WCDMA增強(qiáng)型上行鏈路技術(shù)研究

WCDMA增強(qiáng)型上行鏈路技術(shù)研究

增強(qiáng)型上行鏈路（Enhanced Uplink）是3G中R6的技術(shù)特征，通過采用基站（Node B）控制的調(diào)度、結(jié)合軟合并的快速混合自動重傳請求（HARQ）、更短的時幀（TTI）等關(guān)鍵技術(shù)，可使用戶設(shè)備（UE）能以盡可能高的功率傳輸數(shù)據(jù)，在減少時延的基礎(chǔ)上得到更大的系統(tǒng)上行吞吐量。本文通過討論增強(qiáng)型上行鏈路的目標(biāo)以及與高速下行分組接入（HSDPA）的對比來闡述其中的基本原則，并討論了相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

　　WCDMA的R5版本中引入增強(qiáng)型上行鏈路是WCDMA下行鏈路方向針對分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的優(yōu)化和演進(jìn)。能夠很大地提高下行鏈路的傳輸速率和吞吐量。相比而言，上行鏈路速率和吞吐量偏低，不能很好地支持多媒體通信、視頻會議、VoIP等要求高速對稱數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。為滿足更高的上行速率業(yè)務(wù)發(fā)展需要，3GPP從R6版本開始，開展了對增強(qiáng)型上行鏈路或稱為高速上行分組接入的研究和標(biāo)準(zhǔn)制定工作。

　　增強(qiáng)型上行鏈路是繼HSDPA后，WCDMA的又一次重要演進(jìn)。通過采用一系列的關(guān)鍵技術(shù)，相對于R99版本，用戶能體驗(yàn)到一種具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更少時延的服務(wù)，系統(tǒng)性能也能得到極大的提高。因此，在高性能分組數(shù)據(jù)應(yīng)用方面，增強(qiáng)上行是HSDPA必然的補(bǔ)充。

一、增強(qiáng)型上行鏈路的基本原則

　　增強(qiáng)型上行鏈路的目標(biāo)是在上行方向改善容量和數(shù)據(jù)吞吐量，降低專用信道中的延遲，并增加高比特速率的覆蓋范圍。低時延在實(shí)際應(yīng)用時極為重要，若要傳輸更高的比特率，就必須要有更低的時延。并且，由于TCP性能取決于端到端的往返時間（RountTripTime，RTT），如果上行延遲減少則下行中的吞吐量將相應(yīng)增加。此外，對系統(tǒng)而言，在上行鏈路中，增加高比特速率的覆蓋范圍比提高單純的理論峰值數(shù)據(jù)速率有更高的價(jià)值。

　　為了達(dá)到這些目標(biāo)，一些專為HSDPA研究的新技術(shù)從理論上也可以用于上行鏈路。然而，實(shí)際情況下，下行鏈路和上行鏈路在功率資源處理、遠(yuǎn)近效應(yīng)和功率控制等方面有顯著區(qū)別，不允許在上行鏈路上簡單引入類似HSDPA的機(jī)制。

　　首先，在傳輸功率資源的處理方式上，下行鏈路傳輸功率資源是集中管理的、上行鏈路上每個用戶的功率資源是分散控制的，且受手機(jī)終端能力的限制。HSDPA中使用的下行鏈路時分機(jī)制為用戶提供瞬時最大數(shù)據(jù)速率的方式在上行鏈路上是不可實(shí)現(xiàn)的。此差別在進(jìn)行HSUPA調(diào)度設(shè)計(jì)時尤其重要。

　　其次，WCDMA系統(tǒng)下行采用擾碼（Gold序列）區(qū)分小區(qū)，擴(kuò)頻碼（OVSF&Walsh碼）區(qū)分用戶，上行采用擾碼（Gold序列）區(qū)分用戶，而擴(kuò)頻碼（OVSF&Walsh碼）區(qū)分信道。由于擴(kuò)頻碼完全正交，因此，下行不存在用戶間的遠(yuǎn)近（Near Far）效應(yīng)；而擾碼自相關(guān)性好，而互相關(guān)性差，不完全正交，因此，上行存在用戶間的遠(yuǎn)近效應(yīng)。上行的擾碼區(qū)分用戶這個特點(diǎn)也可以利用更多的碼道。于是，需要采用比16 QAM更低階的調(diào)制以簡化終端的設(shè)計(jì)。

　　最后，快速功率控制對于克服上行用戶間的遠(yuǎn)近效應(yīng)，并保證與未采用增強(qiáng)功能的終端和業(yè)務(wù)之間共存是非常重要的，這也是實(shí)現(xiàn)上行快速鏈路適配的一條主要途徑。而HSDPA采用碼率匹配（Rate Matching）的方式，即靈活根據(jù)當(dāng)前的功率占用情況，來選擇相應(yīng)的傳輸速率。因此，HSDPA不采用功率控制，這也是為什么HSDPA一定要采用2ms幀長的原因。如果幀長10ms或者更長，HSDPA就難以跟蹤信道的變化，難以實(shí)現(xiàn)快速的鏈路適配（500次/秒）。

　　增強(qiáng)型上行鏈路在功率控制的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了上行的軟切換及更軟切換，通過在多個小區(qū)進(jìn)行上行鏈路功率控制來限制相鄰小區(qū)產(chǎn)生的干擾。另外，還提供宏分集增益。軟切換有兩方面含義：多個小區(qū)的功率控制和多個小區(qū)的接收。這是HSDPA不具備的，HSDPA只有硬切換。

二、增強(qiáng)型上行鏈路的關(guān)鍵技術(shù)

　　增強(qiáng)型上行鏈路物理層關(guān)鍵技術(shù)的本質(zhì)都是對WCDMA分組傳輸技術(shù)的加強(qiáng)。由此，引入了新的信道，并且同樣采用了HSDPA中基于Node B的快速調(diào)度技術(shù)、結(jié)合軟合并的快速HARQ技術(shù)和短幀2ms技術(shù)等，但考慮到上行鏈路自身的一些特點(diǎn)，HSDPA中采用的AMC技術(shù)和高階調(diào)制并沒有被增強(qiáng)型上行鏈路采用。

　　1.新增實(shí)體和信道

　　正是由于上下行鏈路的諸多差異，增強(qiáng)型上行鏈路在最大程度地繼承以前版本中定義的功能實(shí)體以及與邏輯層之間功能劃分的基礎(chǔ)上，引入了新的結(jié)構(gòu)，稱為增強(qiáng)型專用信道（E-DCH），如圖1所示。UE端新增的MAC實(shí)體MAC-es/MAC-e，處理HARQ重傳、調(diào)度、MAC-e復(fù)用、E-DCH TFC選擇。Node B端增加了MAC-e實(shí)體用來處理HARQ重傳、調(diào)度、MAC-e解復(fù)用。SRNC新增的MAC實(shí)體（MAC-es），用來重新排序和組合處于軟交換中的來自不同Node B的數(shù)據(jù)。相對于R99版本，無線鏈路控制（RLC）和在無線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）中的MAC實(shí)體仍然沒有變動。

　　表1列出增強(qiáng)型上行鏈路在物理層增加的5種新信道。

表1　增強(qiáng)型上行鏈路的傳輸信道和物理信道定義

圖1　增強(qiáng)型上行鏈路E-DCH的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

　　2.基于Node B的調(diào)度

　　前面已經(jīng)提過，WCDMA無線鏈路具有共享資源特性，同時，分組數(shù)據(jù)具有突發(fā)特性，這就需要良好的調(diào)度策略，對系統(tǒng)有限共享資源進(jìn)行合理分配，使資源利用率達(dá)到滿足合理前提的最大化。而調(diào)度算法沒有被標(biāo)準(zhǔn)化，因此，能采取不同的調(diào)度策略。常用的調(diào)度算法包括最大C/I算法、輪循算法、正比公平算法。當(dāng)不同的信道環(huán)境和業(yè)務(wù)類型在調(diào)度策略中有不同的要求時，這種靈活性對系統(tǒng)的性能影響很大。嘗試最優(yōu)的調(diào)度算法就成為各廠商的努力方向。

　　在WCDMA R99中，移動終端傳輸速率的調(diào)度由RNC控制，UE可用的最高傳輸速率在DCH建立時由RNC確定，RNC不能夠根據(jù)小區(qū)負(fù)載和UE的信道狀況變化靈活控制UE的傳輸速率。而增強(qiáng)型上行鏈路中的調(diào)度主要由Node-B中新增的MAC-e功能實(shí)體完成，用以控制UE的傳輸數(shù)據(jù)速率和傳輸時間。從而避免過多的UE同時高速接入，給系統(tǒng)帶來干擾。

　　圖2（a）和2（b）分別比較了R99與增強(qiáng)性上行鏈路的調(diào)度流程。

圖2（a）　R99上行DCH調(diào)度流程　　　圖2（b）　增強(qiáng)型上行鏈路E-DCH調(diào)度流程

　　在增強(qiáng)型上行鏈路中，基于Node B的快速調(diào)度的工作流程如下：

　　●Nobe B調(diào)度器根據(jù)小區(qū)內(nèi)各個UE的業(yè)務(wù)QoS需求、非調(diào)度的傳輸業(yè)務(wù)需求、小區(qū)上行干擾程度以及Node B自身的處理負(fù)荷，向UE發(fā)送功率比率調(diào)度絕對分配（Absolute Grant）命令和功率調(diào)整的相對分配（Relative Grant）命令。

　　●UE根據(jù)調(diào)度命令計(jì)算選擇合適的E-TFC發(fā)送上行E-DCH數(shù)據(jù)，在AG的范圍內(nèi)發(fā)射上行業(yè)務(wù)速率和功率，并根據(jù)RG進(jìn)行速率和功率的上下調(diào)整。

　　●Nobe B根據(jù)上行控制信道參數(shù)合并E-DCH數(shù)據(jù)，向UE發(fā)送ACK/NACK重傳控制信令，并對上行熱噪聲的增加量（ROT）進(jìn)行測量，發(fā)送AG/RG調(diào)度命令，同時，向RNC發(fā)送HARQ重傳情況。

　　3.結(jié)合軟合并的快速混合自動重傳請求

　　在WCDMA R99中，數(shù)據(jù)包重傳是由RNC控制下的RLC重傳完成的。在透明模式（AM）下，由于RLC的重傳涉及RLC信令和Iub接口傳輸，重傳延時超過100ms。增強(qiáng)型上行鏈路技術(shù)使得數(shù)據(jù)包的重傳可以在移動終端和Node B間直接進(jìn)行。由于Node B控制的重傳時延更小，允許物理層的快速重傳使得RLC層重傳的概率變小，從而使得延時周期大大減小，這特別適合于對時延敏感的業(yè)務(wù)。

　　與HSDPA類似，增強(qiáng)型上行鏈路中使用的重傳協(xié)議是HARQ多重停等并行操作的重傳協(xié)議。HARQ操作過程如圖3所示。

圖3　HARQ重傳協(xié)議操作協(xié)議

　　對于每一個上行數(shù)據(jù)塊MAC-e PDU，當(dāng)Node B正確接收，并且CRC校驗(yàn)正確后，就會通過預(yù)先安排好的機(jī)制，在恰當(dāng)?shù)腡TI向UE發(fā)回一個1 bit的正確解碼指示ACK；或者當(dāng)錯誤解碼某個PDU時，通過發(fā)回錯誤接收指示NACK來要求UE重傳該P(yáng)DU，此時，重傳序列號RSN和重復(fù)版本RV各累加1。

　　在某個UE處于軟切換過程中，UE所有激活集（與UE間建立了無線上行鏈路的小區(qū)的集合）中的小區(qū)全都要對同一個PDU進(jìn)行解碼，此時，只要激活集中任何一個小區(qū)已正確解碼的該P(yáng)DU，并向UE返回ACK指示，UE就認(rèn)為該P(yáng)DU被正確接收，即使收到的激活集中其他小區(qū)的NACK信號，也不會進(jìn)行重傳，并在下一個TTI中傳輸新的PDU。因此，UE獲得了軟切換合并增益。

　　軟合并是指利用重傳前后的兩個和多個數(shù)據(jù)包的信息，將它們一起用于信道譯碼，從而盡量增大譯碼成功概率的過程。采取怎樣的包合并方式取決于HARQ中所用糾錯編碼和ARQ協(xié)議，它在很大程度上決定了HARQ的系統(tǒng)性能。

　　增強(qiáng)型上行鏈路利用增量冗余技術(shù)來實(shí)現(xiàn)軟合并。例如，由于在重傳時數(shù)據(jù)包中增加了為物理層軟合并提供信息的增量冗余信息，所以，即使在初次傳輸?shù)木幋a率（Coding Rate）很高的情況下，也會降低最終整體傳輸?shù)木幋a速率。這樣，既可以不為系統(tǒng)帶來負(fù)荷上的負(fù)擔(dān)，還能夠帶來足夠的重傳系增益。即同時為系統(tǒng)帶來功率增益和編碼增益。

　　Node B控制的HARQ使錯誤的數(shù)據(jù)可以快速重傳，從而降低了由RLC層重傳帶來的時延，可改善時延QoS特性。而且，鏈路可以容忍更高的誤塊率（BLER），即相應(yīng)終端發(fā)射功率降低，從而在相同系統(tǒng)負(fù)荷下可以支持更多的用戶，系統(tǒng)吞吐量也相應(yīng)提高。

　　4.短的時幀

　　R99版本中，上行鏈路采用的幀長為10ms的TTI，在HSUPA中，為了減小HARQ的重傳時延，引入了2ms的TTI。更短的TTI減小了空中接口的傳輸時延、幀對齊帶來的時延以及處理時延。如圖4所示，在一個物理層重傳所指定的時間內(nèi)，更短的時幀允許更多數(shù)量的重傳，注意E-DPDCH傳輸編號為{0，1，2，3}?？梢钥吹皆?0ms以后，2ms的時幀傳輸了4次，而10ms的時幀僅傳輸了2次。

　　因?yàn)閁E的功率限制，在使用短時延后，UE的發(fā)送功率會降低，UE的交織增益也會減小，造成系統(tǒng)的誤碼率和覆蓋范圍有所減小。在使用HARQ時，會造成數(shù)據(jù)包的頻繁重傳，影響小區(qū)的總吞吐量和單個用戶的QoS。因此，在小區(qū)邊緣或遮擋地區(qū)等信道條件不好的區(qū)域，將會使用10ms的TTI以保證QoS。

圖4　2ms與10ms幀的定時

三、結(jié)束語

　　討論了WCDMA增強(qiáng)型上行鏈路的基本原則以及關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。相比R5，增強(qiáng)型上行鏈路的引入會使上行分組接收性能有較為明顯的QoS提高。從單個用戶角度看，上行峰值速率可以高達(dá)5.76Mbit/s。傳輸時延減少40%以上；從系統(tǒng)的角度看，容量提升40%～70%，覆蓋提升14%左右。增強(qiáng)型上行鏈路和HSDPA的結(jié)合將實(shí)現(xiàn)高性能的分組數(shù)據(jù)解決方案。這種方案可以與已有網(wǎng)絡(luò)的兼容，并能夠更好地支持未來的應(yīng)用。