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摘要 由中国提出的t d s c d m a 移动通信标准是第三代移动通信系统中世界公认 的三大标准( t d s c d m a 、w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 ) 之一，目前t d s c d m a 系统 正在实现大规模商用。为了满足系统中用户日益增长的对高速分组数据业务的需 求，3 g p p 在r 5 引入了h s d p a 技术，它使用一系列新技术如a m c 、h a r q 、快 速分组调度等可以在保持现有物理层带宽不变的情况下为用户提供更高的传输速 率。引入h d s p a 后，需要在m a c 层引入若干新的处理模块。 本文在分析r 4 到r 5 协议架构修改的基础上，从侧重实现的角度对m a c 层 的三个新的功能处理模块m a c h sf l o wc o n t r o l ( 流控) 、m a c - h ss c h e d u l i n ga n d p r i o r i t yq u e u eh a n d l i n g ( 调度及优先级队列处理) 、m a c - h sh a r qa n dt f r c h a n d l i n g ( h a r q 及t f r c 处理) 进行了深入的算法研究。最后结合m a t l a b 仿真 对这些算法进行了全面的分析。 关键词：i t s d p a 流控调度及优先级队列处理n a r q 及t f r c 处理 a b s t r a c t t h et d s c d l i v i am o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r dp r o p o s e db yc h i n ai so n eo f t h et h r e ew o r l da c k n o w l e d g e ds t a n d a r d s ( t d s c d m a ，w c d m a ，c d l v i a 2 0 0 0 ) f o rt h e m i r dg e n e r a t i o nm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m r e c e n t l y , t h et d s c d 【as y s t e m h a sb e e nc o m m e r c i a l i z e da tal a r g s c m e i no r d e rt os a t i s f yu s e r s i n c r e a s i n gd e m a n dt o h i g h - s p e e dp a c k e td a t as e r v i c e ，3 g p ph a sd e v e l o p e dh s d p a s e r v i c ei nr d e a s e5 i tc a n p r o v i d em u c hh i g h e rt r a n s m i s s i o ns p e e df o ru s e r sw i mt h es a m es p e c t r a lb a n d w i d t h b e c a u s eas e r i e so fn e w t e c h n i q u e s ，s u c ha sa m c ，h a r q ，f a s tp a c k e ts c h e d u l i n ga n ds o o na r ea p p l i e d ，s oi ti sn e c e s s a r yt oa d ds o m en e w h a n d l i n gm o d u l e si nm a cl a y e r a f t e ra n a l y z e st h eu p d a t i n gf r o mr 4t or 5f r a m e w o r k s ，t h i st h e s i sr e s e a r c h e so n ， w i 也t h ee m p h a s e so ni m p l e m e n t a t i o n ，t h ea l g o r i t h m so ft h r e en e wh a n d l i n gm o d u l e s ， s u c ha sm a c - h sf l o wc o n t r o l ，m a c h ss c h e d u l i n ga n dp f i o f i wq u e u eh a n d l i n g ， m a c - h sh a r qa n dt f r ch a n d l i n g f i n a l l y , t h i st h e s i sa n a l y z e st h ep e r f o r m a n c eo f t h e s ea l g o r i t m st h e o r e t i c a l l y , w i t hs o m ee x p e r i m e n t a lc o m p a r i s o nb a s e do nm a t l a b s i m u l a t i o n k e y w o r d ：h s d p a f l o wc o n t r o l s p q hh a r qa n dt f r c 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：量磊日期鲨! ：；1 ， 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期 p ! p 、弓1 芷赶 立巫 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百。下匕 2 0 多年前，在第一代移动通信出现的初期，就有人提出“2 1 世纪是无线通信 的世纪”的预言；1 0 余年前，在第二代移动通信标准制定过程中，国外杂志就预见 到无线通信将如火山爆发式地高速发展。如今，上述两个预言都已经实现了：移 动通信已经成为通信领域最大和最有发展前途的部分，目前第三代移动通信( 3 g t h et h i r dg e n e r a t i o n ) 时代甚至后3 g 时代已经到来。 1 1 引言 移动通信的发展始于2 0 世纪2 0 年代在军事及某些特殊领域的使用，4 0 年代 才逐步向民用扩展，而最近1 0 多年来才是移动通信真正蓬勃发展的时期。移动通 信的发展过程大致可分为三个阶段： 第一代模拟移动通信系统出现于7 0 年代中期，采用模拟调制技术，主要提供 话音业务，其频谱利用率低、保密性能差所以很快被淘汰。到8 0 年代中后期出现 了第二代数字移动通信系统( 2 g ) ，第二代移动通信系统包括g s m 、i s 9 5 等多个 标准，采用数字调制技术，除提供话音业务外还能提供低速率数据业务，2 g 系统 改善了话音质量和保密性，并且为用户引入了无缝的国际漫游，它的应用和推广 极大地推动了移动通信系统的广泛应用，但随着移动通信业务的高速发展和移动 通信用户数目的高速增长，2 g 系统在系统容量和业务种类上趋于饱和。第三代移 动通信系统包括w c d m a 、t d s c d m a 、c d m a 2 0 0 0 等多个标准，它的设计目标 是开发一种有能力解决第一、第二代移动通信系统主要弊端的先进的移动通信系 统。它的一个突出特点就是使个人终端用户可以在全球范围内的任何时间、任何 地点，与任何人，以任何方式高质量地实现任何信息的交换与共享。可见，第三 代移动通信系统十分重视个人在通信系统的自主因素，突出了个人在通信系统中 的主导地位，所以又称为未来个人移动通信系统【l 】。 1 23 g 标准概述 i t u ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 早在1 9 8 5 年就开始了对未来公 共陆地移动通信系统u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，后更名 为i t u 一2 0 0 0 ) 的技术研究，并成立了专门负责标准化研究的任务组t g 8 1 。在1 9 9 8 年初，i t u 开始向所属成员征集符合i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l e 2t d s c d m a 系统h s d p a 技术m a c - h s 算法研究 t e l e c o m m u n i c a t i o n s 2 0 0 0 ) 要求( 基本要求包括业务数据速率、业务质量、兼容性、 全球无缝覆盖、频率范围等) 的i 玎t ( r a d i ot r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e ，无线传输技 术) 提案。到规定的截止日期，i t u 共收到1 0 个用于地面移动通信的r 1 r t 提案。 1 9 9 9 年1 1 月5 日在芬兰赫尔辛基召开的i t ut g 8 1 第1 8 次会议上，最终确定了 3 类( t d m a 、c d m a f d d 、c d m a t d d ) 共5 种技术( 两种t d m a ，两种 c d m a f d d ，种c d m a t d d ) 作为第三代移动通信的基础。其中的两种t d m a 技术并未达到i m t - 2 0 0 0 的最低要求，因而不可能成为真正意义上的国际标准。在 公认的3 g 主流技术c d m a 中，包括了两个f d d ( w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 ) 技术 和一个t d d 技术，其中的t d d 技术又包括了两个选项，它们是e t s i ( e u r o p e a n t e l e c o m m u n i c a t i o n ss d a n d a r d si n s t i t u t e ，欧洲电信标准协会) 提出的u t r a t d d 和 中国c w t s ( c h i n aw i r e l e s st e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d ，中国无线通信标准研究 组) 提出的t d s c d m a ，i t u 希望两个t d d 方案能够融合为一个统一的t d d 标 准。不过，作为u t r a t d d 标准最主要制订者之一的德国s i m e n t s 公司已经放 弃了对u t r a t d d 标准的开发，转而开发t d s c d m a 标准，因而t d d 技术中事 实上仅剩下了t d s c d m a 标准。 在2 0 0 0 年5 月举行的i t u r 2 0 0 0 全会( r a 2 0 0 0 ) 上，3 g 无线接口标准最终 获得批准通过，被正式命名为i m t - 2 0 0 0 无线接口技术规范( m 1 4 5 7 ) 【1 】【2 1 。 至此，3 g 标准制订正式结束，在公认的三种3 g 主流标准中，包括了中国提 出的t d s c d m a 技术标准，这是我国百年通信史的首创，是我国通信技术进入国 际竞争的开端，也是我们民族的自豪。 1 3t d s c d m a 工作频段规划 2 0 0 2 年1 0 月，国家信息产业部下发文件关于第三代公众移动通信系统频率 规划问题的通知( 信部无 2 0 0 2 4 7 9 号) 中规定：主要工作频段( f d d 方式：1 9 2 0 1 9 8 0m h z 2 1 1 0 2 1 7 0l v l _ n z ；t d d 方式：1 8 8 0 1 9 2 0 m h z 、2 0 1 0 2 0 2 5 m h z ) 。 补充工作频段( f d d 方式：1 7 5 5 1 7 8 5 m h z 1 8 5 0 1 8 8 0 m h z ；t d d 方式： 2 3 0 0 “2 4 0 0 m h z ，与无线电定位业务共用) ，频段分布如图1 1 所示。从图1 1 中我们可以看到t d d 得到了1 5 5 m h z 带宽的频段( t d d 在同一频点上使用时隙区 分上下行，故不需要使用成对的频率资源，故各种频率资源在t d d 模式下均可以 得到有效利用) ，而f d d ( 包括w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 ) 共得到了2 x 9 0 m h z 的 频段( f d d 必须使用成对的频率资源) 。 第一章绪论 1 7 9 i 1 1 8 0 m 0 2 1 1 0 2 1 u 口m i | i 二l 一 日k e m 自n i _ l 一 f d d 珊习 图11 中国第三代移动通信系统频率规划 14t d s c d m a 产业化状况 在政府和运营商的全力支持下，t d s c d m a 产业链已经发展成熟，商用网络 已经初步建设完成，同时越来越多的设备制造商投入到t d s c d m a 产品的开发阵 营中来，许多国家和地区的电信运营商密切关注着t d s c d m a 在我国的进展和试 验，对t d d 技术的兴趣越来越浓。在国内外的众多相关厂商中，大唐、中兴、鼎 桥( 华为西门子) 、北电、爱立信、普天等厂家参与系统设备的研发；凯明、展 讯、t 3 g 、重邮信科、t i 、a d i 、r t x 、s t 等厂家参与终端芯片的研发：大唐、中 兴、华为、波导、联想、海信、厦新、三星、l g 、d b t e l 等厂家参与终端的研发： 美国泰克、罗德施瓦茨、安捷伦等厂家参与测试仪器的研发。目前，t d s c d m a 从芯片到终端，到系统的整个产业链的发展已经步入一个健康、开放、稳步发展 的良性轨道。 t d s c d m a 主要产业化进展如下： 2 0 0 2 年1 0 月3 0 日，t d s c d m a 产业联盟正式成立，大唐、南方高科、华立、 华为、联想、中兴、中电、中国普天等8 家知名通信企业成为首批成员。 2 0 0 2 年1 1 月2 2 日，u t 斯达康与大唐移动签署合作协议，共同开发t d s c d m a 系统设备。 2 0 0 3 年1 月2 0 日，大唐移动、飞利浦、三星联手组建天蕃科技( t 3 g ) 公司。 2 0 0 3 年4 月，重邮3 g 手机实现与大唐基站通话。 2 0 0 3 年7 月2 5 日，北电、大唐成立t d s c d m a 联合试验室。 2 0 0 3 年1 1 月2 8 日，中国普天、中兴与大唐移动签署技术合作协议计划在 2 0 0 4 年推出成熟的商用设备。 2 0 0 4 年2 月1 2 日西门子和华为成立t d s c d m a 合资公司，即后来的鼎桥， 生产和销售t d - s c d m a 无线接入网络设备。 4 t d s c d m a 系统h s d p a 技术m a c h s 算法研究 2 0 0 4 年3 月，大唐移动宣布研制成功了世界上第一台t d s c d m a 手机终端。 2 0 0 4 年4 月3 日，t d s c d m a 产业联盟成员中国普天、中兴通讯、大唐移动 同北电网络等有关单位，在上海举行t d 。s c d m am t n c t 现场试验签约仪式。 2 0 0 4 年5 月2 0 日，世界首颗t d s c d m a 核心芯片在展讯诞生。 2 0 0 4 年6 月1 5 日，g s m 协会和t d s c d m a 论坛就共同发展3 g 技术标准签 署了合作协议。 2 0 0 4 年6 月2 2 日，北电和普天签署了3 g 移动通信产品及解决方案合作谅解 备忘录。 2 0 0 5 年开始，t d s c d m a 系统的外场试验开始在厦门、青岛、保定等城市展 开，并在2 0 0 5 年4 月份打通了t d 系统外场试验的第一个电话，从此t d s c d m a 系统的规模性试验测试工作大规模展开。 与此同时，中国政府明确提出了2 0 0 8 年奥运城市的3 g 覆盖将由t d s c d m a 系统来承担，中国移动也就此推出了手机奥运的概念，为此，在2 0 0 7 年3 月份中 国移动举行了国内8 个奥运城市t d s c d m a 网络覆盖的竞标会，在本次竟标中， 中兴通讯成为最大赢家，独家获得本次竞标5 2 的市场份额，并独家承建北京市 的网络覆盖。 2 0 0 7 年4 月，国内奥运城市t d 网络覆盖的建设正式启动，沈阳市是国内第 一个正式启动网络建设的城市。2 0 0 7 年5 月7 日2 0 ：4 5 左右调通t d 商用网的第 一个语音电话、第一个视频电话。到目前为止，8 个奥运城市的t d 网络建设都已 经结束，并且经过了规模性验收进入网络优化阶段。 2 0 0 8 年3 月份中国移动举行了一期t d 终端的采购竞标会，中兴通讯再次成 为最大赢家，拿下了所有高端手机和超过一半数据卡的采购单。目前终端已经开 始供货，一旦终端到位系统就将进入规模放号阶段，t d s c d m a 第一期的建设也 将告一段落，进入网络试运行阶段，为2 0 0 8 年北京奥运会热身。 1 5 论文主要内容安排 为了满足用户日益增长的对分组数据业务的需求，3 g p p 在r e l e a s e 5 中添加了 h s d p a ( h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ，高速下行分组接入) 功能，h s d p a 使用了一系列新技术如a m c ( a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ，自适应调制编码) 、 h a r q ( h y b r i da r q ，快速混合自动重传) 和快速分组调度( f p s ：f a s tp a c k e t s c h d u l i n g ) 等来提高下行分组速率，可以在不改变现有物理层带宽的条件下大大 提高下行数据速率。为了使用这些新技术，在n o d e b 中添加了一个全新的m a c h s ( m a c - h s d p a ) 子层，在这个子层中主要包括三个新的处理模块m a c - h sf l o w c o n t r o l ( 流控) 、m a c - h ss c h e d u l i n ga n dp r i o r i t yq u e u eh a n d l i n g ( 调度和优先级队 第一章绪论 5 列处理) 、m a c - h sh a r qa n dt f r ch a n d l i n g ( h a r q 和t f r c 处理) ，这三个模 块的处理很大程度上决定了h s d p a 的性能【3 】【4 】。 本论文主要是结合h s d p a 相关协议，对前述m a c h s 子层的三个模块的处理 算法进行研究。 论文共分为七章，结构安排如下： 第二章阐述了t d s c d m a 系统的基本信息，根据对分组数据的需求引出了 h s d p a 业务，介绍了h s d p a 业务中使用的新技术，并且讨论了为引入h s d p a 业 务而在协议架构和基带处理的修改。 第三、四、五章是本文的主要内容，其中第三章从侧重实现的角度研究了 m a c - h sf l o wc o n t r o l 的算法过程，从指导编码的思想上设计了流控的处理流程， 并且讨论了流控中使用的各个参数的计算方法。第四章从侧重实现的角度研究了 m a c - h ss c h e d u l i n ga n dp r i o r i t yq u e u eh a n d l i n g 的算法过程，首先设计了m a c h s 调度预处理，其中包括了物理层上报c q i ( c h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t o r ) 的处理以及 当前c q i 的生成、m a c 传输块的反馈结果处理以及为了保持系统的正常运行而需 要的若干异常保护定时器，然后设计了协议要求的相关测量算法，最后在本章前 述部分基础之上设计了综合优先级调度处理算法。第五章从侧重实现的角度研究 了m a c h sh a r qa n dt f r ch a n d l i n g 算法功能模块的算法过程，主要研究了 h a r q 的算法处理流程，并且设计了物理层参数和t b s 的生成算法、成帧过程以 及s c c h 控制信息生成算法。 第六章首先简要介绍了t d h s d p a 仿真平台系统，然后基于该平台对a m c 的链路级性能、a m c 的吞吐量、h a r q 性能以及快速分组调度性能进行了详尽的 计算机仿真，并对结果进行了深入分析。 第七章总结全文内容，提出了本课题有待于进一步深入研究的问题，并展望 该领域的研究发展趋势。 第二章t d s c d m a 系统与h s d p a 第二章t d s c d m a 系统与h s d p a 2 1 1 系统架构介绍 2 1t d s c d m a 系统 t d s c d m a 网络架构由核心网( c n ，c o r e n e t w o r k ) ，u m t s 陆地无线接入网 ( u t r a n ，u m t st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k ) 和用户设备( u e ，u s e r e q u i p m e n t ) 3 部分组成，其结构如图2 1 所示。其中c n 和u t r a n 之间的接口称 为i u 接口，u t r a n 和u e 之间的接口称为u u 接口。 u t r a n 由若干个通过i u 接口连接到c n 的无线网络子系统( r n s ， r a d i o n e t w o r ks u b s y s t e m ) 组成。其中一个r n s 包含一个r n c 和一个或多个n o d e b ， 而n o d e b 通过i u b 接口与r n c ( r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r ) 相连接。在u t r a n 内 部，r n c 之间通过i u r 接口进行信息交互。每个r n s 管理一组小区的资源。在下 一代移动通信系统l t e ( l o n gt e r me q u i p m e n t ) 系统中，已经取消了r n c 物理实 体的存在，c n 跟n o d e b 是直接物理相连的【2 1 。 图2 1t d s c d m a 系统架构 t d - s c d m a 系统h s d p a 技术m a c h s 算法研究 2 1 2u t r a n 接口协议架构 如图2 1 所示，在u t r a n 中存在i u 口、i u b 口、i u r 口和u u 口四种接口，其 中i u 口、i u b 口、i u r 口统称i u x 接口，为地面接口，u u 口为空中接口。因为各个 接口的标准性，接口协议在不同厂家的设备对接时就显得尤为重要，下面分别简 要介绍i u x 接口和u u 接口的协议架构。 2 1 2 1i u x 接口协议架构 u t r a ni u x 接口在协议架构上是相同的，都可以分为所谓的“两层三面”，两 层是指无线网络层和传输网络层。传输网络层为用户平面传输、信令传输和特定 的运行与维护( o & m ) 传输提供服务，而与u t r a n 特定的功能无关，可以将传 输网络层看作一个统一平台，不同的无线传输协议比如w c d m a 、t d s c d m a 无 线传输协议均可以使用该平台。三面是指控制平面、用户平面和传输网络控制平 面。其中用户平面和控制平面贯穿无线网络层和传输网络层，传输网络控制平面 仅存在于传输层。接口在协议上的不同主要是承载使用的底层协议不同。因此参 照i u p s 接口的协议架构进行说明。图2 2 为i u p s 接口的协议结构。 r a d i o c o n u o lp l a n eu s c l rp l a n e n e t w o r k i uu pp r o t o c o l l a y e r r a n a p l a y e r j l j t r a n s p o r t t r a n s p o r tn e t w o r kt r a n s p o r tn e t w o r kt r a n s p o r tn e t w o r k n e t w o r k u 5 e i p l a n ec o n t r o lp i a n eu s c rp l a n e l a y e r s c c p m 3 u a ! m t p 3 - b s c t p g t p - u s s c f n n i u d p s s c o p口 m a a l 5 ： 从l 5 ll a t ma t m p h y s i c a l l a y e r 1 e：p h y s ；i l l a y e r ；i i i ：i i 。- 。： 一一一- - - 一一- 一- - _ 一- 图2 2i u p s 协议结构 第二章t d s c d m a 系统与h s d p a 9 如图2 2 所示，在i u 接口上无线网络层可以分为无线网络控制平面和无线网 络用户平面，控制平面使用的协议为无线接入网络应用部分( r a n a p ， r a d i o a c c e s sn e t w o r ka p p l i c a t i o np a r t ) ，负责c n 和r n s 之间的信令交互。用户平面使 用的协议为i u 口用户平面( i u u p l a n e p r o t o c 0 1 ) 。在传输网络层，i u 接口可以使用 a t m 传输技术和口传输技术【4 1 i s ，各厂家前期实现的传输方式都是基于a t m 技术， 目前中兴实现的新一代系统中i u x 各接口均已经同时支持a t m 传输和口传输并可 以实现混合承载组网。 2 1 2 2u u 接口协议架构 2 1 2 1 小节中所述接口均位于u t r a n 内部或者u t r a n 跟c n 之间，都位于 网络侧内部，而位于u t r a n 和u e 之间的接口是真正的空中接口u u 接口。u u 接口上协议栈的分层结构如图2 3 所示，在u u 接口上，协议栈按其功能和任务， 被分为物理层( l 1 ，l a y e r1 ) 、数据链路层( l 2 ) 和网络层( l 3 ) 等3 层。其中 l 2 又分为媒体接入控制( m a c ，m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) 、无线链路控制( r l c ， r a d i ol i n kc o n t r 0 1 ) 、分组数据会聚协议( p d c p ，p a c k e td a t ac o n v e r g e n c ep r o t o c 0 1 ) 和广播多播( b m c ，b r o a d c a s t m u l t i c a s tc o n t r 0 1 ) 等4 个子层。l 3 和r l c 按其 功能又分为控制平面( c 平面) 和用户平面( u 平面) ，l 2 的p d c p 和b m c 只存 在于u 平面中。在c 平面上，l 3 又分为无线资源控制( i 汛c ，r a d i or e s o u r c e c o n t r 0 1 ) 、移动性管理( m m ，m o b i l i t ym a n a g e m e n t ) 和连接管理( c m ，c o n n e c t i o n m n a g e m e n t ) 等3 个子层，其中c m 层还可以按其任务进一步进行划分( 如呼叫控 制、补充业务、短消息等功能模块) 【6 】。 l o t d s c d m a 系统h s d p a 技术m a c 。h s 算法研究 毁事举冷u u s b o u n d a r y c - p l a n es i g n a l l i n g u - p l a n ei n f o r m a t i o n b t r o l r l c l 3 r a d i 0 l a 3 1 - e l - $ l 2 ，p d c p l 2 ，b m c l 2 ，r l c l o g i c a l c h a r m e l s l 2 眦c t r a n s p o r t c h a n n e l s l 1 2 1 3 物理层帧结构 图2 3 空中接口u u 接口协议结构 t d s c d m a 系统的物理信道采用4 层结构：系统帧、无线帧、子帧、频点 时隙码道。t d d 模式下的物理信道由突发( b u r s t ) 构成，这些b u r s t 仅在所分配 的无线帧中的特定时隙发射。除下行导频( d w p t s ) 和上行接入( u p p t s ) 突发 外，其他所有用于信息传输的突发都具有相同的结构。一个发射机可以在同一时 刻和同一频率上发射多个突发以对应同一时隙中的不同信道，不同的信道使用不 同的o v s f 信道化码来实现物理信道的码分。无线3 g p p 定义的一个t d m a 帧长 度为1 0 m s 。t d s c d m a 系统为了实现快速功率控制和定时提前校准以及一些新技 术的支持，将一个1 0 m s 的帧分为两个结构完全相同的子帧，每个子帧的时长为 5 m s 。系统的子帧结构如图2 4 所示。每个5 m s 的子帧由3 个特殊时隙和7 个常规 时隙( t s 0 - 、- t s 6 ) 组成。常规时隙用作传送用户数据或者控制信息。在这7 个常 第二章t d s c d m a 系统与h s d p ai i 规时隙中，t s 0 总是固定地用作下行时隙来发送系统广播信息，而t s l 总是固定 地用作上行时隙。其他的常规时隙可以根据需要灵活地配置成上行或者下行，以 实现不对称业务的传输，如分组数据。每一个子帧总是从t s 0 开始。用作上行链 路的时隙和用作下行链路的时隙之间有一个转换点( s w i t c hp o m t ) 分开。每个5 m s 的子帧有两个转换点，第一个转换点固定在t s 0 结束处，而第二个转换点则取决 于小区上、下行时隙的配置，可位于t s l - t s 5 结束处【7 1 。 1 2 8 m c h i p s d l 、) i ，p t s ( 9 6 c h i p s ) 转换点 风。州 t s l 十t s 2 千t s 3 千 b o i 风5 t s 6 v 2 1 4 物理层处理简介 图2 4 物理层子帧结构 信道编码与复用、扩频和调制等过程合称为基带信号处理，作为3 g p p 的一员， t d - s c d m a 系统的基带信号处理跟其他3 g 系统大同小异，对于每个传输时间间 隔t t i ，物理层以传输块集的形式接收来自m a c 层的数据流，这些数据流在物理 层经过基带处理之后，在无线链路上提供传输服务。在物理层基带信号处理的步 骤包括： c r c 校验( 对来自m a c 子层的传输块操作) 、传输块的级连与分段( 为后面的 编码做准备) 、信道编码、无线帧长度均衡( 为第一次交织做准备) 、第一次交织( 无 线帧交织) 、无线帧分割、速率匹配( 打孑l 或者重发) 、传输信道复用( 复用成编 码组合信道c c t r c h ) 、物理信道分割( 一条c c t r c h 分配到几条物理信道上发送) 、 第二次交织( 帧相关或者时隙相关) 、子帧分割( 无线帧分割为两个子帧) 、物理信 道映射【8 】【9 】【l o 】。 1 2t d s c d m a 系统h s d p a 技术m a c - h s 算法研究 2 2 1 需求背景 2 2t d s c d m a 系统之h s d p a 为了满足用户日益增长的对高速分组数据业务的需求，也为了能够更好地与 其它无线技术对数据业务的支持相竞争，3 g p p 在r e l e a s e 5 引入了h s d p a 技术。 h s d p a ( h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ) 是指高速下行分组接入，它可以在保 持现有物理层带宽不变的情况下为用户提供更高的传输速率，从而可以在不改变 已经建设的u m t s ( f d d 、t d d ) 网络结构的情况下，大大提高下行数据业务速 率。该技术是t d s c d m a 网络建设后期提高下行容量和数据业务速率的一种重要 技术。h s d p a 技术的应用可以充分满足运营商在3 g 网络成熟期面临下行流量特 别大时进行扩容的需求。 2 2 2h s d p a 关键技术 相对于不支持h s d p a 业务的n o d e b 而言，在h s d p a 业务的基带处理上，为 了达到提高下行分组数据速率和减少时延的目的，h s d p a 主要采用了自适应调制 和编码( 创c ：a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ) 、快速混合自动重传( h a r q ：h y b r i d a r q ) 和快速分组调度( f p s ：f a s tp a c k e ts c h d u l i n g ) 技术。其实，上述几种技术 都属于链路自适应技术，也可以看成是t d s c d m a 技术中可变扩频技术和功率控 制技术的进一步提升。 a m c 是根据无线信道变化选择合适的调制和编码方式，网络侧根据用户瞬时 信道质量状况和目前资源选择最合适的下行链路调制和编码方式，使用户达到尽 量高的数据吞吐率。当用户处于有利的通信地点时( 如靠近n o d e b 或存在视距链 路) ，用户数据发送可以采用高阶调制和高速率的信道编码方式，例如：6 4 q a m 和 3 4 编码速率，从而得到高的峰值速率；而当用户处于不利的通信地点时( 如位于小 区边缘或者信道深衰落1 ，网络侧则选取低阶调制方式和低速率的信道编码方案， 例如：q p s k 和1 4 编码速率，来保证通信质量。 h a r q 技术可以提高系统性能，并可灵活地调整有效编码速率，还可以补偿 由于采用链路适配所带来的误码。h s d p a 将a m c 和h a r q 技术结合起来可以达 到更好的链路自适应效果。h s d p a 先通过a m c 提供粗略的数据速率选择方案， 然后再使用h a r q 技术来提供精确的速率调解，从而提高自适应调节的精度和提 高资源利用率。h a r q 机制本身的定义是将f e c 和a r q 结合起来的一种差错控 制方案，h a r q 机制的形式很多，目前t d s c d m a 系统中采用多通道的s a w 协 第二章t d s c d m a 系统与h s d p a 1 3 议，目前通道数最大可以为8 。 调度算法控制着共享资源的分配，在很大程度上决定了整个系统的行为。调 度时应主要基于信道条件，同时考虑等待发射的数据量以及业务的优先等级等情 况，并充分发挥a m c 和h a r q 的能力。调度算法应向瞬间具有最好信道条件的 用户发射数据，这样在每个瞬间都可以达到最高的用户数据速率和最大的数据吞 吐量，但同时还要兼顾每个用户的等级和公平性。h s d p a 技术为了能更好地适应 信道的快速变化，将调度功能单元放在n o d e b 而不是r n c ，同时也将t t i 缩短到 5 m s 3 1 1 1 。 2 2 3 协议架构修改 为了使用前述的一系列新技术提高传输速率，r 5 中对协议架构进行了一定调 整，如图2 5 所示。 r 一一一一一一一一一一一一1 l i l i e ； r r c r l c m a c - d ( m a c 电m ) 誓j 。：j 7 鬻 ，一嗨： 蠹m a e 舭囊 萋。：、j ，”囊 瑶，、固 p i - i y ( 新增处 理功能) 一u i l 口一一 l r 一一一一一一一一一一一1 r n c l 一一一一一一一一一一一一j 图2 5 引入h s d p a 功能后协议架构修改 从图2 5 中我们可以看出协议结构的变动主要有： k n c 和n o d eb ：新增加h s - d s c hf p ( h i g hs p e e dd o w n l i n ks h a r ec h a n n e l f r a m ep r o c e s s i n g ，高速下行共享信道帧处理) 协议处理，影响i u b i u r 口，如囹区 域所示。 n o d eb 和u e ：新增m a c - h s 子层，负责a m c 、h a r q 、快速调度等功能， 如图区域所示【3 】【7 】。 n o d eb 和u e ：物理层新增3 个物理信道h s p d s c h ( h i g hs p e e dp h y s i c a l d o w n l i n ks h a r ec h a n n e l ，高速物理下行共享信道) 、h s s c c h ( h i g hs p e e ds h a r e ：l：i：上咐； i 1 4 t d - s c d m a 系统h s d p a 技术m a c - h s 算法研究 c o n t r o lc h a n n e l ，高速共享控制信道) 、h s s i c h ( h i g hs p e e ds h a r ei n d i c a t i o n c h a n n e l ，高速共享指示信道) ，增加相关处理过程。 总而言之，引入h s d p a 功能对r n c 冲击较小，只需要添加h s d s c hf p 的 协议处理即可，对n o d e b 影响较大，需要添加一个全新的m a c - h s 子层，即m a c 层拆分为两个子层：m a c d 子层位于r n c ，m a c h s 子层位于n o d e b ，同时物理 层需要添加对三条物理信道的处理过程。 2 2 4n o d e bh s d p a 算法模块逻辑架构以及与系统实现的关系 图2 6 给出了n o d ebh s d p a 各算法模块的逻辑架构。 和原有非h s d p a n o d eb 系统算法方案相比，现有的h s d p a n o d eb 算法主要 在物理层处理层面增加了一个h s d p a 比特级处理( p h yh s d p ab i tl e v e lp r o c e s s ) 逻辑功能模块，同时增加了一个全新的m a c h s 处理子层，其中包括4 个逻辑上 的功能模块：h s d s c hf p 帧处理( m a c - h sh s d s c hf pp r o c e s s ) 、流量控制 ( m a c - h sf l o wc o n t r 0 1 ) 、调度与优先级队列处理( m a c h ss c h e d u l i n ga n dp r i o r i t y q u e u eh a n d l i n g ) 、h a r q 和传输格式资源处理( m a c h sh a r qa n dt f r c h a n d l i n g ) 。 n o d eb 从收到的每个h s d s c hd a t af r a m e 中分离出m a c dp d u s ，并根 据优先级指示( c m c h p i ) 将这些m a c dp d u 分发到对应的m a c - h sp r i o r i t y q u e u e 中，任一t t i 时刻，n o d eb 根据综合调度算法挑出有限个( h s s c c h 个数， 网管上配置，默认2 ) 优先级队列进行调度，并根据其上行反馈c q i 信息选择一 个适当的t f r i ，然后再从上述获得调度资格的优先级队列中适当挑出多个m a