發(fā)展3G技術(shù)提出的問題

世界第一個(gè)3.5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)基高速下行鏈路分組接入(HSDPA)技術(shù)的推出，標(biāo)明其明顯的變化在于支持分組數(shù)據(jù)服務(wù)。HSDPA網(wǎng)絡(luò)具有較高的數(shù)據(jù)率，并且降低了分組等待時(shí)間，因而能提供與家庭寬帶服務(wù)相匹敵的新服務(wù)。然而，HSDPA僅針對下行鏈路，而靠增強(qiáng)上行鏈路可以獲得更多好處。

人們不懷疑極力稱贊HSDPA的14Mb/S下行鏈路數(shù)據(jù)。這是此技術(shù)非常重要的特性，能提供與WiFi相匹敵的性能，另外還具有改善移動(dòng)性、安全性和蜂窩網(wǎng)絡(luò)易用的特點(diǎn)，HSDPA標(biāo)志蜂窩網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要一步，使專門用于下行鏈路分組數(shù)據(jù)的系統(tǒng)最佳化。HSUPA(高速上行鏈路分組接入)擴(kuò)展此分組數(shù)據(jù)增強(qiáng)到上行鏈路。

3G網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)展

隨著HSDPA的引入，空中接口管理的重要方面以無線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)移到基站或3G中的Node B(節(jié)點(diǎn)B)。把此功能移到更靠近空中接口，意味著3G系統(tǒng)可以更快地應(yīng)對用戶和Node B之間無線鏈路的質(zhì)量變化，以及用戶的數(shù)據(jù)要求。而這種有效的控制，允許有較高的數(shù)據(jù)吞吐率和更大的蜂窩能力。

HSDPA的較高數(shù)據(jù)率是通過采用先進(jìn)的信道編碼和調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，這種技術(shù)出錯(cuò)時(shí)，能快速重新傳輸，利用這些特性，Node B接收來自每個(gè)用戶有關(guān)下行鏈路信道質(zhì)量的信息。

當(dāng)信息質(zhì)量非常好時(shí)，Node B可以傳輸非常高的數(shù)據(jù)率，而來自信道編碼算法的差錯(cuò)防護(hù)很少。隨著信道質(zhì)量的下降，有效用戶數(shù)據(jù)率會(huì)降低，因?yàn)镹ode B必須有更多的差錯(cuò)防護(hù)，發(fā)送增強(qiáng)更多的信息。依賴于環(huán)境，用戶的信道質(zhì)量可能迅速地變化，而Node B必須迅速反應(yīng)以保持空中接口的最大效率。

HSDPA的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是縮短的分組周期或傳輸間隔時(shí)間(TTI)。HSDPA的最小TTI從Release99系統(tǒng)的10ms降到HSDPA的2ms，有如下好處：首先使得Node B能更快速地反應(yīng)每個(gè)用戶感受到的信道質(zhì)量變化；更為重要的是降低了與每個(gè)分組傳輸有關(guān)的等待時(shí)間，分組等待時(shí)間表示數(shù)據(jù)分組傳輸與其成功接收和譯碼之間的時(shí)間延遲。

對于很多服務(wù)，如IP電話(VoIP)或互動(dòng)博奕，過長的分組等待時(shí)間會(huì)迅速地降低服務(wù)質(zhì)量。在橋接自動(dòng)重傳請求時(shí)，允許差錯(cuò)分組快速重傳，降低通過網(wǎng)絡(luò)的等待時(shí)間，能使蜂窩經(jīng)營者提供相當(dāng)廣的服務(wù)范圍。

HSUPA的需要

HSDPA給出的改善在于效率和服務(wù)，下一步將是把類似的概念應(yīng)用到上行鏈路。HSUPA有時(shí)稱之為增強(qiáng)的上行鏈路，它代表最新的3GPP Release6技術(shù)，其宗旨是為上行鏈路提供最佳的分組數(shù)據(jù)支持。

像多媒體通訊的服務(wù)已經(jīng)流行那樣，高質(zhì)量相機(jī)已成為大部分手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。另外，對稱服務(wù)(如語音和VoIP)的應(yīng)用將開始增長，這能提供更有效的帶寬應(yīng)用。

近年來，TCP/IP已成為分組數(shù)據(jù)普遍存在的傳輸機(jī)構(gòu)，HSDPA的物理(PHY)和媒體接入控制(MAC)層，適于支持這種較高級的協(xié)議。然而，下行鏈路TCP/IP服務(wù)需要相應(yīng)的分組應(yīng)答送到上行鏈路，而對于高速率下行鏈路，這可能在上行鏈路上生成一個(gè)相當(dāng)?shù)呢?fù)載。

若上行鏈路應(yīng)答丟失或延遲，則TCP/IP也可以修改其鏈路質(zhì)量(靠降低下行鏈路數(shù)據(jù)率)。用發(fā)送到普通Release 99上行鏈路信道上的應(yīng)答來配置和匹配HSDPA下行鏈路，就上行鏈路帶寬和等待時(shí)間而論這是無益的。

HSUPA特性

HSUPA的很多特性和增強(qiáng)性可以直接追溯到HSDPA。另外，新提出的問題在于平衡上行鏈路空中接口有效管理的要求和昂貴地控制信令，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性的關(guān)系。

HSUPA像HSDPA那樣能提供增強(qiáng)的數(shù)據(jù)率，快速分組重發(fā)機(jī)構(gòu)，并能降低分組等待時(shí)間。HSUPA的上行鏈路數(shù)據(jù)率理論最大值高達(dá)5.76Mb/S。用于實(shí)現(xiàn)此性能的一種技術(shù)是自適應(yīng)信道編碼，它根據(jù)負(fù)載和信道條件調(diào)節(jié)差錯(cuò)校正量。Hybrid ARQ(HARQ)分組傳輸技術(shù)和2msTTI也從HSDPA拷貝過來。

支持高數(shù)據(jù)率和降低TTI為手持裝置和基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)計(jì)人員提出不少復(fù)雜性問題和挑戰(zhàn)。對于手機(jī)，支持高數(shù)據(jù)率對于無線、基帶和協(xié)議實(shí)現(xiàn)都必須有很多考慮。需要更強(qiáng)的DSP、更快ASIC和更多存儲(chǔ)器來處理大量的用戶數(shù)據(jù)和更快的數(shù)據(jù)處理。

降低TTI要求手機(jī)必須更快速地應(yīng)答重發(fā)請求和控制來自網(wǎng)絡(luò)的信令。高數(shù)據(jù)率也需要改善PF發(fā)送器級的元件質(zhì)量以保證編碼數(shù)據(jù)可靠性。

實(shí)現(xiàn)這些特性需要時(shí)間，并會(huì)增加手機(jī)的制造成本�；�于此原因，根據(jù)支持不同的數(shù)據(jù)率和不同的TTI，把手機(jī)劃分為6類。較低類手機(jī)適應(yīng)較低的數(shù)據(jù)率(從700Kb/S開始)，而某些類型只處理10msTTI。

基礎(chǔ)架構(gòu)制造商面臨同樣的問題，需要更新其Node B來支持較高質(zhì)量無線接收機(jī)結(jié)構(gòu)和改進(jìn)的基帶處理。蜂窩經(jīng)營者多半要求基礎(chǔ)架機(jī)供應(yīng)商從最初的發(fā)布就能提供高數(shù)據(jù)率支持。

控制和調(diào)度

與HSUPA有關(guān)的最大問題不是數(shù)據(jù)經(jīng)空中接口的物理傳輸，而是其管理問題。必須仔細(xì)控制HSUPA的空中接口來保證每個(gè)用戶所需的上行鏈路帶寬，防止很多用戶在同一時(shí)間都想發(fā)送數(shù)據(jù)所引起的蜂窩過載。這是調(diào)度算法的任務(wù)。

HSUPA調(diào)度算法與HSDPA一樣是放置在Node B中，能夠快速響應(yīng)變化的信道條件和用戶數(shù)據(jù)要求。這引起了一個(gè)有興趣的問題。

對于HSDPA，Node B控制下行鏈路資源和處理所有用戶共享所需的所有信息。對于HSUPA，情況更復(fù)雜，因?yàn)樯闲墟溌穾�寬要求的信息屬于每個(gè)用戶，而少量信息可用作指示每個(gè)用戶的上行鏈路信道質(zhì)量。

除此問題外，一個(gè)差的HSUPA調(diào)度算法可能在蜂窩中引起每個(gè)用戶產(chǎn)生過量的干擾。這將導(dǎo)致過載，而意味著經(jīng)空中接口沒有一個(gè)成功的獲得數(shù)據(jù)。

正當(dāng)每個(gè)Node B制造商必須確定和最佳化自己的HSUPA調(diào)度算法時(shí)，3GPP標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)之間控制信息的通信結(jié)構(gòu)。問題是如何協(xié)調(diào)多用戶，每個(gè)用戶都有他們本身的特殊數(shù)據(jù)要求，而同時(shí)要使控制信令和相關(guān)延遲最小。HSUPA上行鏈路和下行鏈路信令實(shí)例示于圖1。

首先，Node B需要知道是否每個(gè)用戶有數(shù)據(jù)希望發(fā)送。3GPP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定兩種方法針對此問題。

每個(gè)用戶可以周期性地告知網(wǎng)絡(luò)有關(guān)他們的上行鏈路數(shù)據(jù)緩沖器的狀態(tài)。此調(diào)度信息(SI)包括等待發(fā)送的數(shù)據(jù)量和相應(yīng)的優(yōu)先級。

SI包括很多部分。編碼是相當(dāng)復(fù)雜的，信令數(shù)據(jù)的開銷是相當(dāng)大的。因此，第二種方法恰好提供單個(gè)信息，允許手機(jī)指示Node B是否為它配置了足夠的資源來傳輸它們的數(shù)據(jù)。每2ms傳輸稱之為Happy與Bit的信息，允許Node B精調(diào)其上行鏈路資源配置。

用確定的一種方法指示每個(gè)用戶希望發(fā)送的數(shù)據(jù)量，下一個(gè)問題是Node B如何告知它的帶寬配置用戶，其方案是Node B用傳輸允許配置每個(gè)用戶，傳輸允許指示可用于發(fā)送HSUPA數(shù)據(jù)的傳輸功率比。傳輸允許有效地等同于允許用戶傳輸?shù)淖罡邤?shù)據(jù)率直到發(fā)生新的傳輸允許為止。

有兩種允許結(jié)構(gòu)：絕對允許(Absolute Grant)和相對允許(Relative Grant)。絕對允許規(guī)定精確值。相對允許簡單地指示一個(gè)單步偏離。

由于絕對允許包含更多的信息和較大的下行鏈路信令開銷，所以希望不要經(jīng)常用它。而相對允許需要相當(dāng)?shù)偷男帕铋_銷，所以可以用每個(gè)用戶操作的精確調(diào)節(jié)。發(fā)送相同的允許信息到多用戶來共享，絕對或相對允許信道可實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步降低下行鏈路信令開銷。

軟切換

調(diào)度管理的一個(gè)新觀點(diǎn)是HSUPA網(wǎng)絡(luò)支持軟切換的能力。與CDMA系統(tǒng)廣泛相關(guān)的軟切換是用戶接收或發(fā)送數(shù)據(jù)到基站的過程。這為信號質(zhì)量不好蜂窩邊緣區(qū)域提供特殊的好處。

對于HSUPA用戶，軟切換的重要性有兩方面：功率控制和資源配置。首先，一個(gè)用戶傳輸數(shù)據(jù)，會(huì)產(chǎn)生噪聲，干擾附近蜂窩內(nèi)的其他用戶。若用戶是靠近蜂窩邊緣，則必須發(fā)送更高的功率來補(bǔ)償其遠(yuǎn)離Node B的問題，這會(huì)造成較大的干擾。用軟切換可以補(bǔ)償此影響，軟切換靠多個(gè)基站接收和聯(lián)合來降低手機(jī)發(fā)送功率和所引起的干擾。

第2個(gè)考慮是資源配置。例如，在輕負(fù)載蜂窩中的HSUPA用戶可以允許以高數(shù)據(jù)率傳輸，使用戶利益最大化。然而，若用戶轉(zhuǎn)到重負(fù)載蜂窩，則其發(fā)送可能導(dǎo)致過量干擾。HSUPA中的軟切換支持為新蜂窩，直接管理來自新用戶的干擾提供一種架構(gòu)。

HSUPA網(wǎng)絡(luò)借助配置允許處理來自每個(gè)用戶的上行鏈路數(shù)據(jù)�？靠刂茢�(shù)據(jù)率，網(wǎng)絡(luò)處理每個(gè)用戶所產(chǎn)生的干擾。

圖2示出典型軟切換方案中的網(wǎng)絡(luò)管理。在任意時(shí)刻，每個(gè)用戶有一個(gè)主服務(wù)蜂窩。服務(wù)蜂窩負(fù)責(zé)管理來自每個(gè)用戶的上行鏈路數(shù)據(jù)請求和配置合適的允許。在軟切換方案中，可以配置其他非服務(wù)蜂窩來譯碼上行鏈路HSUPA數(shù)據(jù)。

在圖2的實(shí)例中，服務(wù)蜂窩是輕負(fù)載，用戶發(fā)布大的允許。然后，一個(gè)非服務(wù)蜂窩正在支持較高的通訊負(fù)載。因此，非服務(wù)蜂窩能夠發(fā)送一個(gè)相對允許給用戶，這樣會(huì)降低用戶發(fā)送功率。

結(jié)語

在蜂窩技術(shù)發(fā)展中，HSUPA是一個(gè)先進(jìn)的技術(shù)。與HSDPA結(jié)合，HSUPA為移動(dòng)、易用和安全寬帶服務(wù)鋪平道路，現(xiàn)在趨于與固定連線或短距離無線系統(tǒng)結(jié)合。此外，空中接口的有效應(yīng)用將提供增強(qiáng)服務(wù)、改進(jìn)質(zhì)量和更寬的范圍。

將來，蜂窩系統(tǒng)將繼續(xù)發(fā)展，3GPP標(biāo)準(zhǔn)組繼續(xù)從事此技術(shù)的長期發(fā)展�？紤]到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)新空中接口調(diào)制方法和先進(jìn)的多RF天線技術(shù)的更新和增強(qiáng)，蜂窩能力將繼續(xù)增強(qiáng)以滿足移動(dòng)數(shù)據(jù)服務(wù)所期待的增長。(京湘)