HSPA增強技術分析

摘要　HSPA+作為3GPP HSPA（包括HSDPA和HSUPA）的增強技術，為HSPA運營商提供低復雜度、低成本的從HSPA向LTE（長期演進）平滑演進的途徑，同時保持對R6版本的后向兼容性。本文對HSPA+的關鍵技術進行了綜述和研究分析。

HSPA（包括HSDPA和HSUPA）的進一步演進和增強是3GPP RAN 2006年啟動一個研究項目，稱為“HSPA+”。此項目目前僅針對FDD系統(tǒng)，并已基本接近完成。HSPA+技術的宗旨是要保持和UMTS第6版本（Release 6）的后向兼容性，同時提供低復雜度、低成本的從HSPA向SAE/LTE平滑演進的路徑，以滿足在近期內(nèi)以較小的代價改進系統(tǒng)、提高系統(tǒng)性能的HSPA運營商的升級需求。

HSPA+的研究內(nèi)容包括高階調(diào)制、多天線技術（MIMO）、連續(xù)分組數(shù)據(jù)連接（CPC）、增強FDD小區(qū)FACH等，接入網(wǎng)架構(gòu)優(yōu)化等。

1、HSPA+技術目標

HSPA+技術目標主要是降低控制面和用戶面的延遲、簡化網(wǎng)絡節(jié)點、提高頻譜效率以及后向兼容性。例如，控制面和用戶面的延遲要求見表1。

表1　HSPA+控制面和用戶面的延遲指標

2、HSPA+關鍵技術

2.1　MIMO技術

HSPA+引入的物理層技術為下行64QAM、上行16QAM和MIMO技術。MIMO技術可以改善系統(tǒng)容量和提高頻譜利用率。3GPP自R5就開始MIMO技術的標準化研究，征集了大量的提案，最后經(jīng)過廣泛地討論，HSPA+將方案確定為兩個：TDD PARC和FDD基于雙碼流發(fā)射天線陣（Dual-Stream TxAA）的雙碼字MIMO。

FDD的MIMO模式可由圖1所示的下行發(fā)送框架描述。MIMO模式下的信道編碼、交織和擴頻同以前相比沒有改變。NodeB調(diào)度器將決定在一個TTI內(nèi)為被調(diào)度用戶發(fā)送一個還是兩個傳輸塊（TB）。擴頻后的信號經(jīng)過預編碼（w1，w2，w3，w4）加權后同時發(fā)送給每個發(fā)射天線。預編碼權重定義如下：

如果一個TTI只調(diào)度一個TB，僅使用加權向量（w1，w2）。如果一個TTI調(diào)度兩個TB，則使用兩個正交的加權向量。

圖1　FDD HS-PDSCH信道的下行MIMO通用發(fā)射機框圖

UE使用導頻信號CPICH分別為每個天線進行信道估計，每個發(fā)射天線可以使用相同的導頻信號也可以使用不同的導頻信號，導頻信號由高層配置。UE根據(jù)接收信號的質(zhì)量決定推薦預編碼權重（W1pref，W2pref），推薦預編碼權重（PCI）和信道質(zhì)量指示（CQI）一起反饋給NodeB。NodeB再根據(jù)反饋的PCI/CQI進行調(diào)度，并決定傳輸塊的個數(shù)、大小和調(diào)制方式；NodeB通過HS-SCCH通知UE網(wǎng)絡側(cè)所選取的預編碼權重w2，該權重可以每個HS-PDSCH子幀變化一次。

在上述MIMO技術的應用中，NodeB決定MIMO的工作模式是閉環(huán)發(fā)射分集還是空間復用。當用戶處于較低或中等的信干比環(huán)境時，選取單碼流數(shù)據(jù)的發(fā)射分集，提高用戶信號的接收質(zhì)量；當用戶處于較高的信干比環(huán)境時，則發(fā)送雙碼流數(shù)據(jù)進行空間分集，以提高吞吐量。研究表明在高信干比下雙碼流TxAA比單碼流發(fā)射分集提高接近一倍的峰值傳輸速率。同時雙碼流TxAA可以帶來平均6%的系統(tǒng)容量增益。

2.2　CPC技術

連續(xù)性分組連接（Continuous Packet Connectivity）意為分組用戶的“永遠在線”。CPC通過改進R5/R6的HSPA功能，使得有連續(xù)連接需求的分組用戶能夠避免頻繁的重建而由此帶來的開銷和時延，以達到提高CELL-DCH態(tài)分組用戶數(shù)量、提高VoIP用戶容量和系統(tǒng)效率的目的。

CPC主要包含3部分：新的UL DPCCH時隙格式、UE側(cè)不連續(xù)發(fā)送和接收（DTX/DRX）、HS-SCCH-less操作。這3個功能既可以獨立配置、也可以為UE組合配置，但新時隙格式必須與DTX/DRX同時使用。

（1）新的UL DPCCH時隙格式

DPCCH為專有物理控制信道。其主要目的是攜帶專有物理數(shù)據(jù)信道的同步和功控信息。R6以前的DPCCH時隙格式主要適合有數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r。在無數(shù)據(jù)傳輸時則需要進行優(yōu)化，以減少控制信道的開銷。新時隙格式設計主要在于減少導頻比特位、和擴大功控命令（TPC）的比特位，從而達到降低DPCCH目標信干比和發(fā)射功率的目的。新的UL DPCCH時隙格式采用導頻比特位為6、TPC為4的時隙格式，由SRNC為UE配置/重配置。

（2）UE側(cè)DTX/DRX

UE側(cè)的DTX是指上行DPCCH的不連續(xù)發(fā)送。在既沒有E-DCH傳輸、也沒有HS-DPCCH（即TDD中的HS-SICH）傳輸?shù)臅r候，UE將自動停止DPCCH發(fā)射，并使用一個預定義的DPCCH活動圖樣。一旦E-DCH和HS-DPCCH開始發(fā)射，立即恢復正常的DPCCH發(fā)射。為了在非活躍期間維持必要的上行同步，預定義的DPCCH活動圖樣必須保持一定的發(fā)送周期。UL DTX使用兩種不連續(xù)DPCCH發(fā)送周期：UE_DTX_cycle_2和UE_DTX_cycle_1，前者是后者的整數(shù)倍。為了進一步降低上行干擾，將不同的用戶的功率在時域上呈現(xiàn)均勻分布，可以為每個UE配置一個特定的時間偏移。

例如，如圖2所示，在Web瀏覽業(yè)務中DPCCH的活動圖樣可以在閱讀期間應用；對于VoIP業(yè)務，利用其數(shù)據(jù)活躍期間固有的傳輸時序關系，DPCCH的發(fā)送周期可以和數(shù)據(jù)發(fā)射保持一致；在數(shù)據(jù)非活躍期間，則采用更長的發(fā)送周期。

圖2　Web瀏覽業(yè)務的DPCCH的活動圖樣示意圖

UE側(cè)的DRX是指下行HS-SCCH的不連續(xù)接收。下行DRX是對上行DTX方案的補充，兩個方案相結(jié)合（DTX、DRX周期對準）可以使UE在沒有上、下行數(shù)據(jù)活動時能真正進入休眠狀態(tài)，延長電池使用時間。下行DRX使用預定義的HS-SCCH接收圖樣，UE必須每經(jīng)過一個周期偵聽一次HS-SCCH子幀，HS-SCCH接收圖樣也可以為每個用戶配置一個時間偏移值。為了進一步減少UE活動，對上行CQI報告、下行E-AGCH/E-RGCH的接收也進行了一些限制。

上行DTX可以獨立應用，但下行DRX必須在上行DTX應用的情況下應用。在一些特殊情況下如UE有掉話的危險，UTRAN能夠立即通過L1信令機制取消UE的DTX/DRX功能，使UE快速回到正常狀態(tài)。當UE工作在DRX模式，下行調(diào)度器將受限于該活動圖樣的約束，潛在造成調(diào)度器性能的下降。NodeB應能權衡利弊，適當終止UE的DTX/DRX。

（3）HS-SCCH-less操作

HS-SCCH是HS-DSCH傳輸中的物理控制信道。這一開銷相對大的數(shù)據(jù)分組傳輸來說比較小，但是當傳輸像VoIP和gaming這樣低時延、小分組業(yè)務時，HS-SCCH的開銷就顯得比較大。HS-SCCH-less提供了一種HS-DSCH傳輸省略HS-SCCH的方法。為區(qū)別R5/R6中的HS-SCCH，本方案稱為HS-SCCH type 2格式。

HS-SCCH和HS-PDSCH之間的定時關系和R5/6保持一致。第一次傳輸省略HS-SCCH，由UE進行盲檢測。如果UE在第一次傳輸時能夠正確解碼，它將反饋ACK；如果第一次傳輸解碼失敗，UE會暫存數(shù)據(jù)，但是不會反饋NACK。重傳需要HS-SCCH，不再依賴UE進行盲檢測。但重傳次數(shù)不會超過兩次。HS-SCCH-less操作首次傳輸時由SRNC預分配1-2條HS-PDSCH碼道，和最多4種MAC-hs傳輸塊長度以便UE進行盲檢測。UE維護一個能存儲13TTI數(shù)據(jù)的軟緩沖區(qū)。當?shù)谝淮蝹鬏斀獯a不正確時，將接收數(shù)據(jù)保存在該軟緩沖區(qū)中。當接收到伴隨HS-SCCH的HS-PDSCH時，利用HS-SCCH提供的時間指針從軟緩沖區(qū)中找到以前的接收數(shù)據(jù)，進行合并和解碼，反饋ACK/NACK。

HS-SCCH-less主要針對VoIP業(yè)務等小分組數(shù)據(jù)業(yè)務，減少物理控制信道開銷，提高下行VoIP用戶容量。如果HS-SCCH-less與UL DTX或DTX/DRX一起組合使用，那么需要統(tǒng)一考慮下行HS-SCCH、HS-PDSCH、F-DPCH及上行DPCCH、HS-DPCCH之間的時序關系，使各個方案能夠協(xié)調(diào)工作，優(yōu)化無線網(wǎng)絡性能。

總而言之，CPC通過設計新的時隙格式、UE側(cè)DTX/DRX、和HS-SCCH-less操作3個方面來提升系統(tǒng)容量。研究表明運用CPC后上行支持不活躍用戶的系統(tǒng)消耗下降為R6的三分之一。與此同時VoIP的容量獲得了50%的增長。

2.3　層2增強技術

HSPA+層2增強技術主要包括RLC AM增加支持靈活的PDU SIZE和MAC-hs支持RLC PDU分段功能。HSPA+采用MIMO和64QAM等物理層技術會使空口速率進一步提高并超過14 Mbit/s。但是現(xiàn)有的UTRA層2技術已不能適應這個速率。主要問題在于：AM RLC使用固定大小的RLC PDU。為了提高空口的峰值速率，可以采取增加RLC窗口、PDU大小、或降低環(huán)回時間等方法。在PDU幀頭不改變（SN為0～4095）的情況下，提高峰值速率只能靠加大PDU size。雖然增加RLC PDU大小可以避免RLC窗口停滯，但同時也會引起過多的補零（padding），降低了系統(tǒng)效率。同時固定RLC PDU大小在鏈路自適應和小區(qū)覆蓋上也顯得非常不靈活。

因此，從優(yōu)化的角度出發(fā)，在保留原來的固定大小的RLC PDU配置的同時，引入可變長的PDU size的配置，將主要的SDU分段功能移至MAC-hs。可變長的PDU size不僅可以避免過多的補零，保證系統(tǒng)效率，又可以靈活地支持各種空口速率。但是可變長的PDU size不能超過一個預定義的最大RLC PDU size。當SDU長度超過最大RLC PDU size時，也需要執(zhí)行RLC的分段。在MAC-hs移入MAC-d PDU分段功能可以使NodeB能夠快速跟蹤無線鏈路的空口質(zhì)量，自適應地選擇合適的傳輸塊大小，提供足夠細的調(diào)度粒度，以保證小區(qū)的業(yè)務覆蓋。

HSPA+在MAC層增加了MAC-ehs實體。MAC-ehs支持SDU分段和級聯(lián)以及可變長的RLC PDU SIZE。允許每個TTI可調(diào)度的優(yōu)先隊列的個數(shù)大于1，以提高空口傳輸效率。但從減少UE復雜度的角度出發(fā)，將最大個數(shù)限制為3。

2.4　增強CELL-FACH和CELL/URA-PCH

增強CELL-FACH允許CELL-FACH和CELL/URA-PCH態(tài)的UE使用HSDPA技術，即CELL-FACH和CELL/URA-PCH態(tài)UE使用HS-DSCH傳輸專有信令數(shù)據(jù)，而不是SCCPCH和FACH/PCH。其目的是提高CELL-FACH態(tài)的峰值速率、減少CELL-FACH、CELL_PCH and URA_PCH用戶面和控制面時延、減少URA/CELL_PCH or CELL_FACH to CELL_DCH的狀態(tài)遷移時延、和減少UE的電池消耗。

當系統(tǒng)廣播配置了HS-DSCH公共系統(tǒng)信息時，CELL-FACH態(tài)的UE在沒有C-RNTI或?qū)Ｓ蠬-RNTI的情況下，監(jiān)聽HS-SCCH信道上的common H-RNTI。如果UE檢測到common H-RNTI，則接收相應的HS-DSCH TTI的數(shù)據(jù)；當CELL-FACH態(tài)的UE有C-RNTI和專有H-RNTI，UE應該監(jiān)聽HS-SCCH信道上的專有H-RNTI。UE不需要發(fā)送ACK/NACK或CQI信息。

E-CELL-FACH上行仍然使用RACH信道�？衫�用層2增強技術，即可變長的RLC PDU大小和MAC-ehs segmentation。支持BCCH映射到HS-DSCH，BCCH只承載系統(tǒng)消息的變化信息。根據(jù)SIB11/SIB12的配置參數(shù)，CELL-FACH態(tài)UE在小區(qū)更新過程中通過RACH的上行RRC信令上報測量報告給RNC。然后由RNC折算成功率水平，并在HS-DSCH的FP幀中用功率水平的方式通知給NodeB。NodeB依據(jù)該功率水平?jīng)Q定傳輸塊大小和下行發(fā)射功率。

同樣地，如果系統(tǒng)廣播配置了HS-DSCH尋呼系統(tǒng)信息，當CELL_PCH狀態(tài)的UE沒有保存C-RNTI和專有H-RNTI時或UE為URA-PCH態(tài)，在UE監(jiān)聽到PICH后，需要接收HS-DSCH上的PCCH。當接收HS-DSCH上的PCCH時，不使用HS-SCCH，即采用HS-SCCH less進行盲檢。PCCH使用一個HS-PDSCH信道化碼和最多2個傳輸塊大��；當CELL-PCH態(tài)的UE保存有C-RNTI和專有H-RNTI時，網(wǎng)絡側(cè)使用專有H-RNTI傳輸DCCH和DTCH。如果UE檢測到HS-SCCH上的專有H-RNTI，UE立即啟動測量報告，進入CELL-FACH態(tài)。這樣UE可以不用先執(zhí)行小區(qū)更新過程而直接使用C-RNTI接收DTCH和DCCH。當接收HS-DSCH上的DTCH和DCCH時，使用HS-SCCH信道，機制同R5。

允許CELL-PCH態(tài)UE接收DTCH/DCCH數(shù)據(jù)可以節(jié)省UE小區(qū)更新的過程。UTRAN直接將專有尋呼信息PAGING TYPE2下發(fā)給CELL-PCH態(tài)UE。減少UE呼叫建立的時延。PCCH接收采用HS-SCCH less操作，可以減少物理信令的開銷，減少UE呼叫建立的時延。

CELL/URA-PCH態(tài)的HS-DSCH接收使用兩個循環(huán)周期的DRX。URA_PCH狀態(tài)不支持DCCH/DTCH映射到HS-DSCH上，沒有直接的下行數(shù)據(jù)傳輸。

2.5　接入網(wǎng)架構(gòu)優(yōu)化

HSPA+采取扁平化的無線接入網(wǎng)架構(gòu)，RNC功能位于Node B，該Node B稱為eHSPA NodeB。eHSPA NodeB與分組域CN有Iu-PS接口。Iu-PS用戶面可終結(jié)至SGSN或者至GGSN（使用單隧道技術），以降低網(wǎng)絡時延。eHSPA NodeB間為Iur接口。

eHSPA NodeB有兩種應用場景：獨立的eHSPA NodeB和載波共享eHSPA NodeB（如圖3所示）。由于HSPA技術是針對PS域的優(yōu)化，所以獨立的eHSPA NodeB的應用只考慮PS業(yè)務，不需要RNC節(jié)點。在載波共享eHSPA NodeB應用中需要RNC支持CS業(yè)務，因此CS域沒有受到影響。載波共享eHSPA NodeB與傳統(tǒng)RNC通過Iur口相連。在載波共享eHSPA NodeB下的UE，如果指派了CS業(yè)務，則需要觸發(fā)重定位的過程，把控制權交給傳統(tǒng)的RNC。

圖3　eHSPA NodeB的應用場景

3、結(jié)束語

HSPA+作為3GPP HSPA（包括HSDPA和HSUPA）的增強技術，覆蓋了多方面的內(nèi)容和性能的提升。其主要包括高階調(diào)制、MIMO、CPC、增強FDD CELL-FACH等，接入網(wǎng)架構(gòu)優(yōu)化等。高階調(diào)制、MIMO和層2增強可以提高HSPA的頻譜利用率和空口傳輸速率；CPC技術可以提高保持長時連接的分組數(shù)據(jù)用戶數(shù)量及VoIP用戶容量；增強CELL-FACH和接入網(wǎng)架構(gòu)優(yōu)化可以大幅降低分組域的傳輸時延。通過這些技術，HSPA+可以使運營商在引入HSPA后還可以繼續(xù)向前演進。在LTE技術完全成熟和商用前，在現(xiàn)有2×5MHz頻譜資源的基礎上以較小的代價獲得近似LTE的性能，充分保護運營商的投資，同時也為不同運營商提供不同的演進策略。

TD-SCDMA的HSPA+技術研究才剛剛拉開序幕，TD可以借鑒FDD HSPA+的大部分內(nèi)容，但也呈現(xiàn)出不同的特點，主要區(qū)別在于TDD的上行碼資源的缺乏。WCDMA的上行碼資源不受限制，為其技術優(yōu)化提供了許多優(yōu)勢。TD的HSPA+技術必須解決上行碼資源的瓶頸。