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探索HSDPA技术(上) 解说下行实体频道架构与技术

52RD.com 2006年4月26日 韦广容            评论:0条 我来说两句
  

宽频CDMA(W-CDMA)的规格是有史以来最具企图心,也最复杂的无线通讯标准,因此,发展过程中不断地加入新的功能以提升W-CDMA系统的效能自然不足为奇。

 

W-CDMA规格中所加入的最重要功能之一是高速下行封包存取(High Speed Downlink Packet AccessHSDPA)技术,这项新技术的标准化过程始于2002年的W-CDMA Release5HSDPA可提高下行网路的峰值资料速率以及封包资料的传输效率,让W-CDMA系统也能与目前使用中的其它高资料速率无线通讯技术(1xEV-DO)相比拟。W-CDMA技术提供了UMTS的空中介面,UMTS3GPP(Third Generation Partnership Project)所定义的3G系统。在完美的条件下,W-CDMA可提供的最高资料速率为2Mb/s,但是在一般的网路佈设环境中,一个蜂巢细胞(cell)的最高容量约为1Mb/s,且是由该细胞内的使用者所共用的,因此使用者的最高资料速率只有384kb/s

HSDPA的基本概念

3GPP W-CDMA规格的Release5加入了HSDPA,为的就是要透过提高峰值资料速率和缩短封包延迟间隔(latency)的方式,让系统在封包资料的应用上更加有效率。虽然HSDPA理论上的最高资料速率约为14Mb/s,但实际上可达到的速率却低很多。HSDPA的效能主要取决于蜂巢细胞的大小,在大型蜂巢细胞(Macro Cell)的应用中,HSDPA所能提高的W-CDMA资料容量可能只有大约30%而已,一位使用者能维持的最高资料速率约为1Mb/s。但是在小型(micro)和微型(pico)的细胞网路中,因同频道的干扰很小,因此HSDPA可以提供比基本的W-CDMA高很多的效能。不过,确实的提升程度很难预测,因为会与实际的频道状况以及BTS的即时能力有关,而这两项都尚未标准化。尽管如此,根据一些可靠的估计,Release5大约可将蜂巢细胞的传输容量提高到3Mb/s,而Release6则可以提高到5Mb/s左右,因Release6中包含了更先进的UE接收器以及更好的BTS封包排程(packet scheduling)方法。虽然最高的使用者资料速率在短时间内或许可以达到3.6Mb/s,但可能无法长时间维持这么高的速率。

HSDPA技术可以与3GPP Re-lease99向下相容,因此原先针对W-CDMA所开发的各种语音和数据应用仍然可以在升级后的网路上进行,而且相同的无线频道也可以同时支援W-CDMAHSDPA的服务。

HSDPA加入W-CDMA的效果类似于将E-GPRS加入GSM的效果,也就是可以提高峰值资料速率,以及提升整体的系统容量,特别是小型的蜂巢细胞网路。网路营运商对于尽速採用HSDPA的态度相当积极,这意味着设计和测试工程师需要有合适的测试设备,才能开发和测试BTSUE中新的HSDPA功能。

HSDPA带来的改变

为了提高W-CDMA系统效能,HSDPA主要的改变是在于无线介面,且直接影响到实体层和传输层,而本文主要探讨的是HSDPA的实体层部份,因此对MAC层的功能只会做一个简略的介绍。主要的改变有:缩短射频讯框(Radio Frame)的长度、加入新的高速下行频道、除了QPSK调变外又增加16QAM调变方法、结合编码多工与时间多工两种技术、加入新的上行控制频道、採用适应性调变与编码(AMC)方法来达到快速的连结调适目的、使用混合式自动重送请求(Hybrid Automatic-Repeat-RequestHARQ)法、将媒体存取控制(MAC)层的排程移到Node-B上进行。

讯框结构

HSDPA的射频讯框(实际上是W-CDMA架构下的一个子讯框)长度为2ms,相当于3个目前所定义的W-CDMA时槽。在一个10msW-CDMA讯框中,总共有5HSDPA子讯框,如图1所示。讯框大小变短以后,可将使用者的资料指派到一个或多个时间长度较短的实体频道上来传送,因此可让网路在时域及码域中重新调整资源分配。

新增的频道

HSDPA将几个新的实体频道以及一个新的传输频道加到W-CDMA中。下行网路中增加了两个新的实体频道:

‧一个可以传送实体资料段 (payload data)的高速实体下行共用频道(HS-PDSCH)

‧一个可以传送UE识别码和相关HS-PDSCH频道参数的高速共用控制频道(HS-SCCH)

下行网路中所增加的新传输频道为高速下行共用频道(HS-DSCH)HSDPA也增加一个新的上行实体频道-高速专用实体控制频道(HS-DPCCH),可用来传送HARQ确认(ACK)和频道品质指标(CQI)资讯。

经过这些改良之后,Layer2 (MAC)既有的W-CDMA逻辑频道(DCCHDTCH)可以映对为高速传输频道(HS-DSCH)Layer1则可以依序将传输频道(HS-DSCH)映对到一个或多个实体频道(HS-PDSCH)上,最多可达15个频道。接着,实体层会产生HS-SCCHHS-DPCCH,以控制并协助HS-DSCH的传送。

HS-PDSCH结构

HS-PDSCH是用来搭载HS-DSCH的,如图2所示,HS-PDSCH会佔用一个2ms的子讯框,依据所使用的调变类型的不同,可能会有两种时槽格式(位元速率)

每一个HS-PDSCH都会从保留给HS-DSCH传输使用的频道码集(Channelization Code Set)中,指定一个展频系数(Spreading Factor)固定为16(SF=16)的频道码。HS-PDSCH的频道码是可以设定的,由于HSDPA技术可以进行多码(Multi-Code)传输,因此在同一个HS-PDSCH子讯框中,一个UE可能会被指定多个频道码(多个HS-PDSCH),端视UE的能力而定。

HS-PDSCH的符号码速率(Symbol Rate)固定为240ks/s,但频道码是可变的。HS-PDSCH可以使用正交移相键控(QPSK)调变或16象限振幅调变(QAM)格式,因此其频道位元速率可能会依调变方式(QPSK16QAM)的不同而改变(480kb/s960kb/s),经过编码后的频道位元速率会相当于资料速率。原本HSDPA曾考虑使用8PSK64QAM,但后来这两者并未包含在Release 5的规格中。

HS-PDSCH本身并不会传送任何Layer1的资讯,所有相关的Layer1资讯都是在其关连的HS-SCCH中进行传送。

HS-PDSCH的调变方法

和其它的W-CDMA下行实体频道一样,HS-PDSCH也会经过调变、展频、扰码(scramble),以及加总(sum)处理,唯一的差别在于HS-PDSCH中映对的调变方法可能是QPSK16QAM调变,且SF永远固定为16。图3中的IQ星座图显示的是符号码与位元的对应关系,如规格中所述。

两种信号(分别被指定四个HS-PDSCH)的码域显示结果如图4所示,左边的信号使用16QAM调变格式,右边的信号则使用QPSK调变,图中也提供了两种信号类型的一个HS-PDSCH的星座图显示结果。

下行传输频道的编码流程

HS-DSCH是从W-CDMA Release99的下行共用频道(DSCH)发展而来的,可透过时间多工的方式来传送不同使用者的资料。为了达到更高的资料速率和更高的频谱使用效率,DSCH的快速功率控制和可变展频系数在Release5HS-DSCH中,已被较短的封包大小、多码传输,以及诸如AMCHARQ等技术所取代了。

HS-DSCH的编码区块如图5所示,依照Release99 1/3超级编码器的规格,频道编码比率固定为1/3(每个进入编码器的位元会跑出3个位元来),不过,有效的编码比率(Effective Code Rate)会因两阶段的HARQ比率匹配过程中所使用的参数而不同。

在此流程中,频道编码器所输出的位元数会与HS-DSCH映对之HS-PDSCH频道集的总位元数相配。HARQ功能是由冗余版本(Redundancy versionRV)的参数来控制的,该参数基本上定义了打孔(Puncturing)的方法,所输出的确切位元集会取决于输入的位元数、输出的位元数、以及RV参数等。

当使用的HS-PDSCH超过一个的时候,实体频道切割步骤会将位元分散到不同的实体频道上,每个实体频道会分别进行交错处理。

如前面所提到的,HSDPA会使用QPSK(W-CDMA明订的方法)16QAM两种调变方法,当射频的状况良好的时候,用16QAM会比较好。星座图重新安排只有在使用16QAM调变时才适用,在这种调变中,符号码内4个位元中的两个会比另外2个较容易出错。这种重新安排会在重送时进行,并且在重新传送的资料组合起来之后,将错误机率平均分散在所有的位元上。

频道编码的范例

6是一个HS-DSCH频道编码的例子,该编码所对应的是一个用来测试UE接收器的固定参考频道(FRC H-Set 4)。第一个比率匹配阶段会让输入位元数与一个虚拟递增冗余(Incremental RedundancyIR)缓冲区的大小相配,第二个比率匹配阶段则会让产生的位元数与传输时间间隔(TTI)中,HS-PDSCH频道集内可用的实体频道位元数相配。这个阶段是由RV参数来控制的,由于比率匹配牵涉到资料的打孔,因此每个RV参数都会定义不同的打孔方法。

HS-PDSCH的数目(在此范例中为5)以及调变的格式,决定了RV选择之后的实体频道位元数(QPSK调变的960个位元x5=4800个位元)。超级编码的编码比率固定为1/3,但有效的编码比率则是超级编码和比率匹配阶段两者组合的结果。因此,如果传输区块的大小、HS-PDSCH的数目、以及调变格式是已知的话,就可以计算出任何HS-DSCH配置方式的有效编码比率了。在这个例子中,有效的编码比率为0.67(3202+24)个位元/(960个位元x5)

HS-SCCH结构

HS-SCCH会传送与HS-DSCH传输频道有关的信令(signaling)资讯,HS-SCCH的位元速率固定为60kb/s,但其频道码是可以设定的。一座基地台(BTS)可以发射4个或更多个HS-SCCH,每个蜂巢细胞最多可达32个,而每个UE最多可同时监视4HS-SCCH频道(称为HS-SCCH)

HS-SCCH会经过展频和加总,就像其他下行实体频道一样。图7说明了HS-SCCH的实体频道结构,第一个时槽会携带攸关HS-PDSCH接收的关键资讯,例如频道码集(7个位元)以及调变方法(1个位元)等。收到第一个时槽之后,UE只有一个时槽的时间可以将资讯解码,并准备接收HS-PDSCH

映对到单一个HS-DSCH中的HS-PDSCH(或编码频道)数目差别很大,可以从115个,所使用的是正交可变展频系数(OVSF)码。多码的数目以及HS-PDSCH从一个HS-DSCH映对而来的相关位移点都是透过HS-SCCH来进行信令控制。在位移点O的多码P是依照下列方式分配的:Cch16OCch16O+P-1

第二和第三个时槽会携带HS-DSCH频道的编码资讯,例如传输区块大小(6个位元)HARQ资讯(3个位元)、冗余和星座图版本(3个位元),以及新的资料指示器(1个位元)。三个时槽的资料都会含有16位元的UE识别码。

下行实体频道的时序

8说明了BTS如何在一个HS-SCCH子讯框中,送出与HS-PDSCH子讯框相关的控制资讯,如调变方法。BTS在开始传送HS-PDSCH之前,会先送出HS-SCCH子讯框的两个时槽(5120chip),因此HS-SCCHHS-PDSCH会在一个时槽期间(HS-SCCH的第三个时槽)相互重叠。

HS-PDSCH子讯框解调有关的资讯必须要在HS-SCCH子讯框的前面传送出去,而且UE必须要快速地将HS-SCCH解码,才不会漏掉HS-PDSCH

在下行网路中使用CDMTDM技术

如前面所提到的,HSDPA中会使用码域多工(CDM)和时域多工(TDM)两种技术。如图9所示,多个UE可以使用正交可变展频系数(OVSF)码不同部分的空间,于同一个子讯框中接收资讯。

专用频道(例如W-CDMA Release99中使用的DPCH)与共用封包频道(例如HSDPA中使用的HS-PDSCH)之间最主要的差别在于:共用的封包频道也可以在时域中将多位使用者的资料进行多工处理。

(本文作者任职于安捷伦科技)

(52RD.com)
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