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摘要：時分同步碼分多址(TD-SCDMA)上行增強技術(shù)的主要目的是改善上行性能，顯著提高上行分組數(shù)據(jù)的峰值傳輸速率，以及提高上行分組數(shù)據(jù)的總體吞吐量，同時減少傳輸延遲。為了改善上行性能，高速上行分組接入(HSUPA)主要考慮的技術(shù)包括自適應(yīng)調(diào)制編碼(AMC)、混合自動重傳(HARQ)、節(jié)點B(NodeB)快速調(diào)度，以及用戶終端(UE)如何共享上行信道資源，同時包括增加增強的媒體訪問控制(MAC-e/es)實體，對協(xié)議進行增強和優(yōu)化。對上述技術(shù)的可行性進行研究和評估后，結(jié)果表明可以顯著改善系統(tǒng)性能(包括峰值速率、吞吐量和時延)。
關(guān)鍵詞：時分同步碼分多址；高速上行分組接入；自適應(yīng)調(diào)制編碼；混合自動重傳；快速調(diào)度
Abstract:Theenhanceduplinktechninology for Time Divided-Synchronous Code Division Multiple Access (TD-SCDMA) is used to improve uplink performance, to speed up the peak uplink rate, to enlarge the whole uplink throughput, and to decrease the transfer delay. The High Speed Uplink Packet Access (HSUPA) technology includes Adaptive Modulation and Coding (AMC), Hybrid Automatic Repeat Request (HARQ), and Node B fast scheduling. It also solves the problem of sharing the uplink channel resources for User Equipment (UE). Moreover, it has Medium Access Control protocol entities (MAC-e and MAC-es) to enhance and optimize the protocol. The research and evaluation of these technologies about their feasibility shows that the system quality (peak rate, throughput, and delay) could be improved notablely.
Keywords:TD-SCDMA;HSUPA;AMC; HARQ; fast scheduling
隨著移動通信和Internet的迅速發(fā)展，許多對流量和遲延要求較高的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，如視頻、流媒體和下載等，不斷涌現(xiàn)。這些業(yè)務(wù)對移動通信系統(tǒng)提出了更高的需求，要求系統(tǒng)提供更高的傳輸速率和更小的傳輸時延。為了滿足日益增長的分組業(yè)務(wù)需求，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP提出了高速數(shù)據(jù)分組接入(HSDPA)技術(shù)并進行了標(biāo)準(zhǔn)化，HSDPA成為3GPP R5版本中的最主要特性。3GPP R5版本HSDPA包括頻分復(fù)用(FDD)以及時分雙工(TDD)。在完成了HSDPA的技術(shù)研究以及標(biāo)準(zhǔn)化工作后，3G系統(tǒng)對下行業(yè)務(wù)的支持有了很大增強，這自然就引發(fā)了一個考慮，HSDPA采用的這些技術(shù)是否可以應(yīng)用于上行分組業(yè)務(wù)的優(yōu)化，進而對上行的性能進行改善，包括覆蓋、吞吐量以及時延等。3GPP相應(yīng)開始了高速上行分組接入(HSUPA)技術(shù)的研究，最早是建立了寬帶碼分多址(WCDMA)上行增強可行性分析的研究項目，隨后TDD廠家也提出建立了TDD上行增強研究項目[1-2]，對基站快速調(diào)度、自適應(yīng)調(diào)制編碼(AMC)、混合自動重傳(HARQ)等技術(shù)進行了評估。作為3GPP標(biāo)準(zhǔn)重要組成部分的時分同步碼分多址(TD-SCDMA)，也在HSUPA方面做了很多研究和評估工作。在對技術(shù)完成評估后，后續(xù)進入工作項目階段，也就是具體的標(biāo)準(zhǔn)制訂進程。主要是根據(jù)可行性分析的結(jié)論，完成具體的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，包括支持上行增強技術(shù)的信道結(jié)構(gòu)定義、相關(guān)的信令及物理層處理過程等。
1.TD-SCDMAHSUPA的關(guān)鍵技術(shù)
上行增強技術(shù)的目的主要是顯著提高分組數(shù)據(jù)的峰值傳輸速率，以及提高上行分組數(shù)據(jù)的總體吞吐率，同時減少傳輸延遲，減少誤幀率。在TD-SCDMA系統(tǒng)中，與HSDPA相似，HSUPA主要考慮的技術(shù)包括AMC、HARQ、節(jié)點B(NodeB)快速調(diào)度，以及用戶終端(UE)如何共享上行信道資源。在上行資源共享這一點上，TDD與FDD系統(tǒng)不同。在FDD中，HSUPA與HSDPA的一點不同在于，HSDPA中，高速下行共享信道(HS-DSCH)作為一個共享信道，為多用戶共享，而HSUPA中，每個用戶都有自己到NodeB的數(shù)據(jù)鏈路。產(chǎn)生差異的原因是，TDD系統(tǒng)使用小區(qū)特定(Cell-specific)擾碼區(qū)分小區(qū)，因而上行碼道受限，因此增強技術(shù)考慮的出發(fā)點還是基于共享資源的考慮。
1.1NodeB快速調(diào)度
NodeB快速調(diào)度的主要好處在于減小傳輸時延和提高吞吐量，這是因為減少了Iub接口上的傳輸過程以及對重傳、UE緩存測量的快速反饋。這一點可通過系統(tǒng)仿真分析驗證，圖1和圖2是無線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)調(diào)度和NodeB調(diào)度時延仿真結(jié)果。如果假定要求99%的數(shù)據(jù)報(DG)時延小于250 ms，R5版本標(biāo)準(zhǔn)可以支持5個UE，而HSUPA則可以支持9個UE，即支持用戶數(shù)有80%的提升。
圖3是NodeB調(diào)度和RNC調(diào)度吞吐量仿真結(jié)果�？梢�，針對RNC調(diào)度的情況，NodeB調(diào)度時，系統(tǒng)分組業(yè)務(wù)的吞吐量提升了約50%。而且在分析中發(fā)現(xiàn)，對于持續(xù)時間短的分組業(yè)務(wù)而言，這種提升就更加明顯，這是因為時延改善相對于業(yè)務(wù)持續(xù)時間而言效果更加顯著。
除了在時延和吞吐量方面的好處，TD-SCDMA上行增強采用基站調(diào)度在資源分配和干擾控制兩個方面也都帶來好處。由于TDD上行碼道資源受限，對物理資源采用共享形式，并由基站進行快速調(diào)度，可以緩解碼道資源受限以及快速適應(yīng)無線環(huán)境變化。而且通過快速控制UE的速率，基站也可以更好地控制空中接口的干擾情況。
1.2AMC
作為鏈路自適應(yīng)技術(shù)的AMC，通過在信道質(zhì)量好的情況下采用高階調(diào)制來提高系統(tǒng)容量，關(guān)于在上行采用什么樣的調(diào)制方式本文從系統(tǒng)性能和對UE功放的影響兩方面進行了仿真分析。
系統(tǒng)性能方面，仿真針對僅采用正交相移鍵控(QPSK)，采用QPSK和8相移鍵控(8PSK)，采用QPSK、8PSK、16階正交幅度調(diào)制(16QAM)3種情況進行了比較。結(jié)果如圖4所示，圖4中曲線顯示扇區(qū)吞吐量和噪聲提升的關(guān)系�？煽闯觯�3種情況較第2種情況吞吐量有14%～18%的提升。相對于僅用QPSK的情況，提升在54%～56%之間。
在上行，峰均比也是一個需要注意的問題，因此，對于采用高階調(diào)制后對UE功率回退的影響也進行了分析，表1總結(jié)了使用這3種調(diào)制方式在不同正交可變擴頻因子(OVSF)資源使用情況下的功率回退。
結(jié)果顯示，8PSK的峰均比較QPSK方式略低。對于16QAM，峰均比較QPSK方式高出2.1 dB。
1.3HARQ
類似HSDPA，HARQ可以對于錯誤數(shù)據(jù)進行快速重傳，并且減少無線鏈路控制(RLC)重傳以改善用戶體驗。因此在上行增強中對HARQ的考慮主要在于減少時延和提高用戶及系統(tǒng)的吞吐量。HARQ的采用對物理層和MAC層都將產(chǎn)生影響，在上行增強中引入HARQ，需要考慮NodeB、UE存儲空間的要求，帶來的信令負荷、復(fù)雜度、UE功率限制等因素。
這里給出了在PA3信道下，采用蔡斯合并與否的鏈路性能結(jié)果。圖5給出了在PA3信道情況下需要的平均傳輸次數(shù)，可以看出在載波干擾比(C/I)較低的情況下，采用蔡斯合并可以顯著降低需要的傳輸次數(shù)。
上述內(nèi)容是TD-SCDMA上行增強可行性研究項目過程中所作的一些分析和評估。根據(jù)上述分析和評估，在研究項目結(jié)束的時候，為后續(xù)TD-SCDMA上行增強標(biāo)準(zhǔn)化工作提出了應(yīng)用上述技術(shù)的建議。
2.TD-SCDMAHSUPA標(biāo)準(zhǔn)
2.1E-DCH信道
為了支持HSUPA特性，TD-SCDMA系統(tǒng)上行新增加了增強上行鏈路專用信道(E-DCH)，這是一個傳輸信道，用于承載高速上行數(shù)據(jù)。其傳輸時間間隔(TTI)為5 ms，支持高階調(diào)制，以及層1(L1)HARQ過程。其使用的資源，包括功率、時隙、碼道等，可由NodeB調(diào)度分配。在上行還定義了兩個控制信道上行增強控制信道(E-UCCH)和上行增強隨機接入信道(E-RUCCH)，用于傳輸上行增強相關(guān)的信令信息。E-UCCH通常和E-DCH復(fù)用在一起，傳遞當(dāng)前E-DCH HARQ相關(guān)的信息。E-RUCCH映射在物理隨機接入資源上，主要用于上行增強業(yè)務(wù)的接入請求。E-DCH映射到增強上行物理信道(E-PUCH)上。E-PUCH信道資源分為調(diào)度的和非調(diào)度的兩類，其中非調(diào)度部分由無線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)分配，而調(diào)度部分則由NodeB MAC-e實體進行調(diào)度分配。
在下行方向，為了支持基站調(diào)度，增加了增強上行絕對接入允許信道(E-AGCH)傳輸基站調(diào)度信息，以及增強上行HARQ應(yīng)答指示信道(E-HICH)來支持HARQ過程的傳輸應(yīng)答信息(如ACK/NACK)。
2.2HARQ方案
系統(tǒng)中采用了并行停等HARQ協(xié)議，支持蔡斯和增量冗余合并。E-DCH傳輸資源由NodeB通過E-AGCH分配，隨后由E-HICH返回應(yīng)答信息。這種時序關(guān)系是確定的，如圖6所示。
其中nE-AGCH表示終端接到E-AGCH和隨后開始傳輸E-DCH的時隙間隔，該值的設(shè)定與UE處理能力相關(guān)，現(xiàn)定義為6個時隙(不考慮特殊時隙下行導(dǎo)頻時隙(DwPTS)和上行導(dǎo)頻時隙(UpPTS))。nE-HICH表示終端傳輸E-DCH和收到基站應(yīng)答的時間間隔，該值由高層配置，取值范圍4到15時隙(不考慮特殊時隙DwPTS和UpPTS)。
HARQ相關(guān)的上下行信令，主要有通過上行E-UCCH攜帶的HARQ進程ID，3比特；重傳序列號(RSN)，2比特；其他，如支持的進程個數(shù)和nE-HICH相關(guān)信息由高層配置。
2.3NodeB調(diào)度過程
HSUPA的調(diào)度過程簡述如下：
(1)UE通過E-RUCCH發(fā)起調(diào)度請求，調(diào)度請求包含調(diào)度相關(guān)信息以及UE的標(biāo)識——無線網(wǎng)絡(luò)臨時標(biāo)識(E-RNTI)。調(diào)度信息包括本小區(qū)和鄰小區(qū)的路徑損耗信息、可以允許使用的功率、緩存占用狀況等等。
(2)NodeB調(diào)度器接收到請求后，若允許該UE發(fā)送上行增強數(shù)據(jù)，將通過E-AGCH發(fā)送接入允許信息給UE，接入允許信息主要包括功率允許和物理資源允許。并且由于E-AGCH是共享信道，因此接入允許信息還需要攜帶用戶標(biāo)識區(qū)分該接入允許是給哪個UE的，同時還指示UE，其接收應(yīng)答信息的E-HICH信道標(biāo)識。
(3)UE收到E-AGCH，解得信息是給自己的后，就根據(jù)分配的資源和功率在E-DCH上選擇自己可以使用的速率并開始數(shù)據(jù)傳輸，具有接入允許的UE，可以在MAC-e頭重新攜帶調(diào)度信息。
(4)NodeB接收E-DCH信息，解調(diào)后根據(jù)數(shù)據(jù)是否正確，在該用戶監(jiān)聽的E-HICH信道上反饋ACK/NACK信息。UE根據(jù)反饋信息判斷是否需要重傳。
E-AGCH攜帶的信息為：
(1)功率允許。功率允許指示允許的最大功率。
(2)物理資源允許，包括時隙、碼道，為了簡化，所有分配的時隙采用相同的碼道。
(3)E-RNTI，E-AGCH作為共享信道，需要攜帶用戶標(biāo)識區(qū)分該接入允許是給那個UE的。
(4)資源持續(xù)指示(RDI)，為了減少調(diào)度允許的頻率，該值顯示了調(diào)度允許有效的時間。
(5)E-HICH指示(EI)，用于通知UE其應(yīng)答信息使用的E-HICH信道。
(6)控制信道數(shù)目指示(ENI)，用于指示復(fù)用在E-PUCH信道的E-UCCH個數(shù)。
(7)E-AGCH循環(huán)序列號(ECSN)，用于E-AGCH外環(huán)功率控制。
3.TD-SCDMAHSUPA標(biāo)準(zhǔn)化進展
為了完成TD-SCDMA HSUPA的標(biāo)準(zhǔn)化工作，2006年3月份，由大唐公司牽頭在三亞召開了3GPP無線接入網(wǎng)絡(luò)(RAN)第31次全會，會上正式提出并通過了開展TD-SCDMA上行增強工作項目的建議。
隨后在3GPP幾個工作組建立了相關(guān)的技術(shù)報告，開始具體的標(biāo)準(zhǔn)研究工作。其中以RAN1工作組和RAN2工作組為主建立了兩個技術(shù)報告，分別研究對空中接口物理層協(xié)議和MAC層協(xié)議的修改和影響。同時，由于NodeB增加了MAC-e實體，對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響，加上對新增的特性指標(biāo)和性能分析，RAN3工作組和RAN4工作組也展開了相關(guān)研究。
從立項到現(xiàn)在經(jīng)過3次RAN全會，目前該工作項目已完成70%，包括基本的物理層結(jié)構(gòu)、H-ARQ定時和信令、Node-B調(diào)度、調(diào)制方案、隨機接入過程、E-RUCCH和E-AGCH結(jié)構(gòu)和編碼、上行信令、UE能力、協(xié)議整體框架、E-DCH傳輸信道特性、QoS控制、移動性管理，以及Iub接口部分內(nèi)容等。熱點問題還有E-HICH信道結(jié)構(gòu)，調(diào)度、非調(diào)度傳輸復(fù)用，以及是否支持20 ms TTI等待完成。預(yù)期這項工作將在2007年的RAN全會上基本結(jié)束。隨后將在R7版本中完成TD-SCDMA HSUPA的標(biāo)準(zhǔn)化。TD-SCDMA HSUPA標(biāo)準(zhǔn)化工作必將對后續(xù)TD的進一步發(fā)展起到一個良好的促進作用。
4.參考文獻
[1]3GPPTR25804-610.Feasibility study on uplink enhancements for UTRA TDD [S]. 2006.
[2]3GPPTR25.8271. R1-063619. 28 Mcps TDD enhanced uplink [S]. 2006.
作者簡介：
胡金玲，北京航空航天大學(xué)碩士畢業(yè)。大唐移動通信設(shè)備有限公司高級技術(shù)經(jīng)理，主要研究方向為移動通信、無線接入，在TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)方面有較深入的研究。作為主要起草人，參與TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)向ITU、3GPP提交文稿的工作過程，完成了TD-SCDMA物理層技術(shù)報告以及相關(guān)文稿�，F(xiàn)負責(zé)TD-SCDMAHSDPA/HSUPA后續(xù)技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)工作，參與CCSATD-SCDMA多項行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的起草工作。
