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HSPA

HSPA英文全称为HSPA High-Speed Packet Access。

WCDMA的R99和R4系统能够提供的最高上下行速率分别为64kbps和384kbps,为了能够与CDMA1XEV-DO抗衡,WCDMA在R5规范中引入了HSDPA,在R6规范中引入了HSUPA,HS-DPA和HSUPA合称为HSPA。

HSDPA(高速下行分组接入)在下行链路上能够实现高达14.4Mbit/s的速率。通过新的自适应调制与编码以及将部分无线接口控制功能从无线网络控制器转移到基站中,实现了更高效的调度以及更快捷的重传,HSDPA的性能得到了优化和提升。

HSUPA(高速上行分组接入)在上行链路中能够实现高达5.76Mbit/s的速度。基站中更高效的上行链路调度以及更快捷的重传控制成就了HSUPA的优越性能。

HSPA+(增强型高速分组接入)是HSPA的强化版本。HSPA+比HSPA的速度更快,性能更好,技术更先进,同时网络也更稳定,是目前LTE技术运用之前的最快的网络。

WCDMA R5版本高速数据业务增强方案充分参考了cdma20001X EV-DO的设计思想与经验,新增加一条高速共享信道(HS-DSCH),同时采用了一些更高效的自适应链路层技术。共享信道使得传输功率、PN码等资源可以统一利用,根据用户实际情况动态分配,从而提高了资源的利用率。自适应链路层技术根据当前信道的状况对传输参数进行调整,如快速链路调整技术、结合软合并的快速混合重传技术、集中调度技术等,从而尽可能地提高系统的吞吐率,并能有效降低数据重传的程度和传输时延。

从市场的角度看,HSDPA在发展高速无线数据业务方面具有很强的吸引力。一般说来,数据传输的成本是网络运营成本和资本折旧的总和。网络开销在很大程度上决定于基站的总体分区吞吐量。假定每个基站的成本一定的话,那么通过一个基站传输的数据量越大,传送每兆字节数据的成本就越低。与EDGE和WCDMA相比,HSDPA在频谱效率方面的改进降低了每个比特数据的传输成本。

这样一来,移动运营商就可以以较低的价格向更广大的用户群提供更丰富的服务。

运营商采用HSDPA搭建无线网络,可以在网络潜力较低的情况下提供更大的分区和用户数据处理量,而数据传输能力的改进可以使运营商为用户提供更多的具有更强吸引力、内容更丰富的新服务和新应用,并满足消费者对视频点播、音频点播、图像短信和基于位置的服务等内容丰富的媒体业务的日益增长的需求。HSDPA技术的频谱效率优势可以使运营商以较低的成本提供这类服务,给用户带来优于传统技术的体验。

基于演进考虑,HSDPA设计遵循的准则之一是尽可能地兼容R99版本中定义的功能实体与逻辑层间的功能划分。在保持R99版本结构的同时,在NodeB(基站)增加了新的媒体接入控制(MAC)实体MAC-hs,负责调度、链路调整以及混合ARQ控制等功能。这样使得系统可以在RNC统一对用户在HS-DSCH信道与专用数据信道DCH之间切换进行管理。HSDPA引入的信道使用与其它信道相同的频点,从而使得运营商可以灵活地根据实际业务情况对信道资源进行灵活配置。HSDPA信道包括高速共享数据信道(HS-DSCH)以及相应的下行共享控制信道(HS-SCCH)和上行专用物理控制信道(HS-DPCCH)。下行共享控制信道(HS-SCCH)承载从MAC-hs到终端的控制信息,包括移动台身份标记、H-ARQ相关参数以及HS-DSCH使用的传输格式。这些信息每隔2ms从基站发向移动台。上行专用物理控制信道(HS-DPCCH)则由移动台用来向基站报告下行信道质量状况并请求基站重传有错误的数据块。

共享高速数据信道(HS-DSCH)映射的信道码资源由15个扩频因子固定为16的SF码构成。不同移动台除了在不同时段分享信道资源外,还分享信道码资源。信道码资源共享使系统可以在较小数据包传输时仅使用信道码集的一个子集,从而更有效地使用信道资源。此外,信道码共享还使得终端可以从较低的数据率能力起步,逐步扩展,有利于终端的开发。从共用信道池分配的信道码由RBS根据HS-DSCH信道业务情况每隔2ms分配一次。与专用数据信道使用软切换不同,高速共享数据信道(HS-DSCH)间使用硬切换方式。

什么是HSDPA?

HSDPA: 高速下行链路分组接入技术(High Speed Downlink Packet Access)

3GPP Release 5 及后续规范版本中定义的关键新特性

目标: 通过在下行链路提供高速数据传输速率来增强3G系统的性能,理论最高达14.4Mbps

可基于3GPP R’99 网络直接演进

为什么HSDPA可以提供高速分组接入?

香农定理C=W*log2(1+S/N)

HSDPA采用高阶调制(16QAM)、固定扩频码、自适应编码与调制、基于NodeB的快速自动混合重传(HARQ)、快速调度等技术代替了可变OVSF、快速功率控制、基于RNC的重传等等。

HSDPA 新的信道

新的传输信道:

HS-DSCH (Downlink,shared traffic)

新的物理信道:

HS-PDSCH (Downlink,shared traffic)

HS-SCCH (downlink,shared control massage)

HS-DPCCH (Uplink,HS-Dedicated Physical Control)

HSDPA 新的传输信道--HS-DSCH

⑴仅在下行链路存在;

⑵每个UE仅有一个HS-DSCH类型的CCTrCH ,CCTrCH 可以映射到一个或者多个物理信道;

⑶TTI为2ms,只支持Turbo编码,支持更高阶的调制

⑷无功控、无软切换、固定扩频因子(SF=16)

⑸不支持时隙级的DTX

HS-PDSCHHS-Physical Downlink Shared Channel

⑴SF = 16

⑵最高可支持15个 HS-PDSCH

⑶高速数据信道 (比特速率 > 10 Mbps)

⑷DCH 总是伴随出现 (DPCH, SF 4 ..512)

HS-SCCH HS-Shared Control CHannel

⑴SF = 128

⑵传输格式参数 (channelisation-code, modulation, TBS size)

⑶混合自动重传请求信息 (process, new data, redundancy version)

⑷每个终端最多支持4个HS-SCCH

⑸UE ID信息

HS-DPCCH HS-Dedicated Physical Control

⑴混合自动重传请求响应(ack/nack)

⑵信道质量指示 (CQI)

⑶SF = 256

⑴自适应调制编码(AMC)

HSDPA引入高阶调制: 16QAM

用户可复用多个码道 ,最多可并行 15 个码道

16QAM Modulation

Peak rate: (3.84/16)*15*4 Mbps =14.4 Mbps

⒊84Mbps : chip rate

16 : spreading factor

15 : maximum available HS-DSCH

4 : 4 bits modulated in 16QAM

QPSK Modulation

Peak rate: (3.84/16)*15*2 Mbps =7.2 Mbps

⒊84Mbps : chip rate

16 : spreading factor

15 : maximum available HS-DSCH

2 : 2 bits modulated in QPSK

⑵快速调度Fast Scheduling

⒈HS-PDSCH 是共享信道

⒉MAC-hs Scheduler 决定HS-PDSCH 信道的接入

⒊每2ms(TTI) 进行一次时域和码域的调度

⒋调度算法的选择直接影响整体性能,需要在传输速率和公平性上取得平衡。

时间域上的快速调度:

⑴传输基于以下内容的考虑:

⑵信道质量

⑶终端类型

⑷当前小区负荷 (可用的资源 / 存储器的状态)

⑸话务优先级 / 服务质量等级

⑹终端反馈 (ACK/NACK)

码域上的快速调度

⑴每个传输时间间隔上最多并行15个码道

常见的调度算法:

Round Robin

Max C/I

Proportional fair

Priority based

⑶混合自动重传请求(HARQ)

⒈由Node-B完成

⒉在Node B新增一个MAC-hs 媒体接入控制协议层

HARQ分类

Type I

用FEC处理,放弃触发ARQ以前的数据包

改进的Type I不丢弃以前的数据包,而是存储并和重传的数据合并,但重传的FEC不变,这种

方法也称为软合并 (Chase Combining)

Type Ⅱ

错误分组不被丢弃,而是和发送端重发的增量冗余信息合并后进行译码

每次重传包含不同的冗余信息

重传分组无法自解码

Type Ⅲ

错误分组不被丢弃,而是和发送端重发的增量冗余信息合并后进行译码

每次重传都包含系统比特

重传分组具有自解码能力

HARQ主要功能

⒈HARQ主要功能是产生冗余版本(RV)

⒉RV由两次速率匹配生成

⒊第一次速率匹配的参数为NTTI和NIR (由高层信令指示)

⒋第二次速率匹配的RV参数是s和r

HSDPA 需要新的终端支持:

一个新的协议栈、新的调制编码

3GPP W-CDMA/ FDD规范中定义了12种终端

CQI

信道质量指示符 Channel Quality Indicator (CQI) 由手机传给系统,标识给定瞬时条件下可支持的传输格式

CQI基于导频信道测量和换算

该表对应于11 & 12终端类型的手机

⒉1 HSUPA概述

E-DCH和R99/HSDPA相比

HSUPA不是独立的新功能,是DCH的增强。

HSUPA运行需要使用到R99大多数基本功能(如功控、软切换等)。

HSUPA没有替代任何R99功能,更多的是叠加而不是替代。

为什么HSUPA可以提高接入速率,增大容量

香农定理 C=W*log2(1+S/N)

HSUPA没有采用高阶调制就获得了高速率

L1的HARQ和Node B快速调度

HSUPA新的传输信道

Uplink:E-DCH

HSUPA新的物理信道

Uplink:

E-DPDCH:E-DCH Dedicated Physical Data Channel(E-DCH 专用物理数据信道)

E-DPCCH:E-DCH Dedicated Physical Control Channel(E-DCH专用物理控制信道)

Downlink

E-AGCH: E-DCH Absolute Grant Channel(E-DCH 绝对准入信道)

E-RGCH: E-DCH Relative Grant Channel(E-DCH 相对准入信道)

E-HICH: E-DCH HARQ Acknowledgement Indicator Channel(E-DCH 指示符信道)

HSUPA新的传输信道E-DCH

E-DCH和DCH的差异

DCH:一个UE多个,复合为一个CCTrCH

E-DCH:一个UE仅能一个,MAC可将多个业务复用到一个E-DCH,支持HARQ

E-DCH和DCH可以并存同一UE,但若配置了E-DCH,则DCH的最大速率被限制在64kbps

E-DCH编码过程

CRC:固定为24bit,DCH为0、8、12、16、24bit

传输块分割:Max5114bit

信道编码:1/3 Turbo,DCH为1/2、1/3卷积,1/3Turbo

HARQ:速率匹配并产生RV

物理信道分段:与DCH相同

交织:只有一次,DCH为两次

R99、HSDPA、HSUPA物理信道比较

HSUPA新的物理信道

上行 E-DPDCH(E-DCH Dedicated Physical Data CHannel)

传输上行数据,扩频因子256~2,BPSK调制

上行 E-DPCCH(E-DCH Dedicated Physical Control CHannel)

传输上行控制信息E-TFCI,RSN,等,扩频因子256

下行 E-AGCH (E-DCH Absolute Grant CHannel)

传输Node B调度程序判决绝对值,SF=256

下行 E-RGCH (E-DCH Absolute Grant CHannel)

传输增/减调度指令,SF=128

下行 E-HICH (E-DCH HARQ Acknowledgement Indicator CHannel)

传输上行数据接受确认指示,SF=128

上下行Associated PDCH

传输高层信令,提供功控、同步参考

下行数据

HSUPA新的物理信道--E-DPDCH

⑴用于上行传输数据,OVSF,扩频因子256~2,调制方式BPSK

⑵支持多码道传输,最大速率2×SF2+2×SF4=5.76Mbps

⑶支持两种TTI:2ms或10ms,2msTTI通过5个独立的子帧实现

⑷E-DPDCH不能独立传输,需要同时传送DPCCH,依据其导频进行信道估计和功控

E-DPDCH和DPDCH比较

相同:

帧结构,OVSF,多码道传输,BPSK,快速功控,

不同:

E-DPDCH支持SF=2 E-DPDCH支持Node B调度

E-DPDCH支持HARQ E-DPDCH支持2msTTI

HSUPA新的物理信道-- E-DPCCH

⑴用于上行传输和E-DPDCH相关的物理层控制信息

⑵10bit信息,主要包括三部分:E-TFCI,RSN,Happy bit

⑶实际信息10bit进行(30,10)二阶Reed-Muller编码变为30bit

⑷固定映射到I支路,扩频因子为SF2561,

⑸2msTTI传输30bit,10msTTI重复这30bit5次

E-DPCCH包含的10bit信息

⑴E-TFCI:7bit,E-DCH传输格式组合指示,表明E-DPDCH传输块大小

⑵3GPP25.321定义了4个E-TFCI table

⑶RSN:2bit,重传序列号,通知当前E-DPDCH上发送的传输块HARQ序号

⑷首传RSN=0,第一次重传RSN=1,………,第三次重传RSN=3

⑸Happy bit:1bit,指示UE是否满足当前的数据速率(相对功率)

UE 选择E-TFCI是基于

⑴允许的E-TFCS (由RNC通过RRC信令指示)

⑵准入功率(AGCH/RGCH 通过 Node B调度)

⑶UEbuffer (Remaining PDUs to transmit)

⑷UE capability (如 Max Tx power)

HSUPA新的物理信道-- E-AGCH

⑴下行公共信道,用于通知E-DPDCH相对于DPCCH可使用的准确功率水平

⑵共6bit信息,包含三部分内容

⑶绝对准入值(5bit):0~31,表明E-DPDCH/DPCCH功率比

⑷绝对准入范围(1bit):仅用于2msTTI,用以激活/去激活某一特定的HARQ进程(由E-AGCH时序来识别)或全部HARQ进程

⑸主/辅UE-id:用于掩码E-AGCH,表征E-AGCH属于哪个UE

⑹SF=256,2msTTI传输60bit,10msTTI重复这60bit5次

E-AGCH编码过程

⑴E-AGCH的结构与HSDPA的HS-SCCH结构非常相似

⑵6bit信息上计算一个16bit的CRC,并使用主/辅UE-id进行掩码

⑶通过UE-id,UE可以知道E-AGCH是否属于自己

HSUPA新的物理信道-- E-RGCH

⑴下行信道,用于传递↑或↓指令,影响E-DPDCH的相对发射功率,从而调节上行数据速率的上升/下降

⑵E-RGCH采用开/关键控的BPSK调制

⑶2msTTI,RG信息在3个slot传送,10msTTI时:

⑷40个E-RGCH和E-HICH复用到一个SF=128的下行码道

HSUPA新的物理信道-- E-HICH

⑴下行信道,用于传递上行数据接受确认/非确认消息

⑵E-HICH采用开/关键控的BPSK调制

⑶2msTTI,HI信息在3个slot传送,10msTTI时HI在12个slot传送

⑷40个E-RGCH和E-HICH复用到一个SF=128的下行码道

E-HICH/E-RGCH复用过程

⑴E-HICH/E-RGCH基本组成单元是40bit长的正交序列

⑵40个正交序列复用到一个SF=128的码道。

⑶相同的E-HICH/E-RGCH bit在3个时隙重复3次,但遵循特定的跳变图样

⑷一个小区可以配置多个SF=128的码道来突破40个特征码(E-HICH和E-RGCH各20个)的限制,但同一用户的E-HICH/E-RGCH必须在同一码道

HSUPA的软切换

⑴ HSUPA支持软切换

⑵ HSUPA可以和R99有不同的激活集

R99 DCH active set最大为6

HSUPA E-DCH active set最大为4

⑶E-DCH服务小区更新和HSDPA小区更新的准则相同

⑷1D事件用于最佳服务小区变更时发送测量报告

⑸在HSUPA系统中,对于来讲UE有三种小区

Serving DCH cell

Serving E-DCH Radio Link Cell

Non serving E-DCH Radio Link Cell

⑹E-DCH的服务小区可以和HSDPA服务小区不同,也可相同

⑴Serving E-DCH Radio Link set Cell

一个UE 只能有 1 个Serving E-DCH RLS

⑵Non serving E-DCH Radio Link Cell

⑶Serving DCH cell

3GPP WCDMA系统中HSUPA最显著的特征是在上行增加了新的传输信道E-DCH, E-DCH借鉴了HSDPA中HS-DSCH信道的些特征。E-DCH传输信道支持基于Node B的快速调度、具有增量冗余的快速物理层HARQ机制和可选的2ms的传输时间间隔(TTI, Transmission Time Interval)。与HSDPA不同的是HSUPA不是共享信道,而是专用信道,因此与其说HSUPA是上行的HSDPA,不如说HSUPA是具有快速调度和HARQ机制的基于 R99的DCH信道:即每个UE都具有它自己与Node B相连的专用E-DCH传输信道,该通路与其他用产的DCH和E-DCH都是相互独立的。HSUPA中除了E-DCH外,还需要增加新的信令信道(如图7.3所示)。图中所有的信道 (除广播信道外)都是HSUPA操作所不可缺少的信道。在图7.3中假设下行链路是DCH,然而在多数情况下可能是HSDPA的信道,但是为了清楚起见,在图中除了HSUPA的相关信道外,只给出了下行DCH。

⑴E-DCH:增强型的上行专用传输信道,支持2ms TTI,其传输格式定义为E-TFC,传输格式指示定义E-TFCI,最大传输块大小为20000bit/10ms,11484bit/2ms, ⑵E-DPCCH:用于承载和E-DCH相关控制信息的上行专用物理信道。一条无线链路只有个EDPCCH;

⑶E-DPDCH:用于承载E-DCH数据的上行专用物理信道。一条无线链路可能有0个、 1个或多个E-DPDCH;

⑷E-H1CH;用于承载E-DCH HARQ确认指示的下行专用物理信道;

⑸E-AGCH:用于承载E-DCH绝对调度授予的下行公共物理信道;

⑹E-RGCH:用于承载E-DCH相对调度授予的厂行专用物理信道。

在随后部分将对用于支持重传的E-DCH HARQ指示信道(E-HICH,E-DCH HARQ Indicator CHannel),用于调度控制的E-DCH绝对授予信道(E-AGCH,E-DCH Absolute Grant CHannel)以及E-DCH相对授予信道(E-RGCH,E-DCH Relative Grant CHannel)进行详细介绍。在HSUPA中,用户数据在增强专用物理数据信道(E-DPDCH,Enhanced-Dedicated Physical Data CHannel)上承载,而新的控制信令在E-DPCCH上承载。自R99以来,专用物理控制信道(DPCCH,Dedicated Physical Control CHannel)始终没有改变,而对DPDCH信道的需求取决于上行业务映射到DCH的可能性。

与HSDPA相比,HSUPA不支持自适应调制,因为它并不支持任何高阶调制。与使用简单BPSK调制的多个并行码信道传输相比,更加复杂的调制方式会使所发送的每个比特消耗更多的能量。在下行,由于发射信道功串具有较小的动态范围,因而存在下行信号的发射功率高于正常信号接收所需功率的情况。这样对HSDPA来说通过使用高阶调制就可以提供更高的数据速率而无需增加额外的发射功率。然而上行链路并非如此,较高的数据速率要求所有UE,包括离Node B非常近的UE都要具有足够的可用发射功率用于BPSK和多码传输。

HSUPA主要采用了三种技术:物理层馄合重传(HARQ),基于Node B的快速调度以及 2msTrl短帧传输。

对运营商来说,引进HSUPA将带来如下好处:

为用户提供更高上行传输速率

为高速数据业务提供更好覆盖

提高WCDMA网络承载数据服务的容量

对普通用户来说,HSUPA意味着:

用户能感到更好的网络质量,尤其是在使用对称数据业务时

更短的服务反应时间

更可靠的服务

HSPA+的全称为High-Speed Packet Access+,增强型高速分组接入技术,是HSPA的强化版本。HSPA+比HSPA的速度更快,性能更好,技术更先进,同时网络也更稳定,是目前LTE技术运用之前的最快的网络。ITU已经把HSPA+列为4G网络的一个标准,目前4G标准有LTE-Advanced、WirelessMAN-Advanced、WIMAX、HSPA+、LTE(FDD-LTE和TDD-LTE)五个标准。

HSPA+为运营商提供低复杂度、低成本从HSPA向LTE平滑演进的途径,它在保留HSPA的关键技术的基础上,增加了MIMO多天线技术,提高系统的容量和可靠性;利用连续性分组连接方案,降低了潜在的传输间断、频繁的连接中止以及重连等带来的开销和时延,以提高用户数量、用户容量和系统效率;HSPA+所采用的高阶调制技术提高了用户的数据传输速率。

HSPA+是一个全IP、全业务网络,它提高了VoIP和其它时延敏感业务的容量,减少了业务建立时延,改善了实时业务,同时后向兼容原有WCDMA网络,较好地保护了用户的原有投资。

为了实现HSPA+的高效性能,采用了以下关键技术:

MIMO技术与HSPA的结合。

通过MIMO技术可以提高系统容量和频谱效率。

更高阶的调制技术。

在R6中,HSPA分别在上、下行使用QPSK和16QAM。为进一步提高速率,HSPA+在下行引入16QAM的调制方案;而在上行链路,由于引入了16QAM,最高速率大约为11.5 Mbit/s。相当于R5中QPSK 5.74 Mbit/s的速率(码速率为1)来说,提高了一倍。

分组数据的连续传输。

在下行信道,新引入了F-DPCH,可在有限代码情况下支持更多的HSDPA用户数量。

增强型CELL_FACH。

HSPA+引入增强型CELL_FACH,有如下性能:

1)通过HSPA技术增加UE在CELL_FACH状态下的峰值速率。

2)采用更高的数据速率,减小CELL_FACH、CELL_PCH及URA_PCH信道用户平面和控制平面时延。

3)减小CELL_FACH、CELL_PCH及URA_PCH状态到CELL_DCH状态的转换时延。

4)通过不连续传输来减小CELL_FACH状态下的UE的功率消耗。

支持高数据速率的增强型两层机制。

R7中做了如下修改:

1)通过引入可变大小的RLC PDU模式、MAC-hs复用和MAC-hs分割增加对高速数据链路层的支持。

2)提供层2协议,增进性能。

3)对支持MAC-d复用及RLC级联的必要性进行评估。

4)保证新旧系统的平滑演进。


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