ＴＤ－ＳＣＤＭＡ ＨＳＵＰＡ技術

摘要：時分同步碼分多址(TD-SCDMA)上行增強技術的主要目的是改善上行性能，顯著提高上行分組數據的峰值傳輸速率，以及提高上行分組數據的總體吞吐量，同時減少傳輸延遲。為了改善上行性能，高速上行分組接入(HSUPA)主要考慮的技術包括自適應調制編碼(AMC)、混合自動重傳(HARQ)、節點B(NodeB)快速調度，以及用戶終端(UE)如何共享上行信道資源，同時包括增加增強的媒體訪問控制(MAC-e/es)實體，對協議進行增強和優化。對上述技術的可行性進行研究和評估后，結果表明可以顯著改善系統性能(包括峰值速率、吞吐量和時延)。

關鍵詞：時分同步碼分多址；高速上行分組接入；自適應調制編碼；混合自動重傳；快速調度

Abstract: The enhanced uplink technology for Time Divided-Synchronous Code Division Multiple Access (TD-SCDMA) is used to improve uplink performance， to speed up the peak uplink rate， to enlarge the whole uplink throughput， and to decrease the transfer delay. The High Speed Uplink Packet Access (HSUPA) technology includes Adaptive Modulation and Coding (AMC)， Hybrid Automatic Repeat Request (HARQ)， and Node B fast scheduling. It also solves the problem of sharing the uplink channel resources for User Equipment (UE). Moreover， it has Medium Access Control protocol entities (MAC-e and MAC-es) to enhance and optimize the protocol. The research and evaluation of these technologies about their feasibility shows that the system quality (peak rate， throughput， and delay) could be improved notablely.

Key words:TD-SCDMA; HSUPA; AMC; HARQ; fast scheduling

隨著移動通信和Internet的迅速發展，許多對流量和遲延要求較高的數據業務，如視頻、流媒體和下載等，不斷涌現。這些業務對移動通信系統提出了更高的需求，要求系統提供更高的傳輸速率和更小的傳輸時延。為了滿足日益增長的分組業務需求，國際標準化組織3GPP提出了高速數據分組接入(HSDPA)技術并進行了標準化，HSDPA成為3GPP R5版本中的最主要特性。3GPP R5版本HSDPA包括頻分復用(FDD)以及時分雙工(TDD)。在完成了HSDPA的技術研究以及標準化工作后，3G系統對下行業務的支持有了很大增強，這自然就引發了一個考慮，HSDPA采用的這些技術是否可以應用于上行分組業務的優化，進而對上行的性能進行改善，包括覆蓋、吞吐量以及時延等。3GPP相應開始了高速上行分組接入(HSUPA)技術的研究，最早是建立了寬帶碼分多址(WCDMA)上行增強可行性分析的研究項目，隨后TDD廠家也提出建立了TDD上行增強研究項目[1-2]，對基站快速調度、自適應調制編碼(AMC)、混合自動重傳(HARQ)等技術進行了評估。作為3GPP標準重要組成部分的時分同步碼分多址(TD-SCDMA)，也在HSUPA方面做了很多研究和評估工作。在對技術完成評估后，后續進入工作項目階段，也就是具體的標準制訂進程。主要是根據可行性分析的結論，完成具體的標準內容，包括支持上行增強技術的信道結構定義、相關的信令及物理層處理過程等。

1 TD-SCDMA HSUPA的關鍵技術

上行增強技術的目的主要是顯著提高分組數據的峰值傳輸速率，以及提高上行分組數據的總體吞吐率，同時減少傳輸延遲，減少誤幀率。在TD-SCDMA系統中，與HSDPA相似，HSUPA主要考慮的技術包括AMC、HARQ、節點B(NodeB)快速調度，以及用戶終端(UE)如何共享上行信道資源。在上行資源共享這一點上，TDD與FDD系統不同。在FDD中，HSUPA與HSDPA的一點不同在于，HSDPA中，高速下行共享信道(HS-DSCH)作為一個共享信道，為多用戶共享，而HSUPA中，每個用戶都有自己到NodeB的數據鏈路。產生差異的原因是，TDD系統使用小區特定(Cell-specific)擾碼區分小區，因而上行碼道受限，因此增強技術考慮的出發點還是基于共享資源的考慮。

1.1 NodeB快速調度

NodeB快速調度的主要好處在于減小傳輸時延和提高吞吐量，這是因為減少了Iub接口上的傳輸過程以及對重傳、UE緩存測量的快速反饋。這一點可通過系統仿真分析驗證，圖1和圖2是無線網絡控制器(RNC)調度和NodeB調度時延仿真結果。如果假定要求99%的數據報(DG)時延小于250 ms，R5版本標準可以支持5個UE，而HSUPA則可以支持9個UE，即支持用戶數有80%的提升。

圖3是NodeB調度和RNC調度吞吐量仿真結果。可見，針對RNC調度的情況，NodeB調度時，系統分組業務的吞吐量提升了約50%。而且在分析中發現，對于持續時間短的分組業務而言，這種提升就更加明顯，這是因為時延改善相對于業務持續時間而言效果更加顯著。

除了在時延和吞吐量方面的好處，TD-SCDMA上行增強采用基站調度在資源分配和干擾控制兩個方面也都帶來好處。由于TDD上行碼道資源受限，對物理資源采用共享形式，并由基站進行快速調度，可以緩解碼道資源受限以及快速適應無線環境變化。而且通過快速控制UE的速率，基站也可以更好地控制空中接口的干擾情況。

1.2 AMC

作為鏈路自適應技術的AMC，通過在信道質量好的情況下采用高階調制來提高系統容量，關于在上行采用什么樣的調制方式本文從系統性能和對UE功放的影響兩方面進行了仿真分析。

系統性能方面，仿真針對僅采用正交相移鍵控(QPSK)，采用QPSK和8相移鍵控(8PSK)，采用QPSK、8PSK、16階正交幅度調制(16QAM)3種情況進行了比較。結果如圖4所示，圖4中曲線顯示扇區吞吐量和噪聲提升的關系。可看出，第3種情況較第2種情況吞吐量有14%～18%的提升。相對于僅用QPSK的情況，提升在54%～56%之間。

在上行，峰均比也是一個需要注意的問題，因此，對于采用高階調制后對UE功率回退的影響也進行了分析，表1總結了使用這3種調制方式在不同正交可變擴頻因子(OVSF)資源使用情況下的功率回退。

結果顯示，8PSK的峰均比較QPSK方式略低。對于16QAM，峰均比較QPSK方式高出2.1 dB。

1.3 HARQ

類似HSDPA，HARQ可以對于錯誤數據進行快速重傳，并且減少無線鏈路控制(RLC)重傳以改善用戶體驗。因此在上行增強中對HARQ的考慮主要在于減少時延和提高用戶及系統的吞吐量。HARQ的采用對物理層和MAC層都將產生影響，在上行增強中引入HARQ，需要考慮NodeB、UE存儲空間的要求，帶來的信令負荷、復雜度、UE功率限制等因素。

這里給出了在PA3信道下，采用蔡斯合并與否的鏈路性能結果。圖5給出了在PA3信道情況下需要的平均傳輸次數，可以看出在載波干擾比(C/I)較低的情況下，采用蔡斯合并可以顯著降低需要的傳輸次數。

上述內容是TD-SCDMA上行增強可行性研究項目過程中所作的一些分析和評估。根據上述分析和評估，在研究項目結束的時候，為后續TD-SCDMA上行增強標準化工作提出了應用上述技術的建議。

2 TD-SCDMA HSUPA標準

2.1 E-DCH信道

為了支持HSUPA特性，TD-SCDMA系統上行新增加了增強上行鏈路專用信道(E-DCH)，這是一個傳輸信道，用于承載高速上行數據。其傳輸時間間隔(TTI)為5 ms，支持高階調制，以及層1(L1)HARQ過程。其使用的資源，包括功率、時隙、碼道等，可由NodeB調度分配。在上行還定義了兩個控制信道上行增強控制信道(E-UCCH)和上行增強隨機接入信道(E-RUCCH)，用于傳輸上行增強相關的信令信息。E-UCCH通常和E-DCH復用在一起，傳遞當前E-DCH HARQ相關的信息。E-RUCCH映射在物理隨機接入資源上，主要用于上行增強業務的接入請求。E-DCH映射到增強上行物理信道(E-PUCH)上。E-PUCH信道資源分為調度的和非調度的兩類，其中非調度部分由無線網絡控制器(RNC)分配，而調度部分則由NodeB MAC-e實體進行調度分配。

在下行方向，為了支持基站調度，增加了增強上行絕對接入允許信道(E-AGCH)傳輸基站調度信息，以及增強上行HARQ應答指示信道(E-HICH)來支持HARQ過程的傳輸應答信息(如ACK/NACK)。

2.2 HARQ方案

系統中采用了并行停等HARQ協議，支持蔡斯和增量冗余合并。E-DCH傳輸資源由NodeB通過E-AGCH分配，隨后由E-HICH返回應答信息。這種時序關系是確定的，如圖6所示。

其中nE-AGCH表示終端接到E-AGCH和隨后開始傳輸E-DCH的時隙間隔，該值的設定與UE處理能力相關，現定義為6個時隙(不考慮特殊時隙下行導頻時隙(DwPTS)和上行導頻時隙(UpPTS))。nE-HICH表示終端傳輸E-DCH和收到基站應答的時間間隔，該值由高層配置，取值范圍4到15時隙(不考慮特殊時隙DwPTS和UpPTS)。

HARQ相關的上下行信令，主要有通過上行E-UCCH攜帶的HARQ進程ID，3比特；重傳序列號(RSN)，2比特；其他，如支持的進程個數和nE-HICH相關信息由高層配置。

2.3 NodeB調度過程

HSUPA的調度過程簡述如下：

(1)UE通過E-RUCCH發起調度請求，調度請求包含調度相關信息以及UE的標識——無線網絡臨時標識(E-RNTI)。調度信息包括本小區和鄰小區的路徑損耗信息、可以允許使用的功率、緩存占用狀況等等。

(2)NodeB調度器接收到請求后，若允許該UE發送上行增強數據，將通過E-AGCH發送接入允許信息給UE，接入允許信息主要包括功率允許和物理資源允許。并且由于E-AGCH是共享信道，因此接入允許信息還需要攜帶用戶標識區分該接入允許是給哪個UE的，同時還指示UE，其接收應答信息的E-HICH信道標識。

(3)UE收到E-AGCH，解得信息是給自己的后，就根據分配的資源和功率在E-DCH上選擇自己可以使用的速率并開始數據傳輸，具有接入允許的UE，可以在MAC-e頭重新攜帶調度信息。

(4)NodeB接收E-DCH信息，解調后根據數據是否正確，在該用戶監聽的E-HICH信道上反饋ACK/NACK信息。UE根據反饋信息判斷是否需要重傳。

E-AGCH攜帶的信息為：

(1)功率允許。功率允許指示允許的最大功率。

(2)物理資源允許，包括時隙、碼道，為了簡化，所有分配的時隙采用相同的碼道。

(3)E-RNTI，E-AGCH作為共享信道，需要攜帶用戶標識區分該接入允許是給那個UE的。

(4)資源持續指示(RDI)，為了減少調度允許的頻率，該值顯示了調度允許有效的時間。

(5)E-HICH指示(EI)，用于通知UE其應答信息使用的E-HICH信道。

(6)控制信道數目指示(ENI)，用于指示復用在E-PUCH信道的E-UCCH個數。

(7)E-AGCH循環序列號(ECSN)，用于E-AGCH外環功率控制。

3 TD-SCDMA HSUPA標準化進展

為了完成TD-SCDMA HSUPA的標準化工作，2006年3月份，由大唐公司牽頭在三亞召開了3GPP無線接入網絡(RAN)第31次全會，會上正式提出并通過了開展TD-SCDMA上行增強工作項目的建議。

隨后在3GPP幾個工作組建立了相關的技術報告，開始具體的標準研究工作。其中以RAN1工作組和RAN2工作組為主建立了兩個技術報告，分別研究對空中接口物理層協議和MAC層協議的修改和影響。同時，由于NodeB增加了MAC-e實體，對網絡結構產生一定影響，加上對新增的特性指標和性能分析，RAN3工作組和RAN4工作組也展開了相關研究。

從立項到現在經過3次RAN全會，目前該工作項目已完成70%，包括基本的物理層結構、H-ARQ定時和信令、Node-B調度、調制方案、隨機接入過程、E-RUCCH和E-AGCH結構和編碼、上行信令、UE能力、協議整體框架、E-DCH傳輸信道特性、QoS控制、移動性管理，以及Iub接口部分內容等。熱點問題還有E-HICH信道結構，調度、非調度傳輸復用，以及是否支持20 ms TTI等待完成。預期這項工作將在2007年的RAN全會上基本結束。隨后將在R7版本中完成TD-SCDMA HSUPA的標準化。TD-SCDMA HSUPA標準化工作必將對后續TD的進一步發展起到一個良好的促進作用。

4 參考文獻

[1] 3GPP TR25804-610. Feasibility study on uplink enhancements for UTRA TDD [S]. 2006.

[2] 3GPP TR25.827 1. R1-063619. 28 Mcps TDD enhanced uplink [S]. 2006.

收稿日期：2007-01-19

胡金玲，北京航空航天大學碩士畢業。大唐移動通信設備有限公司高級技術經理，主要研究方向為移動通信、無線接入，在TD-SCDMA標準方面有較深入的研究。作為主要起草人，參與TD-SCDMA標準向ITU、3GPP提交文稿的工作過程，完成了TD-SCDMA物理層技術報告以及相關文稿。現負責TD-SCDMA HSDPA/HSUPA后續技術研究和標準工作，參與CCSA TD-SCDMA多項行業標準的起草工作。