HSUPA技術(shù)介紹

WCDMA的R99和R4系統(tǒng)能夠提供的最高上下行速率分別為64kbit/s和384kbit/s，為了能夠與CDMA2000的1xEV-DO技術(shù)抗衡，3GPP在R5規(guī)范中引入了HSDPA，在R6規(guī)范中引入了HSUPA。作為WCDMA標(biāo)準(zhǔn)的升級技術(shù)，HSUPA可以使上行最高數(shù)據(jù)傳輸速率提高到5.76Mbps。目前，HSUPA標(biāo)準(zhǔn)在3GPP規(guī)范化進程中已全部凍結(jié)，并已完成全部的CR。相應(yīng)的預(yù)商用產(chǎn)品預(yù)計會在2007年年中推出。

作為一種高速分組接入技術(shù)，HSUPA引入了新的數(shù)據(jù)和信令承載功能信道，以及相應(yīng)的功率控制、擁塞控制和資源調(diào)度等機制。HSUPA在R99/R4版本的基礎(chǔ)上通過引入短TTI, 短擴頻碼，甚至采用擴頻因子為2的短碼字，以及多碼道技術(shù)等來實現(xiàn)UE的高速上行分組接入。如果分析當(dāng)擴頻增益變小和TTI變短對于物理層可能帶來的影響，這種通過修改承載參數(shù)來實現(xiàn)高速接入的機制必然會帶來分組包的誤塊率(BLER)增大，甚至丟失。正因為這一點，R99/R4就無法采用類似的方法進一步提升速率。而HSUPA通過引入自動混合重傳(HARQ)和軟合并技術(shù)來克服上

述的影響，保證系統(tǒng)的BLER。在此基礎(chǔ)上，通過把R99/R4的DCH調(diào)度從RNC往Node B前端移動，從而實現(xiàn)資源的快速調(diào)度，從而達到增加小區(qū)吞吐量的效果。

與HSUPA相對應(yīng)的是HSDPA，這是一種有效的高速下行分組傳輸技術(shù)，它能充分利用R99/R4下行物理信道多余的碼字和功率資源。HSUPA獨立于HSDPA,即兩者在關(guān)鍵技術(shù)和承載的物理信道上相互獨立。但同作為WCDMA后續(xù)的分組傳輸加強技術(shù)，HSUPA和HSDPA的關(guān)系卻極為密切。而作為一種演變技術(shù)的E-HSPA, 綜合了HSDPA和HSUPA兩者的好處。從而可以在WCDMA 5M帶寬的基礎(chǔ)上，達到與LTE(下行OFDMA、上行SC-CDMA將會在3GPP R8版本中定義)近似的性能，即頻譜利用率達到2bit/s/Hz的水平。

本文就HSUPA技術(shù)的本質(zhì)作了一下深入探討。通過分析，并借助與HSDPA的比較，揭示了HSUPA技術(shù)的實現(xiàn)和優(yōu)勢。第二章會描述HSUPA的物理層關(guān)鍵技術(shù)及其支撐信道，第三章介紹HSUPA協(xié)議棧和基于上面的快速調(diào)度技術(shù)，第四章將對HSUPA數(shù)據(jù)終端的發(fā)展做簡單介紹。最后對其演變做一下總結(jié)。論述中，將會對HSUPA發(fā)展和預(yù)商用測試的一些解決方案作一些介紹。

HSUPA物理層關(guān)鍵技術(shù)

HSUPA同HSDPA一樣，物理層關(guān)鍵技術(shù)的本質(zhì)都是對WCDMA分組傳輸技術(shù)的加強。眾所周知，分組傳輸技術(shù)本身是一種服務(wù)于用戶突發(fā)性數(shù)據(jù)訪問的技術(shù)，資源的調(diào)度是基于分組包進行的。為了支持上行高速的分組業(yè)務(wù)，HSUPA引入了五個新的物理信道，并對上行分組包的傳輸格式提供了增強支持。這主要包括短TTI(2m)和可選短擴頻碼SF=2的支持等。但在調(diào)制方式上，HSUPA卻沒有引入新的調(diào)制方案，而是使用與WCDMA上行同樣的雙BPSK調(diào)制(HPSK擴展)。而大家記得HSDPA在下行引入了比WCDMA的QPSK更高階的16QAM調(diào)制以提高下行速率。

表1 HSUPA傳輸信道和物理信道定義

表1是HSUPA傳輸信道和物理信道的定義。從中可以看到HSUPA繼續(xù)延續(xù)了WCDMA、HSDPA多碼道傳輸?shù)母拍?，其理論峰值速?.76Mbps是在2個SF=2和2個SF=4的4碼道并行傳輸?shù)那闆r下實現(xiàn)。需要注意的是，是否支持SF=2的擴頻碼由HSUPA終端的能力類別決定。此外，由于上行鏈路多碼道傳輸?shù)姆寰β时萈AR問題，必須對上行的E-DCH物理信道作I/Q路的均衡配置和功率增益補償。一般而言，E-DPCCH總是映射到I路上面;而E-DPDCH的映射取決于配置的E-DPDCH最大信道個數(shù)Nmax-dpdch和HSDPA信道的是否存在。

在對幀的支持上，HSUPA可靈活支持TTI=2ms和TTI=10ms的幀格式，表1中物理信道可以支持兩種TTI幀格式，這有別于HSDPA單一的2ms TTI和R99的10 × 2nms，(n=0,1,2,3)。10ms TTI的保留一方面是考慮標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)早期的向后兼容，另一方面是因為基于2ms TTI的短幀傳輸不適合工作于小區(qū)的邊緣。由于兩種幀格式的存在，3GPP TS 25.214(物理層進程)規(guī)范對三種下行信令信道對E-DCH控制的時序關(guān)系作了分開闡述。其目的是如何更加有效和可靠地讓服務(wù)小區(qū)集或非服務(wù)小區(qū)集中的下行控制信道攜帶的控制信息在E-DPDCH某個特定的SFN或子幀中起作用。

從本質(zhì)上而言，HSUPA主要是上行的技術(shù)?？紤]上行鏈路的特點，如上行軟切換、功率控制和UE的峰均比(PAR)及用戶間的遠(yuǎn)近效應(yīng) (上行使用擾碼來區(qū)分用戶，互相關(guān)性差)等，HSUPA主要采用快速鏈路適配，自動混合重傳和快速調(diào)度等技術(shù)來提高上行鏈路的數(shù)據(jù)速率和小區(qū)容量。

為了簡化HSUPA終端復(fù)雜的硬件結(jié)構(gòu)和處理機制，在E-HICH的功能設(shè)計上雖然與HSDPA的HS-DPCCH類似，即用來提供HARQ反饋信息(ACK/NACK)。但是，它不包含CQI信息，因此HSUPA不支持自適應(yīng)調(diào)制和編碼AMC。由于WCDMA的擴頻原理，UE的發(fā)射功率與其發(fā)送信息的數(shù)據(jù)速率直接相關(guān)：即高速率傳輸要求低擴頻因子，也意味著低擴頻增益，因此UE的發(fā)射功率要高。此外，同時發(fā)送信息的UE越多，其導(dǎo)致的相互干擾越多。而Node-B只能容忍最大數(shù)量的干擾，一旦超過最大值，它就不再能解碼各個UE的傳輸信息。所以，Node-B必須調(diào)節(jié)各個UE的E-DCH功率電平，以避免達到“功率天花板”。從表1我們可以看到，HSUPA利用RGCH信道進行上行的功率控制，以確保各個手機的功率。

采用上行功率控制后的HSUPA, E-DPDCH、E-DPCCH的初始功率設(shè)置與DPCCH有一定的偏置，即引入了△E-DPCCH和△DPDCH?！鱁-DPCCH

和△DPDCH的值由高層協(xié)議棧給出，譬如在呼叫建立的時候。根據(jù)3GPP TS 25.214規(guī)范，這種偏移bec，bed(j=1...4)值的配置還必須充分考慮TTI間隔和壓縮模式的因素。對于△DPDCH，還必須考慮采用的E-DPDCH信道個數(shù)等影響。

圖1是基于羅德與施瓦茨(R&S)CMU200平臺的HSDPA+HSUPA網(wǎng)絡(luò)模式下UE的信道功率情況及相應(yīng)的功率偏置值b的測試。這種測試可以非常清楚直觀地發(fā)現(xiàn)HSUPA數(shù)據(jù)終端的碼道功率情況，并且非常容易擴展到規(guī)范要求的其它指標(biāo)測試。

圖1 HSUPA碼道功率和功率偏置

對于終端而言，可同時檢測服務(wù)小區(qū)和非服務(wù)小區(qū)集的E-RGCH信道。不同的是只有服務(wù)小區(qū)的RGCH信道允許命令終端提高發(fā)射功率，即發(fā)射UP(+1)指令。非服務(wù)小區(qū)只能指示過載的情形。由于自動混合重傳HARQ的存在，BLER指標(biāo)不會變差。因此HSUPA的外環(huán)功率控制的依據(jù)會改為“重傳的次數(shù)”，而不是BLER，這一點跟HSDPA是類似的。

為了降低BLER,同HSDPA一樣，HSUPA采用了自動混合重傳技術(shù)HARQ，支持兩種合并方式。即對基站重發(fā)的相同的分組包進行前后合并(Chase Combing)或?qū)局匕l(fā)的含有不同信息(即冗余信息)的分組包進行增量冗余合并(Increment Redundancy)。信息在UE與基站間直接傳輸，采用ACK/NACK的方式進行，當(dāng)基站正確接收數(shù)據(jù)后，會通過E-HICH信道發(fā)送ACK信息，否則發(fā)送NACK信息，這樣便于UE準(zhǔn)確及時地了解是否需要重傳。

實際的HSUPA系統(tǒng)，為了克服停止等待協(xié)議(Stop and Wait，UE發(fā)送數(shù)據(jù)包以后要等待基站返回的ACK/NACK，這種等待降低了傳輸速率)的局限性，采用了HARQ并發(fā)進程的做法。在等待基站返回ACK/NACK時，UE可以發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包。對于發(fā)送的每一個數(shù)據(jù)包，UE在E-DPCCH都發(fā)送相應(yīng)的重傳序列號RSN,這種HARQ是同步的。這樣就極大地提高了重傳的速度。目前通過CMU200平臺可以非常方便進行上述的配置，來驗證UE的HARQ等性能。

事實上HARQ技術(shù)的效率和性能很大程度上取決于HSUPA的調(diào)度算法。HSUPA中的調(diào)度主要由NodeB中新增的MAC-e功能實體完成。

圖2 R&S Layer 1 軟件的服務(wù)準(zhǔn)許配置

HSUPA協(xié)議棧和快速調(diào)度

HSUPA調(diào)度的核心思想是避免過多的UE同時高速接入，從而給系統(tǒng)帶來干擾，即盡可能抑制上行干擾和功率過載。這一點同HSDPA采用MAC-hs調(diào)度,實現(xiàn)碼字和功率的有效分配有很大差別的。但兩者共同點是，調(diào)度信令是在基站和移動終端間直接傳輸?shù)模@跟WCDMA R99 的RNC控制下的RLC重傳機制不同，因而更加適合于高速的分組調(diào)度。

HSUPA 基于Node B的快速調(diào)度機制可以使基站靈活快速地控制小區(qū)內(nèi)各移動終端的傳輸速率，使無線網(wǎng)絡(luò)資源更有效地服務(wù)于訪問突發(fā)性數(shù)據(jù)的用戶，從而達到增加小區(qū)吞吐量的效果。

目前HSUPA的調(diào)度主要基于E-DCH信道進行的。調(diào)度的申請主要是UE向基站發(fā)送相應(yīng)信令信息實現(xiàn)。每個UE都有自己的服務(wù)準(zhǔn)許(Serving Grant)，影響著下一次發(fā)射UE采用的E-DPDCH信道的功率比。從表1中我們知道，服務(wù)準(zhǔn)許包括兩方面的內(nèi)容：絕對準(zhǔn)許及相對準(zhǔn)許。絕對準(zhǔn)許的內(nèi)容為小區(qū)信息，E-DCH的絕對功率偏置(相對DPCCH)以及UE可用的Primary E-RNTI及Secondary E-RNTI。絕對準(zhǔn)許可以用來初始化UE的服務(wù)準(zhǔn)許。

當(dāng)UE的上傳數(shù)據(jù)量非常大時，Node B會指示它使用主E-RNTI資源，反之指示它使用輔E-RNTI，即與其他用戶共享E-RNTI的資源。相對準(zhǔn)許主要包括E-DCH信道功率的相對上升(UP)，保持(HOLD)和下降(DOWN)等信息。UE的服務(wù)準(zhǔn)許可根據(jù)絕對準(zhǔn)許及相對準(zhǔn)許的改變而更新。處于主E-RNTI的UE，基站采用專用的調(diào)度機制;處于輔E-RNTI的UE，基站采用一般調(diào)度方案。需要注意的是，服務(wù)準(zhǔn)許的更新主要是通過查找SG表來實現(xiàn)。為了保證更新的效率，通過對前面TTI功率比參數(shù)的判斷采用的不同的步幅。

正如我們前面提到，HSUPA的調(diào)度由MAC-e功能實體完成。實際上，HSUPA在UE和網(wǎng)元Node B及SRNC上引入了MAC-e和MAC-es兩個實體，如圖3。MAC-e在UE和Node B中實現(xiàn)，通俗而言，它是重傳和調(diào)度的指揮中心，決定UE的高速接入，并根據(jù)隊列優(yōu)先級、UE能力、等待/空閑時間、ACK/NACK重復(fù)次數(shù)和壓縮模式等參數(shù)進行基于業(yè)務(wù)QoS需求的TFC算法

選擇。從理論上而言，這是一種參數(shù)化的調(diào)度器。

圖3 HSUPA協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

MAC-es實體在UE和SRNC中實現(xiàn)。在UE中，它負(fù)責(zé)把多條MAC-d流量復(fù)用到同一條MAC-es流上。在SRNC中,它主要負(fù)責(zé)順序合并和把MAC-d流跟不同QoS規(guī)范(如流類業(yè)務(wù)和后臺類業(yè)務(wù))的各個PDP場景對應(yīng)。因此，與HSDPA不同，MAC層在Node B和RNC之間的分離，為E-DCH軟切換和更軟切換創(chuàng)造了條件。因為位于SRNC中的MAC-es接收的幀可能來自當(dāng)前為UE服務(wù)的不同Node-B。

目前，3GPP TS34.123對于MAC-e/MAC-es的實體的各種具體功能，包括與RRC相互作用的各種場景，主要包括RRC控制下物理信道的重配，E-TFC, happy bit調(diào)度和HARQ重傳機制及MAC-d流的正確復(fù)用和解復(fù)用等。另外，基于業(yè)務(wù)QoS的RAB建立和NAS層HSUPA相關(guān)的特性都需要額外考察。

在切換方面，HSUPA到GPRS小區(qū)的切換是比較關(guān)鍵的地方。目前關(guān)于此方面的測試可以在羅德與施瓦茨公司的CRTU-W上實現(xiàn)。CRTU具備強大的分析工具支持，甚至可以支持上傳文件，Email等真實的業(yè)務(wù)流。

HSUPA數(shù)據(jù)終端介紹

根據(jù)3GPP規(guī)范，HSUPA終端共有6類。它們代表了不同的執(zhí)行復(fù)雜性。差別主要在于最大支持的E-DCH碼字，最小的擴頻因子，TTI和支持的最大傳輸塊大小。其中TTI和最大傳輸塊大小決定了UE的最大傳輸速率。目前，6個分類中，支持2ms TTI的僅有三種，而支持10ms TTI的，即2Mbps的終端在各個分類中居于多數(shù)。

正如HSDPA數(shù)據(jù)終端分階段進行一樣，HSUPA終端的發(fā)展也必然分階段進行。在預(yù)商用的早期，2Mbps的數(shù)據(jù)終端會最先推出，再逐步發(fā)展到5.76Mbps。

在HSUPA數(shù)據(jù)終端的開發(fā)過程中，要經(jīng)歷物理層測試，協(xié)議棧集成，射頻測試，一致性測試，生產(chǎn)測試等階段。這是一個分階段逐步進行的工作。為了加速產(chǎn)品的開發(fā)和保證終端的質(zhì)量，需要對各個功能模塊和實體單元進行暗箱或白箱測試。在這些階段可以分步采用支持HSUPA測試的信號源SMU200A和頻譜分析儀FSU/FSQ、無線綜測儀CMU200和協(xié)議分析儀CRTU-W，具有很好的靈活性。

結(jié)語

正如本文前面介紹，HSUPA物理層和協(xié)議棧技術(shù)使3G上行頻譜效率翻了一倍。對于FDD對稱頻段的WCDMA系統(tǒng)，極大的提高了資源的利用率。此外，對于提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，提供高速的上行業(yè)務(wù)，尤其是高速互動類業(yè)務(wù)，上載類業(yè)務(wù)提供了強有力的保障，從而幫助運營商降低運營成本并提高其業(yè)務(wù)吸引力。

HSUPA是與HSDPA對稱互補的技術(shù)。HSDPA和HSUPA結(jié)合在一起，會達到資源利用的最大化。目前3GPP在上行的可能信道配置上給出了三種組合，分別對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模式為R99+HSDPA, R99+HSDPA+HSUPA和HSDPA+HSUPA。目前各大芯片廠商正在加強推出HSUPA的早期預(yù)商用芯片。估計在明年中后期，整個市場將會逐漸成熟。

其演變技術(shù)E-HSPA，有利于網(wǎng)絡(luò)的整體優(yōu)化。目前E-HSPA已納入3GPP的候選考慮范疇，以作為向LTE平滑過渡的技術(shù)。不管結(jié)果怎樣，可以用岑參的一句詩來形容：“忽如一夜春風(fēng)來，千樹萬樹梨花開”，市場回暖和業(yè)務(wù)驅(qū)動的今天，HSUPA的推出勢在必行。