（通信与信息系统专业论文）tdhsdpa中自适应调制编码技术研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导老师： t d h s d p a 中自适应调制编码技术研究 通信与信息系统 马康平( 签名) 李白萍( 签名) 摘要 自适应调制与编码( a m c ) 技术是以数据传输速率与误码率之间的最佳平衡为准则， 在满足传输质量的要求下，根据瞬时信道质量状况，选择与信噪比相匹配的最佳调制编 码方案来实现的，提供了可变的多级调制编码方案，因此获得了最佳的数据吞吐量。 本文首先介绍h s d p a 系统的基本原理及物理层结构，比较w - h s d p a 与 t d h s d p a 的异同；其次，分析无线通信中常见衰落的种类，仿真研究多普勒频移对信 号传输的影响；研究信道估计以及信噪比预测技术，仿真分析了不同调制方案下的误比 特率性能。 本文重点研究自适应调制编码在h s d p a 中的应用。在已有的m c s 选择算法基础 上，研究了信噪比和m c s 切换门限的对应关系，提出了改进算法一基于信道估计的m c s 选择算法，从而提供了根据信道估计情况选定合适切换门限的方法，仿真表明在平均吞 吐量性能指标上，改进算法优于a r f 算法。同时提出了一种m c s 切换门限选择优化方 案，在最低m c s 方案下增加一个额外的门限，分析表明，新方案可以使门限选择效率 提高。仿真验证了自适应调制编码技术的基本原理。进行了h s d p a 下行链路仿真，仿 真结果表明，自适应调制编码技术可以有效提高数据传输质量。 关键词：t d s c d m a ；h s d p a ：a m c ；m c s 研究类型：理论研究型 s u b j e c t ：r e s e a r c ho na d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d e dt e c h n o l o g yi n t d h s d p a s p e c i a l t y ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e：m ak a n g p i n g ( s i g n a t u r e i n s t r u c t o r ：l ib aiping(signature a b s t r a c t t h eb a s i cp r i n c i p l eo fa d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d e dt e c h n o l o g yi st oc h a n g et h em o d e o fm o d u l a t i o na n dc o d e ds c h e m ea c c u r a t e l ya c c o r d i n gt ot h ei n s t a n t a n e o u sc h a n n e lc o n d i t i o n a n dc u r r e n tr e s o u r c es i t u a t i o n , i no r d e rt ob ea d a p t e dt oc h a n n e lc o n d i t i o na n dt oa c h i e v et h e b e s tb a l a n c eb e t w e e nt h ed a t at r a n s f e rr a t ea n dt h eb i te r r o rr a t ew i t h i nt h es y s t e mr e s t r i c t i o n , a n dt h u st oa c h i e v et h em a x i m u md a t at h r o u g h p u t f i r s t l y , t h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h eh s d p as y s t e ma n dt h ep h y s i c a ll a y e rs t r u c t u r ei s d i s c u s s e di nt h i sp a p e r , t h e nc o m p a r e dt h es i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e sb e t w e e nw - h s d p a a n dt d - h s d p a s e c o n d l y , ab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ef a d eo fw i r e l e s sc h a n n e li sp r e s e n t e d ， a n a l y s i so ft h ed o p p l e rf r e q u e n c ys h i f to ft h es i g n a lt r a n s m i s s i o nb yt h es i m u l a t i o n ，a n d i n t r o d u c e dt h es n r p r e d i c t i o na n dc h a n n e le s t i m a t i o n ；s i m u l a t i o na n da n a l y s i st h eb i te r r o r r a t ep e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tm o d u l a t i o ns c h e m e s t h i sp a p e rf o c u s e do nt h ea p p l i c a t i o no fa d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d e dt e c h n o l o g yi n h s d p a b a s e do nt h em c ss e l e c t i o na l g o r i t h m sh a sb e e np r o p o s e db e f o r e ，s t u d i e dt h e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e ns n ra n dt h em c ss w i t c h i n g t h r e s h o l d ，p r o p o s e di m p r o v e d a l g o r i t h m - t h em c ss e l e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nc h a n n e le s t i m a t i o n ，s op r o v i d e dt h em e t h o d t h a ts e l e c t e dt h es u i t a b l em c ss w i t c h i n gt h r e s h o l da c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fc h a n n e l e s t i m a t i o n c o m p a r e d t h e t h r o u g h p u tp e r f o r m a n c e o fi m p r o v e d a l g o r i t h m a n da r f a l g o r i t h m ，t h er e s u l ts h o w e dt h ef o r m e ri sb e t t e rt h a nt h el a t e r a no p t i m i z a t i o ns c h e m ea b o u t m c ss w i t c h i n gt h r e s h o l ds e l e c t i o ni s p r o p o s e d ，a d d i n ga l la d d i t i o n a lt h r e s h o l db e l o wt h e m i n i m u mt h r e s h o l d t h ea n a l y s i ss h o w e dt h a tt h en e ws c h e m ew o u l db em o l ee f f i c i e n t s i m u l a t e dt h ep r i n c i p l eo ft h ea d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d e dt e c h n o l o g y ；v e r i f i e dt h e i m p r o v e m e n to ft h el i n kp e r f o r m a n c eb yu s i n ga d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d e dt e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h eh s d p a d o w n l i n ks i m u l a t i o n k e yw o r d s ：t d - s c d m a h s d p aa m cm c s t h e s i s：b a s i cr e s e a r c h 要料技史学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：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 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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。 学位论文作者签名：刍解 日期：z 9 口宇印，g 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。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注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者鹳：裔对 指导教师签名= 李莎角 2 卯移年勿月i f 日 1 绪论 1 1 移动通信发展概述 1 绪论 现代移动通信在过去短短十几年中经历了从模拟制式到数字制式、从单纯提供语音 业务到全面提供高速高质量数据传输业务的快速发展历程【i j 。2 0 世纪7 0 年代中后期“蜂 窝 概念的提出是移动通信发展过程中的重要里程碑。此前，现代移动通信可大致分为 三个阶段，分别是：2 0 年代到4 0 年代的早期专用移动通信系统，这一阶段只能实现小 规模的单工通信方式；4 0 年代中到6 0 年代初的早期公用移动通信系统，这一阶段可以 实现以基站为中心的大区制移动通信系统，但仍属于单工通信方式 2 1 ；6 0 年代中到7 0 年代中，美国推出的i m t s 系统以及德国推出的b 网实现了自动接续的双工通信方式。 在这三个阶段中，移动通信系统的共同特点是网络容量较小，并且直接受限于频率资源。 “蜂窝”概念提出之后，现代移动通信进入了蜂窝移动通信的高速发展阶段。将整 个服务区分为许多较小的区域，每个区域用发射功率较小的基站进行覆盖，利用电波传 播的损耗特性实现了一定距离外的频率复用，从而突破了有限频率资源对系统容量的限 制。 而蜂窝移动通信的发展也可以划分为三个阶段。第一代移动通信以美国的 a m p s ( a d v a n c em o b i l ep h o n es y s t e m ) 系统为代表，该系统采用频分多址( f d m a ) 方式， 属于模拟移动通信系统，仅提供话音业务【3 】。第二代移动通信以采用时分多址( t d m a ) 方式的数字式g s m 系统和采用窄带码分多址( c d m a ) 方式的数字式i s 9 5 系统为代表， 这两种系统除了能够提供话音业务外，还可以提供低速数据业务【3 ，4 j 。随着i n t e m e t 和多 媒体技术的迅速发展，移动多媒体通信需求和日益紧张的无线频谱资源也对g s m 系统 和i s 9 5 系统的性能提出了更高的要求，为此，不断出现了各种用于移动数据通信的增 强技术，如高速数据传输( h d r ) 和高速率增强g s m 业务( e d g e ) 等【5 , 6 1 ，以求在现有网 络基础上提供更高速和更先进的无线数据通信业务。然而，由于t d m a 多址方式的内 在制约和全球对更高性能和更高频谱效率的统一制式移动通信的不懈追求，理论和实验 都取得巨大成功的宽带码分多址系统就应运而生了。早在1 9 8 5 年，国际电联( i t u ) 就提 出了第三代( ( 3 g ) 移动通信系统的概念，当时称为未来公共陆地移动通信系统( f p l m t s ) ， 1 9 9 6 年更名为i m t 2 0 0 0 1 7 , 8 】。第三代移动通信系统于2 1 世纪初开始商用，主要采用了码 分多址技术，大大提高了频谱资源利用率。比较主流的技术标准有w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 三种，主要特点是多种承载可以支持丰富的高速数据业务。 t d s c d m a 第三代移动通信标准是信息产业部电信科学技术研究院( 现大唐电信 集团) 在国家主管部门的支持下，根据多年的研究而提出的第三代移动通信系统标准。 西安科技大学硕士学位论文 这是近百年来我国通信史上第一个具有完全自主知识产权的国际通信标准，它的出现在 我国通信发展史具有里程碑的意义，并将产生深远影响。t d s c d m a 标准文件在我国 无线通信标准组( c w t s ) 最终修改完成后，经原邮电部批准，于1 9 9 8 年6 月提交到 i t u 和相关国际标准组织。2 0 0 1 年3 月1 6 日，在美国加卅举行的3 g p p t s gr a n 第1 1 次全会上，将t d s c d m a 做为第三代移动通信系统标准之一，包含在3 g p pr 4 中，这 是t d s c d m a 成为全球第三代移动通信系统标准的一个重要里程碑。 表1 1 为3 种主流3 g 标准的对比： 表1 13 种主流3 g 标准主要技术性能 随着移动通信技术的发展，人们对高速移动数据业务的需求日益增长，在3 g p p 标 准中，研究人员在现有技术基础上，提出一种增强型技术，这就是h s d p a ，它同时适 用于w c d m a 和t d s c d m a 系统，本文研究t d s c d m a 系统中的h s d p a 相关技术， 简写为t d h s d p a 系统。为了实现h s d p a 方案，3 g p p 标准中提出了几种关键技术， 其中包括自适应调制编码技术，它属于无线通信系统中链路自适应技术的一种，目前已 被纳入3 g p pr e l e a s e5 标准之中。 2 1 绪论 1 2 自适应调制编码技术的研究背景 自适应调制编码( a m c ) 就是一种链路自适应技术，是指在给定通信业务量、数据传 输质量和数据传输速率等要求的前提下，根据无线信道的实际情况，决定采用的调制和 编码方式【9 】。在多媒体业务的可变速率情况下，保证信噪比不变时满足语音、数据等传 输质量需求，同时也可调节系统的通信容量和质量，其优点是抗多径传播能力较强、频 谱利用率高等1 1 0 。推动自适应调制编码技术研究发展的主要原因有两点：一是因为非自 适应系统链路预算须满足信道质量最差情况，因而当信道质量较好时，不能充分利用信 道容量，造成了频谱资源的浪费i l 。二是根据未来移动通信高速数据传输业务发展的需 要【1 2 1 。自适应调制编码中编码码率和调制阶数的转换实质上是一种变速率传输控制方 法，以适应无线信道衰落的变化情况。由于适应更高系统性能要求和实际需要，自适应 调制编码己成为当今移动通信领域研究热点。 自适应调制编码技术可追溯到早期的格码调制t c m ，它虽然没有做到自适应，但 却做到了使信道编码和调制有机结合，受到了普遍重视。现代高速移动多媒体业务要求 采用支持更高传输速率的高频谱效率调制技术，如m q a m ，m q p s k 等多进制调制方式， 不同调制方式与编码方式的结合和结合方法成为影响系统性能的关键因素。通常，既可 以通过改变发射信号功率适应无线信道的时变特性以实现链路自适应，也可以通过改变 信号码元传输速率实现与瑞利衰落信道的自适应。若发射信号功率不变，快速时变信道 中可采用较小的信号传输速率，而当信道条件较好时则采用较大的传输速率，以实现链 路自适应。b v u e e t i c 于1 9 9 1 年提出利用编码速率和编码方案的改变实现链路自适应， 在信道条件较好时采用码率高的编码方案，而当信道条件变差时，通过减小码率提高纠 错性能来实现链路自适应。随着对高频谱效率自适应调制编码技术的深入研究，目前调 制和编码方式的焦点分别集中在m q a m 调制t u 曲o 码的应用上l l3 1 。理想情况下，m q a m 的最高频谱利用率为l o g ，m b s h z 。通过改变q a m 调制阶数，也称星座图阶数m ，可 实现变速率数据传输，适应信道时变特性，提高系统频谱效率。而信道编码方面，t u r b o 码自1 9 9 3 年被发现以来，因其优异的纠错性能，近些年来一直成为信道编码领域的一大 热点，并获得了大量成果。分析国内外近年来有关信道编码特别是t u r b o 码的研究工作和 发展趋势来看，具有优异性能的t u r b o 码应用已经成为主流i l4 。在考查信道编码时不应 将其孤立起来分析，与其它技术的融合和相互借鉴是推动信道编码发展的一个方向【l5 1 。 随着国家t d s c d m a 规模应用技术试验网测试的顺利开展，t d s c d m a 系统各项 测试取得了好的结果，t d s c d m a 商用进程逐渐加速。因此对t d h s d p a 关键技术进 行深入研究，具有重要意义。 西安科技大学硕士学位论文 1 3 本文研究内容及论文结构 本文主要研究第三代移动通信标准t d 。s c d m ah s d p a 系统中的自适应调制编码 ( a m c ) 技术，介绍了自适应调制编码的基本原理，重点研究了基于信道信噪比估计的 自适应调制编码技术；围绕m c s 切换门限选择这个核心问题研究了自适应调制编码技 术在h s d p a 中的应用，并进行了性能仿真；在此基础上，进行了h s d p a 下行链路的 仿真分析。 第l 章介绍移动通信的发展和3 g 的三种标准，以及自适应调制编码技术的研究背 景： 第2 章介绍h s d p a 系统的基本原理及物理层结构，并从帧结构、信道结构、物理 过程、频谱效率、网络规划方面比较了h s d p a 在w c d m a 与t d s c d m a 中的异同： 第3 章介绍自适应调制编码技术的原理及特点；首先分析无线信道中的衰落产生原 因、分类以及对通信系统的影响，然后，研究了基于信噪比估计的自适应调制编码技术， 通过q p s k 和1 6 q a m 性能仿真，分析其特点； 第4 章研究自适应调制编码技术在h s d p a 中的应用，围绕m c s 切换门限选择这 个核心问题，提出了本文采用的基于信道估计的m c s 选择算法，仿真分析改进算法和 a r f 算法的性能；对m c s 切换门限的选择进行了改进，给出了基于切换门限的理论分 析模型； 第5 章对h s d p a 下行链路进行仿真分析。 第6 章总结了本文所做的工作，并对今后的研究提出了进一步的展望。 4 2h s d p a 系统研究 2h s d p a 系统研究 h s d p a 是一些无线增强技术的集合，利用h s d p a 技术可以在现有技术的基础上使 下行数据峰值速率有很大的提高。h s d p a 技术同时适用于w c d m a f d d 、u t r at d d 和t d s c d m a 三种不同制式，对比w - h s d p a 基本原理和关键技术，研究t d h s d p a 与之在物理层结构、帧结构等方面的异同，是下面章节研究的基础。 2 1h s d p a 系统基本原理 2 1 1h s d p a 发展背景 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) 是3 g p p ( 第三代合作 项目) r e l e a s e5 版本规范中为了满足上下行数据业务不对称的需求而引入的一个重要的 新技术【l6 】，是w c d m a 在无线部分的增强与演进，它可以在不改变原有w c d m a 网络 结构的情况下，把下行数据业务传输速率提高到1 0 8 1 4 4 m b i t s ，不仅能有效的支持非实 时业务，同时也可以用于许多实时业务，如流媒体等。 与w c d m a r 9 9 相比，h s d p a 对下行链路作了很大改善。h s d p a 的峰值速率达到 1 4 4 m b p s t r 7 1 ，为下行数据应用带来更好的用户体验，而且缩短了连接和反应时间。更重 要的是，h s d p a 增加了- - - 至u 五倍的小区吞吐量，意味着在一个频点( 载波) 上能够接纳更 多的用户。这种数据速率和吞吐量的显著提高是通过快速复杂的信道控制机制实现的， 包括短物理帧，自适应调制和编码( a m c ) ，h a r q 和快速调度。 具体来说h s d p a 的发展分为三阶段【l 引，即基本h s d p a 阶段通过使用链路自适 应和适应性调制( q p s k 1 6 q a m ) 、混合自动重传请求( h a r q ) 及快速调度等技术， 将峰值传输速率提高到1 0 8 1 4 4 m b i t s ；增强h s d p a 阶段一引入多种天线阵列处理技 术，峰值传输速率提高到3 0 m b i t s ；以及h s d p a 进一步演进阶段一引入o f d m 空中接 口技术和6 4 q a m 、使用多标准m a c 控制实体等，将峰值传输速率提高到1 0 0 m b i t s 以 上。不过此阶段标准还未最终确定，仍在3 g p p 内进行研究。而第二阶段的设备尚未成 熟完善，各设备厂商可供测试和商用的h s d p a 产品仅限于第一阶段。在各个阶段中， 下行峰值速率理论上分别可以达到1 0 8 1 4 4 m b i t s ，3 0 m b i v s 和1 0 0 m b i t s 。 随着h s d p a 技术的成熟和发展，其良好的应用前景和平滑的演进能力正在引起越 来越多人们的热切关注。作为后3 g 时代的主流技术之一，很多人甚至将h s d p a 称作 3 5 g 技术。大多数w c d m a 厂家对于h s d p a 的研发都非常积极，其中以上海贝尔阿 尔卡特为首的部分厂家的商用无线产品在硬件上己经完全具备了此功能，只需要简单的 软件升级即可实现h s d p a 。而早在2 0 0 3 年初，朗讯贝尔和高通己经先后推出支持 西安科技大学硕士学位论文 h s d p a 的终端芯片组。 目前的3 g 系统在容量、传输速率和成本方面都不足以满足高速发展的多媒体业务， 迫切需要提供高数据传输速率的技术，以支持高容量、低成本的数据业务。与w c d m a 系统相比，提供更高的接入速率是h s d p a 最大的技术优势【1 9 1 ，这也是运营商希望利用 h s p d a 提升竞争力的前提。 从目前的全球3 g 市场发展看，日韩等国家不仅3 g 商用进程领先，而且3 g 已开始 走向主流市场【2 0 】。对这些高速移动多媒体应用的需求也最现实，因此这些国家中的 w c d m a 运营商普遍对h s d p a 持比较积极的态度。在日本，d o c o m o 不仅是目前国际 上3 g 用户最多的运营商，也较早开始对h s d p a 进行测试与部署。d o c o m o 一开始就 把h s d p a 定位于向普通客户提供手机服务，以更好地满足3 g 用户对多媒体应用的需 求。 t d s c d m a 是由中国提出并被i t u 所接受的第三代无线通信标准，并已成为第三 代无线通信系统( i m t 2 0 0 0 ) 国际电信标准大家庭中的重要成员。虽然与w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 相比起步比较晚，但由于它独特的技术特点很适合未来频谱资源有限的情况 下对网络的扩容及对不同业务的支持，因此在未来3 g 发展中，它具有极强的竞争力， 同时，t d h s d p a 也必将成为有广泛影响力和市场占有率的技术。 2 1 2h s d p a 中采用的关键技术 ( 1 ) 自适应调制编码( h m c ) ：自适应调制与编码( h m c ) 属于链路自适应的范畴。它的 基本原理就是改变调制和编码的组合格式并使它在系统限制范围内与信道条件相适应， 而信道条件则是通过发送反馈来估计( h s d p a 中使用c q i 来指示) 。在a m c 系统中，一 般用户在理想信道条件下用较高阶的调制方式和较高的编码速率，而在不太理想的信道 条件下则用较低阶的调制编码方式。 采用a m c 的好处主要有：处于有利位置的用户可以具有更高的数据速率，由此蜂 窝平均吞吐量得到提高；在链路自适应过程中，通过调整调制编码方案而不是调整发射功 率的方法可以降低干扰水平。 a m c 对测量误差和延迟比较敏感，为了选择适合的调制方式，必须首先知道信道 的质量，对信道估测的错误可能会使系统选择错误的传输数据率，从而导致吞吐量下降； 在h s d p a 中使用c q i 来指示当前的信道质量，该指示的计算方法建立在理论分析和仿 真验证的基础之上。由于移动信道的时变特性，信道测量报告的延迟降低了信道质量估 计的可靠性：因此h s d p a 采用了短帧格式，帧长2 m s ，并可以不同时间间隔动态地报 告信道质量，有效地降低了延迟。另外，h s d p a 的a m c 技术采用与混合自动重传请求 技术( h a r q ) 相结合的方式，大大降低系统对测量误差和流量波动的敏感性，提高了系 统性能。 6 2h s d p a 系统研究 ( 2 ) 混合自动重传请求( h a r q ) - 数据通信最初是在有线网上发展起来的，通常要求 较大的带宽和较高的传输质量。对于有线连接，数据传输的可靠性是通过重传来实现的。 当前一次尝试传输失败时，就要求重传数据分组，这样的传输机制就称之为a r q ( 自动 请求重传) 。在无线传输环境下，信道噪声和由于移动性带来的衰落以及其他用户带来 的干扰使得信道传输质量很差，所以应该对数据分组加以保护来抑止各种干扰。这种保 护主要是采用前向纠错编码( f e c ) ，在分组中传输额外的比特。然而，过多的前向纠错 编码会使传输效率变低。因此，一种混合方案h a r q ( h y b r i d a r q ) ，即a r q ( a u t o m a t i c r e p e a tr e q u e s t ) 和f e c ( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 相结合的方案被提出【2 1 】。目前有三类 h a r q t 2 2 1 。 a r q 的实现机制主要有两种：选择重复( s e l e c t i v er e p e a t ，简称s r ) 和停止等待 ( s t o p - a n d w a i t ，简称s a w ) 。 基于窗1 3 的选择重复( s r ) 是一种被许多系统采用的h a r q 协议，包括r l cr 9 9 ( 也 称r 3 版本，是3 g p p 目前最成熟、最稳定的版本) 。s r 一般对时延不敏感，而且具有 对接收到有错误的数据块进行重传的良好特性。为了完成这个功能，s r - h a r q 传送端 必须对每一个它发送的数据块进行序号标识。 s t o p a n d w a i t ( s a w ) 是一种最简单的h a r q 形式，所需系统开销非常小。在s a w 中，发送方只在发送的数据块被正确接收到之后才开始对下一个数据块进行操作，系统 只需使用1 比特的序列号用来区分当前的数据块和下一个待传输的数据块，使得相应的 控制开销较小，传输块所需的确认信息开销也较小，因为用于指示传输块是否被正确解 码的确认信息( a c k 、n a c k ) 只需简单的使用一个比特。另外，因为在同一时间内只传 输一个数据块，所以对u e 内存的要求也较低。因此，i - i a r q 使用停止等待机制能够有 效地降低对u e 内存和信令带宽的要求。 n c h a n n e l s a w - h a r q 是指在一个信道上同时并列进行n 个s a w ，当下行链路被 某个s a w 用于传输数据块时，上行链路被用于传输其他s a w 的确认信息，这样系统资 源被充分利用，但是这时就要求接收端必须能够存储n 个传输块的信息。 ( 3 ) 快速分组调度：快速调度技术在m a c h s 实体的分组调度器中实现【2 3 】。分组调度 器按照一定的规则来调度正在进行分组数据业务的用户，从而在满足q o s 要求的条件下 使得小区分组调度器中的参数包括：资源分配情况( h s p d s c h 以及h s s c c h 的功率、 h s p d s c h 信道数、h s s c c h 信道数) 、下行信道质量测量值( c q i 报告、a d p c h 的 功率测量值、h a r q 的确定情况) 、q o s 参数( q o s 属性、调度优先级、保证比特率) 以及终端能力和缓冲规模等。 不同的调度算法采用不同的规则来应用上述参数，并且在服务效率( 小区容量) 和 服务公平性方面表现出不同的特点。从对实时信道质量参数的应用情况来考虑，可以将 分组调度算法分为盲调度算法( 不考虑信道质量的变化) 和自适应调度算法( 考虑信道 7 西安科技大学硕士学位论文 环境的实时变化) 。而盲调度算法又包括轮询式调度算法、平均调度算法以及公平吞吐 量调度算法三种；自适应调度算法包括最大c i ( m a xc i ) 调度算法、比例公平( p r o p o r t i o n a l f a i r ) 调度算法以及快速公平吞吐量( f a s tf a i rt l l r o u 曲p u t ) 调度算法【2 4 】。 2 1 3h s d p a 的特点 h s d p a 拥有以下特点： ( 1 ) 高速数据传输和大用户容量：通过实施若干快速而复杂的信道控制机制，包括物 理层短帧、自适应调制编码( a m c ) 、快速混合自动重传技术( f h a r q ) 和快速调度技术， h s d p a 使峰值数据传输速率达到1 4 4 m b p s ，改善了最终用户使用数据下载服务的体验， 缩短了连接与应答的时间。更为重要的是，h s d p a 使分区数据吞吐量增加了三至五倍， 这便可以在不占用更多网络资源的基础上大幅度增加用户数量。 ( 2 ) 支持服务质量水平控制：h s d p a 较高的吞吐量和峰值数据传输速率有助于激励 和促进w c d m a 所不支持的数据密集型应用的发展。事实上，h s d p a 可以更加有效地 实施由3 g p p 标准化的服务质量水平( q o s ) 控制，通信网络可以更加智能地对不同优先级 的应用与服务进行排序与资源调拨，首先保证话音通信的质量，其次保证对于实时性要 求较高的应用的数据传输需求如实时视频、网络游戏等，而网页浏览、下载等应用的数 据传输则可以设置为较低的优先级。通过这样的q o s 管理，h s d p a 可以根据用户业务 的需求，做不同的网络安排并进行网络容量分配，更有效地支持和管理多种多样的实时 高速数据传输业务。 ( 3 ) 后向兼容：h s d p a 的另一个重要优点是w c d m ar 9 9 的后向兼容性，运营商可 以根据网络建设发展的需要进行逐级部署，而不会对现有的w c d m a 用户造成影响。 ( 4 ) 低成本网络部署。 2 2h s d p a 系统物理层结构 为适应高传输速率，h s d p a 新添加3 条物理信道：高速共享控制信道( h s s c c h ) ： 包含对应h s d s c h 的解调和解复用控制信息；高速共享数据信道( h s d s c h ) ：a m c 和 h a r q 主要针对此信道提高其吞吐量；高速共享信息信道( h s - s i c h ) ( w - h s d p a 中为 h s d p c c h ) ：包含信道质量指示( c q i ) 反馈，a c k f q a c k 反馈，是a m c 和h a r q 必备 信息。 2 2 1h s d p a 的物理信道 物理信道以特定的载波频率、扰码、信道化码( 可选) 、开始结束时间( 持续时间) 和 相对相位( 上行) 来定义。持续时间以开始和结束的时刻来定义，通过码片的整倍数来度 量。标准中使用的码片倍数为： 8 2h s d p a 系统研究 无线帧：一个无线帧是包含1 5 个时隙的处理间隔。一个无线帧的长度是3 8 4 0 0 码 片。 时隙：一个时隙是由容纳比特的域组成的间隔。一个时隙的长度对应于2 5 6 0 码片。 子帧：一个子帧是h s d s c h 传输和h s d s c h 相关信令在物理层的基本时间间隔。 一个子帧的长度对应3 个时隙( 7 6 8 0 码片) 。 相较于以前的版本，h s d p a 在物理层增加了3 个新的物理信道，即高速物理下行 共享信道h s p d s c h ，h s d s c h 的共享控制信道h s s c c h ( 下行) 及h s d s c h 的专用物 理控制信道h s d p c c h ( 上行) 。 高速共享数据信道( h s d s c h ) 其对应的物理信道是新增的高速下行物理共享信道，承载下行链路用户数据，采用 1 6 q a m 时，其峰值数据可达到1 0 m b p s 。 高速物理下行共享信道( h s p d s c h ) 高速物理下行共享信道( h s p d s c h ) 用来承载高速下行共享信道( h s d s c h ) 。一个 h s p d s c h 对应一个分配给h s d s c h 传输信道的固定扩频因子s f = 1 6 的信道化码集中 的一个信道化码。该物理信道允许使用多码传输，即在u e 能力级范围内同一h s p d s c h 子帧分配多个信道化码给u e 。h s p d s c h 的子帧结构如图2 1 所示。 数据 in d a t a lb i t s 一6 0 c h i p s , m * 1 0 * 2 k b 7 i时隙# 。时隙# 1时隙# 2 图2 1h s p d s c h 的子帧结构 一个h s p d s c h 可以使用q p s k 或者1 6 q a m 调制符号。在图2 1 中，m 是每个调 制符号的比特数，使用q p s k 调制符号时m = 2 ，使用1 6 q a m 调制符号时m = 4 。所有 相关的物理层信令在相关的h s s c c h 信道传输，h s p d s c h 信道不携带任何物理层信 令。 h s d s c h 的共享控制信道h s s c c h h s s c c h 信道是一个固定速率的下行物理信道( 6 0 k b p s ，s f = 1 2 8 ) ，用来承载 h s d s c h 传输信道的下行信令。调制方式为q p s k 。图2 2 显示了h s s c c h 的子帧结 9 西安科技大学硕士学位论文 构。 、8 1 。t 2 2 5 6 。c h i p s ，4 。b t 二7 时隙# 。时隙# 1时隙# 2 图2 2h s s c c h 的子帧结构 h s d s c h 可以直接从h s s c c h 承载的显性信令获得有关的控制信息。这些信息每 一个传输间隔( t t i ，2 m s ) 传送一次，具体内容包括： ( 1 ) 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 ) 。 ( 2 ) 调制方法：h s d s c h 采用的调制方法：q p s k 或1 6 q a m 。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) a r q 处理序号：表示当前数据所属的a r q 序列号。 ( 5 ) 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。 2 2 2h s d p a 的协议结构 目前t d s c d m a 单载波( 占用1 6 m h z 频谱) h s d p a 理论峰值速率可达到2 8 m b s 。 t d s c d m ah s d p a 中引入的传输信道为h s d s c h ，用于承载各用户高层数据。为完 成h s d s c h 的数据传输和h s d p a 相关物理信道的配置、分配和管理，n o d e b 侧增加 了一个新的功能实体m a c h s ，以完成h s d s c h 相关的m a c 子层操作，图2 3 给出了 h s p d a 的协议结构，如图2 3 所示，在n o d e b 中，m a c h s 实体可以划分成如下几个 功能模块：分组调度和优先处理模块、m a c dp d u 数据拼装模块、h a r q 实体、流量 控制模块。 在引入多载波概念1 2 5 1 后，同一u e 的h s d s c h 数据由m a c h s 分配到各个载波， 即意味着一个用户的数据可以同时在多个载波上传输，所使用的物理资源包括载波、时 隙和码道，由m a c h s 统一调度和分配。对于u e ，则需要有同时接收多个载波数据的 能力，各个载波独立进行译码处理后，由m a c h s 进行合并。对于u e 来说，每个载波 2h s d p a 系统研究 都有一组h s s c c h h s s i c h 用于控制信息的交互。 r l c m a c d m a c e s h m a c h s d s c h h s d s c h h s d s c hh s d s c h f p f p f pf p m a c h s l 2l 2l 2 l 2 p h y p h y l ll 1 l 1l 1 u e u un o d e b i u bc r n ci u rs r n c 图2 3h s d p a 的协议结构 2 3h s d p a 的数据传输过程 在实现h s d p a 功能的过程中，n o d eb 根据功率、a c k n a c k 比率以及用户反馈， 估计出每个活跃的h s d p a 用户的信道质量。根据目前的信道质量，n o d eb 内的a m c 会采取相应的调制及编码算法，发送数据。具体步骤如下： ( 1 ) n o d eb 内的调度模块对不同的用户进行评估，考虑他们的信道条件、每个用户 的缓冲区的数据量以及最近一次的服务时间等因素； ( 2 ) 决定好服务的用户后，n o d eb 确定h s d s c h 的参数； ( 3 ) n o d eb 在发射h s d s c h 之前，先发射h s s c c h 通知终端一些必要的参数； ( 4 ) 终端监测h s s c c h ，监测是否有发给自己的信息，如果有的话，终端开始接收 h s d s c h ，并进行缓存： ( 5 ) 根据h s s c c h 上的信息，终端可以判断在h s d s c h 上接收到的数据是否需要 和s o f tb u f f e r 中的数据进行合并： ( 6 ) 终端对在h s d s c h 上接收到的数据进行解调，并根据c r c 结果在上行 h s s i c h 上发送响应a c k n a c k ； ( 7 ) 如果n o d eb 收到了n a c k ，会进行数据的重发，直到收到终端的a c k 消息或 达到最大重传次数。图2 4 中显示了具体的数据传输过程： 西安科技大学硕士学位论文 h s s n o d eb 、 门 图2 4h s d p a 中的数据传输过程 2 4h s d p a 在w c d m a 与t d s c d m a 中的比较分析 与r 4 版本t d s c d m a ，w c d m a 系统相比较引入h s d p a 技术主要是通过修改空中 接口来增强系统性能。主要操作在u e ，n o d e b 的物理层和m a c 层，而r l c ( 无线链路控 制) 和p d c p ( 分组数据汇聚协议) 不做任何改动。无论是在u e 侧还是在n o d e b 侧m a c 层主要是增加m a c h s 实体，相关h s d s c h 的m a c 层操作都在这里完成，除了包括 流控和优先级处理功能外，还需要完成h a r q 协议的相关操作，包括调度、重传、重 排等。另外r r c 和n b a p 协议需要提供相应流程支持。基本原