HSDPA技术在TD—SCDMA多频点小区的实现研究

苏健

摘 要：为了提高小区用户的峰值速率和小区数据吞吐率，文章提出了多频点小区和HSDPA技术相结合的实现方案。用户数据可以同时在多个载波上传输，所使用的物理资源根据系统的资源和干扰负载状况在多载波间进行灵活配置。文章根据信道编码过程的不同提出了三种可行的实现方案，并针对传输可靠性和数据吞吐量进行了系统仿真，结果表明，多频点分别独立进行数据传输可获得较高的数据吞吐量。

关键词：高速下行分组接入;自适应调制编码;混合自动重传请求;多频点小区

中图分类号：TN929.53           文献标识码：A        文章编号：2095-1302（2015）09-00-04

0  引  言

为了满足日益增长的对高速分组数据接入服务的需求，3GPP Rel5引入了HSDPA技术，并通过采用AMC、HARQ技术，引入高阶调制（16QAM甚至64QAM调制），同时在基站侧增加了一个实体MAC-hs用于数据的快速调度，因而可获得较高的用户峰值速率和小区数据吞吐率。目前，对于FDD，HSDPA理论峰值速率可达14.4 Mb/s，对于TD-SCDMA，时隙结构采用1上5下时，理论峰值速率可达到2.8 Mb/s[1，2]。与FDD HSDPA相比，TD-SCDMA HSDPA频谱效率虽然相当，但是可提供的下行峰值速率较低，相比FDD没有优势。为了全面提升TD-SCDMA系统支持高速数据业务的能力，增强TD-SCDMA的竞争优势，笔者提出了HSDPA与多频点小区相结合的方案，即多频点HSDPA技术，通过多载波技术和高阶调制来提高HSDPA的峰值传输速率和频带利用率。这样，当采用16QAM调制时，3载波理论峰值速率可达到8.4 Mb/s。

1  多频点HSDPA关键技术

TD-SCDMA单载波HSDPA采用HS-DSCH信道机制，通过使用自适应调制编码（AMC）、混合自动重传请求（HARQ）以及快速调度等技术获得比较高的用户速率和系统吞吐量。HSDPA在UE和NodeB的MAC层引入MAC-hs实体，可完成相关调度、反馈和重传等功能，在网络侧重传直接在NodeB进行控制，可提高重传的速度，只有较少数据传输的时延;在物理层引入了HS-SCCH（下行）和HS-SICH（上行）两条控制信道，则可快速完成UE和NodeB之间的信息交互。

在引入多频点后，多个频点由基站侧的MAC-hs实体统一调度，把用户数据分成不同的子流放在多个频点上同时进行传输。

1.1  AMC

和功率控制一样，AMC也是一种链路自适应技术，通过采用更多的编码率和多种调制方式（QPSK、16QAM），根据链路质量（CQI）自适应地调整数据的调制和编码方式，可以补偿由于信道变化对接收信号所造成的衰落影响，从而提高信号的信噪比性能。

HSDPA中AMC技术主要应用于HS-DSCH信道，AMC与HARQ相结合，对处于有利位置的用户可以得到更高的数据速率，提高了小区平均吞吐量，另外，通过自适应地改变编码调制方案来代替改变发射功率，充分利用了基站的发射功率，这样做的结果是，在信道条件好时充分利用系统资源提高传输速率，而在信道条件差时又不提高功率，因而不会增加对其它用户和小区的干扰。

1.2  HARQ

HARQ即自动重复请求（ARQ）和前向纠错编码（FEC）混合使用，目前，HSDPA中的FEC仍采用1/3的Turbo码。而在HSDPA中，HARQ技术需要与AMC结合使用，其主要作用是补偿AMC选择的传输格式不恰当带来的误码。AMC的机制提供了大动态范围的粗略的、慢速的自适应控制，而HARQ的机制则提供了小动态范围的精确的、快速的自适应控制。

为了提高信道利用率，多频点HSDPA的HARQ重传机制采用N通道停等HARQ（N-channel-SAW-HARQ，N-SAW ARQ）方式，即在一个传输物理信道上同时并列进行N个HARQ进程（N的个数最大为8），当下行链路一个HARQ进程发送完数据包等待反馈消息的时候，启动另外一个HARQ进程发送数据包。也就是说，当下行链路传送一个HARQ进程的数据包时，上行链路传输的是其他HARQ进程的反馈信息。这样，系统资源就可以被充分利用，但要求接收端能存储N个传输块的信息。

在交互过程中，如果网络侧将UE回复的NACK被误判为ACK时，则HARQ进程不再重传该数据块，而是发送新的数据块，数据的可靠度留给RLC保证，即在RLC层进行重传。如网络侧将ACK误判为NACK时，HARQ进程根据该数据块的时延特性判断是否重发该数据块，如果重发，UE会再次发送ACK响应，由于每块数据有编号，因此没有任何影响。

1.3  HS-DSCH信道

引入多频点后，同一UE的HS-DSCH数据由MAC-hs分配到各个频点，需要注意的是，如果在同一TTI上同一个UE的数据同时在多个频点上传输，则每个频点上传输的数据都是一个完整的TBS，而不是一个TBS分在不同的载波上传输。每个频点的HS-DSCH的TBS独立处理，其基本编码映射流程与3GPP HSDPA[3]保持不变。对于多频点HSDPA，为了降低UE的实现复杂度，可以约定如下：

（1）分给同一用户的HS-PDSCH所在的多个载波需要连续载波;

（2）与DPCH不同频点上的HS-PDSCH的SF为1，与DPCH相同频点上的HS-PDSCH的SF既可以为1，它也可以为16;

（3）如果UE上报支持单载波的能力，网络分配HS-PDSCH资源仅分配一个载波的HS-PDSCH，并且该载波与伴随的DPCH所在载波相同，此时网络可以设定HS-PDSCH 的SF为1，也可以设定HS-PDSCH的 SF为16。

1.4  HS-SCCH信道

为了灵活调度，在多频点下，当UE多频点同时传输数据时，每个频点独立使用一组HS-SCCH/HS-SICH进行控制信息的交互，HS-SCCH/HS-SICH所在频点与所控制的HS-PDSCH所在频点没有对应关系，HS-PDSCH的频点索引号在HS-SCCH信道中传输，为此需要在HS-SCCH中增加4个比特来表示其所控的HS-PDSCH的频点索引号。多频点下HS-SCCH可以约定如下：

（1）采用多个频点为同一UE传输时，每个频点各自使用一个HS-SCCH信道用于控制信息的传输;

（2）小区中所有载波中的HS-SCCH信道统一编号（每个HS-SCCH占用SF=16的两个信道资源，与单频点相同）;

（3）每个HS-SCCH信道与一个上行HS-SICH信道一一对应，且在同一个频点上;

（4）为同一用户分配的所有HS-SCCH信道在同一频点内。

1.5  HS-SICH信道

HS-SICH信道与HS-SCCH信道一一对应，用来对某个频点上UE接收HS-PDSCH数据的情况来进行回应。多频点下对HS-SICH可以作如下约定：

（1）采用多个载波为同一UE传输数据时，每个频点使用一个HS-SICH信道用于上行NACK/ACK和CQI等控制信息的传输;

（2）为同一用户分配的所有HS-SICH信道在同一载波内;

（3）每个HS-SICH信道与一个下行HS-SCCH信道一一对应，且在同一个载波内;

（4）小区内所有载波中的HS-SICH信道统一编号（每个HS-SICH占用SF=16的1个信道资源，与单载波相同）。

1.6  HS-SCCH/HS-DSCH/HS-SICH的定时关系

发送给同一个UE的HS-PDSCH及用于指示该HS-PDSCH相关信息的HS-SCCH之间间隔至少为3个时隙（不包括DwPTS和UpPTS），如图1所示。另外，对于某一时刻发送给某个UE的HS-SCCH，其只能指示同一子帧或下一个子帧对应频点的HS-PDSCH信息，而不能指示连续两个子帧的HS-PDSCH信息。

图1  HS-SCCH与HS-PDSCH的定时关系

UE收到HS-PDSCH后，需要选择UE间隔9时隙（不包括DwPTS和UpPTS）的第一个可用HS-SICH进行上行反馈，其定时关系如图2所示。

图2  HS-SICH与HS-PDSCH的定时关系

2  多频点HSDPA实现方案

为了便于描述设计方案，我们假设多载波的载波数目为3。

2.1  方案一

三个载波分别进行分段编码，并在不规则字节模块将三路串联后，进行比特加扰。将加扰后的数据再分为三路，三路分别是原来载波的数据，送入HS-DSCH交叉模块。

HS-DSCH交叉模块首先对三路数据分别进行交织，实现时间分集的效果。当三路时间交织数据输出后，再对数据进行频率交织，以获取频率交织增益。具体方案如图3所示。

2.2  方案二

方案二选用了三个载波，分别独立地进行数据传输，每一路如同原3GPP R5 25.222[4]所述。用户发送的数据在一开始就分为三路，每一路独立传输，数据的发送尽可能地利用信道条件好的载波进行传输。具体方案如图4所示。

2.3  方案三

将三个载波信道作为一个整体看待，即发送数据作为一个整体输入信道编码进行处理。数据块只进行一次CRC校验，如果需要重传，则所有的数据块都需要进行重传。数据块从16QAM星形重排组模块输出后，再根据每个载波的资源进行物理信道映射，并由三个载波进行传输。

图3  方案一：HS-DSCH信道编码流程

图4  方案二：HS-DSCH信道编码流程

在接收端，由于我们把三个载波看成是一个统一信道，因此，在进行信道估值时，三个载波的数据要进行统一估值，获取的信道质量是三个载波信道的平均值。

3  性能仿真与分析

仿真统计量为8 000个TTI（5 ms）数据块。BER， BLER按同一数据块最后一次重传的TTI统计，BLER1按第一次传输的TTI统计。仿真系统参数见表1所列。

表1  仿真参数配置

参数名称 取值

过采样 4

HS-DSCH 1

HS-SICH 理想信道

CRC校验比特数 24

Turbo译码器迭代次数 4

最多重传次数 4

停等个数 4

单路载波最大传输数据块大小 14 056

单路载波最大编码数据块大小 42 282

HS-DSCH占用的时隙数 5

HS-DSCH占用的码道数 16

扩频因子 16

调制方式 QPSK/16QAM

Ior/Ioc（dB） -8 dB～28 dB step 3 dB

Channel ITU PA3

为充分证明三载波方式带来的性能增益，首先进行单载波与直接使用三路独立载波（方案二）获得的性能增益比较。其结果见表2所列。

图5是三种方案的可靠性仿真结果，图6是三种方案吞吐量的比较结果。从图6中我们可以看出，方案二的性能要远好于其他方案。分析主要原因：虽然方案一对于译码可以获得一定的频率交织增益，但是由于在接收端，信道估计返回到基站的信道CQI值与译码的比特信噪比不一致，造成反馈信道质量与译码的真实值有差别，影响了系统的总体吞吐量。

可举例说明：设载波1的信道条件较好，载波2、3较差，在上一帧中1反馈到基站，要求发送调制方式为16QAM的高码率数据;2、3要求发送调制方式为QPSK的低码率数据。由于在HS-DSCH交织模块中进行频率间交织，原来在载波2、3的数据通过交织放到载波1上发送，同样，载波1的一部分数据也放在载波2、3发送。在接收端，信道在联合检测后对信道估值，分别向基站反馈载波1、2、3的信道质量。然后对接收数据进行反交织并译码。由于载波1译码器的部分数据是在载波2、3发送，信噪比低，但其编码数据较高，因此很容易造成译码性能差，可能需要系统进行重传。对于载波2、3数据，其部分数据是在载波1上发送，信噪比较高，而其编码速率低，因此译码性能好，但其反馈到基站的CQI值并不能反映出这部分信息。这就是说，高码率载波的BLER增加，而低码率的BLER降低，因此，从整体上看，系统的吞吐量下降。

（a）   方案一可靠性仿真结果

（b）  方案二可靠性仿真结果

（c）  方案三可靠性仿真结果

图5  三种方案的可靠性仿真结果图

图6  三种方案总吞吐量仿真结果

在合适的环境下，可以采用64QAM高阶调制，可以使单载波峰值速率达4.2 Mb/s，3载波时峰值速率可达12.6 Mb/s。64QAM调制方式理论上可以比目前的16QAM调制性能提高1.5倍。从仿真结果来看[5]，如果在HSDPA中采用64QAM，信噪比要求在25 dB以上才能获得明显的性能增益。因此，64QAM调制主要应用于信道条件好，移动速度慢或静止的状态，可以在网络规划时充分考虑这些因素，来提高系统性能和容量。

4  结  语

多载波HSDPA具有资源配置灵活，后向兼容性好的特点。多载波HSDPA的业务信道HS-DSCH根据系统资源和干扰负载情况进行配置，既可以由单载波的码道资源组成，也可由多个载波的码道资源捆绑构成，载波数目可以不固定。对于终端而言，多载波提供了更多的信道资源，提高了UE的峰值数据传输速率，但也使终端的实现复杂度有了较大提升。在本文的技术方案基础上，通过引入其他先进方法，如高阶调制和优秀的调度算法，还可以进一步挖掘TD-SCDMA多载波的技术潜力。

参考文献

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