WCDMA系统高速上行链路分组接入技术分析

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随着全球移动业务的发展，移动宽带成为目前移动业务开展和移动用户需求的焦点。高速下行链路分组接入技术（HSDPA）为3G/WCDMA网络实现高速下行接入业务提供了可能[1]。HSDPA的日益成熟使得移动通信系统在下行能够提供更高的传输速率和更短的时延，这样对流量和迟延要求较高的数据业务（如视频、流媒体及大文件下载等下行业务）得以顺利开展。目前HSDPA商用准备已在全球各大移动市场（例如日本、北美和欧洲等）陆续展开。与此同时，交互式移动宽带数据业务、移动VoIP服务、互动性移动游戏、视频网络日志发布以及功能更为强大的交互视频业务等基于流媒体的交换视频业务的出现，迫切需要提高上行数据传输速率来满足多媒体应用服务的需要。为了迎合用户对上行数据速率的要求，高速上行链路分组接入技术（HSUPA）作为3G演进过程的关键技术在3GPP的Release 6中被加入。在本文中，笔者在对HSUPA作简要介绍的基础上，全面分析了HSUPA采用的关键技术，同时对HSUPA的商业化进展情况进行总结。　　一、HSUPA介绍
　　多媒体应用的宽带特性和用户个性化移动业务的极大需求，以及新兴的WiMAX和cdma2000 1x EV-DV等技术的不断涌现，使得以最高2 Mbit/s数据速率为设计目标的IMT-2000 WCDMA系统面临着技术和业务的双重挑战。为此，WCDMA设备主导厂商作出了迅速的反应，极力推动着WCDMA系统地不断演进。图1即给出了WCDMA的演进之路。

图1　WCDMA演进之路

　　HSDPA的提出和部署大大缓解了运营商在给用户提供高速下行数据业务方面的窘境，并取得了初步的成功。而交互式多媒体业务的增长对上行业务的带宽提供能力也提出了进一步的要求，为此，HSUPA作为WCDMA系统的高速下行解决方案被提出和采用。图2给出了HSUPA技术同其他技术的比较。我们可以看到，当引入HSUPA后，典型的用户上行数据速率可达800 kbit/s，比成熟的有线ADSL接入的上行速率（384 kbit/s）都高。

图2　HSUPA技术同其他技术的比较

　　HSUPA技术大大提高了上行链路传输速率[2]，为运营商运营带来双向的容量。同时，通过HSUPA可提供音乐、电子邮件、互动移动游戏、视频共享等多媒体应用服务，运营商也将获得巨大收益。对于试验HSUPA，由于其标准制定和释放的时间晚于规范的HSDPA，因此各大运营商对HSUPA的商用计划也晚于HSDPA。
　　二、HSUPA关键技术
　　HSUPA采用了三种主要的技术[3][4][5]：基于软合并的物理层混合重传[L1（Fast）HARQ]、基于Node B的快速调度及传输时间间隔（TTI）短帧传输。同时还新增了一个专用信道以支持HSUPA的传输。新增的专用传输信道E-DCH：在HSUPA中，新增了一个专用传输信道E-DCH来传输HSUPA业务。R99版本中DCH和E-DCH可以共存，因此用户可以享受在DCH上传统的R99语音服务的同时，利用HSU-PA在E-DCH进行突发的数据传输。
　　1.基于软合并的物理层混合重传
　　这种技术允许基站能够在发现错误的接收数据后，迅速发出重传请求，大大降低了时延。数据包的重传在移动终端和基站直接进行。如果接收到的数据包正确则发送ACK信号，如果接收到的数据包错误就发送NACK信号，移动终端通过ACK/NACK的指示，可以迅速重新发送传输错误的数据包。在信道译码前，基站把前一次和重传后的信息进行合并。这就是软合并原理，它可以在给定信息速率条件下提高系统容量和扩大覆盖面积。由于绕开了Iub接口传输，在10 ms TTI下，重传延时缩短为40 ms，提高了重传数据包的传输正确率。
　　2.基于基站的快速调度
　　基于基站的快速调度（Node-B Scheduling）的核心思想是由基站来控制移动终端的传输数据速率和传输时间。快速调度使得无线资源在UE间快速重新分配，充分适应分组数据传输的突发性。这一机制使得系统可以接纳高数据速率的用户和快速适应系统干扰的变化，因此它提高了系统容量，也提高了用户使用高速率业务的概率。当移动终端希望用更高的数据速率发送时，移动终端向基站发送请求信号，基站根据小区的负载情况和调度策略决定是否同意移动终端请求。如果基站同意移动终端的请求，基站将发送信令提高移动终端的最高可用传输速率。当移动终端一段时间内没有数据发送时，基站将自动降低移动终端的最高可用传输速率。由于这些调度信令是在基站和移动终端间直接传输的，所以基于基站的快速调度机制可以使基站灵活快速地控制小区内各移动终端的传输速率，使无线网络资源更有效地服务于访问突发性数据的用户，从而达到增加小区吞吐量的效果。
　　3.短传输时间间隔
　　WCDMA R99上行DCH的传输时间间隔为10 ms、20 ms、40 ms和80 ms。在HSUPA中，采用了10 ms TTI以降低传输延迟。虽然HSUPA也引入了2 ms TTI的传输方式，进一步降低传输延迟，但是基于2 msTTI的短帧传输不适合工作于小区的边缘。图3给出了不同3GPP版本下的时延情况。可以看出，随着3GPP的演进，传输时延越来越低，这也使得其他的系统特性有充足时间进行自适应。

图3　不同3GPP协议版本下的系统时延比较

　　三、HSUPA的引入对UTRAN结构的影响
　　图4（a）是目前UTRAN的架构体系[1]。多个RNC连接到一个核心网，每个无线网络控制器控制一个或多个基站。基站同多个用户设备进行通信，调度和重传由RNC来控制。为了满足HSUPA对低时延和快速资源分配的要求，传统的调度和混合ARQ必须更接近于空口。这一特性由一个新的媒体接入控制实体（MAC-e）的引入来实现，见图4（b）。MAC-e位于基站，这一点同HSDPA类似，它主要负责资源调度和混合ARQ。物理层也必须能够支持软合并所需的功能实体。

图4　HSUPA的引入对UTRAN架构的影响

　　无线网络控制器中加入了一个新的MAC-e实体，以支持资源调度、混合ARQ以及分集合并等功能。无线网络控制器里的无线链路控制和媒体接入控制实体同WCDMA以前的版本相比都保持不变。
　　四、HSUPA性能分析
　　考虑到上行链路自身的特点，如上行软切换、功率控制和用户设备的峰均比问题，HSUPA主要采用物理层快速重传和快速调度等技术来提高上行链路的数据速率和小区容量。
　　在WCDMA R99中，数据包重传是由无线网络控制器控制下的无线链路控制重传完成的。在透明模式（AM）下，无线链路控制的重传涉及无线链路控制信令和Iub接口传输，重传延时超过100 ms；HSUPA使用增量冗余重传机制，使得数据包的重传可以在移动终端和基站间直接进行，绕开了Iub接口传输，大大降低了时延，快速重发还允许上行链路以更高的误块率运行，允许在给定的数据速率下以更低的功率级开始传输，最终使得小区的覆盖面扩大。
　　在WCDMA R99中，移动终端传输速率的调度由无线网络控制器控制，移动终端可用的最高传输速率在DCH建立时由无线网络控制器确定，无线网络控制器不能够根据小区负载和移动终端的信道状况变化灵活控制移动终端的传输速率；HSUPA通过在上行链路中使用快速调度可以对网络业务负载和数据做出快速反应，减少了上行链路噪声增长的变化率，有可能减少上行链路为了保护超负荷预留的峰值储备，充分利用了R99解决方案里保留的容量，这样一来就实现了更高的用户数据速率和小区容量。
　　HSUPA向后充分兼容于3GPP的WCDMA R99，可以逐步引入到网络中，其终端可以和R99的终端共享同一无线载体。HSUPA不依赖HSDPA，也就是说没有升级到HSDPA的网络也可以引入HSUPA。虽然WCDMA引入HSUPA需要对现有的无线接入系统做一定程度的升级，但是由于HSUPA极大地提高了上行传输速率，无论对于发送电子邮件，文件上传还是交互式游戏这样的应用，用户都将体会到HSUPA提供的高速率和短延迟。
　　五、HSUPA商业化的进展
　　截至2006年2月在西班牙巴塞罗那举行3GSM世界大会，已经有诸多的WCDMA设备厂商演示了HSUPA产品和其强大的上行数据传送能力。虽然全球尚未有商用的HSUPA网络，设备厂商宣称能达到的HSUPA性能还有待验证，但这充分显示了各大厂商如摩托罗拉、阿尔卡特、朗讯、爱立信、诺基亚、北电、NEC等对于HSUPA的重视程度。
　　摩托罗拉在近日于西班牙巴塞罗那举行的3GSM世界大会上向人们展示了超过4 Mbit/s的HSUPA速率所带来的移动宽带体验。通过该系统，用户不仅能在数秒内下载完成音乐或视频，而且也能以相同高速度发送和共享这些内容。
　　同样是在最近的3GSM大会上，阿尔卡特展示了他们在HSUPA领域的突出成就。采用三星手机和诺华达与Option公司生产的PC卡，HSUPA不仅可实现点对点的互动，而且用户仅用16 s就可以上传采用MPEG-4编码技术的（每秒24幅图像，600×400类似TV的模拟分辨率）60 s长度的视频文件。
　　朗讯科技也在本次展览会上，基于商用的WCDMA/HSDPA网络，进行了商用级别的HSUPA演示。实现高达1.4 Mbit/s的逆向链路数据传输，较当前的UMTS速率快四倍以上。HSUPA支持的更高逆向链路数据传输速度能够缓解数据延迟，并为运营商未来通过UMTS/HSDPA网络提供VoIP及视频会议等实时多媒体业务铺平了道路。目前的网络无需增加硬件，只需对基站进行软件升级即可支持HSUPA。
　　爱立信在2005年5月，联手斯堪的纳维亚移动运营商3Scandinavia公司完成了HSUPA的现场演示，数据传输速1.5 Mbit/s。这是世界上首次基于商用WCDMA系统的HSUPA现场演示。同样在2005年5月，在广东举行的2005展览会上，爱立信成功演示了传输速率达1.7 Mbit/s的HSUPA移动宽带应用。这是HSUPA基于商用的首次在中国以无线方式WCDMA系统进行的演示。在2005年10月中国际通信设备技术展览会上，在HSUPA方面，爱立信通过FTP上传等应用进行基于商用网络产品的HSUPA现场演示，展现高速上行业务，并且通过HSDPA/HSUPA系统进行VoIP的第一次基于的业务演示。此举进一步证明了爱立信在移动宽带和通话的公众WCDMA领导地位。爱立信HSUPA解决方案的首个商用版本支持1.5 Mbit/s的传输速率，并将与终端同步推向市场。第一批终端和PC卡产品将会在2006年下半年投放市场，而手机则会在2007年早些时候面世。
　　诺基亚是全球首个公开演示HSUPA技术的厂家，在2005年2月法国戛纳举行的3GSM大会和美国新奥尔良举行的CTIA无线峰会上就率先成功完成了HSUPA技术演示。在实际演示中，HSUPA演示系统通过上行链路同时进行DVD质量的视频传送和FTP文件上传，上行的峰值速率达到1.4 Mbit/s，平均为900 kbit/s。
　　北电在这次3GSM世界大会上展示了业界首次同时支持HSUPA和HSDPA的无线呼叫，此次演示中主要采用北电的商用UMTS基站收发信台和Aeroflex公司的TM500手机模拟器，尤为突出的是在该演示中，传输VoIP、视频和文件的上行速率达到1.4 Mbit/s。而在此前，北电在巴黎的实验室就已成功实现在两个移动终端设备之间实现高速上下行接入的无线呼叫。这一演示成为业界首次，并且上行速率达到现有UMTS业务速率的四倍北电的HSUPA技术预计将于2007年年初推出，它只需对现有商用网络进行一次软件升级就能提高上行吞吐量、缩短时延并增加容量。
　　NEC计划于2006年4月左右推出世界第一个HSDPA商用业务。HSUPA下一步的相关技术研发已经在进行当中，预计将于2006年底在日本进行外场测试。
　　六、结束语
　　本文通过对HSUPA引入的背景，支撑技术以及商用化进程的讨论，分析了HSUPA技术的特点和市场前景。HSUPA的引入适应了移动市场竞争发展的需要，同时与其他移动宽带技术相比更具有市场竞争力。适时地将3G/WCDMA系统升级为具有HSUPA功能的网络，将有利于保持网络运营商的竞争优势，具有现实意义。