（通信与信息系统专业论文）umtshsdpa系统传输层协议和分组调度算法的仿真研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 3 g p p 对u m t sr 9 9 r 4 版本的空中接口技术作了改进，引入了r 5 版本( h s d p a ) 无 线数据宽带技术来更好地发展移动数据业务。高速下行分组接入( h s d p a ) 是w c d m a 在无线传输方面的增强和演化，支持更高速率和更大容量。为提高移动分组数据传输能力， 3 g p pr e l e a s e 5 协议中采用了自适应编码调制( a m c ) 、l 1 层h a r q 、f c s 等技术。上面这 些技术的引入都会要求系统对传输模式的快速自适应，而传输模式的选择策略关键是分组 调度算法，也是系统设计的核心要素。因此对h s d p a 分组调度算法进行相应的研究，对 于我国通信事业的发展有着重大的现实意义。 作者用n s 2 网络仿真工具搭建了u m t s 的通用仿真平台，通过对几种传输层协议的 仿真，对它们的时延性能作了一个比较，并验证了这几种协议都能较好地适用于该平台。 接着，本文重点研究了当前h s d p a 的几种经典的无线分组调度算法，并提出了一种基于 区分业务类型并保证最小吞吐量的分组调度算法( s e r v i c ed i f f e r e n t i a t e dt h r o u g h p u t g u a r a n t e e dp a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m ) 。该算法引入了区分业务机制，对不同类型业务用 户提供不同的调度策略，并结合了基于信道质量并保证最小吞吐量的调度算法。例如，该 算法能够对有q o s 保证的用户提供基于信道质量的最小吞量保证机制的调度算法，而对其 它用户采用轮询调度算法。通过n s 2 仿真我们得到在不同分组调度算法情况下用户的端 到端时延和吞吐量性能曲线。通过比较，发现基于业务区分机制的调度算法不仅能较好地 区分业务，并且在对保证质量业务方面的性能较优越。 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学通信与信息系统 研究方向： 网络技术与应用 作者：2 0 0 5 毂研究生谢佳秀指导教师唐宝民 题目：u m t s h s d p a 系统传输层协议和分组调度算法的 领仿真研究 英文题目：t h es i m u l a t i o ns t u d yo ft r a n s p o r tp r o t o c o l sa n dp a c k e t s c h e d u l i n ga l g o r i t h m si nu m t s h s d p as y s t e m 主题词： k e y w o r d s ： 通用移动通信系统高速下行分组接入 混合自动重传传输控制协议网络仿真 分组调度 u m t sh s d p a h a r q t c p n e t w o r ks i m u l a t i o n p a c k e ts c h e d u l i n g 南京邮电大学硕士研究生学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t f o rb e t t e rd e v e l o p m e n to fm o b i l ed a t as e r v i c e ，3 g p ph a si m p r o v e dt h ea i ri n t e r f a c e t e c h n o l o g yo ft h eu m t sr 9 9 r 4e d i t i o n s ，a n di n t r o d u c e dh s d p at e c h n o l o g yi nr 5r e l e a s e i t p r o v i d e sas t e a d ye v o l u t i o np a t ho nt h ea s p e c to fw i r e l e s st r a n s p o r tf o rh i g h e rs p e e do fd a t ar a t e a n dl a r g e rc a p a c i t y t h ea d o p t i o no fa m c ，h a r qa n df c st e c h n o l o g yw i l lh e l pt oi m p r o v et h e t r a n s p o r tc a p a b i l i t y o fm o b i l ep a c k e ts e r v i c e s a l lt h e t e c h n i q u ea b o v er e q u i r e st h ef a s t a d a p t a t i o nt ot h et r a n s p o r tm o d e ，a n dt h ek e yf a c t o rt ot h em o d es e l e c t i o ns t r a t e g yi sp a c k e t s c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，w h i c hi sa l s ot h ec o r ee l e m e n tf o rs y s t e md e s i g n h e n c et h es t u d yo f p a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h mi nh s d p a h a ss i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h ef u t u r ed e v e l o p m e n to f c o m m u n i c a t i o ni n d u s t r y t h ea u t h o rs e tu pe x t e n s i o nf u n c t i o n a lm o d e lf o ru m t s ，a n dc o m p a r e dt h ed e l a y p e r f o r m a n c eo fs e v e r a lt r a n s p o r tp r o t o c o l so nt h ep l a t f o r mt h r o u g hs i m u l a t i o n ，v e r i f y i n gt h a ta l l t h e s ep r o t o c o l sw o r kw e l l t h e n , t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so ns e v e r a lc l a s s i c s c h e d u l i n g a l g o r i t h m s ，a n da d d r e s sas e r v i c ec l a s s i f i c a t i o nb a s e dt h r o u g h p u tg u a r a n t e e dp a c k e ts c h e d u l i n g a l g o r i t h m ，n a m e l ys e r v i c ed i f f e r e n t i a t e dt h r o u g h p u tg u a r a n t e e dp a c k e ts c h e d u l e i ta d o p t st h e m e c h a n i s mo fs e r v i c ec l a s s i f i c a t i o n ，w h i c hc a np r o v i d ed i f f e r e n ts c h e d u l i n g s t r a t e g i e sf o r d i f f e r e n tu s e r s ，a n dc o m b i n e st h ea l g o r i t h mo ft h r o u g h p u tg u a r a n t e e db a s e do nc h a n n e lc o n d i t i o n f o re x a m p l e ，i tc a l lp r o v i d em i n i m u mt h r o u g h p u tg u a r a n t e e df o rq o s g u a r a n t e e du s e r s ，a n du s e r o u n dr o b i ns c h e d u l i n ga l g o r i t h mf o ro t h e r s ，s i m u l a t i o ni sp e r f o r m e df o rt h e s ea l g o r i t h m s ， t h r o u g hw h i c ht h ec u r v e so fp e e r - t o - p e e rd e l a ya n da v e r a g et h r o u g h p u ta r eo b t a i n e d t h er e s u l t s h o w st h a tt h es e r v i c ed i f f e r e n t i a t e dt h r o u g h p u tg u a r a n t e e d s c h e d u l i n gm e t h o do u t p e r f o r m s o t h e rs c h e d u l i n ga l g o r i t h m sn o t o n l yo nt h e c l a s s i f i c a t i o no ft h es e r v i c e s ，b u ta l s oo n p e r f o r m a n c eo fg u a r a n t e e ds e r v i c e s h 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学通信与信息系统 研究方向： 网络技术与应用 作者：2 0 0 5 毂研究生谢佳秀指导教师唐宝民 题目：u m t s h s d p a 系统传输层协议和分组调度算法的 领仿真研究 英文题目：t h es i m u l a t i o ns t u d yo ft r a n s p o r tp r o t o c o l sa n dp a c k e t s c h e d u l i n ga l g o r i t h m si nu m t s h s d p as y s t e m 主题词： k e y w o r d s ： 通用移动通信系统高速下行分组接入 混合自动重传传输控制协议网络仿真 分组调度 u m t sh s d p a h a r q t c p n e t w o r ks i m u l a t i o n p a c k e ts c h e d u l i n g 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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的 地方外，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 含为获得南京邮电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作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：藿恒日期：2 卿目 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：毫生壁垒： 导师签名：日期： 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 移动通信技术具有移动性、自由性、不受时间与地点限制等特点，正深刻改变着人们 的生活和行为方式。第一代移动通信系统是基于频分多址f d m a 技术的模拟通信系统，典 型代表是美国a m p s 系统和后来改进型系统t a c s 。a m p s 使用模拟蜂窝传输的8 0 0 m h z 频带，在美洲国家广泛使用；t a c s 是2 0 世纪8 0 年代欧洲的模拟移动通信制式，也是我 国采用的模拟移动通信制式，使用9 0 0 m h z 频带。第一代移动通信有很多不足之处，比如 容量有限、制式互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务、系统间不能提 供漫游等。 第二代移动通信系统主要采用时分多址t d m a 和码分多址c d m a 数字通信技术，全 球主要有g s m 和c d m ai s 9 5 两大体制，其核心业务是语音业务，由t d m 线路承载语 音和低速数据业务。提供全球化漫游和移动多媒体业务成为第二代移动通信面临的主要挑 战。以g p r s 为代表的2 5 g 技术能够提供理论峰值1 7 1 2 k b p s 的无线数据带宽，但业务速 率的提高及提供业务的灵活性等方面都受到很大的限制，不能从根本上改变第二代移动通 信以语音业务和低速数据业务为主的局面。第三代移动通信技术是按照国际电信联盟提出 的i m t - 2 0 0 0 标准而设计的新一代移动通信系统，采用c d m a 码分多址技术，具有支持更 高数据速率、更大系统容量等特点，快速提供多媒体业务。目前，第三代移动通信技术正 在朝着实现在任何时间、任何地点，用任何方式和任何人进行通信的目标迈进。 i t u 确定的i m t - 2 0 0 0 技术的标准包括w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 及t d s c d m a 三种技 术制式。去年，又把w i m a x 技术列为和t d s c d m a 并行的主流标准，和t d s c d m a 共用一个频段。 w c d m a 技术标准是3 g p p 组只制定的，有r e l e a s e9 9 、r e l e a s e4 、r e l e a s e5 、r e l e a s e 6 等版本。w c d m a 采用直接序列扩频码分多址( d s c d m a ) 、频分双工( f d d ) 方式1 2 4 l ， 码片速率为3 8 4 m c p s ，载波带宽为5 m h z 。基于r e l e a s e9 9 r e l e a s e4 版本，可在5 m h z 的 带宽内，提供最高3 8 4 k b p s 的用户数据传输速率。在r e l e a s e5 版本引入了下行链路增强技 术，即h s d p a ( h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e t a c c e s s ，高速下行分组接入) 技术，在5 m h z 的带宽内可提供最高1 4 4 m b p s 的下行数据传输速率。h s d p a 技术是w c d m a 在无线部分 的增强与演进。引入h s d p a 技术后的w c d m a 无线部分，在n o d eb 增加了一个新的 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 m a c h s 子层，但基本结构仍与r 9 9 保持一致。而且，引入h s d p a 后，只是在原有的物 理信道上增加了新的信道。因此，支持h s d p a 技术的终端可以和r 9 9 终端在一个载波内 共存。 通用移动通讯系统：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 n ss y s t e m ( u m t s ) 是种第三 代( 3 g ) 移动通信技术。它使用w c d m a 作为底层标准，由3 g p p 制定，代表欧洲对i t u i m t 2 0 0 0 关于3 g 蜂窝无线系统需求的回应。 1 2 论文立题的意义 h s d p a 网络发展前景广阔，主要是由于其技术的先进性大大提升了w c d m a 系统吞吐 率，符合用户对高速业务越来越强烈的需求。h s d p a 支持高速分组传输，将业务信道从“专 用 转为“共享 方式，提高资源利用率。h s d p a 能够将数据吞吐率提升2 3 倍，并且可 以在现有的r 9 9 网络上平滑升级，这些都是h s d p a 受到运营商青睐的重要原因。基于 w c d m a 体系的无线通信系统不断进行技术完善，未来的h s d p a 将为人们提供更方便快捷 的移动通信服务。将来，大部分高速分组业务都可以承载到h s d p a 上，而r 9 9 只需要承载 电路业务和有保证速率要求的分组业务。随着技术的发展和协议的升级，未来分组域上能 很好地承载实时业务。 3 g p p 确定了h s d p a 演进的三个阶段：第一阶段是基本h s d p a ，理论上可获得1 4 4 m b p s 峰值速率；第二阶段是增强h s d p a ，将采用天线阵列处理技术，如多输入多输出技术m i m o 和快速小区选择技术f c s ，将峰值数据速率提高至3 0 m b p s ；第三阶段将采用新型空中接口， 如正交频分复用o f d m 技术和6 4 q a m 调制，将峰值速率提高到5 0 m b p s 以上。 作为u m t s f d d 的一种演进技术1 1 们，h s d p a 提供了移动通信系统实现多媒体服务所 需的高数据传输速率，将大大提高系统的频谱效率和系统容量。它不仅能有效地支持非实 时业务，同时也可以用于许多实时业务，例如流媒体等。作为后3 g 的主流技术之一，h s d p a 正受到越来越多人的热切关注。 1 3 论文结构 第一章简要介绍了课题的研究背景和意义，介绍了w c d m a 的发展情况和h s d p a 技 术提出的背景。 第二章介绍了w c d m a 的基本原理和h s d p a 的关键技术，以及h s d p a 对w c d m a 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 系统的改进。 第三章简要介绍了n s 2 仿真工具得使用和u m t s 扩展功能模块及仿真环境的搭建， 包括节点的配置，物理层和数据链路层的相关设置。 第四章介绍了几种新型传输层协议，并在u m t s 环境下进行了仿真比较。 第五章介绍了区分业务的快速分组调度算法，并通过仿真与现有的几种分组调度算法 进行了比较。 第六章对全文进行总结，并指出下一步的研究方向。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章u m t s 系统及1 4 s d p a 性能特点 第二章w c d m a 原理和h s d p a 技术 2 1w c d m a 原理 w c d m a 移动通信系统1 3 4 1 采用双层扩频的码分多址接入技术，即对每个信 道的信号用正交可变扩频因子o v s f 码进行扩频，并用扰码进行加扰，只要o v s f 码或者扰码中有一个不同就可以区分相同频带和时隙内的不同信道。在w c d m a 系统中，下行链路不同小区用扰码区分，同一小区中的不同信道主要用o v s f 码区分；上行链路不同用户信号用扰码区分，同一用户的不同信道主要用o v s f 码区分。 2 1 1w c d m a 系统架构 w c d m a 系统包括3 部分：核心网c n ( c o r e n e t w o r k ) ，u m t s 地面无线接 入网u t r a n ，用户设备u e 。依据w c d m a 系统的网络参考模型图2 1 可知， c n ，u t r a n 和u e 间的功能模块彼此独立，之间的联系通道通过标准接口完成。 彼此独立的好处是各个系统可以独立部署、演迸。另外，各个功能实体之间也采 用标准接口，有利于各个厂商设备的互连互通。 核心网部分包含移动交换中心服务器拜访位置寄存器，网关移动业务交换 中心服务器，媒体网关，归属签约服务器，服务g p r s 支持节点，网关g p r s 支 持节点，鉴权中心，移动设备识别寄存器等8 个部分；无线接入网络包含无线网 络控制器和基站，无线网络控制器对无线资源进行管理，基站用于发送和接收信 号；用户设备是整个系统中由用户使用的部分，用户使用u e 来通过网络获得移 动服务。u e 可以是独立的设备，也可以是与之相连的终端设备，比如便携式电 脑等。 三个部分的接口定义如下：c n 和u t r a n 之间的接口为i u 接口，由于电路 域和分组域的业务在核心网内部的功能处理模块中分离，因此，也可以分为i u c s 和i u p s 接口；c n 和u t r a n 之间的信息交互并不区分c s 与p s ，至于c s 和 p s 的消息和数据分发由c n 内部处理。系统和u e 之间的接i = 1 为u u 接口，用于 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章u m t s 系统及h s d p a 性能特点 系统和u e 之间进行消息交互和数据传输。 p s t n i s d n i外部网络匝画：圃 ll j g m s c 囡圆 l s e r v e r m s c 固 s e r v e r v l r m g w 圆圆 沮n ii n l 囱区囱_ 闷 畦 亘二二二云 图2 1w c d m a 的系统架构 2 1 2w c d m a 系统特点 u u w c d m a 系统因其具有许多特有的技术，与第二代移动通信系统相比，具 有以下特点： ( 1 ) 更大的系统容量：w c d m a 系统采用快速功率控制技术，使发射机的发 射功率总是处于满足用户q o s 的最小水平，从而减小了多址干扰；另外由于 w c d m a 自身的频带较宽，抗干扰性好，上下行链路可采用相干解调，大大提 高了链路容量。 ( 2 ) 更多的业务种类：w c d m a 系统可以提供和开展的业务种类非常丰富， 除了传统的语音业务，还可以提供可视电话、流媒体、高速数据下载等业务。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章u m t s 系统及h s d p a 性能特点 ( 3 ) 更高的数据速率：r 9 9 标准可提供的最高速率为2 m b p s ，引入h s d p a 后， 最高传输速率可达1 4 4 m b p s 。 w c d m a 系统是自干扰系统，随着用户数的增多，上下行干扰也会增加， 用户所需要的上下行发射功率也随着增加。因此，如果一个用户的功率非常高， 则会导致其他用户的功率攀升，针对w c d m a 系统的白干扰特点，采用闭环功 率控制，负荷控制等措施，以避免用户的功率攀升。 w c d m a 在r 5 版本引入h s d p a ，其用户容量方面的改进技术包括采用1 0 或1 5 个编码复用方式、多路接收和传输以及先进的接收方式等。 容量分析的另一个重要指标就是功率分配比率。在r 9 9 中，其物理信道结构 是采用专用信道( d c h ) j i ：i 公共信道( 包括前向接入信道、寻呼信道、公共分组信道 和下行共享信道等) ，每一个承载的可用功率受限于基站配置参数所允许的范围。 在r 9 9 网络中，c s l 2 2 k 业务的下行s f = 1 2 8 ，除去公共信道开销，系统大约支 持1 2 3 1 2 4 个用户。在r 5 版本中引入h s d p a 后，增加了高速下行共享信道 ( h s d s c h ) ，下行用户可以使用配置给h s d p a 的全部功率。功率控制则增加了 h s d p a 总功率资源的分配和h s d p a 相关物理信道的功率控制的功率控制方法。 需要注意的是h s d p a 下行功率的突发性能对系统业务的影响，在载频共享的部 署方式下，应该尽量把非实时的分组域业务用h s d p a 承载，而不是用r 9 9 r 4 的p s 3 8 4 ，p s l 2 8 等专用信道承载。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章w c d m a 原理h s d p a 技术 2 1 3w c d m a 的无线接入网 u t r a n 的协议接口模型分为3 部分：控制平面( 无线控制面+ 传输网络用户面) 、用 户平面( 无线用户面+ 传输网络用户面) 、传输网络控制面。 无线控制面使用传输网络用户面提供的信令承载实现信令传输。无线控制完 成呼叫控制相关功能，包含了u t r a n 有关的控制信令，例如i u 口的r a n a p ，i u r 口的r n s a p 以及i u b 口的n b a p 等应用部分的协议。 无线用户面使用传输网络用户面提供的数据承载实现业务数据的传输。用户面完成用户 的业务数据通道功能，主要用于在u e 和核心网之间转发话音、数据等用户数据，它主要包 括各个接口上的协议处理，以及媒体访问控制、链路控制等工作。 传输网络控制完成承载控制功能，用于建立用户面的数据承载，主要负责传输层的控 制信令。水平面上的协议结构分为传输网络层和无线网络层两层。无线网络层由u t r a n 协议规定其标准和功能，传输网络层主要使用i t u 标准传输协议。 r n c 是负责控制u t r a n 资源的网元，负责无线资源控制协议处理( r r c 层) 、用户 数据的每层协议栈的处理( p d c p 层、r l c 层、m a c 层协议栈) 以及r a n a p r a s a p i u b 口的消息进程处理。r r c 用于控制u e 和u t r a n 之间的消息进程、资源控制和移动性管 理等。 n o d eb 的主要功能是进行空中接口物理层的处理，如c r c 校验、信道编解码、速率 匹配、交织解交织、分段、扩频解扩，加扰去扰等，另外对于专用信道由n o d eb 来 执行内环功率控制，负责空中接口下行数据的发送和上行数据的接收等功能。对于h s d p a 系统，n o d eb 增加了快速分组调度、混合自动请求重传和自适应调整码率的功能，可以提 高系统分组域的容量，降低系统的时延。 2 1 4 无线链路控制协议r l c r l c 层的r l c 协议运行在r n c 和u e 上面，同时为业务和控制数据提供分段和重 传功能。r l c 层可以工作在透明模式、非确认模式和确认模式之下。在透明模式，没有协 议开销加到高层数据；在非确认模式，没有使用重传协议，并且传送的数据没有保护；在确 认模式，应用自动重传以实现纠错功能。分组数据汇聚( p d c p ) 模块主要用于压缩i p 数据 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章w c d m a 原理h s d p a 技术 包头的冗余控制信息。在控制平面，i u c 层向上层提供的业务为信令无线承载。在用户平 面，i 也c 层提供的业务为无线承载。 a m ( 确认模式) 是r l c 协议使用最多的配置方式，在u m t s 网络中其各个协议层 的数据帧格式如图2 2 所示 i p l i y e r r l cp d u l 遗墨睦婴叫缝筮! b 兰竺_出量! 睦竺型1 _ 一，l 一r i - 一 娜臣m 圆as d u l 臣m 圆a cs d u 2 臣m 圆a c s d u 3 i c iilii m a cp d u t b i t b 2 i t b 3 哪h j t b j c 圈r c j t b 盈2c r c 玉t b 曲3 c r c 。 i l illiilil j 一j 1 - j - - - - i j 2 2h s d p a 技术 图2 - 2a m 中数据帧结构示意图 h s d p a 是w c d m a 系统r 5 协议中引入的无线增强技术，它可以为下行提供高达 1 4 4 m b p s 峰值速率，这得益于在物理层引入了大量的关键技术，诸如a m c 、h a r q 、2 m s 短帧、1 6 q a m 调制等。 2 2 1h s d p a 的协议模型 h s d p a 作为w c d m a 在下行的增强技术，在体系结构中与r 9 9 最大的不同是增加了 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章w c d m a 原理h s d p a 技术 一个新的m a c 子层，即m a c h s 子层，该子层负责调度以及流控制处理，如图2 3 所示。 d t c h d t c h 图2 3h s d s c h 传输信道的协议模型 从图2 3 中可以看出：协议模型与r 9 9 相比，最大的不同是在n o d e b 和u e 分别引入 了m a c h s 子层。n o d eb 的m a c h s 实体通过u u 口将m a c h sp d u 传递给n o d eb 的 m a c h s 实体 在n o d eb 中引入m a c h s 子层的主要原因包括：( 1 ) 多用户的快速调度；( 2 ) 减少 重传时延，提升用户的业务性能；( 3 ) 提高a m c 技术链路自适应性能：该技术根据信道 质量来调整调制和编码方式，其性能对信道质量上报的时延非常敏感，时延越大链路自适 应性能越差。 h s d p a 除了物理层重传外，同时还支持r l c 层重传。r l c 负责对物理层丢包进行重 传，可以根据业务特性选择是否进行r l c 层重传。对于时延要求较高、丢包要求较低的业 务不需要r l c 层重传( i u cu m ) ；而对于丢包要求高、时延要求较低的业务则需要r l c 层重传( i 也ca m ) 。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章w c d m a 原理h s d p a 技术 r 9 9d c h d s c h r 5h s d s c h 图2 4h s d p a 的重传控制 在r 9 9 中，最低层的重传为r l c 层重传。r l c 层重传时延包含了物理层处理时延以 及i u b1 2 重传的时延，其中i u b 口的重传时延占的比重较大。h s d p a 和r 9 9 重传机制对比 如图2 4 所示。物理层重传比r l c 重传更快速，因此h s d p a 的业务时延比r 9 9 更优。 由于h s d p a 的物理层使用2 m s 的短帧，r 9 9 使用1 0 m s 、2 0 m s 、4 0 m s 、8 0 m s 的长1 v r i ， 所以h s d p a 物理层时延比r 9 9 物理层低很多。h s d p a 的环回时延可以低至7 0 8 0 m s 左 右，而r 9 9 的i m 在1 2 0 1 5 0 m s 左右。 2 2 2h s d p a 物理层结构 h s d p a 物理信道的使用与d c h 加d s c h 的配合使用相似，它承载需要更高时延限制 的业务。为了支持h s d p a ，在m a c 层新增了m a c h s 实体，位于基站，负责h a r q 操 作以及相应的调度，并在物理层引入下列三种新的信道。 l o 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章w c d m a 原理h s d p a 技术 2 2 2 1 高速下行链路共享信道( h s d s c h ) 与r 9 9 已有的信道相比，h s d s c h 在许多方面有其特有的特点。传输时间间隔( t t i ) 或交织周期定义为2m s ( - - 个时隙) ，这使得在重传过程中对于终端和基站之间的往返时 延能够更小，提高调度的时间粒度，更好地跟踪时变的无线环境。h s d s c h 支持多码传 输和不同用户间的码复用。由于h s d s c h 信道的扩频因子为1 6 ，所以在同一个扰码下共 有1 6 个s f 为1 6 的码道。但是由于下行公共信道、h s s c c h 信道以及伴随专用物理信道 都需要码资源，所以h s d s c h 可用的最大码道数为1 5 个，并且最大码字数目由终端的能 力级决定，终端可以选择5 、1 0 和1 5 个码字。 c r c 校验h 比特加扰h 码块分割h 信道编码 罄亨1 谓忡圈岖 物理制划一 速率 匹配 信道 分割 图2 5h s - d s c h 的信道编码过程 h s d s c h 信道的编码过程如图2 5 所示。其中，循环冗余校验功能是为了检测传输块 传输的正确与否。由于c r c 检错能力较强，并且实现简单，所以经常用来检错。h s d p a 使用2 4 b i t 的c r c 校验；比特加扰功能是为了避免长时间的出现连1 或连o ，因为 长时间的出现连1 或连0 会使1 6 q a m 解调时幅度估计非常困难；码块分割功能将 大于5 1 1 4 b i t 的数据块分别进行编码使输入t u r b o 编码器的最大传输块为5 1 1 4 ；信道编码 与r 9 9 相比并无改变，仍采用码率为1 3 的t u r b o 码，编码器内部仍由两个卷积编码器和 一个内交织器组成，采用t u r b o 码的主要原因是处理较大的传输块时，它的性能比卷积码 优越；速率匹配完成t u r b o 编码器输出比特到物理信道比特的映射。h s d s c h 速率匹配分 为两级：第一级完成t u r b o 编码器输出比特到h a r q 虚拟缓冲器的映射；第二级速率匹配 在冗余参数的控制下完成第一级输出比特到物理信道比特的映射。速率匹配的引入是为了 使传输块编码速率的力度更小，更精确适应信道条件，同时也使重传可以采用与第一次相 同或不同的传输格式；物理信道分割功能将速率匹配之后的数据按照码的数量对信道编 码、速率匹配之后的数据进行分段，然后输入到各个物理信道交织器中：交织功能与r 9 9 相同，也是为了减少连续的大面积错误，而提高t u r b o 译码器的译码性能。将每个物理信 道分别进行交织，对于q p s k 使用单交织器，1 6 q a m 使用两个交织器；1 6 q a m 星座重排 甫京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章w c d m a 原理h s d p a 技术 功能是1 6 q a m 特有的，用于比特间可靠度的平衡。图2 - 6 给出了q p s k 和1 6 q a m 的星 座图。采用s f 为1 6 的1 5 个码，1 6 q a m 的峰值数据速率是q p s k 的两倍，达到了1 0 m b i t s 。 可是高阶调制的使用在移动无线环境下也不是没有代价的，对r 9 9 信道，在解调过程中只 有相位估计是必需的。而当使用1 6 q a m 时，还需要幅度估计用来区分星座点，而且需要 更加准确的相位信息，因为与q p s k 相比1 6 q a m 星座点间具有更小的相位差。支持 h s - d s c h 的终端需要估计d s c h 功率相对于导频功率的幅度比率，这要求基站在采用 1 6 q a m 传输数据时，保持当前h s d s c h 帧的功率恒定，否则改变c p i c h 功率导致的 c p i c h 和h s d s c h 的功率比的偏差会严重恶化传输性能。 凸一 一口 一 一 口 一 一 口 一 口。 一口a 图2 - 6 q p s k 和1 6 q a m 的星座图 与r 9 9 规范相比，h s d s c h 的信道编码进行了简化，激活的h s d s c h 传输信道数 目固定为l ，因此不再需要同一用户的传输信道复用模块：而且交织深度为2m s ，不再分 为帧内交织和帧间交织，信道编码的类型固定为t u r b o 编码。但是，随着传输块长度的变 化，h s d s c h 的信道编码所采用的调制方式、多码信道数和1 3 以外的t u r b o 编码速率都 是可变的。这样，有效码速率在1 4 - - 3 4 间变化。随着编码速率的改变，减少编码增益可 以提高单位码字内的比特数。 h s - d s c h 映射的信道码资源最大可由1 5 个扩频因子( s f ) 固定为1 6 的s f 码构成。 h s - d s c h 信道的共享方式有两种。最基本的方式是时分复用，即按时间段分给不同的用 户使用，这样h s d s c h 信道码每次只分配给一个用户使用。另一种就是码分复用，在码 资源有限的情况下，同一时刻，多个用户可以同时传输数据。信道码资源共享使系统可以 在较小数据包传输时仅使用信道码集的一个子集，从而更有效地使用信道资源。h s d s c h 信道的传输时间间隔设定为2m s ，使系统有更强的a m c 及信道的适应性。从共用信道分 配的信道码由基站根据h s d s c h 信道业务情况每隔2m s 分配一次。与专用数据信道使用 软切换不同，h s d s c h 间使用硬切换方式。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章w c d m a 原理h s dp ：a 技术 2 2 2 2 高速共享控制信道( h s - s c c h ) h s s c c h 承载解调h s d s c h 所需的信令，按照码复用的最大用户数，u t r a n 分 配相应数目的h s s c c h 。如果h s d s c h 没有承载数据，基站不需要发送h s s c c h 。 从网络的观点看，基站可以维持大量的h s s c c h ，但单个终端最多支持4 个h s s c c h 的接收。网络发送信令告知终端需接收的h s s c c h 。实际上不太可能需要多于4 个的 h s s c c h ，但为了更好的匹配码资源，h s d p a 能力有限的终端需要支持多于1 个的h s s c c h 的接收。每个h s s c c h 消息块的持续时间为3 个时隙，分为两部分。第一部分( 第 1 个时隙) 承载对定时敏感的信令，这些信令用于按时启动解调过程以避免码片级数据缓冲； 第二部分( 剩下的2 个时隙) 承载对时间不敏感的信令，包括检测h s s c c h 信息和 h a r q 处理信息可靠性的循环冗余校验( c r c ) 。为保护信令的可靠传输，h s s c c h 的这 两部分信令都用终端的特定掩码进行扰码，以便终端判断接收到的h s s c c h 信道是否是 发给自己的消息。因为h s s c c h 上没有导频比特和t p c 指令比特，h s s c c h 采用s f 1 2 8 ，也就表示每个时隙装载4 0b i t 的数据( 信道编码后) 。因为第1 个时隙后需要立即得到 定时敏感的信令，这样就不能与第2 部分进行交织，所以这两部分分别用半速率的卷积 编码进行信道编码。 h s s c c h 第一部分的参数包括如下内容： a ) 解扩采用的码字( 序列) 。这个参数与终端能力级有关系，终端能力级表示该终端 支持的最大解码码字数目( 5 、1 0 或1 5 ) ； b ) 调制方法。h s d s c h 采用的是q p s k 还是1 6 q a m 调制。 h s s c c h 第二部分的参数包括如下内容： a ) 冗余度信息，用于与先前接收到的数据进行正确解码和数据合并的信息； b ) a r q 处理序号，表示当前数据所属的a r q 序列号； c ) 首次传输指示或者重传指示，用来指示是否把当前的数据与缓冲器中的数据( 先前 未正确解码的数据) 进行合并，还是丢弃先前的数据用新数据填充缓冲器。 终端用1 个单独的时隙来确定解扩h s d s c h 所需的码字，并且利用终端特定的掩码 来判断接收的数据是否为自己的，单个终端监听的h s s c c h 的最大数目为4 ，但是如果 出现数据在连续t t i 内传送的情况，t t i 间隔所对应的h s s c c h 应当保持不变，以增 强信令的可靠性。这样不仅避免了终端存储不必要的数据，而且也保证了可以使用比终端 1 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章w c d m a 原理h s d p a 技术 能支持的码字更多的码字资源。下行链路d c h 的定时与h s s c c h ( 和对应的 h s d s c h ) 定时没有直接关系。 2 2 2 3 上行链路高速专用物理控制( h s d p c c h ) h s d p a 上行链路承载物理层重传所需的a c k n a c k 消息和质量反馈信息，这个质 量反馈信息在基站调度器中用来决定给哪个终端传输以及传输速率是多少。如果不是所有 的基站都能升级支持h s d p a ，就必须保证能够完成软切换的操作。这样，维持现有r 9 9 的 上行链路结构不变，在并行的码信道上增加新的h s d p c c h 用来承载h s d p a 信令，h s d p c c h 分为两部分，承载如下参数： a ) a c k n a c k ，反映分组数据解码和合并后的c r c 校验的结果。 b ) 下行链路质量指示符( c q i ) ，指示可以正确接收( 适当的b l e r ) 的、估计的下行 链路的接收数据传输块长度、调制方式和并行信道数目。 2 2 3h s d p a 关键技术 2 2 3 1 自适应调制和编码 现实环境中的无线信道具有两大特点：时变特性和衰落特性。时变特性是由终端、反 射体、散射体之间的相对运动或者仅仅是由于传输媒介的细微变化引起的，因此，无线信 道的信道容量是一个时变的随机变量。要最大限度地利用信道容量，可以使发送速率也是 一个随信道容量变化的量，即使编码调制方式具有自适应特性。 自适应调制1 9 l 和编码属于链路自适应技术，原理是根据信道条件的变化改变调制编码 方式，以便最大限度地发送信息，实现比较高的数据