TD-SCDMA与HSUPA技术应用及相应标准化进展

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随着移动通信和Internet的迅速发展，许多对流量和迟延要求较高的数据业务，如视频、流媒体和下载等，不断涌现。这些业务对移动通信系统提出了更高的需求，要求系统提供更高的传输速率和更小的传输时延。为了满足日益增长的分组业务需求，国际标准化组织3GPP提出了高速数据分组接入(HSDPA)技术并进行了标准化，HSDPA成为3GPP R5版本中的最主要特性。3GPP R5版本HSDPA包括频分复用(FDD)以及时分双工(TDD)。在完成了HSDPA的技术研究以及标准化工作后，3G系统对下行业务的支持有了很大增强，这自然就引发了一个考虑，HSDPA采用的这些技术是否可以应用于上行分组业务的优化，进而对上行的性能进行改善，包括覆盖、吞吐量以及时延等。3GPP相应开始了高速上行分组接入(HSUPA)技术的研究，最早是建立了宽带码分多址(WCDMA)上行增强可行性分析的研究项目，随后TDD厂家也提出建立了TDD上行增强研究项目[1-2]，对基站快速调度、自适应调制编码(AMC)、混合自动重传(HARQ)等技术进行了评估。作为3GPP标准重要组成部分的时分同步码分多址(TD-SCDMA)，也在HSUPA方面做了很多研究和评估工作。在对技术完成评估后，后续进入工作项目阶段，也就是具体的标准制订进程。主要是根据可行性分析的结论，完成具体的标准内容，包括支持上行增强技术的信道结构定义、相关的信令及物理层处理过程等。
    1.TD-SCDMAHSUPA的关键技术
    上行增强技术的目的主要是显著提高分组数据的峰值传输速率，以及提高上行分组数据的总体吞吐率，同时减少传输延迟，减少误帧率。在TD-SCDMA系统中，与HSDPA相似，HSUPA主要考虑的技术包括AMC、HARQ、节点B(NodeB)快速调度，以及用户终端(UE)如何共享上行信道资源。在上行资源共享这一点上，TDD与FDD系统不同。在FDD中，HSUPA与HSDPA的一点不同在于，HSDPA中，高速下行共享信道(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NodeB的数据链路。产生差异的原因是，TDD系统使用小区特定(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。
    1.1NodeB快速调度
    NodeB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。这一点可通过系统仿真分析验证，图1和图2是无线网络控制器(RNC)调度和NodeB调度时延仿真结果。如果假定要求99%的数据报(DG)时延小于250 ms，R5版本标准可以支持5个UE，而HSUPA则可以支持9个UE，即支持用户数有80%的提升。

    图3是NodeB调度和RNC调度吞吐量仿真结果。可见，针对RNC调度的情况，NodeB调度时，系统分组业务的吞吐量提升了约50%。而且在分析中发现，对于持续时间短的分组业务而言，这种提升就更加明显，这是因为时延改善相对于业务持续时间而言效果更加显著。

    除了在时延和吞吐量方面的好处，TD-SCDMA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。
    1.2AMC
    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，关于在上行采用什么样的调制方式本文从系统性能和对UE功放的影响两方面进行了仿真分析。
    系统性能方面，仿真针对仅采用正交相移键控(QPSK)，采用QPSK和8相移键控(8PSK)，采用QPSK、8PSK、16阶正交幅度调制(16QAM)3种情况进行了比较。结果如图4所示，图4中曲线显示扇区吞吐量和噪声提升的关系。可看出，第3种情况较第2种情况吞吐量有14%～18%的提升。相对于仅用QPSK的情况，提升在54%～56%之间。

    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，表1总结了使用这3种调制方式在不同正交可变扩频因子(OVSF)资源使用情况下的功率回退。

    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。
    1.3HARQ
    类似HSDPA，HARQ可以对于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，需要考虑NodeB、UE存储空间的要求，带来的信令负荷、复杂度、UE功率限制等因素。
    这里给出了在PA3信道下，采用蔡斯合并与否的链路性能结果。图5给出了在PA3信道情况下需要的平均传输次数，可以看出在载波干扰比(C/I)较低的情况下，采用蔡斯合并可以显著降低需要的传输次数。

    上述内容是TD-SCDMA上行增强可行性研究项目过程中所作的一些分析和评估。根据上述分析和评估，在研究项目结束的时候，为后续TD-SCDMA上行增强标准化工作提出了应用上述技术的建议。
    2.TD-SCDMAHSUPA标准
    2.1E-DCH信道
    为了支持HSUPA特性，TD-SCDMA系统上行新增加了增强上行链路专用信道(E-DCH)，这是一个传输信道，用于承载高速上行数据。其传输时间间隔(TTI)为5 ms，支持高阶调制，以及层1(L1)HARQ过程。其使用的资源，包括功率、时隙、码道等，可由NodeB调度分配。在上行还定义了两个控制信道上行增强控制信道(E-UCCH)和上行增强随机接入信道(E-RUCCH)，用于传输上行增强相关的信令信息。E-UCCH通常和E-DCH复用在一起，传递当前E-DCH HARQ相关的信息。E-RUCCH映射在物理随机接入资源上，主要用于上行增强业务的接入请求。E-DCH映射到增强上行物理信道(E-PUCH)上。E-PUCH信道资源分为调度的和非调度的两类，其中非调度部分由无线网络控制器(RNC)分配，而调度部分则由NodeB MAC-e实体进行调度分配。
    在下行方向，为了支持基站调度，增加了增强上行绝对接入允许信道(E-AGCH)传输基站调度信息，以及增强上行HARQ应答指示信道(E-HICH)来支持HARQ过程的传输应答信息(如ACK/NACK)。
    2.2HARQ方案
    系统中采用了并行停等HARQ协议，支持蔡斯和增量冗余合并。E-DCH传输资源由NodeB通过E-AGCH分配，随后由E-HICH返回应答信息。这种时序关系是确定的，如图6所示。

    其中nE-AGCH表示终端接到E-AGCH和随后开始传输E-DCH的时隙间隔，该值的设定与UE处理能力相关，现定义为6个时隙(不考虑特殊时隙下行导频时隙(DwPTS)和上行导频时隙(UpPTS))。nE-HICH表示终端传输E-DCH和收到基站应答的时间间隔，该值由高层配置，取值范围4到15时隙(不考虑特殊时隙DwPTS和UpPTS)。
    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；其他，如支持的进程个数和nE-HICH相关信息由高层配置。
    2.3NodeB调度过程
    HSUPA的调度过程简述如下：
    (1)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——无线网络临时标识(E-RNTI)。调度信息包括本小区和邻小区的路径损耗信息、可以允许使用的功率、缓存占用状况等等。
    (2)NodeB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，接入允许信息主要包括功率允许和物理资源允许。并且由于E-AGCH是共享信道，因此接入允许信息还需要携带用户标识区分该接入允许是给哪个UE的，同时还指示UE，其接收应答信息的E-HICH信道标识。
    (3)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。
    (4)NodeB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。
    E-AGCH携带的信息为：
    (1)功率允许。功率允许指示允许的最大功率。
    (2)物理资源允许，包括时隙、码道，为了简化，所有分配的时隙采用相同的码道。
    (3)E-RNTI，E-AGCH作为共享信道，需要携带用户标识区分该接入允许是给那个UE的。
    (4)资源持续指示(RDI)，为了减少调度允许的频率，该值显示了调度允许有效的时间。
    (5)E-HICH指示(EI)，用于通知UE其应答信息使用的E-HICH信道。
    (6)控制信道数目指示(ENI)，用于指示复用在E-PUCH信道的E-UCCH个数。
    (7)E-AGCH循环序列号(ECSN)，用于E-AGCH外环功率控制。
    3.TD-SCDMAHSUPA标准化进展
    为了完成TD-SCDMA HSUPA的标准化工作，2006年3月份，由大唐公司牵头在三亚召开了3GPP无线接入网络(RAN)第31次全会，会上正式提出并通过了开展TD-SCDMA上行增强工作项目的建议。
    随后在3GPP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NodeB增加了MAC-e实体，对网络结构产生一定影响，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。
    从立项到现在经过3次RAN全会，目前该工作项目已完成70%，包括基本的物理层结构、H-ARQ定时和信令、Node-B调度、调制方案、随机接入过程、E-RUCCH和E-AGCH结构和编码、上行信令、UE能力、协议整体框架、E-DCH传输信道特性、QoS控制、移动性管理，以及Iub接口部分内容等。热点问题还有E-HICH信道结构，调度、非调度传输复用，以及是否支持20 ms TTI等待完成。预期这项工作将在2007年的RAN全会上基本结束。随后将在R7版本中完成TD-SCDMA HSUPA的标准化。TD-SCDMA HSUPA标准化工作必将对后续TD的进一步发展起到一个良好的促进作用。
    4.参考文献
    [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.
    作者简介：
    胡金玲，北京航空航天大学硕士毕业。大唐移动通信设备有限公司高级技术经理，主要研究方向为移动通信、无线接入，在TD-SCDMA标准方面有较深入的研究。作为主要起草人，参与TD-SCDMA标准向ITU、3GPP提交文稿的工作过程，完成了TD-SCDMA物理层技术报告以及相关文稿。现负责TD-SCDMAHSDPA/HSUPA后续技术研究和标准工作，参与CCSATD-SCDMA多项行业标准的起草工作。