HSUPA技术实现及其应用分析

摘要　HSUPA作为继HSDPA后又一个增强的数据解决方案，在全球多媒体发展、视频监控以及移动VoIP升温的脚步声中，走入运营商的视野，受到业界的广泛关注。文章介绍了HSUPA的关键技术，详细分析了HSUPA的引入对网络带来的影响，对网络规划带来的影响。最后给出HSUPA的应用部署前景。

    1、HSUPA关键技术

    与HSDPA类似，HSUPA采用了物理层快速重传及软合并（HARQ）、Node B分布调度、更短的TTI、高阶调制等技术。因此HSUPA的系统性能主要由扩频、调制、编码、HAQR重传和软合并、调度效率以及特定无线环境等因素确定。

    1.1　软合并与HARQ技术

    HSUPA采用混合自动重传HARQ技术，应对复杂多变的传输信道。HARQ是一种纠错技术。混合（Hybrid）的意思是它综合了前向纠错码（FEC）和重传（ARQ）两种方式的特点。R99/R4采用了传统的ARQ方法，重传功能在RLC实现。HSUPA在Node B增加了H-ARQ功能，用以提高传输速率和减小时延。在HSUPA中采用的是多进程停等HARQ机制。停等协议SAW（Stop & Wait）是对每个进程来说，发送完数据包后等待接收正确的确认信息，如果对方没有正确接收，则重传数据包，如果对方已经正确接收，则发送下一个新的数据包。在HSUPA中，10msTTI对应4个HARQ进程，2msTTI对应8个HARQ进程。对于HARQ的前向纠错，分为CC（Chase Combining）和IR（Incremental Redundancy）两种方式。CC方式重传的信息和第一次发送的内容完全一样，这样UE在解码前，先把重传的信息进行最大比合并后，再进行解码，提高解码增益。IR方式的重传支持两种类型，一种是重传时发送和前次发送完全不一样的冗余信息，该信息只有和第一次发送的信息合并后才可以解码；另外一种是重传时发送和前次完全不一样的冗余信息，但该信息是可以自解码的。在每次HARQ重传时，通过给定增量冗余方式，提高译码前向纠错的能力。

    1.2　快速调度

    HSUPA采用Node B的非集中调度策略。非集中调度策略是针对RNC内的集中式调度策略而言，RNC集中调度的优点是知道UE多个无线链路的解调性能以及相应小区负载信息，可以更准确的调度UE的数据传输速率，防止UE过高的发射功率给某些小区带来过大的底噪攀升，但是缺点是响应时间太慢。Node B非集中调度的优点是可以根据当前UE的信道条件好坏和小区负载状况，以最快2ms的速率对用户的数据传输速率进行调度，可以获得快速调度带来的性能增益，缺点是无法知道调度UE发射功率给其他邻小区带来的底噪攀升。为了解决软切换区域服务小区Node B调度给其他邻小区带来的不可估计的底噪影响，在HSUPA中，最终的UE传输格式选择权由UE自己决定，UE可以根据当前各个小区下行传输速率调度指示RG信息以及自己剩余可用功率信息，决定是否增加传输速率，还是降低传输速率。比如，如果UE接收的非服务小区传输速率调整指示RG为下调传输速率，则即使UE服务小区指示UE上调传输速率，也将按照下调传输速率进行数据传输，防止过大的发射功率抬高非服务小区的底噪声，超过了负载要求，导致系统性能下降。Node B采用非集中式的快速调度机制，和R99/R4的DCH相比，可以使得Node B工作在较高的负载水平，这样网络规划的负载余量预留可以大大的减小，提高了系统上行的容量。

    1.3　2ms短帧

    HSUPA采用2ms短帧，减小了传输时延，主要体现在空口数据传输相比10ms有比较大的时延减小，并且发射方数据组成帧时需要的帧对齐时间也减小了。2ms短帧使得Node B控制的HARQ进程的往返RTT（Round　Trip Time）减小了，并提高了快速调度响应时间。相对10ms帧来说，可以更好的利用资源，获得更高的系统容量。

    下面具体分析一下2ms TTI和10ms TTI相比带来的性能增益。

    HSUPA调度周期仿真参数如表1所示。2ms TTI的EDCH调度周期为2ms，Node B根据当前小区负载特性确定用户调整的速率指示（RG，Rate Grant）值，并发送给用户，用户使用该调度信息（SI，Scheduling Information）时，考虑处理时延等因素，调度对应上行数据传输格式有10个时隙的延迟；10ms TTI的E-DCH调度周期和上行数据使用SI的延迟分别为10ms和35时隙。仿真结果显示，在4.5dB RoT的情况下，2ms TTI的E-DCH小区吞吐率比10ms TTI的E-DCH小区吞吐率提高了16%，并且随着工作负载点的增加，获得的性能提升更大。可见短TTI带来了较大的性能增益。

    2、HSUPA在UMTS中的技术实现

    2.1　在物理层的实现

    为了支持HSUPA，物理层在上行增加了E-DPCCH和E-DPDCH，在下行增加了E-AGCH、E-RGCH和E-HICH。上行增强专用数据信道E-DPDCH用于承载HSUPA用户上行的传输数据，最大支持2个SF=4同时组合2个SF=2的多码传输，峰值速率可达5.76Mb/s，E-DPDCH采用BPSK调制；上行增强控制信道E-DPCCH承载解调数据信道E-DPDCH的伴随信令。下行绝对授权信道E-AGCH为公共信道，由用户服务E-DCH无线连接所在的小区指示UE E-DPDCH最大可用功率偏置，通常为慢速调节；下行相对授权信道E-RGCH为专用信道，最快可按2ms时间快速调整UE的上行可用功率；下行HARQ指示信道E-HICH用于反馈用户接收进程数据是否正确的ACK/NACK信息。

    2.2　在MAC层的实现

    2.2.1　UE侧的MAC层实现

    （1）总体结构

    UE MAC结构见图1。它包含一个新的MAC-es/MAC-e实体。结构中加了两个连接：MAC-d和MAC-es/MAC-e之间的连接，MAC-es/MAC-e与MAC控制SAP之间的连接。

    一个RLCPDU通过逻辑信道进入MAC-d。MAC-d C/T复用被旁路。在MAC-e头中，DDI（数据描述指示）域识别逻辑信道、MAC-d流和MAC-d PDU大小，DDI映射表通过RRC通知，N域指示了相应于同一DDI值的连续的MAC-d PDUs的数目。一个特殊的DDIO域指示了MAC-e PDU数据头定义的结束。TSN域提供了E-DCH上的传输序列号。MAC-e PDU下传给HARQ实体，然后HARQ实体将该MAC-e PDU置于层1的一个TTI中发送。

    （2）MAC-e/es实体

    MAC-es/e处理E-DCH的特定功能。UE中的MAC-e和MAC-es不再细分。在以下模型中，MAC-e/es包含如下实体：

    ◆HARQ

    HARQ实体负责处理和HARQ协议有关的MAC功能。它负责存储MAC-e PDU数据以及可能的重传。HARQ协议的具体配置由RRC通过MAC控制SAP提供。HARQ实体提供E-TFC、RSN和用于L1的功率偏置。L1从RSN、CFN以及子帧号（在2ms TTI时需要）导出HARQ的RV参数。或者RV参数由RRC信令配置为常数0。

    ◆复用

    复用实体负责连接多个MAC-d PDUs到MAC-es PDUs，并且按照E-TFC选择算法的指令复用一个或者多个MAC-es PDUs成为一个MAC-e PDU，该MAC-e PDU在下一个TTI中传输。复用实体还负责管理和设置每个MAC-es PDU的每个逻辑信道的TSN。

    ◆E-TFC选择

    这个实体负责根据发自UTRAN经L1接收的调度信息（RG和AG）来进行E-TFC选择，以及对映射到E-DCH上的不同的MAC-d流进行仲裁。E-TFC实体的具体配置由RRC通过MAC控制SAP提供。E-TFC选择功能控制MAC-es PDU数据块的复用。

    （3）MAC-d实体

    为了支持E-DCH，加入了一个到MAC-e/es的新的连接。

    2.2.2　在UTRAN侧的MAC层实现

    （1）总体结构

    UTRAN MAC总体结构见图2。它包含一个新的MAC-e实体和一个新的MAC-es实体。对于每一个使用E-DCH的UE，该UE对应的每个Node-B配置一个MAC-e实体，SRNC配置一个MAC-es实体。位于Node B中的MAC-e控制E-DCH的接入，该MAC-e连接到位于SRNC中的MAC-es。MAC-es进一步连接到MAC-d。对于控制信息，在Node B中的MAC-e和一个MAC控制SAP之间定义了新的连接，同时，在SRNC中的MAC-es和MAC控制SAP也之间定义了新的连接。

    每一个MAC-d流有一个Iub传输承载。

    从协议总体架构来看，一个MAC-e PDU从层1进入MAC。在HARQ处理后，MAC-e PDU解复用后形成MAC-es PDUs，这些MAC-es PDUs对应各自的MAC-d流。6比特DDI（数据描述指示符）域与MAC-d流之间的映射，以及MAC-d PDU的大小由SRNC提供给Node B。SRNC定义了MAC-d流到它对应的Iub承载的映射。DDI域的一个特定值指示MAC-e PDU数据头定义的结束。MAC-es PDUs经Iub发给MAC-es实体，在MAC-es实体中被分配到对应逻辑信道的重排序队列中。重排序后，顺序数据单元被分解为MAC-d PDUs。上述是针对没有软切换的情况，存在软切换时，还需要进行宏分集处理。最终的MAC-d PDUs被发给MAC-d实体。

    （2）Node B的MAC-e实体

    在Node B中，对每一个UE都有一个MAC-e实体，以及一个E-DCH调度器。MAC-e和E-DCH调度器处理Node B中与HSUPA相关的功能。在下面的模型中，MAC-e和E-DCH调度器包含如下实体：

    ◆E-DCH调度：该功能为不同UE分配E-DCH小区资源。根据UE的调度请求，进行具体的调度分配。

    ◆E-DCH控制：E-DCH控制实体负责接收调度请求和发送分配给各UE的调度。

    ◆解复用：该功能进行MAC-e PDUs的解复用。MAC-es PDUs分解到关联的MAC-d流。

    ◆HARQ：一个HARQ实体能支持HARQ协议的多个进程。每个进程负责产生ACK或NACK，它们用于指示E-DCH进程数据发射是否成功。HARQ实体处理HARQ协议需要的所有任务。

    （3）RNC的MAC-es实体

    对于每个UE，SRNC中都有一个MAC-es实体，MAC-es包含以下功能实体：

    ◆重排序队列分配：根据SRNC的配置，重排序队列分配功能将MAC-es PDUs送到合适的重排序缓冲区中。

    ◆重排序：该功能根据接收到的TSN和Node B触发标识（即CFN，子帧号）将接收到的MAC-es PDUs重排序。在接收时，有连续TSN的MAC-es PDUs被提交到解复用实体。SRNC控制重排序实体的数目。每个逻辑信道有一个重排序队列。

    ◆宏分集选择：在多个Node Bs进行软切换时，在MAC-es实体中进行宏分集选择。宏分集选择可以考虑在重派队列分配之前实现。

    ◆解复用：负责MAC-es PDUs的分解。当分解一个MAC-es PDU时，删除MAC-es头，提取出MAC-d PDU，然后上传给MAC-d实体。

    （4）RNC的MAC-d实体。

    为了支持E-DCH，加入了一个到MAC-es的新的连接。

    HSUPA的引入对RLC曾没有影响，对RRC层也只是消息信元上的改变，对消息信令也不存在影响。

    2.2.3　HSUPA的阶段实现方案

    按照3GPP的规定，HSUPA峰值速率为5.76Mb/s，从它所规定的6类终端的要求可见，如表2所示：

    其中只支持10ms TTI的有三种，只支持2msTTI也是三种。从系统演进的平稳性考虑，HSUPA在商用初期倾向于使用10ms的TTI，即2Mb/s的终端，后期支持到5.76Mb/s因此HSUPA的商用与如同HSDPA一样，也是分阶段进行。

    3、HSUPA对网络规划的影响

    在3GPP规范讨论过程中，对HSUPA研究最终认为使用QPSK调制编码，上行H-ARQ的应用，Node B控制上行调度，更短的帧结构会达到50%～70%的上行容量增益，数据呼叫时延减少20%～55%，用于上行平均数据呼叫的数率可提高大概50%。HSUPA和CDMA Rev.A的关键技术非常接近，从CDMA2000 1x RTT Rev.A的模拟结果和现网观察可以认为上述结论相对可靠和保守。

    但是如果HSUPA和R99/R4/R5混合在同一载波组网（1xEV-DO Rev.A不存在这个问题），HSUPA是否会对原网络产生影响?下面主要讨论HSUPA/R99混合组网的情况下，HSUPA的引入对原网络的可能的影响。

    3.1　下行码资源

    HSUPA在下行引入E-AGCH、E-RGCH和E-HICH三种控制信道。

    E-DCH绝对准予信道（E-AGCH：E-DCH ab-solute grant channel）：承载E-DCH的下行绝对信息，如小区信息。每个配置E-DCH的UE只需要监听服务小区的E-AGCH信道即可，该信道是公共信道，SF=256。

    E-DCH HARQ确认指示信道（E-HICH：E-DCH HARQ Acknowledgement Indicator　Channel）：承载E-DCH下行信令信息的专用信道，如HARQ的ACK/NACK信息，扩频因子SF=128。

    E-DCH相关准予信道（E-RGCH：E-DCH Relative Grant Channel）：承载E-DCH的下行相关信息，该信道SF=128。

    E-RGCH和E-HICH两个信道通过码组复用在同一条SF=128的信道上，因此引入HSUPA后，要占用一个SF=128，一个SF=256的下行码道。对于下行码资源，在无线环境好的室内，有存在码字受限的可能，因此HSUPA的引入对码字有一定的影响。

    3.2　下行功率资源

    上述三个公共信道中E-AGCH属于共享信道，功率消耗与同时支撑的用户数、调度策略等因素有关，依据HSDPA中HS-SCCH的功率占用情况推断，一条E-AGCH最大可能占用小区下行发射功率的5%～7%，E-RGCH和E-HICH要占用5%左右，因此一共占用10%～12%。对于多数环境下下行功率受限的无线系统，这些功率的占用可能会造成下行容量的损失。

    3.3　上行干扰

    从网络规划的角度来看，在R99/HSDPA阶段，一般上行负载都设置在50%左右，引入HSUPA后，由于引入了灵活的上行调度策略，使得上行的负载处于可控的范畴，因此从目前的理论分析来看，引入HSUPA后会引入较高的负载，因此会导致较原来要大的上行干扰。引入的干扰是否会对R99/R4有一定的影响，需要对其做出更深入分析。

    4、HSUPA应用及部署前景

    作为WCDMA网络继HSDPA之后的下一步演进方案，HSUPA的目标是进一步改善用户业务感受和提升网络上行性能，为新兴数据业务提供更高的上行数据速率和更低的时延，为VoIP的部署打下基础。

    HSUPA网络部署：数据业务的发生地带一般相似，因此初期规划可以参照HSDPA的规划，在HSDPA的覆盖区域引入HSUPA，热点区域做重点覆盖，一般小区边缘做低速覆盖，与R99/R4/HSDPA在同一频点部署。网络发展的中后期，随着上下行数据业务量的快速发展，可将HSDPA/HSUPA剥离，采用单独的载频。

    从整个行业的情况看，在全球全IP网络——AIPN （All IP Network）的发展趋势下，伴随着视频监控、移动VoIP的升温，多媒体业务的广泛应用，业界对上行高速数据技术的需求也逐步迫切，很多地方采用WiMAX、WiFi等技术已经开展了相应的工作，HSUPA作为WCDMA阵营的平滑演进策略，势必成为他们的必选方案，特别是已经引入HSDPA的运营商，引入HSUPA只是简单的软件升级，不需要规模性的改造。因此HSUPA的引入势在必行。