TD-SCDMA上行增强技术的研究

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1、引言
　　第三代移动通信系统中，以欧洲主导的WCDMA、美国主导的cdma2000以及中国的TD-SCDMA为3大主流技术，TD-SCDMA作为中国提出的第三代移动通信技术标准的TDD模式技术，是3GPP的一个重要的组成部分。
　　TD-SCDMA的标准化工作相对于WCDMA和cdma2000要晚，最早的版本包含在3GPP的Release 4中。为了适应移动网络中数据业务的高速增长，TD-SCDMA分别在Release 5和Release 6中引入了高速下行分组接入（HSDPA）技术和高速上行分组接入（HSUPA）技术。此外，为了应对WiMAX的竞争，在Release 7中引入了TDD LTE。
　　在Release 6中引入的HSUPA是继HSDPA之后，TD-SCDMA系统在无线部分的又一重大改进。为了在TD-SCDMA上行链路中引入HSUPA，并且尽可能地兼容Release 4中定义的功能实体与逻辑层间的功能划分，在保持Release 4结构的同时。增加了新的增强专用信道（E-DCH）、新的媒体接入控制（MAC）实体MAC-e/es[1]。引入HSUPA只是在原来的物理信道上增加了新的信道，因此，两者可以共用射频发射单元。相互兼容。
2、TD-SCDMA HSUPA的关键技术
　　2006年5月在上海召开的3GPP TSG RAN WG1#45以及WG2#53上，TD-SCDMA HSUPA的物理层结构和关键技术初露端倪。根据TD-SCDMA上行链路的特点，参考文献[2]提出了几种适用于HSUPA的技术，包括基于Node B的调度、快速HARQ（混合自动重传请求）、高阶调制、扰码跳码等。CATT（电信科学技术研究院）在TD-SCDMA系统环境下分别对这几项技术进行了仿真[3]。根据仿真结果，认为适合TD-SCDMA HSUPA的技术，主要有基于Node B的调度、快速BARQ、高阶调制。
　　根据参考文献[3]，不建议在TD-SCDMA上行增强技术中采用扰码跳码技术。这是由于扰码跳码的仿真结果表明扰码跳码在TD-SCDMA上行增强技术中所带来的增益具有不确定性，而且带来的最大增益幅度也很小，在有些情况下，性能反而会恶化。另外，扰码跳码技术的应用增加了UE的复杂度。
　　下面将简要介绍TD-SCDMA HSUPA中采用的各项关键技术。
　　（1）基于Node B的调度
　　基于Node B的调度过程中。Node B可以控制UE何时以多大的速率发送数据。相对于RNC（无线网络控制器）调度，其调度周期比较短，而且Node B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容量。调度周期的明显缩短也使得Node B可以在上行链路空中接口容量上进行更多的动态控制。
　　（2）快速HARQ
　　快速HARQ允许Node B对接收到的错误数据快速请求重传，HARQ功能在媒体接入控制高速（MAC-hs）层实现，该层在Node B处终止。这样，快速HARQ的重传时延远低于RLC（无线链路控制子层）的重传时延，大大降低了TCP/IP和时延敏感业务的时延抖动。在解码之前，Node B将之后重传的信息与原来传输信息合并，这就是通常所说的软合并。软合并可以增大容量和特定数据速率的覆盖率。
　　（3）高阶调制
　　对于WCDMA增强型上行链路，由于每个用户都有自己特定的扰码，这样就可以利用更多的码道，于是采用比16QAM更低阶的调制以简化终端的设计。然而，对于TD-SCDMA HSUPA，由于信道化码的限制，需要采用高阶调制来提高系统的频谱效率，虽然目前仅仅考虑的是8PSK和16QAM，但是在采用智能天线技术以后，有可能使用64QAM，因为使用智能天线将会大大提高链路信道质量，从而提高链路性能。
3、TD-SCDMA HSUPA与WCDMA HSUPA的差异
　　从TD-SCDMA HSUPA采用的关键技术可以看出，除了调制方式外，基于Node B调度和快速HARQ都同时应用于TD-SCDMA和WCDMA HSUPA。但是，TD-SCDMA与WCDMA在上行链路上的不同，导致它们在干扰控制、调度过程和HARQ方式上都存在着差异。
　　3.1　干扰控制上的差异
　　在WCDMA HSUPA中，调度器位于Node B端，属于“分散”调度，也就是说每个小区的调度器与其他小区的调度器相对独立。UE的上行信号受到来自小区内和小区间UE的干扰，而且在软切换的情况下，UE同时与多个基站进行通信。因此，需要在不同小区的调度器之间引入一种协调机制，于是，在WCDMA HSUPA中新增了一种物理信道。即相对分配信道E-RGCH，用于激活小区给UE反馈指令，相对调整UE的最大传输速率，从而可以控制邻小区的干扰。另外服务小区通过发送绝对分配（absolute grant）指令指示UE的最大数据速率以控制小区内的干扰。WCDMA HSUPA干扰控制机制如图1所示。

图1　WCDMA HSUPA干扰控制机制

　　与WCDMA不同的是，对于TD-SCDMA系统，接收端通过智能天线、联合检测等技术可以消除绝大部分的小区内干扰，所以干扰主要由小区间干扰决定。而且对于TD-SCDMA系统，并没有要求软切换，相应的UE端也没有必要支持接收多小区的下行控制信令。如E-RGCH。因而，在TD-SCDMA上行增强技术中，没有沿用WCDMA中控制小区间干扰的办法[4]。
　　所以在设计TD-SCDMA系统HSUPA干扰控制时需要考虑以下两个条件：
　　●Node B接收器不需要检测小区外的UE；
　　●UE不需要接收非服务小区的指令。
　　TD-SCDMA HSUPA控制小区间干扰的办法如下所示：
　　●UE通过对服务小区和邻小区P-CCPCH RSCP（接收到的信号码功率）的测量以及系统提供的相关P-CCPCH的参考功率，计算UE到服务小区和邻小区路径损耗，并通过相关的上行信令信道反馈给服务小区的调度器。调度器利用UE的反馈信息给UE发送绝对分配信息，控制小区间的干扰水平。
　　●RNC的RRM（无线资源管理）功能负责给每个调度器指定一个其他小区所能允许的干扰值，该值根据负载情况及时地调整更新。各个小区的负载情况由Node B测量后告知RNC。
　　TD-SCDMA上行链路系统小区间干扰控制机制如图2所示，其中λi表示UEi到服务小区和邻小区的路径损耗比值。

图2  TD-SCDMA HSUPA干扰控制机制

　　3.2　 调度控制上的差异
　　在WCDMA HSUPA中是通过Node B发送调度分配（scheduling grant）来给UE分配资源的。分配指令分两种：绝对分配和相对分配（relative grant）。绝对分配指令限制了终端最大传输速率，主要用于分配大量资源但分配不是很频繁的情况，例如在连接建立时或者在UE申请资源分配时。相对分配是用来更新终端的资源分配。
　　处于软切换时，终端同时与几个小区通信。只有服务小区给终端发送绝对分配指令，非服务小区只发送相对分配指令以控制该终端对这些小区的干扰水平。需要注意的是服务小区也发送相对分配指令，但只有当非服务小区发送的相对分配指令为“hold”时才有效[5]。
　　TD-SCDMA HSUPA的调度相对于WCDMA HSUPA调度，一样是通过Node B发送调度分配来给UE分配资源，但是由于干扰控制和切换控制上的差异，其分配指令只有绝对分配，由服务小区提供。也就是说，在TD-SCDMA系统中调度只受服务小区控制，服务小区直接给UE指定一个所能允许的数据速率的上限[2]。但是，由于信道多径和时延的特性，只有绝对分配没有其他的协调机制，系统的干扰无法控制。考虑到在干扰控制中，UE负责测量到服务小区和邻小区的路径损耗，这些路径损耗也可以作为调度的一个辅助信息，调度器根据这个辅助信息调整UE的速率上限。
　　3.3　HARQ方式上的差异
　　HARQ方式的选择主要是同步和异步HARQ的选择以及自适应和非自适应传输的选择。
　　在WCDMA上行增强技术中采用的是同步HARQ。同步HARQ的主要好处就是节省了控制信令开销，不需要表示HARQ处理序号，而且在FDD上行增强技术中，仅仅通过2 bit RSN就可表示RV信息和新数据指示符信息。但是对于TD-SCDMA系统来说，使用同步HARQ会有冲突。
　　因为在上行链路中，对于TD-SCDMA系统，所有的UE共享时隙和OVSF码，不像WCDMA系统，每一个UE都分配一个惟一的扰码。如果对于一个UE，Node B反馈的ACK被错误地解码成NACK，那么就需要在后面帧的相同时隙和码资源中进行重传，与此同时，调度器完全有可能将此资源分配给其他UE，从而造成冲突。而且，HSUPA通过使用非调度传输模式支持GBR（保证比特率）业务，为了满足这种需求，对于TD-SCDMA系统，时隙和信道化码要周期性地预留一部分。因而，如果采用同步重传，在调度传输和非调度传输之间会造成冲突，所以TD-SCDMA上行增强技术建议采用异步HARQ[6]。
　　就传输属性（例如资源分配、调制方式和传输块大小）而言，HARQ方式被分为自适应和非自适应两种。自适应是指在重传中改变一些或全部的传输属性，因而需要相关的控制信息支持。非自适应是指如果在重传时需要改变传输属性，需要在初始传输之前告知发射器和接收器。因而不需要相应的控制信令支持。
　　在WCDMA HS-DSCH中采用的是自适应异步HARQ方式，而WCDMA E-DCH采用的是非自适应同步HARQ方式。采用异步HARQ能够更方便有效地进行调度，因为传输属性可以随着无线链路环境动态地改变。而且对于异步HARQ，初始传输和重传之间的时间间隔很长也不可预测，不适合事先协商好的非自适应传输，所以，TD-SCDMA上行增强技术建议采用自适应HARQ。
4、结束语
　　TD-SCDMA和WCDMA上行链路的差异导致两者在HSUPA技术上的差异，最终也必然导致两者在物理层结构上的差异。目前TD-SCDMA HSUPA物理层结构还在讨论之中，很多内容有待完善。虽然在很多方面可以借鉴WCDMA HSUPA的经验，但同时应结合两者的差异，提出适用于TD-SCDMA的上行增强技术。
　　参考文献
　　1　CATT,RITT R2-061328.MAC architecture for 1.28Mcps TDD enhanced uplink，2006
　　2　3GPP TR25.804 v.6.1.0.Feasibility study on uplink enhancements for UTRA TDD，2006
　　3　CATT R1-060524.Simulation results of LCR TDD enhanced uplink。2006
　　4　IP Wireless R1-050868.EU-TDD intercell interference control by scheduling and text proposal for TR 25.826，2005
　　5　Parkvall S，Peisa J，Torsner J,et al.WCDMA enhanced uplink-principles and basic operation.VTC.2005
　　6　CATT，RITT R2-061329.HARQ protocol for 1.28Mcps TDD enhanced uplink，2006