法就成為各廠商的努力方向。

在WCDMA R99中，移動終端傳輸速率的調(diào)度由RNC控制，UE可用的最高傳輸速率在DCH建立時由RNC確定，RNC不能夠根據(jù)小區(qū)負載和UE的信道狀況變化靈活控制UE的傳輸速率。而增強型上行鏈路中的調(diào)度主要由Node-B中新增的MAC-e功能實體完成，用以控制UE的傳輸數(shù)據(jù)速率和傳輸時間。從而避免過多的UE同時高速接入，給系統(tǒng)帶來干擾。

圖2（a）和2（b）分別比較了R99與增強性上行鏈路的調(diào)度流程。

圖2（a）　R99上行DCH調(diào)度流程　　　圖2（b）　增強型上行鏈路E-DCH調(diào)度流程

在增強型上行鏈路中，基于Node B的快速調(diào)度的工作流程如下：

●Nobe B調(diào)度器根據(jù)小區(qū)內(nèi)各個UE的業(yè)務QoS需求、非調(diào)度的傳輸業(yè)務需求、小區(qū)上行干擾程度以及Node B自身的處理負荷，向UE發(fā)送功率比率調(diào)度絕對分配（Absolute Grant）命令和功率調(diào)整的相對分配（Relative Grant）命令。

●UE根據(jù)調(diào)度命令計算選擇合適的E-TFC發(fā)送上行E-DCH數(shù)據(jù)，在AG的范圍內(nèi)發(fā)射上行業(yè)務速率和功率，并根據(jù)RG進行速率和功率的上下調(diào)整。

●Nobe B根據(jù)上行控制信道參數(shù)合并E-DCH數(shù)據(jù)，向UE發(fā)送ACK/NACK重傳控制信令，并對上行熱噪聲的增加量（ROT）進行測量，發(fā)送AG/RG調(diào)度命令，同時，向RNC發(fā)送HARQ重傳情況。

3.結(jié)合軟合并的快速混合自動重傳請求

在WCDMA R99中，數(shù)據(jù)包重傳是由RNC控制下的RLC重傳完成的。在透明模式（AM）下，由于RLC的重傳涉及RLC信令和Iub接口傳輸，重傳延時超過100ms。增強型上行鏈路技術使得數(shù)據(jù)包的重傳可以在移動終端和Node B間直接進行。由于Node B控制的重傳時延更小，允許物理層的快速重傳使得RLC層重傳的概率變小，從而使得延時周期大大減小，這特別適合于對時延敏感的業(yè)務。

與HSDPA類似，增強型上行鏈路中使用的重傳協(xié)議是HARQ多重停等并行操作的重傳協(xié)議。HARQ操作過程如圖3所示。

圖3　HARQ重傳協(xié)議操作協(xié)議

對于每一個上行數(shù)據(jù)塊MAC-e PDU，當Node B正確接收，并且CRC校驗正確后，就會通過預先安排好的機制，在恰當?shù)腡TI向UE發(fā)回一個1 bit的正確解碼指示ACK；或者當錯誤解碼某個PDU時，通過發(fā)回錯誤接收指示NACK來要求UE重傳該PDU，此時，重傳序列號RSN和重復版本RV各累加1。

在某個UE處于軟切換過程中，UE所有激活集（與UE間建立了無線上行鏈路的小區(qū)的集合）中的小區(qū)全都要對同一個PDU進行解碼，此時，只要激活集中任何一個小區(qū)已正確解碼的該PDU，并向UE返回ACK指示，UE就認為該PDU被正確接收，即使收到的激活集中其他小區(qū)的NACK信號，也不會進行重傳，并在下一個TTI中傳輸新的PDU。因此，UE獲得了軟切換合并增益。

軟合并是指利用重傳前后的兩個和多個數(shù)據(jù)包的信息，將它們一起用于信道譯碼，從而盡量增大譯碼成功概率的過程。采取怎樣的包合并方式取決于HARQ中所用糾錯編碼和ARQ協(xié)議，它在很大程度上決定了HARQ的系統(tǒng)性能。

增強型上行鏈路利用增量冗余技術來實現(xiàn)軟合并。例如，由于在重傳時數(shù)據(jù)包中增加了為物理層軟合并提供信息的增量冗余信息，所以，即使在初次傳輸?shù)木幋a率（Coding Rate）很高的情況下，也會降低最終整體傳輸?shù)木幋a速率。這樣，既可以不為系統(tǒng)帶來負荷上的負擔，還能夠帶來足夠的重傳系增益。即同時為系統(tǒng)帶來功率增益和編碼增益。

Node B控制的HARQ使錯誤的數(shù)據(jù)可以快速重傳，從而降低了由RLC層重傳帶來的時延，可改善時延QoS特性。而且，鏈路可以容忍更高的誤塊率（BLER），即相應終端發(fā)射功率降低，從而在相同系統(tǒng)負荷下可以支持更多的用戶，系統(tǒng)吞吐量也相應提高。

4.短的時幀

R99版本中，上行鏈路采用的幀長為10ms的TTI，在HSUPA中，為了減小HARQ的重傳時延，引入了2ms的TTI。更短的TTI減小了空中接口的傳輸時延、幀對齊帶來的時延以及處理時延。如圖4所示，在一個物理層重傳所指定的時間內(nèi)，更短的時幀允許更多數(shù)量的重傳，注意E-DPDCH傳輸編號為{0，1，2，3}�？梢钥吹皆�40ms以后，2ms的時幀傳輸了4次，而10ms的時幀僅傳輸了2次。

因為UE的功率限制，在使用短時延后，UE的發(fā)送功率會降低，UE的交織增益也會減小，造成系統(tǒng)的誤碼率和覆蓋范圍有所減小。在使用HARQ時，會造成數(shù)據(jù)包的頻繁重傳，影響小區(qū)的總吞吐量和單個用戶的QoS。因此，在小區(qū)邊緣或遮擋地區(qū)等信道條件不好的區(qū)域，將會使用10ms的TTI以保證QoS。

圖4　2ms與10ms幀的定時

三、結(jié)束語

討論了WCDMA增強型上行鏈路的基本原則以及關鍵技術的實現(xiàn)。相比R5，增強型上行鏈路的引入會使上行分組接收性能有較為明顯的QoS提高。從單個用戶角度看，上行峰值速率可以高達5.76Mbit/s。傳輸時延減少40%以上；從系統(tǒng)的角度看，容量提升40%～70%，覆蓋提升14%左右。增強型上行鏈路和HSDPA的結(jié)合將實現(xiàn)高性能的分組數(shù)據(jù)解決方案。這種方案可以與已有網(wǎng)絡的兼容，并能夠更好地支持未來的應用。