HSDPA信道编码和物理层参数的动态特点.pdf

HSDPA 信道编码和物理层参数的动态特点信道编码和物理层参数的动态特点 摘要摘要 高速下行分组接入 HSDPA 是 WCDMA的一种附加技术 以实现更高的下行数据速率 和更大的基站容量 通过 HSDPA 当前似乎停滞在 384 kbps的 WCDMA系统将能够改变工作 方式 演进到所谓的 3 5G性能 3GPP WCDMA Release 5 规范中包括 HSDPA 是 Release 99 发表以来 RF领域中发生的最重大的变化 设计和测试工程师现在必须考虑新的 HSDPA信道 编码和物理层参数的动态特点 自适应调制和编码 AMC 和混合自动重复请求 HARQ 等先进 技术 可以用来 以自适应方式 修改这些参数 满足瞬时信道质量 提高频谱效率和数据吞 吐率 就在寻求带宽使无线技术竞争不断加剧的同时 宽带 CDMA WCDMA 似乎遇到了速度门槛 WCDMA技术在 3GPP 第三代合作项目 定义的 3G UMTS系统中提供了无线接口 理提供论 上可以最高 2 4 Mbps的峰值数据速率 但据报道 在实际网络中 平均数据吞吐率不会比 384 kbps高出多少 3GPP WCDMA Release 5 规范增加了高速下行分组接入 HSDPA 技术 以提高系统对带宽密 集型分组数据应用的效率 升级到 HSDPA的 WCDMA网络将支持超过 2 Mbps的下行数据速 率 理论最大值可以达到 14 Mbps 由于新技术向下兼容 3GPP Release 99 因此为 WCDMA 开发的语音和数据应用仍可以在升级后的网络上运行 同一条无线信道将同时支持 WCDMA 服务和 HSDPA服务 尽管与 HSDPA最终性能有关的业内预测有所不同 但大家一致认为 HSDPA将使 WCDMA 下行速率提高五倍 使网络容量翻一番 在网络上支持更大的用户数量 由于明显改善数据服 务 WCDMA系统将能够改变工作方式 进入 3 5G 最新两代技术之间的最新移动通信技 术将实现增强的性能 致力于发展 WCDMA的移动运营商正在不断努力 以迅速发展 HSDPA网络和 UE 使其能够 与基于 1xEV DO和基于 1xEV DV的系统有效竞争 因此 设计和测试工程师必须全面理解 HSDPA引入的信道编码和物理参数变化以及技术的动态特点 HSDPA 有哪些新特点有哪些新特点 为改善 WCDMA系统性能 HSDPA在无线接口上作出了大量的变化 其主要影响着物理层和 传输层 缩短了无线电帧 新的高速下行信道 除 QPSK 调制外 还使用 16 QAM 调制 码分复用与时分复用相结合 新的上行控制信道 采用自适应调制和编码 AMC 实现快速链路适配 使用混合自动重复请求 HARQ 介质访问控制 MAC 调度功能转移到 Node B 上 HSDPA无线帧 在 WCDMA结构中实际上是子帧 长 2 ms 相当于目前定义的三个 WCDMA 时隙 一个 10 ms WCDMA帧中有五个 HSDPA 子帧 如图 1 所示 用户数据传输可以在更短 的时长内分配给一条或多条物理信道 从而允许网络在时域及在码域中重新调节其资源配置 图 1 HSDPA子帧长 2 ms HSDPA引入了新的物理信道和一条新的传输信道 下行中增加了两种新的物理信道类型 承 载净荷数据的高速物理下行共享信道 HS PDSCH 和承载相关 HS PDSCH的 UE 标识和信道参 数的高速共享控制信道 HS SCCH 下行中还增加了一条新的传输信道 高速下行共享信道 HS DSCH HSDPA增加了一条上行物理信道 高速专用物理控制信道 HS DPCCH 用来承载 HARQ确 认 ACK 和信道质量指示符 CQI 信息 由于这些增强功能 第二层 MAC 层 可以把现有的逻辑信道 DCCH和 DTCH 映射到高速传输 信道 HS DSCH 上 第一层依次把传输信道 HS DSCH 映射到一条或多条物理信道 HS PDSCH 上 最多映射 15 条物理信道 然后物理层创建 HS SCCH和 HS DPCCH 控制和协助 HS DSCH传输 下行传输信道编码下行传输信道编码 HS DSCH从 WCDMA Release 99 引入的下行共享信道 DSCH 演变而来 允许在时间上复用不 同的用户传输 为有效实现更高的数据速率和更高的频谱效率 DSCH中的快速功率控制和可 变展宽系数在 Release 5 中被代之以 HS DSCH上的短分组长度 多码操作和 AMC 和 HARQ等 技术 图 2 是 HS DSCH的编码模块图 根据 Release 99 1 3 增强编码器 信道编码一直采用 1 3 速率 对进入编码器的每个位 输出是三个位 但是 根据两阶段 HARQ速率匹配流程中应用的参 数 有效的码速率会变化 图 2 高速下行共享信道 HS DSCH 的编码模块图 在这一过程中 信道编码器输出上的位数与 HS DSCH上映射的 HS PDSCH的总位数相匹配 HARQ功能通过冗余版本 RV 参数控制 输出上确切的位集取决于输入位数 输出位数和 RV 参数 在使用一个以上的 HS PDSCH时 物理信道分段功能在不同物理信道之间划分比特位 它对 每条物理信道单独进行交织 HSDPA采用正交相移键控调制 WCDMA中规定的技术 在无线电条件良好时 采用 16 正交 幅度调制 16QAM 星座重新排列只适用于 16QAM 调制 其中一个码四位中的两位比另两位 有更高的误码概率 重新排列发生在重传过程中 在重传组合后 在平均的所有位中等分误码 概率 图 3 是 HS DSCH信道编码实例 编码与测试 UE 接收机使用的固定参考信道 FRC H Set 4 对 应 第一个速率匹配阶段把输入位数与虚拟增量冗余 IR 缓冲器相匹配 第二个速率匹配阶 段把得到的位数与传输时间间隔 TTI 过程中设置的 HS PDSCH提供的物理信道位数相匹配 这个阶段通过 RV参数控制 图 3 HS DSCH信道编码实例 HS PDSCH数量 在本例中是 5 个 和调制格式决定着 RV选择后的物理信道数量 QPSK调制的 960 位 x 5 4800 位 增强编码码速率固定在 1 3 但有效码速率是增强编码阶段和速率匹配 阶段综合的结果 因此 如果已知传输码组长度 HS PDSCH数量和调制格式 那么可以计算 出任何 HS DSCH配置的有效码速率 在本例中 有效码速率是 0 67 或 3202 24 位 960 位 x 5 下行物理信道结构下行物理信道结构 图 4 说明了 HS SCCH的结构 第一个时隙承载 HS PDSCH接收的关键信息 如信道化代码集 和调制方案 在收到第一个时隙后 UE 只有一个时隙解码信息 准备接收 HS PDSCH 图 4 高速共享控制信道 HS SCCH 的物理结构 映射到一个 HS DSCH上的 HS PDSCHs 或码信道 数量可能会在 1 15 之间明显变化 它使用 正交可变展宽系数 OVSF 代码 多码数量和从给定 HS DSCH上映射的 HS PDSCH的相应偏 置信息在 HS SCCH上传送 偏置 O 时的多码 P 分配如下 Cch 16 O Cch 16 O P 1 第 二个时隙和第三个时隙承载 HS DSCH信道编码信息 如传输码组长度 HARQ信息 RV和 星座版本及新的数据指示符 使用 16 位 UE 标识涵盖三个时隙的数据 上行物理信道结构上行物理信道结构 HS DPCCH承载与下行 HS DSCH传输有关的上行反馈信令 这个信令由 HARQ确认 HARQ ACK 和信道质量指示 CQI 组成 如图 5 所示 与下行物理 信道一样 每个 2 ms子帧由 3 个 时隙组成 每个时隙包括 2560 个码片 HARQ ACK承载在 HS DPCCH 子帧的第一个时隙 中 CQI承载在第二个时隙和第三个时隙中 图 5 高速专用物理控制信道 承载与下行 HS DSCH有关的上行反馈信令 每条无线链路上至少有一个 HS DPCCH HS DPCCH只能和 WCDMA 上行 DPCCH共存 HARQ ACK和 CQI编码使用两条不同的路径 HARQ ACK信息 1 位 编码成 10 位 ACK编 码为 1 NACK编码为 0 CQI信息使用 20 5 代码编码 编码的位直接映射到 HS DPCCH 可以以预先定义的步进 从 2ms到无穷大 禁用 作为网络参数设置 CQI的反馈周期 注意 主动 HS DPCCH可以有不传输 HARQ ACK或 CQI信息的时隙 因此 HS DPCCH可以是一 条突发的信道 自适应调制和编码自适应调制和编码 链路适配是 HSDPA改善数据吞吐量的一种重要途径 采用的技术是自适应调制和编码 AMC 在每个用户传输过程中 把系统的调制编码方案与平均信道条件相匹配 传输的信号 功率在子帧周期期间保持不变 它改变调制和编码格式 以与当前收到的信号质量或信道条件 相匹配 在这种情况下 BTS附近的用户一般会配置码速率较高的高阶调制 例如 有效码速 率为 0 89 的 16QAM 但随着距 BTS的距离提高 调制阶和码速率将下降 如前所述 我们 采用 1 3 速率增强编码 通过各种速率匹配参数获得不同的有效码速率 在 HSDPA中 UE 通过 HS DPCCH中的上行信道 CQI字段把信道情况报告给 BTS CQI值可 以在 0 30 之间 取值为 0 表明 超出范围 每个 CQI值与某个传输码组长度 HS PDSCH 数量和某种 UE 类别的调制格式对应 BTS结合使用这些参数和其它参数 确定相应的传输格 式 TF 和有效码速率 例如 最大传输码组长度是 27952 位 与 13 976 Mbps 27952 位 2 ms 13 976 Mbps 的最高数 据速率对应 这一速率使用 16QAM 0 9714 的有效码速率和 15 个 HS PDSCH实现 在图 6 中 码域图显示了 15 个 HS PDSCH 对其中一个 HS PDSCH采用 16QAM 星座图 说 明这种高速数据速率 HS DSCH配置将占用大部分小区容量 图 6 最大数据速率的传输码组的码域图 上图采用 15 HS PDSCHs 下图采用单个 HS PDSCH的 16QAM星座 混合混合 ARQ 混合自动重复请求 HARQ 技术把前馈纠错 FEC 和 ARQ方法结合在一起 保存以前尝试失败 中的信息 用于未来解码中 HARQ是一种暗示链路适配技术 AMC 采用明示的 C I或类似 措施 设置调制和编码格式 而 HARQ则采用链路层确认 ACK NACK 制订重传决策 从另 一个角度讲 AMC 提供了粗数据速率选择 而 HARQ则根据信道条件提供数据速率微调功 能 在重传中 HARQ采用与初始传输中使用的相同的传输码组集合 从而采用相同数量的信息 位 但是 它可以使用不同的调制方案 信道化代码集 包括信道化代码集容量 或传输功 率 结果 传输使用的信道位数量可能会与初始传输不同 信道位是空中实际传输的位 此 外 即使信道位数相同 信道位集合也可能会不同 为使新增的重传请求数量达到最小 HARQ采用两种 软组合 方案中的一种方案 保证正确 解码消息 追踪组合 CC 需要发送版本完全相同的检测到错误的分组 在解码前 解码器组 合收到的副本 增量冗余 IR 需要递增发送不同的位集合 以与原始集合相结合 从而提高冗 余数据数量及从空中引入的错误中恢复的可能性 使用增量冗余使用增量冗余 图 7 说明了 IR 方案的工作方式 为简单起见 本例中假设 IR 缓冲器容量是每个流程 10 位 并采用单个流程 原始的数据 4 位 与增加 CRC 之后的数据码组对应 数据以 1 3 速率编码 然后它作为第一个速率匹配阶段的一部分穿孔 在这个阶段 输出位数与 IR 缓冲器容量相匹 配 在本例中缓冲器容量是 10 位 图 7 使用增量冗余解调 HS DSCH 第二个速率匹配阶段 冗余版本选择 再次对数据穿孔 可以把数据穿孔到不同的数据集中 每 个数据集与不同的 RV对应 这里用三种不同的颜色表示 即红色 绿色和橙色 在任何一个 传输中 将只传输其中一个数据集 五个红色位 RV 0 在空中发送 OTA 得到 4 5 的有效码速率 也就是说 对每个原始数据 位 1 1 4 位在空中传输 数据到达 UE 进行解调 填上空位 填充到 IR 缓冲器中 然后数 据以一定的误码率解码 提供四个蓝色位 然后针对 CRC 校验这个码组 如果发现误码 将 存储码组 发送 NACK 请求重传 在发送重传时 它采用不同的 RV或穿孔方案 空中发送五个绿色位 在 UE 上 绿色位与原 始传输的红色位重组 提供 2 5 的有效码速率 现在对每个数据位 有 2 位用于解码 提高 了成功的可能性 但是 在针对 CRC 校验结果时 如果码组仍有错误 重传流程将再次开 始 但我们还使用另一种 RV或穿孔方案 现在表现为橙色位通过空中发送 在 UE 上与第一次传 输和第二次传输的红色位和绿色位重组 注意 新的 RV提供了额外的冗余数据 即使部分或 所有编码位是以前发送的编码位的重复 在第三次传输后 有效码速率是 4 15 对每个数据位 现在有 3 3 4 位 最后 数据正确解码 ACK被发回 如果码组仍有错误 将发送 NACK 同时仍可以传输更多的 RV 具体视码组允许的最大传输数量而定 在 16QAM 格式中 不同的 RV可能不仅与不同穿孔方案对应 还可能会与不同的星座版本或 重新排列对应 HARQ 流程流程 HSDPA系统只有在收到该数据的 ACK或 NACK时才会重传数据码 组 因此为了在数据码 组和重复的 ACK NACK响应传输之间不会浪费时间 换句话说是时延周期 这可能会导致吞 吐量浪费 可以并行运行多个独立的 HARQ流程 对传输的数据码组 为接收 ACK NACK 需要五个子帧 由于某个流程数据传输继续前要求 ACK NACK 因此对单个 HARQ流程 TTI之间的最小间隔必须至少是 6 6 个 HARQ流程同 时运行将在每个子帧中全面填充某个 UE 的数据 用户设备必须支持 1 能够每个子帧接收数据 2 能够每隔两个子帧接收数据 或 3 能够每三个 子帧接收数据 的最小 TTI间间隔 它们可以支持的最小间隔值取决于 HS DSCH类别 如图 8 表格中所示 注意 类别 11 和类别 12 中的 UE 仅支持 QPSK 图 8 规范中定义的用户设备功能类别 分组调度功能分组调度功能 除信道编码及物理层和传输层变化外 HSDPA还实现了另一个变化 以支持快速传送分组 它把分组调试功能从网络控制器移到了 Node B BTS 中的 MAC