TD-HSPA： 畅游移动新生活

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前言
随着TD-SCDMA网络的部署以及TD-HSDPA技术的日趋成熟，各省市纷纷提出建设基于3G网络的照片、视频上传业务、数码相框、视频监控以及打造面向公安、公交、电力、消防等的各种行业应用的全方位“无线城市”等新的需求，这使用户对上行数据的传输能力提出了更高的要求。
为满足运营商及其终端客户的需要，大唐移动提出建立TDD的上行链路增强的研究项目。此项目对基站快速调度、自适应调制编码（AMC）、混合自动重传（HARQ)等进行了技术评估，在HSUPA方面做了很多研究和评估工作。在完成技术评估后，根据可行性分析的结论，制订了具体的协议标准，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，并写入到3GPP R7中。
TD-HSUPA的关键技术
与TD-HSDPA相似，TD-HSUPA主要考虑如何将Node B快速调度、AMC、HARQ用于上行方向，以及如何使用户终端（UE）共享上行信道资源，并采用5ms静态TTI的短帧技术，提高数据传输速率，缩短传输时延，提高频谱利用率。TD-HSUPA技术的引入能有效解决当前TD-SCDMA网络中遇到的上行带宽瓶颈问题，提高了TD-SCDMA与其他3G系统的竞争力。
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。
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-HSUPA基站快速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。HSUPA Node B快速调度避免了过多的UE接入过高的速率，从而给系统带来干扰，即尽可能抑制上行干扰，服务小区对调度起主要作用。
AMC（自适应调制编码）
自适应调制编码（AMC）的原理是根据信道瞬间传播条件的变化而相应地改变调制和编码方式。目前采用两种调制方式。对于信道环境较好的用户，会分配较高的调制等级和较高的编码速率，而对于接近小区边缘、信道环境较差的用户，则会被分配较低的调制等级和编码速率。HSUPA通过高阶调制和更高效的编码技术，达到更高的上行速率。
HARQ（混合自动重传请求）
由于自动重传请求（ARQ）和前向纠错（FEC）是分别采用检错码和纠错码差错控制的技术。HARQ（Hybrid-ARQ）是综合ARQ和FEC技术相结合的数字传输方法。因此HARQ不仅能够检测出错误，还具有一定的纠错能力。即当接收端超出纠错能力的情况下，才通过反向信道反馈信息，使发送端重新发送接收错误的数据包。HARQ通过发送带有附加的冗余信息，改变编码速率来自适应信道条件，是一种基于链路层（MAC层）的隐含的链路自适应技术。
快速HARQ允许Node B对接收到的错误数据快速请求重传，HARQ功能在高速媒体接入控制（MAC-hs）层实现（该层终止于Node B）。这样，快速HARQ的重传时延远低于RLC（无线链路控制子层，位于RNC）的重传时延，大大降低了TCP/IP和时间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”,可以增加容量和特定数据速率的覆盖率。
TD-HSUPA组网方案
为了满足用户对高速分组数据业务的需求，与HSDPA发展类似，可以根据业务发展需求，TD-HSUPA也可以采取由单载波向多载波过渡的发展路线。由于TD-HSPA的网络构架与TD-SCDMA R5版本的网络构架基本相同，因此，R5版本的网络可以平滑升级到R7。
TD-HSUPA单独组网
TD-HSUPA单独组网具有一定的实际意义，特别应用于需要进行远程视频监控的场所。在实际组网中常常使用多载波方式，每个载波上的E-PUCH物理信道资源由多个用户以时分或码分方式共享。每个用户可以获得一个或多个载波上的E-PUCH资源和相对应的E-AGCH和E-HICH，并位于同一载波上。为了方便UE在辅载波上发起随机接入过程，每一个E-PUCH都伴随一个位于同一载波的E-RUCCH。
TD-HSPA共同组网
由于TD-HSUPA的引入与TD-HSDPA业务量的发展有密切关系，其共同组网方式将会更好地解决TD-SCDMA中上下行的数据传输问题。由理论分析可知，HSDPA的上下行时隙为1：5时，在单载波情况下，下行峰值速率可达到2.8Mb/s；HSUPA的上下行时隙为5：1时，在单载波情况下，上行峰值速率可达到2.24Mb/s；二者混合组网时，通常将时隙配置为3：3，由于上下行数据业务的发展有一定关联，HSUPA也可以采用HSDPA相似的部署方案，直接在HSDPA载波上升级HSUPA，在初期实现HSPA的热点覆盖。
TD-HSUPA与R4混合组网
根据业务比例，可以灵活选择以下几种配置：
（1）2／4配置，1时隙用于上行共享，理论峰值速率560 kbps；
（2）3／3配置，2时隙用于上行共享，理论峰值速率1.12 Mbps；
（3）4／2配置，3时隙用于上行共享，理论可提供1.68Mbps峰值速率。
无论是独立组网、HSPA混合组网还是与R4共同组网，都可以一定程度地提升上行网络的吞吐率水平。其中独立组网时，上行覆盖区域内平均速率大约提升30％～50％，边缘覆盖比R4网络缩小10％以内，多小区环境上行容量大概在1～1.6 Mbps左右，与R4比较，大约提升50％～70％ ；而在共同组网时，上行吞吐率的提升量随着R4信道和HSUPA信道占有比例的不同而不同。HSUPA完全可以在现有的R4网络拓扑结构下引入，它能有效提升上行吞吐率：同时通过一些算法控制，可以抑制对R4网络带来的影响。
TD-HSPA复用组网技术
为了提高小区数据吞吐率，利用现网中BBU+RRU的分布式组网方式，对于室内多个单通道RRU的小区，在通道之间的隔离度满足空分复用的条件下，可以使小区的数据总吞吐量成倍地增加。
在组网初期，即空分复用技术的初级阶段，以业务信道实现空分复用为基础，业务信道空分维度与控制信道配置对数相关。在业务信道实现空分复用以后，为减少控制信道的配置数量，引进了HSPA控制信道空分和伴随信道帧分复用技术，从而可以进一步提高接入终端用户的数量，提高小区的数据吞吐量。
TD-HSUPA测试
为了推动TD-HSUPA技术尽快走向商用，自2009年8月至2010年7月，大唐移动联合山东移动、青岛移动陆续在青岛网络进行了多轮TD-HSUPA室内/室外的技术性能验证，以及业务信道、控制信道空分复用等专项测试。测试结果如下：

根据测试结果，当只有HSUPA时，各种时隙配置下的实际速率接近理论速率。当HSUPA＋HSDPA存在并发业务时，下行反馈传输使用的HS-PDSCH信道，对数据的解调效率有一定的影响，导致下行速率比理论速率稍低。
大唐移动除了对HSUPA、HSUPA＋HSDPA、HSUPA＋R4等并发业务进行了测试以外，对多用户情况、覆盖质量以及网络覆盖范围进行了测试，测试结果令人满意。切换测试对小区间切换、基站间切换都进行了测试，切换成功率达到100%，可以看出HSUPA业务切换功能正常。
大唐移动还对HSPA控制信道空分复用和伴随信道帧分复用进行了测试。当不采用伴随信道帧分复用时，该系统支持4个用户，当采用伴随信道帧分复用后，支持的用户数量将成倍增加。即当采用二倍帧分复用时，支持8个用户，当采用四倍帧分复用时，支持16个用户。当开启业务信道2倍空分，近点及远点实测小区吞吐量有2倍的吞吐能力的提升，有效提升了系统容量。

图1 采用伴随信道帧分复用、控制信道空分复用时的小区总吞吐量
在图1（1）、（2）是HSPA控制信道2X / HSDPA业务信道4X / HSUPA业务信道2X测试时分别采用二倍帧分复用（8个用户）和四倍帧分复用（16个用户）的测试结果。
TD-HSUPA组网建议
TD-HSUPA技术引入后，将对原有网络产生如下的影响：占用上行码资源和功率资源；网络的上行干扰增加；影响链路预算、容量和覆盖；影响地面传输带宽。为了保证网络建设的性价比，运营商需要对TD-HSUPA的网络结构和性能进行充分评估，以便确定网络升级策略和运营策略。
初期，建议以较低速率全网覆盖，重点覆盖密集城区，保证热点地区的上行高速率传输，一般小区边缘地带做低速覆盖即可。HSUPA的引入与HSDPA下行业务量的发展有密切关系，网络发展到一定阶段，HSUPA可能会采用单独的载频支持HSUPA／HSDPA。在HSUPA的网络规划中，在保证相同过载概率条件以及RRM的控制算法进一步得到优化的情况下，从提高上行吞吐量角度出发，可以设置比R4常用的上行3dB噪声抬升高一些的门限，并且低速HSUPA业务可以与R4规划范围实现同覆盖。引人HSUPA后，上行增加了五条新的物理信道，需要考虑上行码资源分配和功率资源分配问题。网络初期HSUPA用户数较少，可配置较少的E-AGCH、E-HICH信道。
结束语
现网引入HSPA特性后，可以显著提升上下行分组数据的传输速率。这将对实现3G无线视频监控、无线远程医疗、培训，手机购物商城，无线城市生活等行业应用提供了最可靠的速率保障，对这些业务的后续发展有着重要的意义。对于运营商将改善终端用户体验，明显满足终端用户和行业用户对高速率数据传输的要求，有利于拓展更多政务、商业、家庭、娱乐等行业应用，发挥无线网的应用潜力，为运营商带来更多的商业价值，为社会架设更加迷人的信息桥梁。