HSPA增強(qiáng)技術(shù)分析

摘要　HSPA+作為3GPP HSPA（包括HSDPA和HSUPA）的增強(qiáng)技術(shù)，為HSPA運(yùn)營(yíng)商提供低復(fù)雜度、低成本的從HSPA向LTE（長(zhǎng)期演進(jìn)）平滑演進(jìn)的途徑，同時(shí)保持對(duì)R6版本的后向兼容性。本文對(duì)HSPA+的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了綜述和研究分析。

HSPA（包括HSDPA和HSUPA）的進(jìn)一步演進(jìn)和增強(qiáng)是3GPP RAN 2006年啟動(dòng)一個(gè)研究項(xiàng)目，稱為“HSPA+”。此項(xiàng)目目前僅針對(duì)FDD系統(tǒng)，并已基本接近完成。HSPA+技術(shù)的宗旨是要保持和UMTS第6版本（Release 6）的后向兼容性，同時(shí)提供低復(fù)雜度、低成本的從HSPA向SAE/LTE平滑演進(jìn)的路徑，以滿足在近期內(nèi)以較小的代價(jià)改進(jìn)系統(tǒng)、提高系統(tǒng)性能的HSPA運(yùn)營(yíng)商的升級(jí)需求。

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

1、HSPA+技術(shù)目標(biāo)

HSPA+技術(shù)目標(biāo)主要是降低控制面和用戶面的延遲、簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、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(biāo)

2、HSPA+關(guān)鍵技術(shù)

2.1　MIMO技術(shù)

HSPA+引入的物理層技術(shù)為下行64QAM、上行16QAM和MIMO技術(shù)。MIMO技術(shù)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(shù)的標(biāo)準(zhǔn)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(gè)：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(kuò)頻同以前相比沒有改變。NodeB調(diào)度器將決定在一個(gè)TTI內(nèi)為被調(diào)度用戶發(fā)送一個(gè)還是兩個(gè)傳輸塊（TB）。擴(kuò)頻后的信號(hào)經(jīng)過預(yù)編碼（w1，w2，w3，w4）加權(quán)后同時(shí)發(fā)送給每個(gè)發(fā)射天線。預(yù)編碼權(quán)重定義如下：

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

圖1　FDD HS-PDSCH信道的下行MIMO通用發(fā)射機(jī)框圖

UE使用導(dǎo)頻信號(hào)CPICH分別為每個(gè)天線進(jìn)行信道估計(jì)，每個(gè)發(fā)射天線可以使用相同的導(dǎo)頻信號(hào)也可以使用不同的導(dǎo)頻信號(hào)，導(dǎo)頻信號(hào)由高層配置。UE根據(jù)接收信號(hào)的質(zhì)量決定推薦預(yù)編碼權(quán)重（W1pref，W2pref），推薦預(yù)編碼權(quán)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(jìn)行調(diào)度，并決定傳輸塊的個(gè)數(shù)、大小和調(diào)制方式；NodeB通過HS-SCCH通知UE網(wǎng)絡(luò)側(cè)所選取的預(yù)編碼權(quán)重w2，該權(quán)重可以每個(gè)HS-PDSCH子幀變化一次。

在上述MIMO技術(shù)的應(yīng)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(fù)用。當(dāng)用戶處于較低或中等的信干比環(huán)境時(shí)，選取單碼流數(shù)據(jù)的發(fā)射分集，提高用戶信號(hào)的接收質(zhì)量；當(dāng)用戶處于較高的信干比環(huán)境時(shí)，則發(fā)送雙碼流數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)雙碼流TxAA可以帶來平均6%的系統(tǒng)容量增益。

2.2　CPC技術(shù)

連續(xù)性分組連接（Continuous Packet Connectivity）意為分組用戶的“永遠(yuǎn)在線”。CPC通過改進(jìn)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(shí)延，以達(dá)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(shí)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(gè)功能既可以獨(dú)立配置、也可以為UE組合配置，但新時(shí)隙格式必須與DTX/DRX同時(shí)使用。

（1）新的UL DPCCH時(shí)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(shí)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(shí)則需要進(jìn)行優(yōu)化，以減少控制信道的開銷。新時(shí)隙格式設(shè)計(jì)主要在于減少導(dǎo)頻比特位、和擴(kuò)大功控命令（TPC）的比特位，從而達(dá)到降低DPCCH目標(biāo)信干比和發(fā)射功率的目的。新的UL DPCCH時(shí)隙格式采用導(dǎo)頻比特位為6、TPC為4的時(shí)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(shí)候，UE將自動(dòng)停止DPCCH發(fā)射，并使用一個(gè)預(yù)定義的DPCCH活動(dòng)圖樣。一旦E-DCH和HS-DPCCH開始發(fā)射，立即恢復(fù)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(yù)定義的DPCCH活動(dòng)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(jìn)一步降低上行干擾，將不同的用戶的功率在時(shí)域上呈現(xiàn)均勻分布，可以為每個(gè)UE配置一個(gè)特定的時(shí)間偏移。

例如，如圖2所示，在Web瀏覽業(yè)務(wù)中DPCCH的活動(dòng)圖樣可以在閱讀期間應(yīng)用；對(duì)于VoIP業(yè)務(wù)，利用其數(shù)據(jù)活躍期間固有的傳輸時(shí)序關(guān)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(zhǎng)的發(fā)送周期。

圖2　Web瀏覽業(yè)務(wù)的DPCCH的活動(dòng)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(duì)上行DTX方案的補(bǔ)充，兩個(gè)方案相結(jié)合（DTX、DRX周期對(duì)準(zhǔn)）可以使UE在沒有上、下行數(shù)據(jù)活動(dòng)時(shí)能真正進(jìn)入休眠狀態(tài)，延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。下行DRX使用預(yù)定義的HS-SCCH接收?qǐng)D樣，UE必須每經(jīng)過一個(gè)周期偵聽一次HS-SCCH子幀，HS-SCCH接收?qǐng)D樣也可以為每個(gè)用戶配置一個(gè)時(shí)間偏移值。為了進(jìn)一步減少UE活動(dòng)，對(duì)上行CQI報(bào)告、下行E-AGCH/E-RGCH的接收也進(jìn)行了一些限制。

上行DTX可以獨(dú)立應(yīng)用，但下行DRX必須在上行DTX應(yīng)用的情況下應(yīng)用。在一些特殊情況下如UE有掉話的危險(xiǎn)，UTRAN能夠立即通過L1信令機(jī)制取消UE的DTX/DRX功能，使UE快速回到正常狀態(tài)。當(dāng)UE工作在DRX模式，下行調(diào)度器將受限于該活動(dòng)圖樣的約束，潛在造成調(diào)度器性能的下降。NodeB應(yīng)能權(quán)衡利弊，適當(dāng)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(duì)大的數(shù)據(jù)分組傳輸來說比較小，但是當(dāng)傳輸像VoIP和gaming這樣低時(shí)延、小分組業(yè)務(wù)時(shí)，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(shí)關(guān)系和R5/6保持一致。第一次傳輸省略HS-SCCH，由UE進(jìn)行盲檢測(cè)。如果UE在第一次傳輸時(shí)能夠正確解碼，它將反饋ACK；如果第一次傳輸解碼失敗，UE會(huì)暫存數(shù)據(jù)，但是不會(huì)反饋NACK。重傳需要HS-SCCH，不再依賴UE進(jìn)行盲檢測(cè)。但重傳次數(shù)不會(huì)超過兩次。HS-SCCH-less操作首次傳輸時(shí)由SRNC預(yù)分配1-2條HS-PDSCH碼道，和最多4種MAC-hs傳輸塊長(zhǎng)度以便UE進(jìn)行盲檢測(cè)。UE維護(hù)一個(gè)能存儲(chǔ)13TTI數(shù)據(jù)的軟緩沖區(qū)。當(dāng)?shù)谝淮蝹鬏斀獯a不正確時(shí)，將接收數(shù)據(jù)保存在該軟緩沖區(qū)中。當(dāng)接收到伴隨HS-SCCH的HS-PDSCH時(shí)，利用HS-SCCH提供的時(shí)間指針從軟緩沖區(qū)中找到以前的接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行合并和解碼，反饋ACK/NACK。

HS-SCCH-less主要針對(duì)VoIP業(yè)務(wù)等小分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，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(shí)序關(guān)系，使各個(gè)方案能夠協(xié)調(diào)工作，優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)性能。

總而言之，CPC通過設(shè)計(jì)新的時(shí)隙格式、UE側(cè)DTX/DRX、和HS-SCCH-less操作3個(gè)方面來提升系統(tǒng)容量。研究表明運(yùn)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(shí)VoIP的容量獲得了50%的增長(zhǎng)。

2.3　層2增強(qiáng)技術(shù)

HSPA+層2增強(qiáng)技術(shù)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(shù)會(huì)使空口速率進(jìn)一步提高并超過14 Mbit/s。但是現(xiàn)有的UTRA層2技術(shù)已不能適應(yīng)這個(gè)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(shí)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(shí)也會(huì)引起過多的補(bǔ)零（padding），降低了系統(tǒng)效率。同時(shí)固定RLC PDU大小在鏈路自適應(yīng)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(shí)，引入可變長(zhǎng)的PDU size的配置，將主要的SDU分段功能移至MAC-hs。可變長(zhǎng)的PDU size不僅可以避免過多的補(bǔ)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(zhǎng)的PDU size不能超過一個(gè)預(yù)定義的最大RLC PDU size。當(dāng)SDU長(zhǎng)度超過最大RLC PDU size時(shí)，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(yīng)地選擇合適的傳輸塊大小，提供足夠細(xì)的調(diào)度粒度，以保證小區(qū)的業(yè)務(wù)覆蓋。

HSPA+在MAC層增加了MAC-ehs實(shí)體。MAC-ehs支持SDU分段和級(jí)聯(lián)以及可變長(zhǎng)的RLC PDU SIZE。允許每個(gè)TTI可調(diào)度的優(yōu)先隊(duì)列的個(gè)數(shù)大于1，以提高空口傳輸效率。但從減少UE復(fù)雜度的角度出發(fā)，將最大個(gè)數(shù)限制為3。

2.4　增強(qiáng)CELL-FACH和CELL/URA-PCH

增強(qiáng)CELL-FACH允許CELL-FACH和CELL/URA-PCH態(tài)的UE使用HSDPA技術(shù)，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(shí)延、減少URA/CELL_PCH or CELL_FACH to CELL_DCH的狀態(tài)遷移時(shí)延、和減少UE的電池消耗。

當(dāng)系統(tǒng)廣播配置了HS-DSCH公共系統(tǒng)信息時(shí)，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(cè)到common H-RNTI，則接收相應(yīng)的HS-DSCH TTI的數(shù)據(jù)；當(dāng)CELL-FACH態(tài)的UE有C-RNTI和專有H-RNTI，UE應(yīng)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(qiáng)技術(shù)，即可變長(zhǎng)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(bào)測(cè)量報(bào)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(dāng)CELL_PCH狀態(tài)的UE沒有保存C-RNTI和專有H-RNTI時(shí)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(dāng)接收HS-DSCH上的PCCH時(shí)，不使用HS-SCCH，即采用HS-SCCH less進(jìn)行盲檢。PCCH使用一個(gè)HS-PDSCH信道化碼和最多2個(gè)傳輸塊大�。划�(dāng)CELL-PCH態(tài)的UE保存有C-RNTI和專有H-RNTI時(shí)，網(wǎng)絡(luò)側(cè)使用專有H-RNTI傳輸DCCH和DTCH。如果UE檢測(cè)到HS-SCCH上的專有H-RNTI，UE立即啟動(dòng)測(cè)量報(bào)告，進(jìn)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(dāng)接收HS-DSCH上的DTCH和DCCH時(shí)，使用HS-SCCH信道，機(jī)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(shí)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(shí)延。

CELL/URA-PCH態(tài)的HS-DSCH接收使用兩個(gè)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(shù)），以降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。eHSPA NodeB間為Iur接口。

eHSPA NodeB有兩種應(yīng)用場(chǎng)景：獨(dú)立的eHSPA NodeB和載波共享eHSPA NodeB（如圖3所示）。由于HSPA技術(shù)是針對(duì)PS域的優(yōu)化，所以獨(dú)立的eHSPA NodeB的應(yīng)用只考慮PS業(yè)務(wù)，不需要RNC節(jié)點(diǎn)。在載波共享eHSPA NodeB應(yīng)用中需要RNC支持CS業(yè)務(wù)，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(wù)，則需要觸發(fā)重定位的過程，把控制權(quán)交給傳統(tǒng)的RNC。

圖3　eHSPA NodeB的應(yīng)用場(chǎng)景

3、結(jié)束語

HSPA+作為3GPP HSPA（包括HSDPA和HSUPA）的增強(qiáng)技術(shù)，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(qiáng)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(qiáng)可以提高HSPA的頻譜利用率和空口傳輸速率；CPC技術(shù)可以提高保持長(zhǎng)時(shí)連接的分組數(shù)據(jù)用戶數(shù)量及VoIP用戶容量；增強(qiáng)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(shí)延。通過這些技術(shù)，HSPA+可以使運(yùn)營(yíng)商在引入HSPA后還可以繼續(xù)向前演進(jìn)。在LTE技術(shù)完全成熟和商用前，在現(xiàn)有2×5MHz頻譜資源的基礎(chǔ)上以較小的代價(jià)獲得近似LTE的性能，充分保護(hù)運(yùn)營(yíng)商的投資，同時(shí)也為不同運(yùn)營(yíng)商提供不同的演進(jìn)策略。

TD-SCDMA的HSPA+技術(shù)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(diǎn)，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(shù)優(yōu)化提供了許多優(yōu)勢(shì)。TD的HSPA+技術(shù)必須解決上行碼資源的瓶頸。