HSDPA基本原理及关键技术.doc

HSDPA基本原理及关键技术课程目标：l 理解HSDPA基本原理l 理解HSDPA关键技术l 了解HSDPA规划参考资料：l 谢显中.TD-SCDMA第三代移动通信系统技术与实现l目 录第1章 HSDPA原理及关键技术11.1基本原理11.2主要的关键技术介绍31.2.1HARQ31.2.2AMC61.2.3快速调度8第2章 HSDPA网络规划12.1 规划步骤12.2 规划方法12.3 覆盖规划22.3.1 HSDPA上行覆盖能力分析22.3.2 HSDPA下行覆盖能力分析22.3.3 结论32.4 容量规划32.4.1 HSDPA理论容量与影响HSDPA容量的因素32.4.2 不同环境下HSDPA吞吐量仿真32.4.3 总结42.5 推荐的组网方式52.6 配置方式5-7-Error! No text of specified style in document. Error! No text of specified style in document.第1章 HSDPA原理及关键技术& 知识点l 基本原理l HARQ、AMC、快速调度1.1 基本原理3GPP R5版本中的HSDPA技术是为了满足高速下行数据业务而设计的，它在不改变原有3GPP R4版本网络架构的情况下，通过引入自适应调制编码AMC、混合自动重传HARQ，把下行数据业务速率提高到10Mbps以上，HSDPA是TD-SCDMA系统提高下行容量和数据业务速率的一种重要技术。HSDPA技术的基本原理是，当UE接入到HSDPA无线网络，需要传输下行数据时，UE周期性地向Node B上报信道质量指示CQI。Node B接收到UE上报的数据后，根据所要传输数据的QoS和UE上报的CQI，选择合适的调制方式，QPSK或16QAM，并在HSDPA专用信道HS-PDSCH上传输用户的下行数据。UE接收到Node B的下行数据包后，通过HSDPA专用信道HS-SICH，向Node B发送确认信息ACK/NACK，如下图所示。与R4架构相比，HSDPA引入了AMC、HARQ，并将分组调度器从RNC移到Node B中，以便在Node B中实现MAC-hs协议控制的快速分组调度。 通过UE上报的确认信息ACK/NACK，Node B可以了解什么时间、以什么方式重发数据。通过小区内各UE上报的CQI，快速分组调度器就可优化用户间的数据传输。下图显示了基于用户信道质量的调度。图 11HSDPA的基本原理以及相关信道通过HSDPA技术，下行PS数据业务速率达到10.2Mbps；而且，HSDPA技术可以和OFDM、MIMO等新技术结合，提供更高的数据速率。R4和HSDPA的技术比较如下表所示。表 11 R4/HSDPA的技术特点比较项目R4HSDPA下行理论峰值速率384kbps19.3Mbps（10M带宽、1：5时隙、12.8+53.3）码资源分配DPCH，尽量保持码表利用率高。HS-PDSCH：从右向左连续分配SF=16；HS-SCCH：同DPCH系统切换硬切换；软切换/更软切换；系统间切换硬切换、接力切换功率控制开环功控、闭环功控；（慢速功控、快速功控）HS-PDSCH不使用功控调制方式QPSKQPSK/16QAM链路适应技术使用快速功控AMC、HARQMAC-hsN/A用来进行快速调度HSDPA的高速下行链路共享信道HS-DSCH可以承载流类（S类）、交互类（I类）、 背景类（B类）等高速PS分组业务；专用信道（DCH）承载数据和实时话音业务。其中，S类业务为IPTV、视频点播等流媒体业务；I类业务为网络教育、手机银行、在线游戏、位置服务等用户请求服务器响应模式业务；B类业务为数据下载、E-mail、SMS等时延不敏感、差错敏感业务。各业务特性见下表。表 12业务类型特性业务承载方式速率要求时延要求数据差错要求对网络资源要求流媒体HS-DSCH高；需要保证比特速率较低时延较高较多互动类低低时延高较少背景类无要求很长时延很高有空闲资源即可实时话音DCH很低低时延低较多1.2 主要的关键技术介绍1.2.1 HARQ1.2.1.1 HARQ概述HARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest）是一种前向纠错FEC 和自动请求重传ARQ相结合的技术。ARQ 技术在R99 中已有应用，在R99 中是在RLC 层实现的，只能进行简单的重传，不能对重传数据进行合并，所以没有合并增益，并且UTRAN 侧RLC 层是在RNC实现的，所以重传时延较长。而在HSDPA 中HARQ 技术是在物理层引入的，所以可以对重传进行合并，而且由于物理层是在Node B 实现的、并且HSDPA 采用5ms，所以还可以使重传时延降低。HARQ 发送功能如下图所示。图 12HARQ发送功能模块HARQ 发送功能模块主要完成速率匹配的功能，该模块包含两级速率匹配：第一级速率匹配在编码后的数据与虚拟缓冲区（Nir 代表虚拟缓冲区的大小）之间匹配，如果编码后的比特小于等于虚拟缓冲区，则数据第一级速率匹配透传；如果编码后的比特大于虚拟缓冲区，则透传系统比特，打孔校验比特。第二次速率匹配在第一次速率匹配之后的数据与物理信道比特之间匹配，系统比特和校验比特都会出现打孔或重复的操作。第二次速率匹配受冗余版本参数RV 控制，RV 参数决定了重传时使用CC、PIR 或FIR 中的哪种合并方式。HARQ 利用快速重传合并技术，使每次传输都得到充分利用，不仅得到了时间分集增益，而且由于快速重传降低了对首传BLER 的要求，也就降低首传功率的要求，所以还会得到一部分功率增益，从而提高系统性能和功率利用效率。1.2.1.2 HARQ的引入目的HARQ 技术是HSPDA 系统中关键的技术之一，它的引入主要目的有三个：一是通过使用速率匹配，使AMC 机制的精度更高，更佳匹配信道条件；二是为了补偿CQI 测量误差和上报时延对AMC 性能的影响；AMC 技术尽管可以根据CQI 调整调制和编码方式进行链路自适应，但缺点在于其对CQI 的测量误差和上报时延敏感，而在移动通信系统中，信道特性的动态变化常常使得准确地进行信道质量估计十分困难。而HARQ 技术则具有对信道测量误差和上报时延不敏感的特性，它可以对重传的数据进行软比特合并，从而在AMC 基础上对系统性能进一步改善。三是通过软合并，减少对第一次传输Es/NO 的要求，从而获得一部分功率增益。1.2.1.3 HARQ的重传机制HARQ 技术主要有两种重传机制：一种是在重传时，重传数据与初次传输时相同，这种方式称为Chase Combine（CC）或软合并；另一种是重传时的数据与初次传输的有所不同，这种方式称为增量冗余（IR ：Incremental Redundancy)。IR 又分为部分增量冗余（PIR：Partial Incremental Redundancy)和全增量冗余（FIR，Full Incremental Redundancy)。PIR指重传时校验比特与初次传输不同，系统比特不变，重传的数据是可以自译码的。FIR 则优先传输校验比特，系统比特不完整，故不可以自译码。1.2.1.4 多进程并发HSDPA 系统支持多个HARQ 进程并行传输，以连续为某个用户发送数据。每个HARQ进程只有收到其反馈信息（ACK/NACK）后，才可以重新传输数据。基站使用一个HARQ进程发送数据后，大约在3个TTI 后收到该HARQ 进程的反馈信息，再加上基站处理时间2个TTI，需要5 个TTI 时间才能重新调度该HARQ 进程。所以为了连续的发送数据至少需要5 个HARQ 进程。 图 13多HARQ 进程处理示意图1.2.2 AMC1.2.2.1 内外环控制在NODE B侧，AMC的处理过程见下图所示，图 14HSDPA内、外环速率控制系统结构上图为经典的HSDPA 内、外环速率控制系统结构框图。内环控制算法实现的主要功能是，从UE反馈的HS-SICH获得其CQI（RTBS,RMF）信息。当NodB决定调度该UE时，采用该信息为HS-DSCH选择合适传输格式。外环控制算法的主要功能是统计UE上报ACK/NACK信息，来计算BLER，并把该BLER与目标值相比较，从而成生CQI的调整量，用于内环控制算法CQI的调整。1.2.2.2 AMC过程UE在HS-SICH上所发送的CQI质量指示信息，实际上是TFRC组和。推荐的TFRC是基于NodeB分配给当前UE使用的资源。由UE接收数据，然后根据接收信息质量得到CQI，再在上行信道反馈处理，最后NodeB参考反馈信息，做出下行资源分配，主要流程如下：UE监听HS-SCCH，根据HS-SCCH上的UE ID判断出发送消息给自己的HS-SCCH，读取信息，得到HS-PDSCH发送数据所使用的资源信息。UE接收HS-PDSCH信息，作出必要的质量测量，然后查表产生CQI推荐值，这个推荐值应保证在当前信道条件且HS-PDSCH的BLER=10%条件下，系统可以获得最大吞吐量的CQI。在最近的属于该UE的HS-SICH上，UE上报最新的质量指示CQI给NodeB，以便NodeB在下次调度该UE时，选择合理的HS-PDSCH传输格式。而UE上报的ACK/NACK信息则必须在指定定时关系的HS-SICH上发送。这意味着，CQI信息可以提前上报，以降低反馈处理时延。NodeB将UE上报的CQI中的作为该用户下一次调度的参考依据。1.2.2.3 CQI闭环反馈CQI和ACK/NACK信息产生框图如下： 图 15CQI和ACK/NACK信息产生框图UE接收到HS-DSCH信息后，估计出接收信干比SIRrev，然后查表，得到接收BLERrev，与目标BLER值比较，如果高于目标BLER值，则观察SIRrev与目标BLER的交点曲线，该点对应的MF和TBS值即为当前估计的CQI参数。在实际系统中对当前数据块进行译码，根据译码结果，判定当前应答ACK/NACK。在仿真中，如果有重传的话，将当前接收SIRrev与前次SIR合并，使用合成SIR查表，得到BLER，进行ACK/NACK判断。如果没有重传，则同样使用当前接收SIRrev来查表。CQI和ACK/NACK应答延迟不一定相同，将当前得到的应答组装成HS-SICH，上报到NodeB。在图中，ACK/NACK应答判断流程是仿真设计实现过程。1.2.3 快速调度1.2.3.1 快速调度原理MAC-hs 分组调度器在Node B 所处的位置如下图所示。从MAC-hs 流控输出的优先级队列数据存储到一个缓冲区中，调度器从该缓冲区中读取各个优先级队列的数据。调度器根据各个UE 的信道状况、UE 的历史吞吐率、UE 的等待时间等来调度各个UE 的分组数据。图 16MAC_hs分组调度器在系统中的位置物理层反馈信息的及时获得和使用对于分组调度非常重要。例如，ACK/NACK 及时获得后可及时调度进程进行数据重传或发送新数据，根据得到的CQI 及时地适应无线链路的变化。1.2.3.2 原型调度算法l Round Robin调度算法该算法不考虑各UE的信道质量，而是采用轮循调度的方法，即将所有的UE排成序列，为每个UE分配相同的服务时间片，当前被服务的UE在该时间片结束后，将退至序列末尾等待下次服务。该算法的目标是保障每个用户都能得到一定的服务时间和满足最低时延要求。特点是算法实现简单，但难以充分利用系统资源以达到较高的系统容量。l Proportional Fair调度算法该算法是根据各UE的相关信道质量计算得到其资源分配的优先级，假设在一个服务时间窗内（如，一个TTI）第用户的吞吐量为Tk，同时假设第用户目前的信道条件为：(C/I)k。那么，其公平因子为：从式中可以看出，具有比较好的信道条件而且得到的服务相对较少的用户的综合优先级得到较高，用户服务优先级是由公平因子决定的，所以具有最大公平因子的用户将首先得到调度。比例公平调度算法解决了小区吞吐量和服务公平性之间矛盾。实际上，该算法还有实现容易、反映速度快等的优点，是所有分组调度算法中相对较好的。l Max C/I调度算法该算法将UE的信道质量作为分配资源的首要准则。调度器首先把等待服务的UE按信道质量即对应帧传输期间的载干比（C/I）值进行排序，调度器传输具有最高C/I值的UE的数据，直到该UE数据队列为空，或者有更高C/I值的用户数据到来，或者有更高优先级别的重传被调度。该类调度算法总是将资源优先分配给信道条件最好的UE，以达到最大限度的提高小区的数据吞吐量，不利的是根本不考虑资源分配的公平性问题，从而导致信道条件不好的UE会被长期阻塞。第2章 HSDPA网络规划& 知识点l HSDPA规划步骤l HSDPA规划方法2.1 规划步骤步骤一、确定规划地HSDPA话务模型，确定业务量；步骤二、在R4规划的基础上，统计各种配置、路损的小区个数；步骤三、根据业务量需求查表确定需要增加的载波数；2.2 规划方法 规划方式从实际应用看，HSDPA不存在独立组网的情况。我们只考虑在R4网络规划的基础上，进行HSDPA的组网，如果R4和HSDPA同时规划，那么，先进行R4网络规划，再在R4网络规划的基础上，进行HSDPA的规划。 干扰在规划时，我们采用独立时隙、异频组网，其它方式不采用，就是说，HSDPA与R4相互影响的组网方式，可以通过组网策略规避。 HSDPA容量估算方法影响HSDPA容量的因素较多，无法按照固定的公式进行计算。我们可以采用查表的方法，确定HSDPA的容量。通过仿真，得到各种配置、各种路损情况下的吞吐量，在实际规划时，根据规划地的具体情况，查表确定HSDPA的容量。2.3 覆盖规划2.3.1 HSDPA上行覆盖能力分析从下表可以看出，HSDPA的HS-SICH和A-DPCH信道的最大允许路损都大于R4的三种业务CS12.2k、CS64k和PS64k的最大允许路损。所以，从上行链路预算看，上行HSDPA覆盖能力强于R4业务覆盖能力。表 21密集城区HSDPA上行信道和R4业务最大允许路损业务类型CS12.2kCS64kPS64kHS-SICHA-DPCH最大允许路损(dB)144.99139.59 143.19 155.29 146.99 2.3.2 HSDPA下行覆盖能力分析从下表可以看出，HSDPA的HS-SCCH和A-DPCH信道的最大允许路损都大于R4的业务信道和公共控制信道PCCPCH，所以，HSDPA这两个信道的覆盖能力也好于这几种业务和PCCPCH信道。HSDPA的业务信道HS-DSCH的最大允许路损小于R4各业务信道和PCCPCH的最大允许路损，但是，HSDPA的HS-DSCH采用的是AMC，可以根据具体无线环境，调整编码、调制方式，以保证覆盖，所以，HSDPA的业务信道HS-DSCH的覆盖能力比R4下行业务和公共控制信道PCCPCH强。所以，从下行链路预算看，下行HSDPA覆盖能力强于R4业务覆盖能力。表 22密集城区HSDPA下行信道、R4业务和公共控制信道最大允许路损业务类型CS12.2kCS64kPS64kPS128kPS384kPCCPCHHS-SCCHA-DPCHHS-DSCH最大允许路损(dB)145.69140.29 143.89 143.19142.49145.59154.19154.79135.592.3.3 结论从上面分析可知，HSDPA覆盖能力好于R4业务和公共控制信道。在现在的R4和HSDPA混合组网的情形下，在对R4业务进行了覆盖估算后，对HSDPA无需再进行覆盖估算。只需着重考虑容量规划方面。2.4 容量规划2.4.1 HSDPA理论容量与影响HSDPA容量的因素 理论容量单个时隙，16个SF16码道，理论容量约560Kbps。 影响容量的因素实际容量与环境、UE数量、同时调度的UE数量、调度算法、业务类型相关。1）选择信道质量最好的用