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摘要 高速移动h s d p a 的自适应调制编码技术研究 专业名称：通信与信息系统 硕士生：陈莉莉 指导教师：戴宪华教授 摘要 随着互联网浏览、e m a i l 下载以及多媒体业务的不断增长，移动用户对移动 通信系统下行链路的容量、数据传输速率、通信质量等方面的要求在不断提高。 为了满足上下行数据业务传输不对称的需求，3 g p p 在r l e a s e 5 协议中提出了 w c d m a 的增强技术：高速下行分组接入技术h s d p a 。 自适应调制编码( a m c ) 是h s d p a 采用的关键技术之一，它的工作原理是 n o d eb 根据用户( u e ) 反馈的信道质量指示( c q i ) 选择最合适的下行链路调 制编码方案( m c s ) ，由此获得最佳的数据吞吐量。该技术是以获取数据传输速 率和误码率之间的最佳平衡为原则。 本文首先介绍h s d p a 系统的基本原理、物理层技术以及协议结构；其次， 分析无线信道的衰落特性和衰落信道的包络统计特性，在此基础上分析了a m c 技术的基本原理，并介绍了两类基本的a m c 技术：探索类的m c s 选择算法和 基于s n r 估计的m c s 选择算法。 在高速移动环境下，由于信道的快速时变性，信道质量报告的时延降低了信 道质量估计的可靠性，导致a m c 性能下降。本文提出了一种改进算法一基于 c q i 预测的a m c 技术，通过预测信道的变化来降低c q i 报告时延对a m c 性能的 影响。对h s d p a 的下行链路进行了仿真，仿真结果表明，a m c 技术可以有效 提高数据传输质量，改进算法提高了高速移动环境下的系统吞吐量。 关键词高速下行分组接入，自适应调制编码，信道质量指示，调制编码 方案，c q i 预测 a b s t r a 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 i n g t e c h n o l o g yi nt h eh i g h - s p e e dh s d p as y s t e m m a j o r ： 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 ：l i l ic h e n s u p e r v i s o r ：p r o f x i a n h u ad a i a bs t r a c t t h ei n c r e a s i n gt r a f f i cg e n e r a t e db ym o b i l ei n t e r n e tb r o w s i n g ，e m a i ld o w n l o a d i n g ，a n dm u l t i m e d i as e r v i c e sh a v eg e n e r a t e di n c r e a s i n gd e m a n df o rc a p a c i t y , d a t a t r a n s f e rr a t ea n dc o m m u n i c a t i o nq u a l i t yf o rt h ed o w n l i n kc h a n n e l so ft h ee x i s t i n g m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t om e e tt h eu n b a l a n c e dn e e do fd a t at r a n s f e rs e r v i c e i nt h eu p l i n k d o w n l i n kc h a n n e l s ，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 ( h s d p a ) w a s i n t r o d u c e di nr e l e a s e5b y3 g p p a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ( a m c ) i so n eo fk e yt e c h n o l o g i e so f h s d p a t h el i n ka d a p t i o ni sd o n ea tt h en o d ebt oc h o o s et h ef i t t e s tm o d u l a t i o na n dc o d i n g s c h e m e ( m c s ) a c c o r d i n gt ot h ec h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t o r ( c q i ) s e n tb yt h eu s e r e q u i p m e n t ( u e ) ，i no r d e rt 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 ta n dt h eb e s tb a l a n t 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 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 m ，t h ep h y s i c a ll a y e rs t r u c t u r e a n dt h ep r o t o c o la r c h i t e c t u r ea r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r s e c o n d l y ，a f t e rab r i e fi n t r o - d u c t i o no ft h ef a d i n gc h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sc h a n n e la n dt h es t a t i s t i cf e a t u r e so f f a d i n gc h a n n e l se n v e l o p e ，t h eb a s i cp r i n c i p l eo fa m ct e c h n o l o g yi sa n a l y z e d w h a t s m o r e ，t w ok i n d so fb a s i ca m cs c h e m ea r ei n t r o d u c e d ：e x p l o r i n gc l a s so fm c s i i i a b s t r a c t c h o o s i n ga l g o r i t h ma n dm c sc h o o s i n ga l g o r i t h mb a s e do ns n r e s t i m a t i o r l a t1 1 i g i lm o b i l i t y , t h er a d i oc h a n n e lc h a n g e sr a p i d l y t h e r e f o r et h ev a l i d i t yo f c h a n n e lq u a l i t ye s t i m a t i o ni ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e dd u et ot h el a r g ed e l a yo fc h a n n e l q u a l i t yr e p o r ta n dt h ep e r f o r m a n c eo fa m cs c h e m e i s d e g r a d e da s ar e s u l t o fi n a c c u r a t ec q ir e p o r t s a ni m p r o v e dl i n ka d a p t i o na p p r o a c h ，n a m e l ym c ss c h e m e b a s e do nc q ip r e d i c t i o n ，i sp r o p o s e di nt h i sp a p e r i nt h i sa p p r o a c h ，t h ee f f e c to ft h e c q ir e p o r td e l a yt ot h ep e r f o r m a n c ed e c l i n eo fa m cs c h e m ei sr e d u c e dt h r o u g h c h a n n e lp r e d i c t i o n s i m u l a t e dt h eh a d p ad o w n l i n ka n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e d t h a tt h ed a t at r a n s f e rq u a l i t yw a se f f e c t i v ei m p r o v e db yu s i n ga m cs c h e m ea n dt h e o p t i m i z a t i o ns c h e m ep r o v i d e dp e r f o r m a n c eg a i na th i g hm o b i l i t y k e yw o r d s ：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 ( h s d p a ) ，a d a p t i v em o d u l a - t i o na n dc o d i n g ( a m c ) ，c h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t o r ( c q i ) ，m o d u l a t i o na n dc o d i n g s c h e m e ( m c s ) ，c q ip r e d i c t i o n i v 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：豫翘龟 日期： 2 哆年 枣月矽日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：砥鼋翘 日期：带。月强f t 新魏嵩骅 导师签名：戈i e lg q 。1 年明砂啕 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 移动通信系统的发展 移动通信是当今通信领域最为活跃、发展最为迅速的领域之一，也将是2 l 世纪对人类生活和社会发展有重大影响的科技技术领域之一。 移动通信网络最早产生于2 0 世纪7 0 年代【l 】，第一代移动通信系统的主要特 点是采用f d m a ( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 复用，模拟制式，话音信 号为模拟调制，每隔3 0 k h z 5 0 k h z 一个模拟用户信道 2 1 ，仅能提供9 6 k b i t s 通信 带宽，其典型系统有美国的模拟电话系统( a m p s ) 、北欧的移动电话系统( n m t ) 、 英国的全接入通信系统( t a c s ) 等。它的缺点是：频谱利用率低，业务种类有 限，无高速数据业务，保密性差，设备成本高，体积大，重量大。 为了解决模拟系统中存在的这些根本性技术缺陷，数字移动通信技术应运而 生。第二代( 2 n dg e n e r a t i o n ，2 g ) 窄带数字系统的接入技术主要有t d m a ( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 和c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 两种技术， 可以提供9 6 - - 2 8 8 k b i t s 的传输速率，其典型系统有欧洲的全球移动通信系统 ( g s m ) 、北美的数字增强型系统i s 9 5 、c d m a o n e 、日本的个人数字蜂窝系统 ( p d c ) 等【3 1 。2 g 系统改进的优点是增强了保密性、提高了频谱利用率、能提 供丰富的业务、标准化程度高等。 第一代和第二代通信系统主要都是针对语音通信设计的，对数据业务的支持 能力普遍比较弱。随着数据业务( 特别是多媒体业务) 需求的不断增长，为了满 足对分组数据传输及频谱效率更高的要求，第三代( 3 r dg e n e r a t i o n ，3 g ) 通信系 统应运而生，它的目标可以概括为【4 】： 第l 章绪论 1 ) 能实现全球漫游：用户可以在整个系统甚至全球范围内漫游，而且可以 在不同速率、不同运动状态下获得有质量保证的服务； 2 ) 能提供多种业务：提供话音、可变速率的数据承载、视频会话等业务， 特别是多媒体业务； 3 ) 能适应多种环境：可以综合现有的公用电话交换网( p s t n ) 、综合业务 数字网( i s d n ) 、卫星通信系统来提供无缝隙的覆盖； 4 ) 足够的系统容量：强大的多种用户管理能力、高质量服务和高保密性能。 1 9 9 5 年，国际电信联盟( i t u ) 将未来公用陆地移动通信系统( f p l m t s ) 更名为国际移动电信2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n 2 0 0 0 ， i m t - 2 0 0 0 ) ，即3 g 1 5 1 。i m t - 2 0 0 0 的三个主流标准是欧洲的w c d m a ( w i d e b a n d c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 、北美的c d m a 2 0 0 0 和中国提出的t d s c d m a ， 三者对比如表1 1 所示。 表1 13 g 移动通信系统比较 制式 w c d m at 【卜s c d m ac d m a 2 0 0 采用国家欧洲，日本中国美国，韩国 扩频方式d s c d m ad s c d m ad s c d m a 双工方式 f d d t d df d d 码片率 3 8 4 m c p s 1 2 8 m o p s 1 2 2 8 8 m c p s 载频间隔5 m h zi 6 m h z1 2 5 m h z 无线帧长度 1 0 m s5 m s2 0 m s 基站同步不需要需要g p s 严格i 司步 话音扩频系数1 2 886 4 1 2 8 时隙1 57 + 31 6 功率控制开环，快速闭环( 1 5 0 0 1 - 1 z )开环，快速闭环( 2 0 0 h z )开环，快速闭环( 8 0 0 h z ) 检测方式相关解调联合检测相干解调 信道估计 公共导频d w p c h 、u p p c h 前向、反向导频 编码方式 卷积码，t u r b o 码卷积码，t u r b o 码卷积码，t u r b o 码 w c d m a 等已经可以支持语音、数据、图像及多媒体等业务，提供的带宽 2 第l 章绪论 及无线接口基本可以满足：快速移动环境下最高传输速率可达1 4 4 k b i f f s ；步行环 境最高可达3 8 4 k b i f f s ；室内环境最高速率可达2 m b i t s 。为了进一步提高上行、 下行业务数据传输速率，第三代移动通信伙伴计划( 3 一g e n e r a t i o np a r t n e r s h i p p r o j e c t ，3 g p p ) 在r l e a s e 5 协议中提出了其增强技术一高速下行分组接入( h i g h s p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ，h s d p a ) 。 h s d p a 在w c d m a 的基础上引入了自适应编码调制( a d a p t i v e m o d u l a t i o n a n dc o d i n g ，a m c ) 、快速混合自动重传( h y b r i da r q ，h a r q ) 和快速调度( f a s t s c h e d u l i n g ) ，这3 种关键技术可以看成是w c d m a 中可变扩频技术和功率控 制技术的进一步提升。h s d p a 增加了一个新的传输信道，称为高速下行共享信 道( h i g hs p e e dd o w r d i n ks h a r e dc h a n n e l ，h s d s c h ) ，采用了更短的传输时间 间隔( t r a n s m i s s i o nt i m ei n t e r v a l ，t t i ) 、固定扩频因子( s p r e a d i n gf a c t o r ，s f ) 的多码道传输，从而在下行方向上实现了远高于r 9 9 的分组数据传输能力 6 1 。 h s d p a 技术的应用可以充分满足运营商在3 g 网络成熟期面临容量需求特别大 时进行扩容的实施要求。 1 2白适应调制编码技术的研究背景 未来移动通信系统需要支持更高的传输速率和更快的移动速度，其宽带特性 使无线信道呈现更大的复杂多变性，各种衰落、干扰、多普勒频偏等因素极大地 降低了无线链路的质量，影响系统吞吐量( s y s t e m t h r o u g h p u t ) 和时延等性能。 系统功率控制、链路容量预留或采用信道编码等常用技术都是出于对信道状况最 差情况的考虑，它们虽然可以保证系统的误码率性能，但是在通信过程的很大 部分时间内都不能充分利用信道容量。 自适应链路技术是移动通信系统中克服时变信道影响、提高链路质量、充分 利用信道容量的有效方法之一其基本思想就是通过对发射功率、符号传输率、 调制阶数、编码结构、编码有效率或这些参数相结合的自适应改变，来弥补由于 信道条件变化而带来的不利影响。最初提出自适应链路技术的概念大约在6 0 年 第l 章绪论 代后期，截至现在所研究过的自适应链路技术的代表性方法主要有： ( 一) 自适应功率控制 这种方法根据反馈信息控制发射端的发射功率实现对时变信道的自适应调 整引。比较典型的是信道补偿技术，即当信道质量好时，采用较小的发射功率， 而信道恶化时，增加发射功率以保证接收端的信噪比( s i g n a lt on o i s er a t i o ，s n r ) 保持较高的值。在w c d m a 中，功率控制是一项非常重要的技术。 ( 二) 自适应调制 由于自适应功率控制技术对功率控制器的要求较高，同时会增强同信道干扰 从而降低系统容量。为了合理解决这个问题，保持功率恒定而变化调制阶数的想 法就产生了。m q a m 的理想最高频谱利用率为1 0 9 2mm b s h z ，改变调制阶数m 可以改变数据传输速率，适应信道的时变特性。 ( 三) 可变功率自适应调制 在自适应调制的基础上，g o l d s m i t h 等还提出了可变功率可变速率的m q a m 自适应调制系统 9 1 ，将每种调制方式的信号发射功率分为更多的层次，这样实现 对信号发射功率的有效利用，更能适应信道瞬时衰落条件的变化。 ( 四) 自适应调制编码 自从1 9 9 4 年s m a l a m o u t i 等学者首次提出a m c 的概念以来，该技术得到 了广泛的关注。比较早的a m c 技术可以追溯到自适应网格编码调制。u n g e r b o e c k 提出了以欧几里德距离为最佳设计准则的网格编码调制思路【】。a m c 技术能够 在保证给定数据传输质量的前提下，根据业务量、平均延时、s n r 等信道参数 来决定所采用的调制编码方式，其优点是可以有效提高频谱利用率、增加系统吞 吐量、减小信道衰落起伏对系统传输性能的影响【1 0 1 。目前，调制和编码方式的焦 点分别集中在m q a m 调制和t u r b o 码的应用上。t u r b o 码是由c b e r r o u 等在 i c c 9 3 会议上提出的。它巧妙地将卷积码和随机交织器结合在一起，以其低信噪 比下优异的误比特率性能得到了广泛关注，因此被确定为i m t - 2 0 0 0 的信道编码 方案之一【1 2 】。t u r b o 码强大的纠错能力是以增加带宽来获得的，而采用高阶的 q a m 调制方式可以降低带宽的占用，所以t u r b o 码和m q a m 的有机结合成为 了现在a m c 技术的一个主流方向。 4 笕i 章绪论 a m c 技术是h s d p a 系统的关键技术之一。h s d p a 完全后向兼容w c d m a ， 其良好的应用前景和平滑的演进能力引起越来越多的关注，因此对其关键技术进 行深入研究具有重要意义。 1 3 论文工作的主要内容和结构安排 本文主要研究3 g 标准w c d m a h s d p a 系统中的a m c 技术，介绍了a m c 的基本原理，重点研究了基于s n r 估计的a m c 技术；围绕a m c 技术对信道质 量指示( c h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t o r ，c q i ) 的误差和时延十分敏感这个核心问题， 研究了a m c 技术在高速移动h s d p a 中的应用；最后在m a t l a b 环境下，对 h s d p a 下行链路( d o w n l i n k ) 进行了仿真分析。 第1 章，介绍了移动通信系统的发展和3 g 的三种标准，以及a m c 技术的 研究背景。 第2 章，介绍了h s d p a 的背景和发展现状，并从采用的关键技术、物理层 结构、协议结构方面分析了h s d p a 的基本原理。 第3 章，首先分析了无线信道中衰落的产生原因、分类以及对通信系统的不 同影响，并介绍了衰落信道的包络统计特性；然后介绍了a m c 技术的基本原理 及特点；对于两类基本的调制编码方案( m o d u l a t i o na n dc o d i n gs c h e m e ，m c s ) 选择算法：探索类m c s 选择算法和基于s n r 估计的m c s 选择算法，分别进行 了研究。 第4 章，研究了a m c 技术在高速移动h s d p a 中的应用。针对高速移动环 境下，h s d p a 中的固有c q i 反馈时延导致a m c 性能下降这个关键问题，本文 提出了基于c q i 预测的m c s 选择算法，给出了c q i 预测算法的理论分析模型， 并进行仿真分析。 第5 章，总结了本文所做的工作，并对今后的研究提出了进一步展望。 第2 章h s d p a 系统研究 第2 章h s d p a 系统研究 在w c d m a 现有技术基础上，h s d p a 引入了一些无线增强技术，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 。对h s d p a 的基本原理、物理层技术及技术性能的研究，是下 面章节研究的基础。 2 1h s d p a 的基本原理 2 1 1h s d p a 的概述 h s d p a 是3 g p p 在r e l e a s e5 中为了满足上下行数据业务不对称的需求而引 入的一种可大大提高数据业务传输速率和系统下行链路容量的重要技术1 3 】，是 w c d m a 在无线部分的增强与演进。它可以在小改变原有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 ，同时传输时延大大降 低。h s d p a 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 流媒体业务等。 h s d p a 技术的基本原理是： ( 1 ) 更短的帧长度( 2 m s ) ： 即在一个1 0 m s 的w c d m a 帧中就有5 个h s d p a 子帧。用户的数据传输可 以在更短的时间内分配给物理信道，每隔2 m s 就可以对网络的码域资源进行一 7 第2 章h s d p a 系统研究 次动态分配，如此短的时间间隔极大地减少了环路时间。 ( 2 ) 新的传输信道： 即h s d s c h ，从w c d m ar 9 9 引入的下行共享信道( d o w n l i n ks h a r e d c h a n n e l ，d s c h ) 演变而来，用于支持增强的交互类、后台类及流媒体类接入承 载服务。d s c h 中的快速功率控制和可变扩频因子在r 5 中被代之以h s d s c h 中的短帧长度、多码传输、a m c 和h a r q 速率控制技术。 ( 3 ) 高阶调制1 6 q a m ： 与q p s k 相比，1 6 q a m 可以使空中接口速率提高一倍。 ( 4 ) 新的链路适配技术a m c 和h a r q h s d p a 首先通过a m c 进行粗略的数据速率选择，然后再使用h a r q 技术 来提供精确的速率调节，从而取得更好的链路自适应效果。h a r q 功能由n o d eb 负责，减小了重传时延。 ( 5 ) 快速调度( f a s ts c h e d u l i n g ) - 快速调度决定了在给定时间内共享信道分配给哪个用户使用，决定了用户吞 吐量和小区吞吐量的大小。为了获得快速调度的最优性能，h s d p a 考虑了信道 质量信息、u e 能力、可用的功率信道化码和服务质量参数( q u a l i t yo fs e r v i c e ， q o s ) 等多方面因素。 ( 6 ) 引入新的m a c 实体一高速下媒体接入控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l - h i g hs p e e d ，m a c - h s ) ： h s d p a 在n o d eb 的m a c 层引入了m a c h s 实体，包括了h a r q 、调度功 能以及对h s d s c h 的控制功能。其中，地面无线接入网( u t 凡州) 侧的m a c h s 实体负责流控制、调度优先级处理、h a r q 、传输格式和资源指示( t r a n s p o r t f o r m a ta n dr e s o u r c ei n d i c a t o r ，t f r i ) 选择四个功能。 2 1 2h s d p a 的演进 根据3 g p p 的定义，h s d p a 的发展主要分为3 个阶段【1 4 1 ： 8 第2 章h s d p a 系统研究 ( 1 ) 第一阶段：基本h s d p a 。增加了3 个新的物理信道；通过使用自适应调 制( q p s k 1 6 q a m ) 和t u r b o 编码技术、h a r q 以及快速调度技术，将峰值速 率提高到1 0 8 1 4 4 m b i t s ；在n o d eb 中引入个新的m a c 实体m a c - h s 来控 制h s d s c h 。 ( 2 ) 第二阶段：增强h s d p a 。通过引入一些天线阵处理技术：天线波束赋形 技术、发射分集和空时编码技术以及多输入多输出技术( m u l t i i n p u tm u l t i o 咖u t ，m i m o ) ，将峰值传输速率提高到了3 0 m b i t s 。 ( 3 ) 第三阶段：引入新型空中接口，增加平均数据比特率。正交频分复用 ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 空中接口技术和6 4 q a m 调制的引入，将峰值传输速率提高到l o o m b i t s 以上。 到现在，h s d p a 的第一阶段和第二阶段的标准化已经完成，第三阶段仍在 积极研究阶段；大多数厂家对h s d p a 的研发都非常积极，已经具有了可供测试 和商用的第一阶段h s d p a 产品，h s d p a 技术足以大范围地投入商用。 截至现在，全球范围内提供商用服务的w c d m a 网络己达到7 1 个，而处于 预商用与部署中的网络也超过了7 5 个【1 4 l 。而目前的3 0 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，迫切需要提供更高数据传输速 率的技术，因此w c d m a 向h s d p a 升级是必然的。除了c i n g u l a r 已决定在2 0 0 5 年开始部署h s d p a ，目前尚未部署3 g 网络的t - m o b i l e 也己表示将从w c d m a 和h s d p a 开始建网。日本在3 g 商用进程中处于领先的地位，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，来更好地满足3 g 用户对多媒体 应用的需求；除了领先的基站外，n e c 在终端和无线网络控制器( r a d i on e t w o r k c o n t r o l l e r ，r n c ) 方面都正在进行h s d p a 商用化的测试。 2 1 3h s d p a 的关键技术 自适应调制编码( a m c ) h s d p a 采用a m c 作为基本的链路自适应技术，对数据速率进行粗略的选 9 第2 章h s d p a 系统研究 择。它的基本原理是n o d eb 根据信道质量状况选择最合适的下行链路调制和编 码方式，信道质量依据接收端反馈测试报告。在h s d p a 系统中，a m c 可以提 供7 级m c s ，以适应每一个用户的信道质量。 a m c 技术优势在于：理想位置用户可以获得更高速率，提高小区吞吐量； 使用传输速率调整来代替发送功率调整可降低由于链路适配引起的干扰，提高系 统容量。 a m c 技术也面临着多项挑战：a m c 对信道质量的测量误差和时延十分敏 感，信道估计的误差会导致调度器选择错误的传输格式，从而导致吞吐量下降； 由于信道测量质量的时延，降低了信道估计的可靠性。在h s d p a 中是利用高速 专用物理控制信道( h i g hs p e e dd e d i c a t e d p h y s i c a lc o n t r o lc h a n n e l ，h s - d p c c h ) 传输c q i 来指示当前的信道质量，因此a m c 性能也受限于h s d p c c h 的信道 质量和c q i 的上报频率。 混合自动重传请求( h a r q ) 自动重传请求( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e a ，a r q ) 是指一次传输失败时就要 求重传数据的传输机制15 1 。前l 甸e t t 错编码( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ，f e c ) 是 为了保证通信质量，对数据分组进行保护的纠错编码。h a r q 就是两者相结合的 纠错方法，是指接收方在解码失败的情况下，保存接收到的数据，并要求发送方 重传数据，接收方将重传数据和先前接收到的数据进行合并译码：h a r q 可以自 动根据瞬时信道条件，灵活调整有效编码速率。为了达到更好的链路自适应效果， h s d p a 在采用a m c 对速率进行粗略的选择后，再采用该技术进行精确调节。 h s d p a 中的h a r q 功能主要在n o d e b 的m a c h s 和物理层实现，从而减少了 高层协议无线链路控制层( r a d i ol i n kc o n t r o l ，r l c ) 的重发次数、降低了下行 分组包的发送时延与环回时延( r o u n dt r i pd e l a y ) 。 3 g p p 中提出了3 种h a r q 的机制【1 5 】： 1 ) 第一类h a r q 主要是采用c h a s e 合并算法，发送方在每次发送中都是完 整的编码码字，接收端将每次收到的数据包与之前收到的所有的数据包进行 c h a s e 合并，合成一个具有更强纠错能力的码字，从而达到递增冗余的目的。 2 ) 第二类h a r q 即增加冗余a r q ( i n c r e m e n t a lr e d u n d a n c y ，i r ) ，系统比 1 0 第2 章h s d p a 系统研究 特经过编码后，将编码比特按照一定的周期穿孔，根据码率兼容原则分批发送给 接收端，接收端每次都对接收的所有比特进行组合，从而达到递增冗余的目的。 3 ) 第三类h a r q ，与第二类a r q 的主要区别在于，发送端每次发送的码 字都是可以独立译码的，重传包不但包括与以前数据包不同的冗余比特，还包括 所有的系统比特，因此可能由重传包解码出用户信息；如果重传包不能正确解码， 则进行码组合并解码，如果仍然不能继续解码，则继续重传数据包。 快速调度： 调度算法是指分配不同时间间隔内传输不同用户数据的协调机制，其目的 是：可以自动把无线资源分配给拥有最好信道条件的用户，使n o d eb 在每个瞬 间都服务于拥有最好信道条件的用户以获得最高的小区数据吞吐量，同时也应考 虑到对所有用户的公平性【1 6 1 。调度算法基本可以分为：最大载干比调度( c a r r i e r t oi n t e r f e r e n c er a t i o ，c i ) 、正比公平算法( p r o p o r t i o n a l f a i r ，p f ) 和轮询算法( r o u n d r o b i n ，r r ) 。 为了更好地适应信道的快速变化，h s d p a 的分组调度功能直接由n o d eb 负 责而不是r n c ，同时也将t t i 缩短到2 m s ，这样大大提高了调度算法的效率。 分组调度器的输入参数包括：可获得的功率码资源、信道质量、q o s 和终端能 力等。不同的调度算法采用不同的规则应用以上参数，以满足系统在小区容量和 服务公平性方面的不同要求。 u e 能力级别： 在r 5 中，将h s d p a 终端划分为1 2 个级别。表2 1 给出了u e 的能力分类， 下面对表中所列出的一些参数进行下说明： 夺调制方式：第1 l 类和第1 2 类只支持q p s k 调制。 夺u e 可以支持的最大h s p d s c h 码字数：5 1 0 1 5 。 令最小t t i 间隔( t d ) ：表示u e 接收h s d s c h 的频繁程度，并且决定u e 需要同时支持的h a r q 进程数。若t f l ，则u e 需要同时支持6 个h a r q 进程，可以连续接收h s d s c h 数据包；若t d = 3 ，则u e 需要同时支持 2 个h a r q 进程，分配给该l i e 的t 1 1 至少要间隔2 个空闲的1 1 1 。 最大传输块：这个参数和t t i 间隔决定了u e 的峰值速率，例如类别1u e ： 第2 章h s d p a 系统研究 最大传输块为7 2 9 8 ，订i 间隔为3 ，则峰值速率为 7 2 9 8b i t s ( 6 m s ) = 1 2 m b i t s 。 软信道比特数：表示在所有h a r q 进程占用下，u e 能够缓存的最大软 信道比特数，该参数会影响u e 的接收性能。 表2 ih s p d s c h 物理层的l i e 分类 u e 调制方式 最大i t s - p d s c h最小t t i 最大传输块软信道 峰值速率 分类码字数间隔 比特数( m b i t s ) 类别l q p s k 1 6 q a m 537 2 9 81 92 0 01 2 类别2q p s k 1 6 q a m 537 2 9 82 88 0 0 1 2 类别3 q p s k 1 6 q a m 527 2 9 82 88 0 01 8 类别4q p s k 1 6 q a m 527 2 9 83 84 0 0 1 8 类别5 q p s k 1 6 q a m 5i7 2 9 85 76 0 03 6 类别6 q p s k 1 6 q a m 5l7 2 9 86 72 0 03 6 类别7q p s k 1 6 q a m 1 011 44 1 11 1 52 0 07 2 类别8 q p s k 1 6 q a m 1 01 1 44 1 11 3 44 0 07 2 类别9 q p s k 1 6 q a m 1 512 0 2 5 11 7 28 0 0 1 0 1 类别l o q p s k 1 6 q a m 1 5i2 79 5 21 7 28 0 01 4 0 类别l lq p s k 523 6 3 01 44 0 00 9 类别1 2 q p s k 5l3 6 3 02 88 0 0 1 8 2 2h s d p a 的物理层技术 2 2 1h s d p a 的信道特性 在移动通信系统中，空中无线接口的物理层通常是重点讨论的对象，这是因 1 2 第2 章h s d p a 系统研究 为物理层的结构直接决定到无线网络的系统性能。为了实现h s d p a 的功能特性， i u 在物理层规范中引入了3 个新的物理信道【1 7 】： ( 1 ) 高速物理下行链路共享信道( h i g hs p e e d - p h y s i c a ld o w n l i n ks h a r e c h a n n e l ，h s p d s c h ) ：承载下行链路用户数据。 ( 2 ) 高速下行共享控制信道( h i g hs p e e ds h a r e dc o n t r o lc h a n n e l ， h s s c c h ) ：承载解调和解码h s d s c h 数据所需的物理层控制信息。 ( 3 ) 高速上行专用物理控制信道( h i g hs p e e dd e d i c a t e dp h y s i c a lc o n t r o l c h a n n e l ，h s p d c c h ) ：承载上行链路的控制信令。 高速物理下行链路共享信道( h s p d s c h ) h s p d s c h 码资源采用s f 固定为1 6 的一个或多个信道化码( o r t h o g o n a l v a r i a b l es p r e a d i n gf a c t o r ，o v s f ) ，最多可以按需分配1 5 个，u e 可以使用的码 字个数受限于u e 的能力级。若把时间按1 1 1 划分给不同用户，则实现了时分复 用；若在一个1 1 1 内，多个用户共享信道化码资源，则实现了码分复用，从而使 得h s d p a 的下行数据传输更加灵活。h s p d s c h 采用2 m s 的皿，其子帧结构 如下图所示： 1、：二二_256。chips，厦+l。幸2。bits(k=4：一一，7 时隙拌o时隙拌l时隙撑2 1 子帧： i f = 2m s 图2 1h s p d s c h 的子帧结构 h s p d s c h 的信道符号速率固定为2 4 0 k s s ，其理论上产生的不同数据传输 速率是通过选择数据分配方式、多码传输、选择编码增益和调制方式等技术过程 来完成的。在数据连续分配的条件下： h s - p d s c h 信道比特速率= 信道符号速率调制阶数t u r b o 编码率码字数量 其7 级m c s 具体参数如表2 2 所示【1 3 1 ： 1 3 第2 章h s d p a 系统研究 表2 - 2a m c 的7 级调制编码方案 数据速率数据速率数据速率 调制方式 s f ( 扩频因子) 编码有效率( 5 个码道)( 1 0 个码道) ( 1 5 个码道) ( m b i t s )( m b i t s )( m b i t s ) q p s k 1 6 l ，4 0 6 1 21 8 1 6矾i 22 43 6 1 6 3 ，41 8 3 6 5 4 1 64 42 44 87 2 1 6 q a m 1 6躺2 44 87 2 1 6 3 43 6 7 2