TD-HSUPA：更高传输速率改善用户体验

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摘要：
          TD-SCDMA（以下简称TD）系统引入HSUPA技术后，将极大地提高对上行分组数据的支持，以及系统承载数据服务的容量，并为高速数据业务提供更好的覆盖。用户将能感受到更好的网络质量、更短的服务反应时间和更可靠的服务。同时，TD-HSUPA 标准化工作的完成于TD后续产品的开发也具有指导和参考作用。

一、概述

         随着3GPP HSDPA标准化的完成，3G系统对下行分组数据业务的支持能力有了很大的增强。这自然就引发了一个考虑，HSDPA采用的关键技术是否可以应用于上行分组业务的优化，进而对覆盖、吞吐量以及时延等上行性能进行改善。于是，3GPP启动了针对HSUPA技术的研究，最早是建立了WCDMA上行增强可行性分析的研究项目。随后，TDD厂家也提出并建立了TDD上行增强研究项目，对基站快速调度、AMC、HARQ等技术进行评估。作为3GPP标准重要组成部分的TD-SCDMA，也在HSUPA方面做了很多研究和评估工作。

二、四项关键技术提高峰值速率

         上行增强技术的主要目的是显著提高分组数据的峰值传输速率，以及上行分组数据的总体吞吐率，同时减少传输延迟和误帧率。在TD系统中，与HSDPA相似，HSUPA主要考虑的技术包括AMC、HARQ、Node B快速调度，以及用户终端（UE）如何共享上行信道资源。

1. 上行资源共享

         在上行资源共享方面，TDD与FDD系统有所不同。在FDD系统中，HSUPA与HSDPA的不同之处在于：HSDPA中，HS-DSCH作为一个共享信道，为多用户共享；而HSUPA中，每个用户都有自己到Node B的数据链路。TDD系统则由于使用cell-specific扰码区分小区，因而上行码道受限，因此，增强技术考虑的出发点还是基于共享资源的考虑，采用共享机制可以缓解资源受限的问题。

2. Node B快速调度

         Node B快速调度的主要好处在于减小传输时延和提高吞吐量，这是因为减少了Iub接口上的传输过程以及对重传、UE缓存测量的快速反馈。

         除了在时延和吞吐量方面的好处，TD上行增强采用基站调度在资源分配和干扰控制两个方面也都带来了好处。由于TDD上行码道资源受限，对物理资源采用共享形式，并由基站进行快速调度，可以缓解码道资源受限以及快速适应无线环境变化。而且，通过快速控制UE的速率，基站也可以更好地控制空中接口的干扰情况。

3. AMC

         作为链路自适应技术的AMC，通过在信道质量好的情况下采用高阶调制来提高系统容量，其原理与HSDPA中类似。

         在上行采用什么样的调制方式，需要从系统性能和对UE功放的影响两方面进行分析。根据仿真结果，采用8PSK和16QAM，相对于仅用QPSK的情况，系统容量可提升54%~56%。

         在上行，峰均比也是一个需要注意的问题，因此，对于采用高阶调制后对UE功率回退的影响也进行了分析。结果显示，8PSK的峰均比较QPSK方式略低。对于16QAM，峰均比较QPSK方式高出2.1 dB。

4. HARQ

         类似于HSDPA，HARQ可以对错误数据进行快速重传，并且减少无线链路控制（RLC）重传以改善用户体验。因此，在上行增强中对HARQ的考虑主要在于减少时延和提高用户及系统的吞吐量。HARQ的采用对物理层和MAC层都将产生影响，在上行增强中引入HARQ，需要慎重考虑Node B、UE存储空间的要求，以及带来的信令负荷、复杂度、UE功率限制等因素。

5. TD-SCDMA HSUPA 与HSDPA的比较

         虽然HSUPA与HSDPA采用的关键技术相同，但是在具体的实现方式上，HSUPA还是与HSDPA有着一些差别（见表1）。这主要是由于在上行，调度控制在基站，但是数据传输却在UE进行，因此基站需要获得调度相关的信息，并且上行干扰控制也是一个需要慎重考虑的问题。

表1 HSUPA与HSDPA的差异

三、系统改进支持新标准
1.  UE侧MAC-e/es结构
          UE侧MAC-e/es实体负责处理E-DCH相关功能，主要分为以下四部分。
          HARQ实体处理HARQ协议的相关功能。其负责MAC-e负载的存储与重传，HARQ协议相关配置信息由RRC通过MAC-Cotrol SAP进行配置；HARQ实体确定L1层传输需要的HARQ进程ID、E-TFC、重传序号RSN及power offset的指示等，HARQ传输的RV参数可以从RSN中推导出，而且，RRC也能够将L1层的每次传输都配置为RV=0。
          复用及TSN设置实体负责将多个MAC-d PDU级联到一个MAC-es PDU中，以及将一个或多个MAC-es PDU复用到一个MAC-e PDU，并根据E-TFC选择功能的指示，准备在下一个TTI内传输。同时，该实体也负责管理与设置每条逻辑信道中每个MAC-es PDU的TSN。
          E-TFC选择实体根据从UTRAN接收到的调度信息（来自E-AGCH）及RRC通知的Serving Grant，进行数据传输的E-TFC选择，并对映射到E-DCH上的不同数据流进行选择。RRC通过MAC-Control SAP对E-TFC实体进行设置，E-TFC选择同时也对复用功能起控制作用。
          调度接入控制实体负责区分来自不同信道的上行伴随信令。当分配了E-DCH资源时，上行伴随信令由E-UCCH传输；没有E-DCH资源时，则由E-RUCCH传输。
2.  UTRAN侧MAC-e/es结构
          为支持E-DCH，系统侧增加了MAC-e/es实体。其中，MAC-e实体位于Node B, MAC-es实体位于SRNC。针对每个UE，在SRNC存在一个MAC-es实体，该实体和位于Node B的MAC-e实体一起处理E-DCH的相关功能。
          MAC-es包含三个实体。其中，重排序队列分发实体负责根据SRNC的配置，将MAC-es PDUs路由到正确的重排序缓存区。其将接收到的顺序TSN的MAC-es PDU数据传递到Disassembly，如果有较低TSN序号的数据丢失，则数据不会传递给Disassembly。分解（Disassembly）功能负责分解MAC-es PDUs，去除MAC-hs头，得到 MAC-d PDU’s 并传递给MAC-d。每个UE对应Node B中的一个MAC-e实体，但Node B中只有一个E-DCH调度器，负责处理与HSUPA相关的特定功能。
          E-DCH调度在UE间管理小区的E-DCH资源，基于UE的调度请求信息，决定并发送相应的调度许可。E-DCH控制实体负责调度请求信息的接收及调度许可的发送。解复用实体对MAC-e PDU进行解复用操作，将MAC-es PDU转发给相应的MAC-d flow。HARQ实体则处理与HARQ协议相关的所有功能。
3.  E-DCH信道及相关控制信道
          为了支持HSUPA特性，TD系统上行新增加了E-DCH信道，用于承载高速上行数据。E-DCH使用的资源包括功率、时隙、码道等，可由Node B调度分配。
          E-DCH映射到E-PUCH信道上。E-PUCH作为上行信道，支持可变扩频因子，其根据是否承载上行控制信息，有两种形式。E-PUCH信道资源分为调度和非调度两类，其中，非调度部分由无线网络控制器（RNC）分配，调度部分则由Node B MAC-e实体进行调度分配。
          在上行还定义了2个控制信道E-UCCH和E-RUCCH，用于传输上行增强相关的信令信息。在下行方向，为了支持基站调度，增加了E-AGCH和EHICH 信道。其中E-AGCH用于传输基站调度信息，E-HICH信道用于支持HARQ过程，传输应答信息（ACK/NACK）。
4.  HARQ方案
          系统中采用了并行停等HARQ协议，支持Chase和增量冗余合并。E-DCH 传输资源由Node B通过E-AGCH分配，随后由E-HICH返回应答信息。
          HARQ相关的上下行信令主要有：通过上行E-UCCH携带的HARQ进程ID，3比特；重传序列号（RSN），2比特；其它，如支持的进程个数和nE-HICH相关信息由高层配置。
5.  Node B调度过程
          HSUPA的调度过程分为四个步骤。首先，UE通过E-RUCCH 发起调度请求，调度请求包含调度相关信息以及UE的标识E-RNTI。
          然后，Node B调度器接收到请求后，若允许该UE发送上行增强数据，将通过E-AGCH发送接入允许信息给UE。由于E-AGCH是共享信道，因此，接入允许信息还需要携带用户标识，以区分该接入允许是给哪个UE的，同时还要指示UE其接收应答信息的E-HICH信道标识。
          接下来，UE收到E-AGCH，解得信息是给自己的后，就根据分配的资源和功率在E-DCH上选择自己可以使用的速率并开始数据传输，具有接入允许的UE，可以在MAC-e头重新携带调度信息。
          最后，Node B接收E-DCH信息，解调后根据数据是否正确，在该用户监听的E-HICH信道上反馈ACK/NACK信息。UE根据反馈信息判断是否需要重传。
四、标准化进展顺利
          2005年，在3GPP开始了对TD系统上行增强技术的分析评估工作。通过仿真分析，验证了HARQ、AMC等技术能对上行分组性能带来较大的提升。2006年3月，3GPP正式提出并通过了开展TD上行增强工作项目的建议。TD-HSUPA标准化工作正式开展，并在3GPP的几个工作组建立了相关的技术报告，开始具体的标准研究工作。其中，以RAN1工作组和RAN2工作组为主建立了两个技术报告，分别研究对空中接口物理层协议和MAC层协议的修改和影响。同时，由于Node B增加了MAC-e实体，对网络结构产生了一定影响，加上对新增的特性指标和性能分析，RAN3工作组和RAN4工作组也展开了相关研究。该工作项目于2007年6月份完成，相关标准内容已经在3GPP R7版本中体现。
          在3GPP完成HSUPA R7的规范后，国内CCSA也启动了行标制定的工作。在2007年4月的会议上建立了TD-HSUPA行标项目，内容以及工作考虑包括制定总体技术报告以指导接口技术要求。考虑到兼容一版行标N频点特性以及TD产业化现状，大唐移动提议先考虑单载波的方式，关键技术与3GPP Rel-7 HSUPA保持一致，规范制定和修改上考虑N频点特性，这一点得到了业界的广泛认可。在CCSA的组织下，TD-HSUPA特性将体现在3版行标中。目前，相关规范正在制定起草过程中，已完成接口技术要求征求意见稿，在协会 TC5 WG9工作组征询意见，并且预计下半年将启动设备和测试规范的起草工作。