（通信与信息系统专业论文）hsdpa系统中混合arq技术的研究.pdf

摘要 有效性和可靠性是移动通信系统两大永恒的主题。多径、阴影、多普勒频移等引起的 随机错误和突发错误，会严重恶化系统性能，如不采取有效措施，势必不能满足数据传输的 可靠性要求，亦难以满足q o s 的要求。同时，由于日益增长的数据业务对系统要求的提高， 传统的差错控制方案，如f e c 或a r q 机制，往往无法提供所希望的系统性能。为此人们 提出了a r q 与f e c 相结合的混合a r q 技术，混合a r q 技术在某种程度上恰恰体现了对 通信有效性和可靠性双重指标的联合关注和保证。3 g p p 和3 g p p 2 己把它作为第三代移动 通信后期高速数据传输的关键技术之一本论文正是在此背景下，详细研究了混合a r q 技 术在h s d p a 系统中的应用。 首先，论文扼要阐述了h s d p a 系统物理层结构以及所采用的关键技术，具体介绍了严 格按照r e l e a s e5 标准搭建的h s d p a 系统单链路仿真平台，平台仿真性能远远好于标准最小 性能要求，并且重点考察了传输次数以及混合a r q 技术对h s d p a 系统性能的影响，从仿 真结果可以看出h a r q 技术对h s d p a 系统在低信噪比环境下实现高速率数据传输起着至关 重要的作用；其次，论文重点研究了c h a s e 合并( o c ) 、部分递增冗余( p i r ) 、全递增冗余 ( f i r ) 三种类型混合a r q 技术在h s d p a 系统中的两次速率匹配实现方法，并对系统性能 和复杂度的影响进行了仿真和分析，最后把码字校验交替重传( c p c ) 混合a r q 技术应用 到h s d p a 系统中，在没有改变系统任何结构的前提下，其性能上接近f i r 类混合a r q 方 案，而实现复杂度远小于f i r 类h a r q 方案；第三，重点研究了基于星座重组( c r ) 的混 合a r q 技术，对不同高阶q a m 调制解调算法进行了仿真比较，并把c c ，p i r 、c p c 、f i r 等混合a r q 技术与c r 技术相结合，通过仿真给出了在不同码率下的系统最佳混合a r q 方案：低码率下为c c 和c r 的组合方案，高码率下为c p c 和c r 的组合方案：最后，重点 研究了基于a m c 的混合a r q 技术，通过仿真可以看到混合a r q 技术的运用降低了a m c 系统对信道质量估计方差的敏感度并且大大提高了a m c 系统吞吐量性能等。 关键字 混合a r q ，c h a s e 合并，递增冗余，码字校验交替重传，星座重组，自适应调制编码 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t e f f i c i e n c ya n dr o b u s t n e s sa r et w om a i nt o p i c so f m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h ee f f e c t so fm u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e lm a yw e a k e nt h es y s t e mp e r f o r m a n c e ，a n d c a u s er a n d o me r r o r sa n db u r s te r r o r s t h er e l i a b i l i t yo fd a t ac o m m u n i c a t i o n sc a l ln o t b ea c h i e v e di ft h e s ep r o b l e m sc a nn o tb es o l v e d s od o e st h eq o s w i t ht h ei n c r e a s i n g n e e do fd a t as e r v i c e s ，n e i t h e rf e cn o ra r qc a ns a t i s f yt h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t t h e r e f o r e h y b r i da r qe r r o rc e n t r e ls c h e m ec o m b i n e dw i t ha r qa n df e cw a s p r o p o s e d h y b r i da r qt e c h n i q u ew h i c hr e f l e c t sj o i n to p t i m i z a t i o nb o t l le f f i c i e n c y a n dr o b u s t n e s sh a db e e nc o n s i d e r e da so n eo f t h em o s tp i v o t a lt e c h n i q u e sf o r t h eh i 幽 s p e e dp a c k e tt r a n s m i s s i o nb v3 g p pa n d3 g p p 2 i nt h i sc o n t e x t , t h i st h e s i ss t u d i e dt h e h y b r i da r qt e c h n i q u e so f h s d p as y s t e m si nd e t a i l f i r s t l y w ei n t r o d u c e dt h ep h y s i c a ll a y e rs t r u c t u r ea n dk e yt e c h n i q u e so fh s d p a s y s t e m t h e nt h et h e s i se x p a t i a t e st h el i n k l e v e ls i m u l a t i o np l a t f o r mo fh s d p a s y s t e mo fw h i c hs i m u l a t i o nr e s u l t sw a sf a rb e t t e rt h a nt h em i n i m u mp e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t so ft e c h n i c a ls t a n d a r d s a n dw es i m u l a t e da n da n a l y z e dt h ei m p a c to f r e t r a n s m i s s i o nn u m b e r , h a r qt e c h n o l o g i e sw h i c hp l a y sav i t a lr o l ei nh i 吐s p e e d d a t at r a n s m i s s i o ni nl o w 帆e n v i r o n m e n t ，o ns y s t e mp e r f o r m a n c e s e c o n d l y ，w e s t u d i e dd u a l r a t e m a t c h i n gr e a l i z a t i o nm e t h o d sa n ds i m u l a t e dp e r f o r m a n c eo fc h a s e c o m b i n i n g ( c c ) ，p a t t i a l i n c r e m e n t a l r e d u n d a n c y ( p i r ) a n d f u l li n c r e m e n t a l r e d u n d a n c y ( f i r ) h y b r i da r qt e c h n i q u e so fh s d p as y s t e m t h e nw ea p p l i e dc p c ( a l t e r n a t ec o d ew o r dr e t r a n s m i s s i o na n dp a r i t yr e t r a n s m i s s i o n & c h a s ec o m b i n i n g ) h 3 7 b r i da r qt e c h n i q u et oh s d p as y s t e m 。a n df o a n di th a ss i m i l a rp e r f o r m a n c ea n d l e s sr e a l i z a t i o nc o m p l e x i t yc o m p a r e dt of i rh y b r i da r qs c h e m e t h i r d l y w es t u d i e d h y b r i da r qs c h e m e sb a s e do nc o n s t e l l a t i o nr e a r r a n g e 佑硒t e c h n i q u e w es i m u l a t e d d i f f e r e n td e m o d u l a t i o na l g o r i t h m so fm q a m ，t h e nw eo f f e r e do p t i m a lh y b r i da r q s c h e m ei nd i f f e r e n tc o d i n gr a t ef r o ms i m u l a f i o nr e s u l t so fh y b r i da r qs c h e m e s c o m b i n e dc c ，p i r , c p c ，f 取晰t 1 1c rt e c h n i q u e a tl a s t ，w es t u d i e dh y b r i da r q s c h e m e sb a s e d0 1 1a m ct e c h n i q u e w i t hs i m u l a t i o nr e s u l t s ，w el e a r n e dt h a th y b r i d a r qc o u l dr e d u c es e n s i t i v i t yo fs n re s t i m a t i o ne n o ri na m cs y s t e ma n dg r e a t l y i m p r o v es y s t e mt h r o u g h p u tp e r f o r m a n c e k e y w o r d s h y b r i da r q ，c h a s ec o m b i n i n g ，i r ，c p c ，c o n s t e l l a t i o nr e a r r a n g e ，a m c 1 l 东南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，也不包含为获得东南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：苛乓。卜日期：叫 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、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) 授权东南大学研究生院办理。 第一章绪论 第一章绪论 随着现代科学技术和社会经济的高度发展，通信已成为人类获取信息不可或缺的重要手 段，其中移动通信是发展最为活跃、最为迅速的领域之一。移动通信系统在全球范围内发展 迅猛，移动用户数目高速增长，在很多地区和国家已经超过固定电话的用户数，移动业务的 重心也逐渐从早期的语音业务转向以多媒体业务为代表的高速数据业务。未来移动通信的目 标是实现完全的个人通信，即任何人在任何时问、任何地点，以任何方式与任何其他人进行 任何种类的通信。 1 1 论文背景 在过去的几十年里，移动通信技术获得了很大的进步。蜂窝移动通信的发展经历了第一 代模拟系统和第二代数字移动系统，目前正在向第三代宽带数字系统的方向发展。 第一代模拟移动通信系统以北美a m p s 、欧洲t a c s 、北欧n m t 、德国c - 4 5 0 以及日 本n r r 等系统为代表。由于模拟系统的容量小，频谱利用率低，保密性能差以及不同系统 不能兼容等不足，促使人们研制出以欧洲的g s m 系统、美国i s 5 4 和i s 9 5 、日本p d c 等 系统为代表的第二代数字移动通信系统。第二代数字移动通信系统能提供数字话音通信，以 及电路交换的低速或中速率的数据通信，改善了第一代系统存在的不足。 由于第二代数字移动通信系统在很多方面仍然没有实现人们最初的目标，比如统一的全 球标准；同时也由于技术的发展和人们对于系统传输能力的要求俞来俞高，几千比特每秒的 数据传输能力已经不能满足某些用户对于高速率数据传输的需要，一些新的技术如口等不 能有效地实现，这些需要是高速率移动通信系统发展的市场动力。在此情况下，具有 9 - 1 5 0 k b p s 传输能力的通用分组无线电业务( g p r s ：g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e s ) 系统和 其它系统开始出现，并成为向第三代移动通信系统过渡的中间技术。 随着社会的发展，人们希望移动通信系统能和固定网一样提供将话音、图象、数据等综 合在一起的交互式多媒体业务，这是目前正在营运的第二代系统所不能满足的因此，人们 的目光开始向第三代移动通信系统转移。 在第三代移动通信的技术标准中，欧洲主导的w c d m a 、美国主导的c d m a2 0 0 0 以及 中国主导的t d - s c d m a 已成为三大主流技术。w c d m a 标准化主要是由区域性的标准化组 织3 g p p 负责，其目标是制定与g s m g p r s 相兼容的第三代移动通信标准w c d m a ，在欧 洲又称为u m t s 。w c d m ar 9 9 版本可以提供3 8 4k b p s 的数据速率，这个速率对于大部分 现有的分组业务而言基本够用。然而，许多对流量和迟延要求较高的数据业务，如视频、流 媒体、下载等，需要系统提供更高的传输速率和更短的时延。为此，w c d m a 从这两方面 对空中接口作了改进，引入了h s d p a ( h i g hs p e e d d o w n t i n k p a c k e t a c c e s s ) 技术。3 g p p 将 h s d e a 的发展分为3 个阶段，具体见表i 1 。 表1 1h s d p a 的三个发展阶段 h s d p a 发展阶段引入版本关键技术峰值速率 快速调度算法。快速混合自动请求 第一阶段( 基本型)r e l e a s e5 l o s 1 4 4 m b p s 重传，快速链路自适应等 第二阶段( 增强型) r e l e a s e6 天线阵列处理技术如m i m o 等 3 0 m b v s 第三阶段r e l e a s e 7 ( 制定中)正交频分复用接入技术等 1 0 0 m b p s 东南大学硕士学位论文 目前，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。本文所说的h s d p a 是指处于第一阶段的h s d p a ，即基本型h s d p a 。h s d p a 不但支持高速率不对称数据服务，而且在增大网络容量的同时还能使运营商成本最小化。它 为u m t s 更高数据传输速率和更高容量提供了一条平稳的演进途径，就像在g s m 网络中 引人e d g e 一样。高速下行分组接人( h s d p a ) 是w c d m a 的增强型技术，为了满足无线 网络提供高速移动数据服务和提高系统利用率的需求，在w c d m a 系统中引人提高下行信 道传输数据的能力。h s d p a 是3 g p p 在r 5 协议中为了满足上，下行高速数据业务不对称的 需求而提出的一种新技术，它很好地解决了系统覆盖与网络容量之间的矛盾，极大地提升了 网络容量同时使实际成本最小化满足了用户的高速业务需求。它为w c d m a 系统向更高数 据传输速率和容量目标的演进提供了条平稳途径。理论上，h s d p a 的数据峰值速率大约 是r 9 9 峰值速率的5 倍，当使用1 5 个多码和3 ，4 编码速率时，q p s k 的峰值速率是5 - 3m b p s 1 6 q a m 的峰值速率是l o 8m b p s 。使用h s d p a 技术的小区数据吞吐量与小区内、小区间的 干扰分布和信道的时间色散特性、多码以及功率的分配有着直接、密切的关系。 h s d p a 可以在不改变已经建设的w c d m a 网络结构的情况下把下行数据业务的理论 速率提高到1 0 m b p s 以上，该技术是w 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 ( 1 网络成熟期容量需求。采用 h s d p a 技术可以明显提高下行数据业务的承载能力，尤其在上下行流量不对称的数据业务 环境下，如网页浏览、视频点播等业务，h s d p a 具有极强的实用性。 未来移动通信系统总的发展趋势是提供全m 的、具有分组和个性化的、多媒体化的电信 业务。在未来的业务体系结构下，移动网络运营商、业务提供商( i s p ) 和内容提供商( i c p ) 将进行紧密的分工合作，特别重要的是未来的移动通信网络将会提供一个开放的业务平台， 并且开发出各种各样个性定制的业务，以满足移动用户的更高需求。使用h s d p a 增强技术 的w c d m a 在未来提供的业务也是非常丰富的。用户可以通过移动终端享受宽带话音和可视 电话及视频会议电话等多媒体业务；e - m a i l 、电子商务等与移动网络相结合来实现移动办公 的数据业务；未来信息教育业务也将有很好的应用前景，并给用户提供更加灵活和个性化的 业务。 1 2 差错控制方式 移动环境下的信道具有衰落、时变、噪声干扰等特性，信号在通过时会受到各种形式的 干扰，产生畸变，导致信号失真，从而产生大量的传输错误。所以，未来移动通信系统为了 提供高数据速率和高度可靠的通信质量，就必须采用有效的差错控制机制，来控制由于噪声 和干扰产生的传输错误，从而提高系统的数据通过率和链路的可靠性。目前，基本的差错控 制有：前向纠错( f e c ) 、自动重发请求( a r q ) 和混合a r q 方式。 前向纠错系统中，发送端经信道编码后可以发出具有纠错能力的码字；接收端译码后不 仅可以发现错误码，而且可以判断错误码的位置并予以自动纠正。然而，前向纠错编码需要 附加较多的冗余码元，影响数据传输效率，同时其编译码设备比较复杂。但是由于不需要反 馈信道，实时性较好。 自动重发请求方式中，发送端经信道编码后可以发出能够检测出错误能力的码字；接收 端收到后经检测如果发现传输中有错误，则通过反馈信道把这一判断结果反馈给发送端。然 后，发送端把前面发出的信息重新传送一次，直到接收端认为已经正确后为止。常用的检错 重发系统有三种，即停发等候重发、返回重发和选择重发。 f e c 技术和a r q 技术有各自的优缺点。在信道条件比较好、信号传输出错概率较小的 情况下，a r q 可以获得很高的效率，此时如果采用中低码率的f e c ，由于引入了大量不必 2 第一章绪论 要的冗余，造成系统资源的浪费；但当信道条件变差时，a r q 的性能急剧下降，而中低码 率的f e c 往往能获得较好的性能。为了充分利用这两类方法的优点，同时避开它们的缺点， 人们把f e c 和a r q 有机地结合，形成了混合a r q ( h y b r i da r q ，h a r q ) 技术。f e c 子 系统用来纠正经常出现的传输错误，以减少重传的次数，即在纠错能力范围内自动纠正错误， 超出纠错范围则要求重发。这是一种折中方案，既增加了系统的可靠性，又提高了系统的传 输效率。实际上，a r q 不局限于和纠错编码地结合，它还可以和物理层其它技术进行有效 地结合。 目前人们已经提出了各种不同的h a r q 技术：基于纠错码的h a r q 技术，基于星座图 重排的：d a r t ) 技术，基于自适应调制与编码( a m c ) 的h a r q 技术等等。其中大量低复杂 度、高效率的h ar ! q 技术已经广泛应用于实际的通信系统，获得了良好的性能增益。 1 3 论文的主要内容 混合a r q 技术是下一代移动通信系统( 3 g & b c y o n d ) 实现高速数据可靠传输的最有效 手段之一。混合a r o 技术由于结合了自动重发请求的高可靠性和前向纠错方式的高有效性 而逐渐得到广泛的应用。另一方面，c d m a 系统中的扩频技术本身即具有较强的抑制干扰 能力，引入混合a r q 技术后，使系统抗干扰能力大大增强，可以降低扩频解调所需的信嗓 比，从而使系统的多址能力得以提高。 本文的主要研究方向是混合a r q 技术在h s d p a 系统中的应用，主要章节结构安排如 下： 第二章我们对h s d p a 标准进行了详细的介绍，包括系统物理层结构、基带处理流程以 及所采用的关键技术等等。 第三章中我们主要介绍了按照r 5 标准搭建的h s d p a 系统仿真平台。平台的主要模块， 链路仿真的度量、参数及环境。然后根据标准要求对h s d p a 系统做了最小性能仿真，并仿 真分析了传输次数以及各种h a r t ) 技术对h s d p a 系统性能的影响。 。 第四章我们重点研究了h s d p a 系统中h a r q 技术双速率匹配实现方法，然后细致的分 析了c h a s e 合并( c c ) 、部分递增冗余( p i r ) 、全递增冗余( f i r ) 在h s d p a 中的实现，并 对这三种h a r q 技术进行了比较和分析，最后我们把“校验码字交替重传( c p c ) ”n a r q 技术应用到h s d p a 系统中并取的了满意的效果，其在性能上接近f i r 方案，在实现复杂度 上接近c c 方案。 第五章我们重点研究了基于星座重组的h a r q 技术，首先我们详细介绍了m - q a m 的 经典解调算法、简化算法以及通用递推算法，仿真和分析了三种算法的性能，然后把c c ， p i r 、c p c 、f i r 三种n a r q 技术与星座重组技术相结合，并仿真分析了各种方案吞吐量和 误帧率性能。 第六章中我们重点研究了基于a m c 的h a r q 技术，首先扼要介绍了a m c 系统的基本 原理和实现方法，a m c 技术在h s d p a 系统中的应用以及h a r q 技术在a m c 系统中的实 现；然后我们仿真了信道质量估计标准方差对没有h a r q 、c h a s e 合并h a r q 、递增冗余 h a r q 等三类a m c 系统性能的影响，可以看出h a r q 技术降低了a m c 系统对信道质量估 计方差的敏感度，最后比较分析了各种n a r q 技术在a m c 系统下的性能差异。 东南大学硕士学位论文 第二章h s d p a 物理层结构以及关键技术 高速下行链路分组接入技术( h s d p a ) 是r 5 规范中包含于w c d m a 标准的关键新特 性。h s d p a 主要优势在于可以提高下行数据传输速率，这有利于运营商开展移动宽带数据 业务。与现有的w c d m a 标准相比，h s d p a 不仅扩大系统容量。还能在同一个无线载频上 为更多的高速率用户提供服务。本章主要参考了3 g p p 中关于h s d p a 物理层的技术标准， 由于篇幅有限，这里只介绍了和论文有关的内容，详细内容参考r 5 标准规范。 2 i 榻| 述 h s d p a 技术的核心是通过使用在g s m e d g e 标准中已有的方法来提高分组数据的吞 吐量，这些方法包括并使用链路自适应和快速物理层( l i ) 重传技术。基于p c 侧的舢砸 机制内在的大处理延迟会要求终端侧有不现实的存储容量，为了使存储器的要求可行，并使 链路自适应控制更接近空间接口的实际变化，所以对a r q 机制的结构进行了调整。采用 h s d p a 方式承载用户数据的传输信道称为高速下行链路共享信道( h s d s c h ) 。 图2 1 给出了h s d p a 的基本功能的简要介绍l t l 。n o d cb 根据每个h s d p a 激活用户的 功率控制、a c k n a c k 比率、业务质量( q o s ) 和h s d p a 特定的用户反馈等信息来进行信 道质量估计，并根据当前采用的调度算法和用户优先级算法，快速进行调度和链路自适应。 图2 _ lh s d p 的基本工作原理以及相关信息 w c d m a 的两个基本特性( 可变s f 和快速功率控制) 在h s d p a 系统中就不起作用了， 取而代之的是自适应调制编码( a m c ) 、多码传输方式。以及频谱有效的快速h a r q 机制。 w c d m a 下行链路功率控制的动态范围受到小区内用户闻并行码信道间的干扰和n o d e b 实 现方法的限制，这意味着对靠近n o d eb 的用户来说，功率控制不能最大限度地将功率降低， 即使功率调整幅度达到2 0 d b 以上，对容量地影响也是有限的。因此，h s d p a 的链路自适 4 第二章h s d p a 物理层结构以及关键技术 应功能使靠近n o d eb 的用户可以得到e c i o r 较高的编码调制组合，这就可以基本无偿的提 高用户的吞吐量。为了使h s d p a 链路获得较大的自适应范围和保持较高的谱效率，一个用 户最多可以使用1 5 个多码信道。采用更有效对抗干扰的编码技术、快速h a r q 和多码传输 的工作方式使得没有必要再使用可变s f 方案。 为了使系统从短时变化中受益，n o d e b 要进行调度选择。h s d p a 的理念是找到一种调 度方法，在条件允许时，如果需要，这种调度算法能够使小区的大部分容量在非常短的时间 内可以只分配给某一个用户。在最佳的情况下。调度算法可圾跟踪用户的快速衰落。 2 1 2h s d p a 对无线接入网络体系结构的影响i l i r 9 9 的传输信遵终止于r n c ，因此分组数据的重传过程是在提供服务的r n c 中进行， r n c 还处理特定用户到核心网的连接。随着h s - d s c h 的出现，n o d eb 也要支持h s d p a 媒体接入控制( m a c ) 层提供的附加智能。这样n o d eb 可以直接控制重传，在分组数据工 作方式需要时，可以加快重传速度，缩短所需要的延时。对h s d p a 而言，n o d eb 和r n c 间的l u b 接口需要引入流量控制机制，以确保n o d e b 的缓存器正常使用，避免因n o d e b 的 缓存溢出造成数据丢失。 图2 2 给出了用h s a 的m a c 层协议框架，图中包含h s - d s c h 不同的协议层，r n c 继续支持r l c 层的功能，比如当物理层重传次数超过最大限度而导致来自n o d eb 的 h s d s c h 传输失效时对重传功能的管理。尽管n o d eb 增加了新的m a c 层功能，r n c 继 续保留r 9 9 的功能。新n o d eb 的m a c 层功能( m a c - h s ) 不仅有优先级处理，还有a r q 功能和调度机制。任何情况下的所有加密工作均由r l c 层负责，以确保每次重传采用完全 一样的加密掩码，这样才能使物理层将重传的数据进行合并。3 g p p 标准中没有定义n o d eb 应该采用的调度类型，而只规定了诸如舍弃定时器或者调度优先级指示等参数，r n c 可据 此来控制对用户的处理，调度类型对最终的性能和q o s 有很大的影响。 图2 - 2h s d p a 的协议结构 2 2h s d p a 的物理层结构 为了实现h s d p a 功能特性，在物理层规范里引入了三种新的信道“o ：高速下行链路共 享信道( h s - d s c h ) ：在下行链路方向承载用户数据，采用q p s k 调制时，峰值速率可以达 到5 3 m b p s ，采用1 6 q a m 时，其峰值速率可以达到1 0 8 m b p s ：高速共享控制信道 ( h s - s c c h ) ：承载必须的物理层控制信息，以确保能够对h s d s c h 上的数据进行解码； 上行链路高速专用物理控制信道( h s - d p c c h ) ：承载上行链路中必要的控制信令，如t t a r q 的a c k n a c k 和下行链路质量反馈信息c q 。 5 东南大学硕士学位论文 2 2 1 高速下行链路共享信道 与r 9 9 已有的信道相比，h s d s c h 在许多方面有其独特之处，如传输时间问隔和交织 周期定义为2 m s ( 3 个时隙) ，使得在重传过程中u e 和n o d eb 之间可以有较短的往返时延； 引入1 6 q a m 这样更为高阶的调制方式以及降低编码冗余增加峰值数据速率等等。表2 1 给 出了h s - d s c h 、d s c h 和下行链路d c h 等信道类型关于分组数据的比较。在所有的情况下， 除了d c h ，分组数据本身都不能在软切换状态下传送。如果物理层的定时器超时或重传次 数超过最大值，h s d s c h 的h a r q 处理也在r l c 层中进行。 表2 1h s - d s c h 、d s c h 和下行链路i ) c h 的比较1 l 信道类型h s d s c hd s c h下行链路d o 扩频因子 1 6 固定 2 5 6 4 逐帧变化 5 1 2 4 取某固定值 交织长度 2 m s 1 0 8 0 m s1 0 8 0 m s 调制方式 q p s k 1 6 q a mq p s k q p s k 信道编码方案t u r b o 编码t u r b o 和卷积编码t u r b o 和卷积编码 基于对应的d c h 进行速率为1 5 0 0 1 d - l z 的 功率控制固定或慢功率控制 快功率控制快功率控制 h a r q l l 层r l c 层r l c 层 a m c 是否 否 多码模式是否是 软切换 对应的d c h对应的d c h是 从码域上看，多码传输和不同用户间的码复用都是可能出现的。可以分配的最大码字数 目取决于终端能力，最大值为1 5 ( 因为要给公共信道、h s s c c h 以及相关的d c h 预留可 用的信道码) ，终端可接收的最大码字数目为5 、l o 和1 5 不等。图2 3 给出了一个简单情况， 说明三个用户同时使用一个h s d s c h 时的情况。三个用户监听h s s c c h 信息，以决定采 用那些h s - d s c h 码字解扩，以及正确接收其他些正确检测所必要的参数。 h ss c c h s 2 2 2h s - d s c h 的调制 图2 - 3 三用户的码复用示倒 除了r 9 9 中的q p s k 调制。h s d p a 还引入了1 6 q a m 调制，甚至在可行性研究时，还 考虑了6 4 q a m l 3 1 。但是这要求接收机必须使用更精确的同步跟踪技术和更加复杂的信道估 计技术才能保证接收机性能，综合系统性能和实现复杂度，最后还是放弃了这些方案。与 q p s k 相比，1 6 q a m 的峰值速率是q p s k 的两倍，而且当采用s f 为1 6 的1 5 个码时，能够 6 第二章h s d p a 物理层结构以及关键技术 实现的峰值速率可达到1 0 8 m b p 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。对于r 9 9 信道，在解调过程中，只有相位估计是必须的；而当使用】6 q a m 时，还需要 估计幅度来区分星座点，而且还需要更加准确的相位信息，因此与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 的终端需要估计数据码道功率电平相对于导频功 率电平的幅度比，这要求n o d eb 在某帧内采用的是1 6 q a m ，则不应该在该帧各个时隙调 整h s - d s c h 的功率，否则，会由于从公共导频信道( c p i c h ) 获得的估计值的有效性以及 c p i c h 和h s - d s c h 之间的功率差估计值不再有效从而导致性能下降1 1 j 。 2 2 3h s - d s c h 信道编码与复用川 与w c d m a 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 ，因此相同的用户不再需要传输信道复用模块。此外交织长度为2 m s 周期，而且没 有另外的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，当改变传输块长 度时，还可以有l ，3 以外的有效编码率。通过编码率的改变，减小编码增益可以提高单位码 字的比特数。与r 9 9 相比，最主要区别在于增加了混合a r q 功能，如图2 4 所示。如果采 用q p s k 调制则采用r 9 9 的信道交织器，如果采用1 6 q a m ，采用两个并行的完全相同的信 道交织器。支持h s d p a 业务的n o d eb 有责任选择与调制方案和码字数量配套使用的传输 格式，而调制方案和码字数量选择的依据是n o d eb 调度器中得到的信息。 1 6 c 物 物 信 q 物 r 理 a 理 c 码 理 道 t r b o 层 信 m 信 枝 组 缠 h 邋 交 里 道 验 分 码 a织 点 映 信 割 r 分 息q 稍 善 重 射 组 圈2 - 4i l s - b s c i t 的信道编码与复用 h a r q 的功能是由两级速率匹配功能实体模块完成的，位于两个速率匹配间有一个缓 冲器用于协调在这两级速率匹配间为不同重传设置的冗余度配置，具体内容将在第四章详细 介绍。h a r q 模块基本上可以用两种不同的方法实现，即c h a s e 合并模式和递增冗余模式， 后者的性能好于前者，但要增加接收机内的存储器。终端的存储器空间由软合并和终端支持 的最大数据速率决定。因此在以最高数据速率传输时，只能采用软合并的方法；在较低的数 据速率传输时，也可以采用递增冗余方法。 如果采用1 6 q a m 调制，映射到符号的各个比特有不同的可靠度，这可以和h a r q 过 程联系在一起，通过采用星座重组( c r ，c o n s t e l l a t i o nr e a r r a n g e m e n t ) 的方法进行补偿。对 于星座重组的方法而言，不同的重传方案只要将不同的信息比特序列映射到不同的1 5 q a m 符号，从而均匀化了比特可靠性，进而提高了系统性能。 2 2 4 高速共享控制信道嗍 高速共享控制信道( h s - s c c h ) 使用2 m s 帧包含3 个时隙来承载h s - d s c h 解调所需 要的关键信令，第1 个时隙承载对时基信息，这些信息用于按时启动解调过程以避免码片级 数据缓存动作：后2 个时隙承载非时基参数，包括检测h s - s c c h 信息和h a r q 信息有效性 的c r c 校验。为了保护这些信息的可靠传输，h s - s c c h 的这两部分信息都用终端特定的掩 码方式，以便终端能够判断接收的控制信息是否是发送给自己的消息。h s s c c h 采用的s f 7 东南大学硕士学位论文 为1 2 8 ，表示每个时隙信道编码后可容纳4 0 比特。h s s c c h 对这两部分在相互分开编码后 都要采用半速率的卷积编码，因为在第1 个时隙后需要立即得到时基信息，因而不能和第2 部分一起交织。h s s c c h 的信道编码复用见图2 - 5 。 h s s c c h 第1 个时隙包括： 信道化码序列组信息x c c s ( 7 b i t ) 调制方法信息x m s ( 1 b i t ) ，说明采用的是q p s k 还是1 6 q a m 。 h s s c c h 后2 个时隙的参数包括： 传输块长度信息x t b s ( 6 b i t ) n a r q 处理信息x h a p ( 3 b i t ) ，说明当前数据属于那个a r q 处理过程； 冗余方式和星座重组信息r 、s 、b ( 3 b i t ) ，用于当前数据的速率匹配和数据解码； 新旧数据指示符x n d ( 1 b i t ) ，用来指示当前传输的数据是和缓存器数据进行合并 ( 重传数据) ，还是丢弃先前的数据并用该数据重新填充缓存器( 新数据) 。 图2 - 5b s s c c h 的信递编码和复用 虽然信令不直接提供诸如实际编码速率这样的参数，终端可以从传输快长度和其他传输 格式参数推算出这些参数。根据码复用所支持的晟大用户数目，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，那么不需要发送h s s c c h 。从网络观点看，在 某一个给定的时刻，需要分配大量的h s s c c h ，但单个终端仅考虑最多4 个h s - s c c h 。网 络发送信令告知终端所需要的h s s c c h ，实际上不太可能需要多于4 个h s - s c c h 。但是， 如果出现向某个终端传送的数据出现在连续的1 可内的情况，h s s c c h 在各个1 1 1 之间应 保持不变，以增强信令的可靠性。这种方法不仅需要用于避免终端缓存不属于自己的数据。 而且也保证了可以使用比终端所能支持的码字更多的码字资源。 2 2 5 上行链路高速专用物理控制信道1 4 1 上行链路方向必须承载物理层重传所需要的a c k n a c k 信息及信道质量指示信息 c q i ，c q i 在n o d eb 调度器中用来决定向那个终端以何种数据速率发送数据。由于制定标 准时不是所有的n o d eb 都已升级支持h s d p a ，因此要求必须保证能够完成软切换的操作。 这样，当时就决定维持已有的上行链路不变，在并行的码道上增加一个必要的新信息单元， 称为上行链路高速专用物理控制信道( h s d p c c h ) 。h s - d p c c h 也是3 时隙2 m s 子帧： 第1 个时隙承载a c k n a c k 信息。反映分组数据合并和解码后c r c 校验的结果。 后2 个时隙承载c q i 信息。用于估计采用何种传输块长度、调制方式以及并行信 道数目等，以便在下行链路方向上正确接收。 b 第二章h s d p a 物理层结构以及关键技术 2 2 6h s d p a 物理层的工作过程 h s d p a 物理层的工作过程需要经过下面几个步骤： n o d eb 内的调度器评估不同的用户，内容有：信道条件如何，滞留在每个用户缓 存器内的数据有多少，一个特定用户上次接受服务后经过的时间，哪些用户的重传还没有执 行等等。同时，调度器还需要准确判断的因素是供货商的实现能力问题。 一旦决定在给定1 1 1 内需要为某终端提供服务，n o d eb 需要辨识必要的h s d s c h 参数，比如，可提供使用或可以填充的码字数目、是否可使用1 6 q a m 、终端能力上都有那 些限制，终端的软存储器长度确定了可以使用的h a r q 类型。 n o d eb 开始传送h s - s c c h 两个时隙，然后传送相应的h s _ d s c ht h ，将必要的 参数通知终端。假如前面的h s - d s c h 帧内没有传送给当前终端的数据，h s - s c c h 的选择 是没有限制的( 从最大的4 个信道中任意选择) 。 终端监听网络发出的h s - s c c h ，一旦终端从h s s c c h 的第一部分检测到当前的 信息是发送给自己的，终端立即开始解码h s - s c c h 的剩余内容，并且开始缓存来自 h s - d s c h 的必要信息。 一旦从第二部分解码得到h s - s c c h 参数后，终端就可以知道数据所属的a r q 序 号并且获悉是否需要将其与缓存器内的已有数据合并。 一旦对合并的数据进行解码后，终端根据对h s - d s c h 数据进行c r c 校验结果， 在上行链路方向发送a c k ，n a c k 指示。 如果网络在相继的1 1 1 内向同一终端连续发送数据，终端将停留在前一次1 1 1 期 间所使用的h s s c c h 上。 从h s s c c h 的接收、h s - d s c h 的解码到上行链路a c k n a c k 的发送，h s d p a 工作 过程对终端的工作定时有严格的规定。从l i e 侧看，关键的定时值是必须保证从h s - d s c h 1 1 1 结束到在上行链路发送a c k n a c k 指示的间隔为7 5 个时隙。图2 - 6 给出了上下行链 路的定时关系1 1 j