第三代移动通信第6章 HSPA 讲义Word格式.docx
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15个HS-PDSCH信道用于承载HS-DSCH信道,连续15个OVSF信道码可用于15个HS-PDSCH。
传输时间间隔(TTI)为2ms,扩频因子固定为16。
③高速下行共享控制信道(HS-SCCH,HighSpeedSharedControlChannelforHS-DSCH):
承载HS-DSCH上用来解码的物理层控制信令,传输HS-DSCH信道解码所必需的控制信息。
4高速上行专用物理控制信道(HS-DPCCH,HighSpeedDedicatedPhysicalControlChannelforHS-DSCH):
承载上行链路的控制信令,主要是HARQACK/NACK信息以及下行链路质量的反馈信息(CQI)。
传输时间间隔(TTI)为2ms,扩频因子为256。
(2)HSUPA
●3GPP在2004年12月发布的R6版本中引入了增强型上行链路技术,初期是在增强型上行链路专用信道(E-DCH)的项目下启动的,又可以称为高速上行链路分组接入(HSUPA,HighSpeedUplinkPacketAccess)技术。
E-DCH的定义中引入了五条新的物理信道。
①增强专用物理数据信道(E-DPDCH,E-DCHDedicatedPhysicalDataChannel):
②增强专用物理控制信道(E-DPCCH,E-DCHDedicatedPhysicalControlChannel):
③绝对授予信道(E-AGCH,E-DCHAbsoluteGrantChannel):
④相对授予信道(E-RGCH,E-DCHRelativeGrantChannel):
⑤HARQ确认指示信道(E-HICH,E-DCHHARQAcknowledgementIndicatorChannel):
HSDPA/HSUPA不是一个独立的功能,其运行需要R99/R4中的基本过程,如小区选择、同步、随机接入等基本过程保持不变,改变的是从用户设备到NodeB之间传送数据的方法。
HSDPA/HSUPA技术是对WCDMA技术的增强,不需对已存的WCDMA网络进行较大的改动。
也可以越过WCDMA网络,直接部署HSDPA/HSUPA网络。
采用HSDPA/HSUPA技术可以提供上下行的高速数据传输,满足高速发展的多媒体业务的需求。
2.TD-HSPA
(1)TD-HSDPA
对TD-SCDMA和WCDMA而言,HSDPA采用的关键技术是基本一致的,实现方式也非常相似,两者不同的地方主要体现在如下几点。
①帧结构不同
②信道结构不同
③TD-SCDMA的N频点特性
(2)TD-HSUPA
2003年6月,3GPPRAN第20次全会上,对TDD上行链路增强的可行性研究被列为研究项目(StudyItern)。
研究目的是考察NodeB快速调度、HARQ和AMC等上行链路增强技术对提高上行链路的覆盖和吞吐量,降低时延的可行性和性能。
HSUPA的引入对无线网络协议框架的影响,主要包括需引入新的增强型上行传输信道(E-UCH,EnhancedUplinkChannel)以及新的MAC功能实体。
3.HSPA的演进(HSPA+)
HSPA+是在HSPA基础上的演进,在关键技术上,它保留了HSPA的如下特征:
快速调度、混合自动重传(HARQ)、下行短帧(2ms)、上行可变帧长(10ms/2ms)、自适应调制和编码,同时保留了HSPA的所有信道及特征:
HS-PDSCH、HS-SCCH、HS-DPCCH、E-DPCCH、E-DPDCH、E-RGCH、E-AGCH、E-HICH、F-DPCH等。
因此,它向下完全兼容HSPA技术,但为了支持更高的速率和更丰富的业务,HSPA+也引入了更多的新技术。
HSPA+是一个全IP、全业务网络,同时它后向兼容原有R99/HSPA网络以及相应的终端,因此HSPA+的网络部署不会带来旧用户终端的更换,较好地保护了用户的原有投资。
它与LTE不具有兼容扩展性,同时它们的标准进度基本相似。
因此,运营商是选择直接部署LTE还是选择某种过度阶段的HSPA+技术,最终取决于业务的发展、频率的规划等问题。
6.2HSPA网络结构
6.2.1引入HSPA对R99/R4版本无线网络结构的影响
HSPA叠加在WCDMA网络之上,既可以与WCDMA共享一个载波,也可以部署在另一个载波上。
在两种方案中,HSPA和WCDMA可以共享核心网和无线网的所有网元,包括基站(NodeB)、无线网络控制器(RNC)、GPRS服务支持节点(SGSN)以及GPRS网关支持节点(GGSN)等。
WCDMA和HSPA还可以共享站址、天线和馈线。
从WCDMA到HSPA需要进行软件升级,基站和无线网络控制器还需要更新一些硬件。
1.引入HSDPA对R99/R4版本无线网络结构的影响
(1)对NodeB的影响
•MAC层增加了新的MAC-hs实体,实现HARQ和快速调度;
•增加了新的传输信道(HS-DSCH)与物理信道(HS-PDSCH、HS-SCCH和HS-DPCCH);
•引入16QAM调制解调方式,对射频功放提出更高要求;
•支持Iub接口数据的流量控制。
(2)对RNC的影响
1RRM算法增强
最基本的无线资源管理(RRM,RadioResourceManagement)算法包括接纳控制、资源分配和移动性管理。
✓接纳控制
✓资源分配
✓移动性管理
②传输接口信令需要修改
HSDPA的引入还要求增加和修改UTRAN内部所使用的控制面协议,简介如下。
✓在Iub/Iur上新增数据和控制帧。
✓NBAP协议(Iub接口)
✓RNSAP协议(Iur接口)
✓RRC协议(Uu接口)
③相应的传输接口带宽需要增加(如Iub、Iu接口等)。
(3)HSDPA对UE的影响
①要求UE新增MAC-hs层;
②对基带处理能力进行增强,使其可处理多码并传;
③新增对16QAM解调的支持;
④要求终端具有更大的内存;
⑤对更先进的接收机和接收算法的支持;
⑥提供12类HSDPA终端。
2.HSUPA对R99/R4版本网络结构的影响
(1)对NodeB的影响
①MAC层增加了新的MAC-e实体,实现HARQ重传和调度功能;
2增加了新的物理信道(E-DPDCH、E-DPCCH、E-AGCH、E-RGCH和E-HICH);
3支持Iub接口数据的流量控制。
1MAC-es实体在RNC中实现,完成分组数据的重排。
②最基本的RRM算法包括接纳控制、资源分配和移动性管理等需要改进。
③传输接口信令需要修改,相应的传输接口带宽需要增加(如Iub、Iu接口等)。
(2)HSUPA对UE的影响
①要求UE新增MAC-e和MAC-es层;
③要求终端具有更大的内存;
④增加上行调度功能;
⑤提供6类HSUPA终端。
6.2.2HSPA对用户协议结构的影响
图6-2R99/R4无线接口协议结构
HSDPA和HSUPA在用户协议结构中都引入了新的组件。
1.HSDPA用户面协议结构
HSDPA用户面协议结构如图6-4所示,图中给出了HSDPA中特定的增加部分以及它们在网元中的位置。
RNC保留了MAC-d实体,但是除了保留传输信道转换功能外,其他所有功能例如调度和优先级处理都转移到了新协议实体MAC-hs。
RLC层基本没有变化。
图6-4HSDPA用户面协议结构
MAC层新增了MAC-hs实体位于NodeB而不位于RNC,其作用主要是负责处理与HS-DSCH有关的第二层功能,具体功能如下。
①处理HARQ协议,产生ACK/NACK消息。
②对子帧进行重新排序。
③多个MAC-d流被复用成一个MAC-hs流,并从一个MAC-hs流解复用为多个MAC-d流。
④下行分组调度。
2.HSUPA用户面协议结构
HSUPA用户面协议结构如图6-5所示
图6-5HSUPA用户面协议结构
UE、NodeB和SRNC引入了新的MAC实体,其具体功能如下。
(1)MAC-e同时在UE和NodeB中出现,处理HARQ重传和调度。
这是一个低阶MAC-e层,与物理层非常近。
(2)MAC-es实体在UE和SRNC中实现。
在UE中,它在一定程度上负责把多条MAC-d流量复用到同一条MAC-es流上。
在SRNC中,该实体负责顺序传送MAC-esPDU,解复用MAC-d流,并根据QoS特点对这些流进行分类。
这些MAC-d流可能在Iu-PS接口上与具有不同QoS要求(如流媒体型业务和后台型业务)的各种PDP上下文对应。
与HSDPA类似,如果物理层传输失败且超过了最大的重传次数或者发生了移动性事件,那么HSUPA中的RLC层将参与分组的重传。
3.传输信道到物理信道的映射
6.3高速下行分组接入(HSDPA)
6.3.1HSDPA系统中的关键技术
1.自适应调制与编码技术(AMC)
2.混合自动重传请求技术(HARQ)
(1)ARQ协议
1选择重复(SR)
2停止等待(SAW)
3N通道SAW
通常R99/R4系统选用选择重复(SR)协议,HSDPA采用N通道SAW协议。
R99/R4采用了传统的ARQ方法,重传功能在RLC实现,传输信道都连接到RNC,由RNC控制重传。
HSDPA技术将重传放到物理层,重传可以由NodeB直接控制,加快了响应时间,减小数据传输的时延。
(2)HARQ重传机制
根据接收端收到数据及HARQ中前向纠错编码(FEC)在接收端合并的方式,HARQ重传机制如下。
1TypeIHARQ
2TypeIIHARQ
3TypeIII HARQ
3.HSDPA的传输时间间隔(TTI)
R99/R4版本中,无线帧长固定为10ms,而传输时间间隔(TTI)可以为10ms、20ms、40ms和80ms。
在每个无线帧的边界,物理层可以请求MAC层发送数据。
当TTI大于10ms时,数据必须分割成10ms长的数据片断,每个10ms的数据片断会复用到码复合传输信道(CCTrCH,CodedCompositeTransportChannel)的一个10ms的无线帧上。
在HSDPA系统中,传输时间间隔固定为2ms,包含3个时隙。
也就是说,HSDPA在2ms的子帧上传输。
每一2ms的TTI内,HSDPA业务信道上的码字数量、编码速率和调制方式都可以重新选择。
HSDPA系统在传输信道上没有任何复用。
在每个2ms的TTI中,信道都采用固定的扩频因子16。
4.快速分组调度技术
调度即是对系统有限共享资源进行合理分配,使资源利用率达到最大化。
调度算法控制着共享资源的分配,在很大程度上决定着整个系统的行为。
在HSDPA中,分组调度功能从RNC转移到了NodeB,这样就大大加速了数据分组的调度速度。
下行分组传输调度按照UE反馈的信道质量来执行。
调度由NodeB完成,与RNC无关。
每隔2ms执行一次调度。
(1)轮询调度
(2)最大载干比(C/I)调度算法
(3)比例公平调度算法
6.3.2HSDPA的物理层
1.HSDPA新引入的物理信道
下面依次介绍三个物理信道(HS-PDSCH,HS-SCCH,HS-DPCCH)的基本特点。
(1)高速物理下行共享信道(HS-PDSCH)
①HS-PDSCH的帧结构
HS-PDSCH信道是下行物理信道,用于承载传输信道HS-DSCH,扩频因子固定为16,理论上,可用的码字数量最多为16,不过考虑到公共信道和伴随的DCH需要占用码资源,最大可用码字数量为15,这些码字可以供单用户使用,也可以供多用户共享。
调制方式可以是QPSK或16QAM,信道编码采用1/3Turbo编码,包含两级速率匹配。
HS-PDSCH的帧结构如图6-8所示。
图6-8HS-PDSCH的帧结构
②HS-PDSCH的编码过程
HS-PDSCH的编码过程比R99简单,因为它不需要处理DTX或压缩模式。
由于某一时刻只有一个激活的传输信道(HS-DSCH),省掉了传输信道复用和解复用的操作。
HSDPA相对于R99所特有的新功能有比特扰码、16QAM星座重排和HARQ功能。
HS-PDSCH的编码过程如图6-10所示。
图6-10HS-PDSCH的编码过程
③HS-PDSCH引入新的调制技术
HS-PDSCH的调制技术与R99DPCH不同,除了采用QPSK外,还引人了高阶调制技术16QAM。
(2)高速共享控制信道(HS-SCCH)
HS-SCCH信道是下行的物理信道,它的引入是为了承载译码HS-PDSCH信道所需的物理层信令,从而使终端可以获得解调需要的正确码字,所以HS-DSCH工作过程中总是要伴随着HS-SCCH。
HS-SCCH的扩频因子为128,调制方式为QPSK,信道编码为卷积码,采用一级速率匹配,其帧结构如图6-12所示,每个时隙可以传送40bit的信息。
图6-12HS-SCCH的帧结构
(3)高速专用物理控制信道(HS-DPCCH)
HS-DPCCH是上行的物理信道,用于承载终端到NodeB的上行反馈信息以保证链路自适应和物理层重传,承载信息包括HS-PDSCH信道译码信息(ACK/NACK)和信道质量指示信息(CQI,ChannelQualityInformation)。
HS-DPCCH的扩频因子固定为256。
引入HS-DPCCH后DPCH的信道结构保持不变。
引入HS-DPCCH之后的负面影响是UE的峰均值比(PAR)增加,导致UE的有效发射功率降低,同时也会影响上行覆盖。
HS-DPCCH的帧结构如图6-14所示,主要包括两部分。
图6-14HS-DPCCH的帧结构
2.HSDPA物理层处理流程
当有一个或者多个用户使用HS-DSCH时,HSDPA物理层便开始执行如下的物理层处理过程,接着数据会在NodeB的缓存中暂存。
HSDPA物理层处理流程如下。
(1)NodeB中的调度器每2ms对在缓存中有数据的每个用户评估信道状况、缓存状态、最后一次传输的时间、挂起的重传等。
调度器的调度准则由制造商自己定义实现。
(2)当UE决定在一个特定的TTI中发起业务时,NodeB会识别必需的HS-DSCH参数,包括码字数目、是否使用16QAM和UE能力。
(3)NodeB在相应HS-DSCH的TTI之前2个时隙开始发送HS-SCCH。
假设在前面的HS-DSCH帧中没有该用户的数据,那么HS-SCCH的选择(最多从4个信道中选)是任意的。
如果前面的HS-DSCH帧中有该用户的数据,必须使用相同的HS-SCCH。
(4)UE监测由网络给定的特定HS-SCCH集(最多有4个HS-SCCH),如果UE对属于该用户的HS-SCCH的第一部分进行了正确译码,那么该UE将对HS-SCCH的剩余部分进行译码,并将HS-DSCH中的必要码字进行缓存。
(5)UE对HS-SCCH的第二部分译码后,就可以决定数据应属于哪一个ARQ过程,并确定是否与缓存中的数据进行合并。
(6)在R6中,前导频序列代替了原来的ACK/NACK域,如果网络中对该功能进行了配置(以前TTI中没有分组数据),该前导频序列的发送是基于HS-SCCH译码,而不是针对HS-DSCH。
(7)对组合数据进行解码后,根据对HS-DSCH数据进行CRC计算,UE在上行方向发送ACK/NACK指示符。
(8)如果网络在连续的TTI时间内向同一个UE连续发送数据,那么UE将使用与前一个TTI内相同的HS-SCCH。
(9)在R6中,当数据流结束后,UE在ACK/NACK域发送后导频序列,前提是网络启用了该功能。
6.3.3HSDPA的MAC层结构
1.MAC层结构
引入HSDPA技术对高层的影响主要体现在MAC层,MAC层新增MAC-hs实体,实体位于NodeB和UE侧,使得MAC-hs直接面对空中接口的物理层,控制HSDPA用户共享资源的分配和数据调度。
相关HS-DSCH的MAC层操作都是在这里完成的。
除了必要的流控和优先级处理外,还要完成HARQ协议的相关操作,包括调度、重传和重排等。
在MAC-hs和MAC-d或MAC-c/sh之间,增加了数据流控和数据传输功能,MAC-d的数据流通过Iur/Iub接口,经过MAC-c/sh流控后透传给MAC-hs,或经过Iur/Iub接口直接传送到MAC-hs,MAC-hs通过Iur/Iub接口由RLC不断载入新的数据。
2.UTRAN侧的MAC-hs结构
UTRAN侧的MAC-hs结构如图6-19所示,包括流控实体、调度/优先级处理实体、HARQ实体和传输格式和资源合并(TFRC,TransportFormatResourceCombination)选择实体。
图6-19UTRAN侧MAC-hs结构图6-20UE侧的MAC-hs结构
(1)流控实体通过对空中接口传输能力执行动态检测,控制来自MAC-d和MAC-c/sh的数据流,从而满足空中接口的能力。
通过流据流的控制减小数据链路层的时延和拥塞。
对于每个具有单独优先级的MAC-d数据流,流控是独立的。
(2)调度/优先级处理实体协调数据流和HARQ之间的资源,根据ACK/NACK反馈情况决定是否重传,根据用户优先级和调度策略,以及信道质量指示确定用户传输数据块的大小,设置优先级队列、数据块的编号。
按照信道质量好的用户尽量满足最大传输速率的方式使小区吞吐量达到较高的水平。
(3)HARQ实体处理HARQ进程,支持SAW协议,实现HSDPA用户多进程的数据传输,每用户协议支持最大8个进程。
每个TTI传输的HS-DSCH数据对应一个HARQ进程。
(4)TFRC选择实体根据信道情况和资源情况选择合适的传输格式(TFC),分配HS-SCCH和HS-PDSCH信道码,选择调制方式。
3.UE侧的MAC-hs结构
UE侧的MAC-hs结构如图6-20所示,UE侧的MAC-hs直接和MAC-d相连,MAC-d同时和MAC-c/sh也有连接,但是协议规定,在一个UE内部,MAC-d只能同时和MAC-hs、MAC-c/sh中的一个连接。
UE侧的MAC-hs结构主要包括HARQ实体、重排队列分发实体、重排和拆分实体。
(1)HARQ实体负责处理HARQ协议,接收各个进程解调后的MAC-hsPDU数据包,并根据CRC校验,验证接收到的MAC-hsPDU是否正确,随后产生ACK/NACK反馈给上行信道HS-DPCCH。
(2)重排队列分发实体根据MAC-hsPDU数据包头中的队列号信息,将MAC-hsPDU数据包分送到对应队列的重排实体中,并按顺序依次送至高层。
在UE侧,每个优先级和传输信道都有一个重排序实体。
(3)重排和拆分实体,负责拆分MACPDU数据包,将MAC-hs包头去掉,填充比特去掉后,将MAC-dPDU上传给UE的MAC-d实体。
6.4高速上行分组接入(HSUPA)
6.4.1HSUPA关键技术
1.上行链路快速HARQ
采用HSUPA技术后,上行链路使用了快速物理层数据包重传机制(HARQ),数据的重传在移动终端和NodeB间直接进行。
上行链路快速HARQ的原理允许NodeB在没有正确接收上行链路分组数据时要求终端设备重传。
而且,NodeB可以利用不同的方法来合并单个分组的多次重传,因而降低了各次传输需要的接收Ec/No。
2.上行链路快速分组调度
R99/R4系统中上行链路调度是基于RNC的。
RNC根据来自各NodeB的上行链路负荷测量报告和来自各UE的业务测量报告,向UE发送数据速率集(TFC)信息,控制上行数据速率。
因为节点间需要更高层的信令,调度延迟和调度周期需要花费时间。
HSUPA系统中,上行链路调度基于NodeB。
用NodeB的物理层调度方案,大大减小了调度信令回路时延,调度周期比较短,而且NodeB已有的物理层测量信息可以用来作为调度的基础。
这确保更及时地进行调度决策,以及更有效地利用上行链路空中接口可用的容量,更好地利用链路资源,提高系统的吞吐量。
3.短帧长
HSUPA的帧大小有两种选择:
2ms和10ms。
在HSDPA下行链路中引入2ms发送时间间隔(TTI)的想法是由于HS-PDSCH传输没有采用功率控制。
而在上行链路引入2ms的TTI的想法是希望降低HARQ的重传延迟,可以更好地配合HARQ和快速调度的实施,提高网络和终端的吞吐量。
采用2ms的TTI可以提高响应速度,使系统提供实时视频、流媒体等多媒体业务成为可能,可以提高终端用户的服务质量。
2ms的TTI面临的是因为终端有限的功率资源而导致的上行链路覆盖问题。
当每个TTI中含有同样多的数据时,2ms内发射的能量可能比10ms少。
另外,当TTI降为2ms时,交织增益也会减少。
HSUPA中保留了10ms的TTI,用于处于小区边缘和信道条件较差的环境。
4.软切换
由于移动台终端发射功率有限,上行链路增强型技术的HSUPA使用了软切换技术,可以带来软切换增益。
处于软切换状态时一个UE和多个NodeB进行通信,相应带来NodeB接收数据包的合并、HARQ、调度、信令、时延控制等等的复杂处理
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