HSDPA與HSUPA：共性中的差異

　　大部分業(yè)內(nèi)人士相信，由于話音、高速的數(shù)據(jù)和多媒體等業(yè)務將會在不久的將來更有效地整合。利用IP技術同時承載話音、高速的數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務，會使運營商更有效地管理整個網(wǎng)絡和降低網(wǎng)絡的運營成本，同時比較容易推出新的業(yè)務。因此，3GPP應運而出的HSUPA即成為WCDMA無線技術在HSDPA之后的進一步演進的標準，該標準已于2004年3月凍結，今年3月份全部CR已完成，預計2007年中即會有相應的預商用產(chǎn)品，在2008年即會商用。

一、HSDPA/HSUPA的關鍵技術

　　1.新信道的引入

　　為了支持高速業(yè)務，HSDPA/HSUPA都引入了新的物理信道。

　　(1)HSDPA

　　高速物理下行共享信道(HS-PDSCH：HighSpeedPacketData Shared Channel)：承載實際分組數(shù)據(jù)，擴頻因子（SF）＝16，QPSK和16QAM，每小區(qū)最多15個HS-PDSCH，累積數(shù)據(jù)峰值速率達到14.4Mbit/s。在單用戶使用15個HS-PDSCH，16QAM調(diào)制以及編碼速率為1的情況下實現(xiàn)。

　　高速共享控制信道(HS-SCCH：HighSpeedSharedControl Channel)：承載信令信息的下行信道（信道碼集、調(diào)制方案、傳輸塊大小、HARQ處理號、冗余和星座版本參數(shù)、新數(shù)據(jù)標記和UE標識），SF＝128，QPSK由Node B進行功率控制，每小區(qū)最多32個HS-SSCCH，每用戶設備最多4條HS-SCCH。

　　高速專用物理控制信道(HS-DPCCH：HighSpeedDedicatedPhysical Control Channel)：承載信令信息的上行信道(ACK/NACK及信道質(zhì)量指示（CQI）)，SF＝256，QPSK中止于Node B。

　　HS-PDSCH、HS-SCCH和HS-DPCCH使用2ms傳送時間間隔（TTI）。

　　(2)HSUPA

　　E-DCH——專用物理數(shù)據(jù)信道(E-DPDCH：E-DCHDedicatedPhysicalData Channel)：承載E-DCH的上行數(shù)據(jù)信息，擴頻因子SF=64、32、16、8、4、2，UE根據(jù)業(yè)務的需要靈活選擇。QPSK調(diào)制映射到傳輸信道E-DCH，單碼道的最大速率為1.92Mbit/s，允許多碼傳輸，峰值速率5.76Mbit/s，在2個SF=2、2個SF=4的4碼道并行傳輸?shù)那闆r下實現(xiàn)。

　　E-DCH——專用物理控制信道(E-DPCCH：E-DCHDedicatedPhysicalControl Channel)：承載E-DCH的上行信令信息，它與E-DPDCH的信道結構相似，SF=256。

　　E-DCHHARQ確認指示信道(E-HICH：E-DCHHARQAcknowledgement indicator channel)：承載E-DCH下行信令信息的專用信道，如HARQ的ACK/NACK信息。擴頻因子SF=128，沒有信道編碼。使用3或者12個連續(xù)的時隙發(fā)送信息，每個時隙采用40個數(shù)據(jù)的復用，因此單個E-HICH最大支持上行40個用戶的反饋。UE監(jiān)測激活集中所有小區(qū)的E-HICH信道。當TTI為2ms時，該信道每2ms上報一次信息；當TTI為10ms時，該信道每8ms上報一次信息。

　　E-DCH相關準予信道(E-RGCH：E-DCHrelativegrant channel)：承載E-DCH的下行相關信息，該信道SF=128，沒有信道編碼。使用3、12或15個連續(xù)的時隙發(fā)送信息，與E-HICH一道采用三維的數(shù)字標記復用在同一條SF=128的下行信道上，每時隙數(shù)據(jù)長度為40，因此單個E-RGCH最大支持上行40個用戶的功率指示。該信道分為兩種，服務小區(qū)（Serving Cell）下的E-RGCH及非服務小區(qū)（Non-serving Cell）下的E-RGCH，服務小區(qū)下的E-RGCH是專用信道，攜帶指示UE的功率上升、保持、下降的指令信息，如UP、HOLD、DOWN。當TTI配置為2ms時，該信道2ms下發(fā)一次調(diào)度指令；當TTI配置10ms時，該信道8ms下發(fā)一次。非服務小區(qū)下的E-RGCH是公共信道，攜帶小區(qū)的負載指示信息，如當前負荷情況，是否超載，調(diào)度時延總是10ms。

　　E-DCH絕對準予信道(E-AGCH：E-DCHabsolutegrant channel)：承載E-DCH的下行絕對信息，如小區(qū)信息。每個配置E-DCH的UE只需要監(jiān)聽服務小區(qū)的E-AGCH信道即可，該信道是公共信道，SF=256。

　　上述信道支持2ms、10ms的TTI幀格式。因此有別于HSDPA的2msTTI。

　　2.混合自動重傳+軟合并（HARQ）

　　為了進一步提高系統(tǒng)性能，HSDPA/HSUPA在物理層都采用了HARQ技術，同樣都支持兩種合并機制：對基站重發(fā)相同的分組包進行前后合并(CC：ChaseCombing)或對基站重發(fā)含有不同信息（即冗余信息）的分組包進行增量冗余合并(IR：IncrementRedundancy)。信息在UE與NodeB間直接傳輸，采用ACK/NACK的方式進行，當接收方正確接收數(shù)據(jù)后，會通過相應的信道向發(fā)送方發(fā)送ACK信息，否則發(fā)送NACK信息，這樣便于發(fā)送方準確及時地了解是否需要重傳。

　　HSDPA采用HARQ方案，使得重傳時延控制在10ms左右。HSUPA采用HARQ，在10ms的TTI下，重傳時延為40ms；2msTTI下，重傳時延為16ms。與R99/R4的無線側重傳時延100ms相去甚遠，因此HARQ的引入大大提高了重傳的效率和解碼的性能。

　　兩者惟一的差別是HSDPA采用了異步的HARQ，而HSUPA采用同步的HARQ。

　　3.基于Node B的快速調(diào)度(Node-B Scheduling)

　　為了對無線環(huán)境及時快速的做出響應，最大化資源效率，HSDPA/HSUPA都采用了基于NodeB的快速調(diào)度方案。但是上下行要解決的問題不一樣，因此上下行調(diào)度的機制存在差異，下面分別介紹。

　　(1)HSDPA

　　HSDPA中的調(diào)度主要由NodeB中新增的MAC-hs功能實體完成。HSDPA調(diào)度的核心思想是合理分配共享資源（碼字、功率），最大化資源的利用率。HSDPA的調(diào)度很大程度上決定了AMC和HARQ的效率和性能，決定了整個系統(tǒng)的行為。簡單的說，HSDPA的調(diào)度基于以下因素：隊列優(yōu)先級（Queuepriority）、信道質(zhì)量指示值（CQIvalue）、緩存大小（Buffer volume）、等待時間/空閑時間（waiting time/Spare time），其它如UE能力、ACK/NACK重復次數(shù)、數(shù)據(jù)重傳、壓縮模式等?；谏鲜鲆蛩?，又形成了行業(yè)默認的三種調(diào)度算法：基于最大載干比的調(diào)度算法（Max C/I算法）、基于公平分配的調(diào)度算法（Round Robin算法）和基于部分公平的調(diào)度算法（Proportional Fair算法）。

　　對于不同的算法，不同廠家支持及實現(xiàn)的方式有一定的差異。一般來講主要采用參數(shù)化的調(diào)度器，分配資源可以考慮以下因素：f1，業(yè)務等級；f2，CQI；f3，等待時間；f4，隊列長度。這些因素作為加權因子，決定了實際的資源分配方法：Pi=a×f1+ b×f2 + c×f3 + d×f4，a/b/c/d 為加權因子。運營商可以根據(jù)HSDPA的應用場景，如微微蜂窩、微蜂窩、宏峰窩等因素，來決定相關的加權因子，實現(xiàn)最優(yōu)的資源調(diào)度方案。

　　(2)HSUPA

　　HSUPA中的調(diào)度主要由NodeB中新增的MAC-e功能實體完成。HSUPA調(diào)度的核心思想是避免過多的UE接入過高的速率，從而給系統(tǒng)帶來干擾，即盡可能抑制上行干擾，同時服務小區(qū)對調(diào)度起主要作用。

　　E-DCH信道支持調(diào)度及非調(diào)度兩種模式。非調(diào)度主要是在小區(qū)負載輕，上行用戶數(shù)據(jù)量不大的情況下使用。非調(diào)度模式的傳輸類似于R99/R4的DCH信道，信息中止與RNC，這種方式有利于低數(shù)據(jù)量及時延敏感的業(yè)務。本節(jié)主要討論E-DCH信道的調(diào)度原理及方法。

　　基于NodeB的上行調(diào)度有兩個關鍵因素，即調(diào)度請求和調(diào)度準許。

　　調(diào)度請求即當UE希望用更高的數(shù)據(jù)速率發(fā)送時，移動終端向基站發(fā)送請求信號，也包括UE向基站反饋的調(diào)度信息Happybit，該信息告訴基站，UE對當前的調(diào)度是否滿意，以便基站下一次調(diào)整相應的調(diào)度策略。

　　調(diào)度準許由基站下發(fā)，主要限制UE的E-DCH信道可用的最大功率以及可用的最大E-TFC。每個UE有自己的服務準許（ServingGrant），它影響E-TFC的選擇。服務準許包括兩方面的內(nèi)容：絕對準許及相對準許。絕對準許的內(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PrimaryE-RNTI及SecondaryE-RNTI。當UE的上傳數(shù)據(jù)量非常大時，Node B會指示它使用主RNTI資源。當UE的上傳數(shù)據(jù)量較小或沒有時，Node B會指示它使用輔E-RNTI，即與其他用戶一起共享E-RNTI的資源。每個UE都有主輔兩種E-RNTI，只是何時使用哪種E-RNTI，由Node B通知。相對準許指示包括E-DCH信道功率的相對上升/保持/下降（UP/HOLD/DOWN）等信息。UE的服務準許可根據(jù)絕對準許及相對準許的改變而更新。處于主E-RNTI的UE，Node B會采用專用的調(diào)度機制；處于輔E-RNTI的UE，Node B采用一般調(diào)度方案。

　　從上述的描述中可見，NodeB依據(jù)用戶的信道質(zhì)量及所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)狀況來決定UE所應該使用的E-RNTI，同時依據(jù)小區(qū)負載、Iub接口資源占用情況，決定UE可用的最高傳輸速率及何時傳輸。當然UE實際使用的TFC由UE決定，同時由E-DPCCH信道上傳給NodeB。UE通過Happybit反饋對當前的調(diào)度是否滿意，以便下次Node B改變調(diào)度方式。

　　如同HSDPA一樣，調(diào)度信令是在基站和移動終端間直接傳輸?shù)模曰贜odeB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)絡資源更有效地服務于訪問突發(fā)性數(shù)據(jù)的用戶，從而達到增加小區(qū)吞吐量的效果。

　　UE的重傳不在NodeB調(diào)度的范圍內(nèi)，NodeB的調(diào)度也不會影響到重傳。調(diào)度只針對初始傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

　　4.快速鏈路適配

　　WCDMA系統(tǒng)下行采用擾碼（Gold序列）區(qū)分小區(qū)，擴頻碼（OVSF&Walsh碼）區(qū)分用戶，上行采用擾碼（Gold序列）區(qū)分用戶，而擴頻碼（OVSF&Walsh碼）區(qū)分信道。由于擴頻碼完全正交，因此下行不存在用戶間的遠近（Near-Far）效應，而擾碼自相關性好，而互相關性差，不完全正交，因此上行存在用戶間的遠近效應。為了應對不同的情況，上下行也采用了不同的策略。

　　(1)HSDPA

　　HSDPA能夠充分利用R99/R4DCH+CCH以外的剩余功率，使得資源利用率最大化。HSDPA采用碼率匹配(RateMatching)的方式，即靈活根據(jù)當前的功率占用情況，來選擇相應的傳輸速率。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，難以實現(xiàn)快速的鏈路適配（500次/秒）。

　　(2)HSUPA

　　為了克服上行用戶間的遠近效應，HSDPA采用了上行的功率控制方案。E-DPDCH/E-DPCCH的初始功率設置與DPCCH有一定的偏置。因此E-DCH的功率控制完全依據(jù)DCH的功率變化而變化。但是E-DCH的外環(huán)功率控制依據(jù)“重傳的次數(shù)”進行，而不是BLER，因為HARQ的原因，不斷地重傳，BLER不會差。同時，為了保證控制信道的有效性，一般來講，E-DPCCH的功率偏置較E-DPDCH的大。

　　HSUPA在功控的基礎上，實現(xiàn)了上行的軟切換及更軟切換，這是HSDPA不具備的，HSDPA只有硬切換。

二、HSDPA/HSUPA的終端

　　1.HSDPA

　　根據(jù)GSA的調(diào)查，截至2006年4月24日，全球已有94家移動運營商計劃部署HSDPA網(wǎng)絡，目前18個HSDPA網(wǎng)絡在14個國家（奧地利、保加利亞、捷克、芬蘭、德國、馬恩島、以色列、科威特、Madeira、荷蘭、菲律賓、葡萄牙、南非、美國）已開始商用。截至今年年底至少還有29個網(wǎng)絡將會開展商用。因此，HSDPA的商用形勢一片大好。

　　按照3GPP的要求，依據(jù)支持的調(diào)制方式，最大可用碼道的能力以及TTI的間隔將HSDPA終端分為12類。提供商主要有華為、中興、SierraWireless、Option、NovatelWireless、西門子、三星、LG、NEC、摩托、富士通等。2005年3季度及更早，運營商測試的終端主要是12類別的終端-峰值1.8Mbit/s的數(shù)據(jù)卡。今年在巴塞羅那的通信展上，LG、NEC已經(jīng)展示了12類別的終端。目前，部分廠商已經(jīng)可以提供峰值3.6Mbit/s的終端及數(shù)據(jù)卡，預計在今年6月份能夠推向市場開始商用。此外，高通支持7.2Mbit/sHSDPA芯片已面世，杰爾宣布推出3.6Mbit/s HSDPA芯片組，英飛凌則面向中端多媒體電話市場推出7.2Mbit/s HSDPA處理器樣品。如據(jù)GSA調(diào)查，截至2006年2月28日，HSDPA終端的已增至25款。相對過去的6個月，增長了50%。因此，隨著HSDPA網(wǎng)絡的進一步鋪開，商用模式的成功，將會有越來越多的HSDPA終端提供商及更多類型的終端面世。

　　2.HSUPA

　　按照3GPP的規(guī)定，HSUPA終端共有6類。支持2msTTI的僅有3種，6種中最大速率是5.76Mbit/s。

　　如同HSDPA一樣，芯片廠商對HSUPA終端的支持也是分階段進行，預計商用初期，還是傾向于使用10ms的TTI，即2Mbit/s的終端，逐漸支持到5.76Mbit/s。

　　高通對外宣稱，今年上半年推出首款支持HSUPA的功能的芯片MSM7200，該芯片后向兼容UMTS、HSDPA、GSM/GPRS/EDGE，上下行峰值速率分別為2Mbit/s，3.6Mbit/s，目前正處于實驗室內(nèi)部測試階段。

　　從整個行業(yè)的情況看，在全球全IP網(wǎng)絡AIPN（AllIPNetwork）的發(fā)展趨勢下，伴隨著VoIP的升溫，多媒體業(yè)務的廣泛應用，HSUPA的引入勢在必行。

三、HSDPA/HSUPA的性能分析

　　HSDPA在前期已經(jīng)討論很多，這里只要討論HSUPA。

　　在3GPP規(guī)范討論過程中，對HSUPA研究最終認為使用QPSK調(diào)制編碼，上行H-ARQ的應用，NodeB控制上行調(diào)度，更短的幀結構和快速DCH建立會達到50～70%的上行容量增益，數(shù)據(jù)呼叫時延減少20～55%，用于上行平均數(shù)據(jù)呼叫的速率可提高大概50%。但是由于目前HSUPA還沒有相應的產(chǎn)品及試驗數(shù)據(jù)，因此具體能夠實現(xiàn)什么樣的性能還不清楚。

　　但是，HSUPA采用了與CDMA20001xEV-DO基本相同的技術及原理，因此我們可以借鑒當前已計劃年底商用的EV-DO RevA現(xiàn)網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)的仿真性能。

　　1.容量——平均小區(qū)吞吐量

　　基本假設：15個用戶被放在每個小區(qū)(1.25MHz)，總共有57個小區(qū)，單載波宏蜂窩網(wǎng)絡，并只提供數(shù)據(jù)業(yè)務。通過仿真分析得出結果如表2所示。

表2??? EV-DO Rev0與RevA的上行吞吐量對比

? Rev.0 Rev.A??
信道模型 用戶吞吐量 （kbit/s） 小區(qū)吞吐量（kbit/s） 用戶吞吐量（kbit/s） 小區(qū)吞吐量（kbit/s） 增益（%）
A 18.9 283 33.8 507 79
B 12.8 192 24.2 363 89
C 13.9 208 24.4 366 76
D 18.9 283 33.2 498 76
E 26.9 403 39 586 45
3GPP2
混合信道 16.3 244 28.9 434 78

　　從表2看出，Rev.A的上行容量會比Rev.0高75%以上，比3GPP對HSUPA和R99的模擬結果（50%到70%）略高。

　　2.QoS保證的業(yè)務能力（VoIP）

　　基本假設：單載波小區(qū)，并只提VoIP業(yè)務。具體結果如表3所示。

表3??? EV-DO RevA網(wǎng)絡ROT與上行負載的關系

Erl 35 37 38 39 40 41
平均ROT（dB） 4.14 4.54 4.95 5.03 5.35 5.57
上行負載（%） 70.7 72.7 73.75 74.15 75 80

　　從表3CDMA20001x的干擾和熱噪聲的比例可以看出，當ROT接近5dB時，上行鏈路負荷已達到75%左右。這也就是表明，每個1.25MHz的可支持的VoIP話務量約40Erl.，略為高出CDMA2000 1x1x RTT的話音容量。

　　由于HSUPA和CDMARev.A的關鍵技術非常接近，從以上的CDMA20001xRTT Rev.A的模擬結果和現(xiàn)網(wǎng)觀察可以認為這個結論相對可靠和保守。但是，假如HSUPA和R99/R4/R5混合在同一載波組網(wǎng)（1x EVDO RevA.不存在這個問題），HSUPA用戶的使用，會導致網(wǎng)絡的上行瞬間干擾會明顯提高，對R99/R4的覆蓋可能會有一定的影響，需要對其做出更深入分析。

四、HSDPA/HSUPA標準演進

　　HSDPA+HSUPA的演進項目，即E-HSPA（Evolved-HighSpeedPacketAccess）已在今年3月份的3GPP全會上提出。E-HSPA提案是一部分擁有較多HSDPA、HSUPA專利的廠商（Ericsson、Nokia、Alcatel等），希望繼續(xù)發(fā)揮相關專利的價值，同時部分已部署或即將部署HSDPA網(wǎng)絡的運營商（Cingular等）希望3G擁有一個較長的生命周期而有針對性地提出的提案，并希望它歸入3GPP R7的范疇。

　　E-HSPA提案從支持者的角度看，不需要額外的頻率資源（利用原有WCDMA的5MHz帶寬），在同等的頻段（5MHz）內(nèi)達到與LTE（LongTermEvolution）一樣的性能。此外只是將原來增強的上下行技術HSDPA、HSUPA綜合考慮，實現(xiàn)資源利用率最大化。E-HSPA與WCDMA的關系相當于EDGE與GPRS的關系。即無線側設備的軟件升級即可實現(xiàn)的技術。

　　同時，E-HSPA的網(wǎng)絡架構類似于LTE已確定的網(wǎng)絡架構，它們可共享核心側，即SAE，惟一的差別就是無線側。因此支持者認為這樣可實現(xiàn)E-HSPA到LTE的平滑網(wǎng)絡升級，充分利用已有投資，節(jié)省成本。

　　以Cingular為代表的運營商、設備提供商極力推薦3GPPRAN采用E-HSPA方案，雖然NTTDocomo、T-mobile、Samsung等提出反對意見，但是RAN側考慮問題的局限性，認為E-HSPA技術只是UTRAN的簡單軟件升級，不涉及到大的規(guī)模性的改動，也不影響LTE的網(wǎng)絡架構，因此在RAN#31次會議上最終通過。但是當提交到SA#31上討論時，以T-mobile、Samsung為代表的廠商再一次提出眾多的質(zhì)疑，認為E-HSPA方案的引入會影響到LTE的進程，同時會影響到SAE方案中的e-Node B與e-GW的接口S1，即會對e-GW的功能改動很大，不可能實現(xiàn)E-HSPA到LTE的平滑升級，因此在SA全會中，以Cingular為代表的E-HSPA提案暫時標注為noted，即下次大會再討論。在2006年3月到6月間，各支持方及反對方都要拿出強有力的仿真數(shù)據(jù)，支持各自的觀點，以便下次SA全會討論，相關動向我們將拭目以待。