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HSDPA与HSUPA增强功能及测试分析

52RD.com 2006年12月21日 Simon Binar            评论:5条 查看 我来说两句
  

宽频蜂巢式数据服务市场正在迅速变化。仅仅在几年前,UMTS技术仍处在早期部署阶段,能够利用提高频宽的服务少之又少,而能够支援这些服务的手机数量就更少。现在,UMTS终于慢慢成为主流技术,中等价位手机已经上市,可获得更多的终端用户。

由于这一市场的发展,厂商和制造商正寻求各种方式,首先满足数量不断提高的潜在3G用户需求,其次是改善用户在这些宽频服务中的感受。在技术方面,这需要改善3G网路容量,支援的峰值速率必须超过Rel.99 UMTS支援的384kbps,在理想情况下还应使用3G频谱。

第三代合作计划(3GPP)在早期阶段已经认识到这种需求,其任务是制订基于WCDMA的3G标准。在2000年,它作为3GPP Rel-4标准化活动的一部份进行可行性研究,其目标是确定可望改进容量及可以实现峰值数据速率的技术,特别是在下行方向。这一努力使得作为3GPP Rel-5的一部份的一系列增强规格得到核准,这些规格统称为HSDPA(高速下行封包接取)。

由于互动服务的数量不断提高,这些服务由最终用户产生内容而不是使用内容,人们需要改善上行使用容量。3GPP Rel-6中的‘FDD增强上行’功能满足了这种要求,这就是我们通常所说的HSUPA (高速上行封包接取)。

HSDPA和HSUPA都在3G无线接取网路(即UTRAN)中导入了新功能,必须使用相应的软体升级Node-B和RNC。与蜂巢式网路中的任何其它技术进展一样,在部署之前必须全面测试这些增强功能,包括功能级和性能级。本文的目的是介绍UTRAN增强功能,展示在开发/部署这些新技术时存在哪类测试要求。

HSDPA简介及功能测试

HSDPA设计用于在一个小区中支援14.4Mbps的峰值数据速率。UTRAN的主要增强功能是导入了一条新的传输讯息通道,称为高速共享数据信息通道(HS-DSCH,参见表1),外加上行和下行使用的两条控制信息通道。


表1:HSDPA专用传输信息通道和实体信息通道

顾名思义,HS-DSCH是多个用户可同时使用的一条共享信息通道,满足了具有突发服务特点的应用需求。

这条新传输信息通道的导入影响着多个协议层,最明显的变化在实体层和MAC层。以下特性实现了HSDPA的高吞吐量功能:

1. HSDPA导入了一种自适应调变和编码(AMC)方案,根据终端和Node-B提供的信息通道条件相关资讯选择调变方法和编码速率。在下行方向,HSDPA支援16QAM作为良好信息通道条件下传输数据的高阶调变方法,同时支援用于WCDMA中的QPSK。

2. HSDPA採用混合自动重覆请求(HARQ)协议处理重传,保证无差错数据传输。HARQ是称为MAC-hs的新型MAC实体的关键要素,同时位于Node-B和用户设备中(UE),参见图1。


图1:HSDPA L1/L2协议结构

3. 快速封包调度演算法作为Node-B功能的一部份实现,它把HS-DSCH资源(如时隙和程式码)分配给不同的用户。

从这些特性可以看出,以前为RLC协议层及服务RNC(SRNC)预留的部份功能已经下移到MAC协议层及Node-B中。时间关键的功能(如HARQ处理和封包调度)对无线介面至关重要,因为HSDPA指定的传输时间间隔(TTI)仅2ms,是Rel. 99 WCDMA指定之最小TTI的1/5。换言之,重传及调变方法和编码速率变化等可能会每隔2ms产生一次。这么低的TTI明显允许Node-B更快地对变化的讯息通道条件作出反应,因此HSDPA为高吞吐量应用提供了更好的性能。

HSDPA标准比HS-DSCH更进一步,新增了以下两条传输讯息通道和实体层讯息通道:

1. 高速共享控制信息通道(HS-SCCH)是一条下行信息通道,用来提供与HS-PDSCH有关的控制资讯。它包括下一个HSDPA子讯框指向的移动终端标识、资讯程式码集资讯,以及解码HS-DSCH子讯框使用的调变方案等资讯。

2. 高速专用实体控制信息通道(HS-DPCCH)是一条上行控制信息通道,用来传送信息通道品质资讯(由CQI信息通道品质指示位元携带)及与Node-B中HARQ作业有关的ACK/NACK消息。

MAC协议增强功能

HSDPA不仅导入了新的传输信息通道和实体层信息通道,还对包括MAC层的高层协议产生影响。图1显示了HSDPA的第一层/第二层协议结构。

不同类型的MAC实体用来识别不同类别的传输信息通道。3GPP Rel. 99中区分了专用传输信息通道和共用传输信息通道,因此MAC层包含一个MAC-d实体和一个MAC-c实体。HSDPA的导入需要定义一个新的实体,称为MAC-hs。在Rel. 99规格中,MAC层在RNC中实现,相较之下MAC-hs则用于Node-B中,考虑了标准高性能实现方式的要求。

Node-B MAC-hs负责处理与HS-DSCH有关的第二层功能,包括下述功能:

1. 处理HARQ协议,包括产生ACK和NACK消息。

2. 重新排列失序的子讯框顺序。注意,这实际上是RLC协议的功能,但这个协议层没有在HS-DSCH的Node-B中实现。因此,MAC-hs必须接管RLC的部份关键任务。由于HARQ的重传处理,子讯框到达时可能会失序。

3. 多工多个MAC-d串流到一个MAC-hs串流,并从一个MAC-hs串流对多条MAC-d串流进行解多工。

4. 下行封包调度。

在控制面协议部份,HSDPA的导入还要求增加和修改UTRAN内部使用的控制面协议,特别是下列协议:

1. 无线资源控制(RRC)协议,负责一系列UTRAN专用功能,包括(信号)无线承载(Radio Bearer)管理。

2. Node-B应用部份(NBAP)协议,它在Iub介面(即Node-B和RNC之间的介面)上实现,NBAP使得RNC能够管理Node-B上的资源。HS-DSCH构成了一种额外的Node-B资源类型,也需使用NBAP协议进行管理。

3. 无线网路子系统应用部份(RNSAP)在两个RNC之间的Iur介面上实现,也受到HSDPA影响,因为在这种情况下,Node B中的HSDPA相关资源由不同于Node B主控RNC的服务RNC管理。

在用户面协议部份,用来在UTRAN内部传送HS-DSCH传输区块的相关用户面协议是HS-DSCH讯框协议(HS-DSCH FP),如图1所示。顾名思义,讯框协议一般负责把传输区块(从MAC层传送到实体层的数据基本单位)整合,并‘封包化’成可透过UTRAN传输网路(在Rel. 99 UMTS中是基于ATM)传送的格式。讯框协议支援的其它功能包括节点和传输讯息通道同步。

一个重要的HS-DSCH FP功能与需要控制HS-DSCH中从RNC发送到Node-B的MAC-d协议数据单元(PDU)有关。由于Node-B缓冲器有限,因此必须采用某种流量控制形式,这可以用RNC和Node-B之间交换的专用HS-DSCH FP消息实现。RNC把容量请求消息发送到Node-B,显示数据准备传输。根据Node-B内部目前缓冲器状态,这个网元(network element)透过容量分配消息,显示在一定时间週期内允许RNC传输多少个(如果有的话) MAC-d协议数据单元。

如前所述,在标准发佈及部署前,需在UTRAN内全面测试网元。检验正确实现用户面和控制面程式只是必须解决的测试问题的一部份。由于在Node-B和RNC之间以很高的吞吐量交换用户数据,因此还需要对Node-B和RNC执行性能测试。换句话说,需要解决的问题之一是使用的容量分配演算法,特别是在Node-B中是否能够正确处理从RNC发来的以最高吞吐量到达的用户数据,即达到理论最大值14.4Mbps。

图2显示了一个典型的功能测试案例。


图2:HSDPA测试方案

在这案例中,协议测试仪模拟RNC,即根据测试工程师开发的测试方案针对Node-B产生相应的消息。测试仪自动模拟不属于测试用例、但要求使用的所有底层协议层。该特定案例还模拟核心网路,如SGSN、GGSN和HLR。透过这种方式,可以检验透过Iub介面正确实现控制面程式。

在本案例中,Node-B是被测设备(DUT)。其它测试可能要求测试RNC,而协议测试仪则模拟Node-B和UE。

在另一个测试案例中,目标是检验Node-B的记忆体管理,测试其实现方案是否能够处理来自一部或多部终端的高吞吐量用户服务。在这种情况下,需要模拟的协议是HS-DSCH FP;由协议测试仪模拟设置要求的无线承载(即RRC和NBAP)所需的其它协议。如图2所示,实际服务由外部FTP伺服器模拟器提供,例如这个模拟器可以透过乙太网路连接到协议测试仪。在这该案例中,测试用例可以由速率逐渐提高(最高达14.4Mbps)的用户面服务组成,以确定在任何时间点上Node-B中是否会产生缓冲器溢出。另一个测试用例则模拟到多个UE的服务,以检验Node-B的资源分配功能。

HSUPA简介及功能测试

HSUPA的目标是在上行方向改善容量和数据吞吐量,降低专用信息通道中的延迟。3GPP规格提供的主要增强功能是定义了一条新的传输信息通道,称为增强专用讯息通道(E-DCH)。可实现的最大理论行数据速率是5.6Mbps。与HSDPA一样,E-DCH同时依赖PHY层和MAC层实现改进。但其中的区别在于HSUPA没有导入新的调变方案,而是使用为WCDMA指定的现有调变方案QPSK。因此,HSUPA也没有实现AMC。表2比较了HSDPA和HSUPA间的明显类似之处和区别。


表2:HSDPA与HSUPA特性比较

在实体层,E-DCH定义导入了五条新的实体层讯息通道(参见图3和表3)。


图3:HSUPA导入的新的实体信息通道


表3:E-DCH传输信息通道和实体信息通道定义

E-HICH的功能与HSDPA的HS-DPCCH类似,即用来提供HARQ反馈资讯(ACK/NACK)。但它不包含CQI资讯,因为HSUPA不支援自适应调变和编码。

与HSDPA一样,Node-B包含一个用于HSUPA的上行调度器。但是,调度作业的目标与HSDPA完全不同:HSDPA的目标是为多个用户分配HS-DSCH资源(时隙和程式码),而上行调度器的目标是为各个E-DCH用户分配所需要的尽可能多的容量(发送功率),以保证Node-B不会产生‘功率过载’。

很明显,由于WCDMA固有的扩频作业,UE的发送功率与其发送资讯的数据速率直接相关。即高位元速率传输要求低扩频系数来填充WCDMA的5MHz频宽,因此发送功率要高于要求高扩频系数的低位元速率应用。此外,同时发送资讯的UE越多,其导致的相互干扰越多。Node-B只能容忍最大数量的干扰,一旦超过最大值,它就不再能解码各个UE的传输资讯。由于E-DCH是一条专用信息通道,因此极有可能多个UE同时传输资讯,因此在Node-B上导致干扰。所以,Node-B必须调节E-DCH中发送讯号的各个UE的功率电平,以避免达到‘功率极限’。所以,这种发送功率调节相当于为使用E-DCH发送讯号的每个UE‘调度’上行容量。换句话说,上行调度无非是一种非常快的功率控制机制。

两条实体调度信息通道E-RGCH和E-AGCH告诉UE怎样调节发送功率电平。在E-RGCH中,它告诉UE把发送功率电平提高或降低一步,也可以使目前发送功率电平保持不变。在E-AGCH中,Node-B提供UE应发送的E-DCH功率电平绝对值。

除导入新的实体信息通道外,E-DCH还为UE导入了新的MAC实体:Node-B和SRNC。这些MAC实体称为MAC-e和MAC-es (见图4),映射到网元上。


图4:E-DCH协议结构

具体如下:

1. MAC-e同时在UE和Node-B中实现。主要功能涉及处理HARQ重传和调度。这是一个低阶MAC层,与实体层非常近。

2. MAC-es实体在UE和SRNC中实现。在UE中,它在一定程度上负责把多条MAC-d流量多工到同一条MAC-es串流上。在SRNC中,这个实体负责顺序传送MAC-es PDU,解多工MAC-d串流,并根据QoS特点把这些串流分配到各个伫列中。这些MAC-d串流可能在Iu-PS介面上与具有不同QoS规格(如串流类服务和后台类服务)的各个PDP关联域(context)对应。

与HS-DSCH不同,E-DCH支援软切换(soft handover)。这说明了为什么E-DCH的MAC层在Node-B和SRNC之间划分,Node-B负责HARQ处理和调度等即时功能,位于SRNC中的相关MAC-es实体则负责顺序传送MAC-es讯框,这些讯框可能来自目前为UE服务的不同Node-B。

E-DCH与HS-DSCH还有一个大的差异,是E-DCH可以同时支援2ms和10ms的TTI (HS-DSCH要求2ms的TTI)。具体要求哪个TTI取决于UE类别。

HSUPA测试案例

图5显示了可能的HSUPA测试案例。


图5:HSUPA测试方案

在该案例中,DUT是RNC。测试的目标是检验MAC-es层正确解多工来自MAC-es串流的各条MAC-d串流,把各个MAC-d PDU重新排列到各个重新排序伫列中。测试的进一步目标是检验根据各条MAC-d串流的QoS要求实现重新排序。在一个测试用例中,只能模拟一个UE,检验在RNC中正确实现了基本MAC-es功能。在另一个测试用例中,可以模拟多个UE,检验RNC中的MAC-es层能够正确区分所有UE。

在这个测试配置中,协议测试仪一方面作为UE和Node-B模拟器。它根据测试工程师的测试用例定义测试用户面服务,在UE和RNC之间设立一条MAC-es串流之前,模拟要求的所有必须的信号协议。产生的服务可以与视讯文件传输与发送大型附件的电子邮件对应,但需取决于具体测试用例。

在RNC的另一侧,协议测试仪可以实现核心网路模拟,以保证设立要求的PDP关联域。此外,需要在协议测试仪上解码和查看透过Iu-PS介面传送的用户面服务。由于还可以在协议测试仪上查看MAC-d流量上的用户服务分配情况,所以可以实现MAC-d流量和PDP关联域映射。值得注意的是,可以透过一台测试设备实现UE/Node-B模拟器和CN模拟/Iu-PS监测仪。图5显示了两台不同的设备,以帮助您瞭解协议测试仪的工作方式。

本文小结

HSDPA和HSUPA新行动网路功能的导入,为测试相关网路节点产品提出了严格的要求。然而,功能测试并不只是测试实现方案、查看其是否符合标准、检查标准化介面之间的控制程式和用户程式,在很大程度上还要求功能测试,检查网路节点内部演算法(如与缓冲器管理、伫列等相关演算法)是否实现预计功能。这些演算法和相关软硬件不仅应该能够在正常条件下执行(用户服务以平均数据速率执行),它们还应能够处理最大指定吞吐量的用户服务。满足这些要求的测试平台保证了制造商可以建构针对未来的解决方案,同时保证厂商成功地使用这些解决方案。

(52RD.com)
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评 论
5楼 52RD网友 219.142.*.* 发表于 2009-9-3 12:40 回复
HSUPA 没有AMC 不过用功率控制和软切换功能
4楼 hongzhiyu 发表于 2008-12-28 11:12 回复
HSUPA没有AMC么?
文章针对的是TD or WCDMA?
3楼 mondlee 发表于 2008-10-21 16:00 回复
谢谢!真的ok,对了,如果有时间可以介绍一下hsupa。
2楼 happyangel(游客) 202.96.*.* 发表于 2007-9-11 09:31 回复
目前我知道的有AD公司的AD6541、6547还有MAXIM公司的MAX2507,2393,但是他们好像并不支持HSDPA,有哪位朋友有更好的推荐,我们想用手机套片用于PICO-RRU
1楼 gluwang(游客) 58.209.*.* 发表于 2006-12-22 22:44 回复
我想在此资询一下,HPA总大致有几种类型,按照不同的放大倍数!
谢谢。
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