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TD HSDPA基本原理及关键技术 中兴通讯学院 学习目标 了解TD HSDPA基本原理了解TD HSDPA关键技术 课程内容 HSDPA概述HSDPA基本原理HSDPA关键技术 TD SCDMAHSUPAMBMS TD SCDMAR4 LTE TD SCDMAHSDPA TD SCDMAHSPA TD SCDMA的演进满足NGMN的需求 并与其它3G标准的竞争中掌握主动 LTE AIE HSDPA是TD技术演进的必由之路 HSDPA HSUPA HSPA 和LTE 3G 4G HSDPA是在R5中引入的一种新技术目标是为TD SCDMA提供一种高性价比 高下行带宽 低延迟的面向分组的无线宽带接入业务 对R4结构作了较小的修改HSDPA坚持平滑演进的理念 HSDPA是R4结构的增强 新增MAC hs层实现快速自动重传 分组调度以及自适应调制和编码 并在物理层新增3个专用信道 应用新技术提高系统容量共享信道传输 快速调度快速重传和软合并采用链路自适应技术 允许高阶调制 HSDPA高性价比单载波下行峰值速率 2 8Mbps单载波多用户共享 1 8个低成本 对R4结构的微小修改 充分体现了TD SCDMA良好的技术演进性 HSDPA HighSpeedDownlinkPacketAccess HSDPA 高效和低时延技术 为保证数据的正确 可靠传输 需要对错误数据进行重传 有不同层次的数据重传 在TCP IP协议中 数据的重传是在第三层进行的 在RLC协议中 数据的重传是第二层进行的 而HSDPA是在第一层 即物理层进行数据重传和用户调度的 由于是在最底层实现数据重传和调度 HSDPA提供的数据业务时延小 效率高 HSDPA的平滑演进 考虑到从3GPPR4到HSDPA的平滑演进 HSDPA技术对3GPPR4结构仅做了较小的修改 HSDPA在3GPPR4上进行的改进如图 课程内容 HSDPA概述HSDPA基本原理HSDPA关键技术 HSDPA工作过程 RNC NodeB AMC和HARQ 数据包 ACK NACK HS SICH 数据包 重传 如果需要 HS DSCH 具有HSDPA能力的UE CQI HS SICH HS DSCH参数 HS SCCH 和数据 HS DSCH 评估并确定HS DSCH信道参数 监测HS SCCH信道 并根据情况在HS DSCH信道上接收数据 HSDPA工作过程 当UE接入到HSDPA无线网络 UE周期性地向NodeB上报信道质量指示CQI NodeB接收到UE上报的数据后 根据QoS和UE上报的CQI 选择合适的调制方式 QPSK或16QAM UE接收到NodeB的下行数据包后 通过HSDPA专用信道HS SICH 向NodeB发送确认信息ACK NACK 通过UE上报的确认信息ACK NACK NodeB可以确定重发数据的时间和方式 通过UE上报的CQI 快速分组调度器可优化用户间的数据传输 R4与HSDPA比较 HSDPA承载的业务类型 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 高速分组业务 HSDPA信道 HSDPA引入了一条新的传输信道 即高速下行链路共享信道HS DSCH 以承载高速下行数据业务 其对应的物理信道为HS PDSCH HS SCCH和HS SICH 另外 HSDPA使用原R4DCH传输信令 其信道为伴随DPCH HSDPA的物理信道 HS PDSCH即高速物理下行共享信道 用于承载高速下行数据业务 HS SCCH即高速下行共享控制信道 该信道可由所有用户时分共享 传输一些控制指令 如UE的调度信息 低层控制信息 包括调制编码策略 HARQ信息等 HS SICH即高速上行共享信息信道 该信道承载信道质量指示CQI和确认信息ACK NACK 物理信道介绍 HS SCCH信道结构 信道化码集标识 用于标识用户占用码道的范围 时隙位置信息 标识HS占用时隙的位置 调制信息 确定那种调制方式 QPSK还是16QAM TBS信息 传输块类型 HARQ进程标识 标识用户进程 RV信息 重传版本号 新数据信息 是新发数据还是重发数据 HS SCCH循环序列标识 用于判断是否HS SCCH数据帧丢失 UE标识 用于区分用户 HS SICH信道结构 RMF信息 推荐调制方式 RTBS信息 推荐传输块类型 ACK NACK 数据正确与否信息 物理信道的时序 三条物理信道上的数据发送 处理需要满足一定的时序关系 HS SCCH与HS PDSCH 2SLOT HS PDSCH与HS SICH 8SLOT 下图是三条物理信道时序关系示意图 图示为2 4时隙 共4个TTI 从左至右 TTI1的时隙6 在HS SCCH 发送下行控制数据 TTI2的时隙3 在HS PDSCH 发送业务数据 TTI4的时隙1 在HS SICH 发送上行反馈信息 伴随DPCH 上 下行可成对配置伴随DPCH信道 一对伴随DPCH信道 上下行各占两个SF16的码道 下行伴随DPCH承载层3RRC的信令和上行链路信道的功率控制命令 作为上行伴随DPCH的同步 为提高码资源利用率 可复用伴随DPCH 上行伴随DPCH为下行数据链路的反馈信道 承载高层信令 可以在上行伴随DPCH承载其它业务数据 如语音 下行数据业务 伴随有上行信令反馈 需要估计上行信令流量需求 配置伴随DPCH 实际应用中 可以根据需要重新配置伴随DPCH 为提高码资源利用率 可复用伴随DPCH 码道配置举例 2 4时隙配置 2HS时隙 主载波配置 2 4时隙配置 2HS时隙 辅载波配置 2 4时隙配置 3HS时隙 主载波配置 2 4时隙配置 3HS时隙 辅载波配置 3 3时隙配置 1HS时隙 主载波配置 3 3时隙配置 1HS时隙 辅载波配置 3 3时隙配置 0HS时隙 主载波配置 3 3时隙配置 0HS时隙 辅载波配置 HSDPA无业务在用 HSDPA上行64K无业务在用 HSDPA上行64K有业务在用 课程内容 HSDPA概述HSDPA基本原理HSDPA关键技术 概述 多载波捆绑技术 引入16QAM高阶调制 提供更高的调制效率 AMC可使数据传输很好的适应无线信道的变化 HARQ可以根据无线链路的状况快速调整信道速率 实现数据的纠错和重传 快速调度可以使无线资源在多用户间实现共享 共享信道技术使得接入用户不受码资源数量限制 在N频点技术基础上实现多载波的捆绑 提高系统最高接入速率 课程内容 HSDPA概述HSDPA基本原理HSDPA关键技术16QAM高阶调制技术自适应调制与编码AMCHARQ技术快速调度技术多载波捆绑技术 QAM调制 现代通信中 提高频谱利用率一直是人们关注的焦点之一 寻找频谱利用率高的数字调制方式已成为数字通信系统设计 研究的主要目标之一 正交振幅调制QAM就是一种频谱利用率很高的调制方式 a 方型16QAM星座 b 星型16QAM星座 MQAM信号的星座图 MQAM信号的星座图 M 4时 4QAM 4PSK M 8时 常使用8PSK M 16时 16QAM抗干扰能力优于16PSK 故高阶调制采用QAM调制 QAM实现及解调 QAM调制的实现 QAM调制的解调 QAM的误码率曲线及与PSK的对比 课程内容 HSDPA概述HSDPA基本原理HSDPA关键技术16QAM高阶调制技术自适应调制与编码AMCHARQ技术快速调度技术多载波捆绑技术 AMC 自适应调制与编码 HSDPA采用的链路自适应技术AMC 就是NodeB根据当前UE上报的无线信道质量状况CQI和网络资源的使用情况 来选择最佳的下行链路调制方式 编码方式和传输块大小 即选择最佳的数据速率 从而尽可能地增大数据吞吐量 可以通过以下几个方面调整速率 调制方式 可选择的调制方式为QPSK和16QAM 编码方式 可选择的编码方式有64种 码道数目 信道条件好的UE 可以多配置码道 信道条件差的UE 少配置码道 传输块大小 信道条件好时 配置较大的传输块 信道条件差时 配置较小的传输块 AMC介绍 调制方式编码方式码道数目传输块大小 CQI 无线信道自适应动态数据速率调整 AMC介绍 调制方式自适应 16QAM或QPSK 编码效率自适应 高或低编码效率 码道数目自适应 码道增加或减少 充分利用信道条件有效发送用户数据 高或低的数据速率 eg 当用户处于有利的通信点 如靠近NodeB时 选择高阶调制和高速率的信道编码方式 如采用16QAM 3 4编码速率来传送用户数据 从而得到较高的传输速率 而当用户处于不利的通信点 如远离NodeB时 选取低阶调制方式和低速率的编码方式 如QPSK调制 1 4编码速率 从而保证通信质量 AMC的实现原理 在NODEB侧 AMC是通过内 外环控制来实现的 内环控制通过HS SICH信道 NODEB获得UE的反馈信息CQI RTBS RMF 并对CQI信息做平滑及线性预测 采用该预测值进行后续数据发送 外环控制通过HS SICH信道 NODEB获得UE反馈的ACK NACK信息 经过统计计算 获得相应的BLER 并把该BLER与目标值相比较 从而确定是否调整内环控制预测值 CQI反馈 AMC的实现需要UE反馈CQI CQI的产生过程如下 UE测量HS PDSCH信道的SIR 根据SIR查找静态链路索引表 在索引表中查找满足目标BLER的MF和TBS 反馈RTBS和RMF 调制方式与传输块的选择 课程内容 HSDPA概述HSDPA基本原理HSDPA关键技术16QAM高阶调制技术自适应调制与编码AMCHARQ技术快速调度技术多载波捆绑技术 HARQ介绍 HARQ HybridAutomaticRepeatreQuest 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R4中已有应用 在R4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 另外 RLC层是在RNC实现的 所以重传时延较长 在HSDPA中 HARQ技术是在物理层引入的 可以对重传数据进行合并 有合并增益 由于重传机制是在NodeB中进行 重传效率较高 延迟小 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 HARQ介绍 前向纠错FEC和重传ARQ相结合的技术 HARQ与AMC配合使用 为HSDPA提供动态速率调整 HARQ过程 HARQ的过程是 接收方对接受到的数据进行解码 在解码失败的情况下 保存接收到的数据 发送方重传数据 接收方先将重传的数据和先前接收到的数据进行组合 再进行解码 重传过程反复进行 直到数据被成功解码或达到了预先定义的最大重传次数 重传操作才会结束 确认数据包A 确认数据包A 错误数据包A 数据包A 数据包A 错误数据包A 数据包A 数据包A冗余信息 数据包A冗余信息 传统方式 重传控制机制位于RNC R4阶段 HARQ方式II 重传控制机制位于NodeB HSDPA阶段 数据包A 丢弃 保留 完全重传 仅重传冗余信息 软合并 要求重传 要求重传 数据包B 数据包B 发送 发送 接收 接收 效率低时延长 效率高时延短 高效 低时延 HARQ的引入目的 HARQ的引入有三个目的 一是精确匹配信道条件 在HSDPA中 将AMC同HARQ技术相结合 可以更好适应无线链路变化 即AMC提供粗略的数据速率的选择 HARQ提供精确的速率调整 二是进一步改善AMC性能 AMC技术尽管可以根据CQI调整调制和编码方式 以适应无线链路变化 但对CQI的测量误差和上报时延敏感 而在移动通信系统中 信道是动态变化的 很难进行准确地信道质量估计 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 进一步改善系统性能 三是获得功率增益通过软合并 减少对第一次传输Es NO的要求 从而获得一部分功率增益 HARQ实现原理 多进程管理 HSDPAHARQ采用多进程并行传输方式 在第一个进程发送数据之后 ACK NAK应答消息还没有返回时 第二个进程发送数据块 这样不浪费等待时间 提高系统流量 TD SCDMA协议规定单载波最多可支持8进程 下图是多进程并行收发的示意图 从左至右 随着时间变化 不同组数据发送 接受 确认过程交替进行 HARQ重传合并方案 HARQ的重传合并方案HARQ Type I ChaseCombining CC 重传算法的基本原理为 当收到NAK信息后 每一次重传都传输同样的编码序列 不考虑调制重排或不同的RV版本 HARQ Type II IncrementalRedundancy IR 这种实现方案是指 当收到NAK信息时 并不是简单的将上一次传输的编码比特完全的发送出去 而是每次重传都增加一些新的冗余比特 发送出去 实际采用的是两种方案混合的方式 根据发送的TBS大小 查找RV参数表 根据RV参数表来确定实际采用哪种方式重传 课程内容 HSDPA概述HSDPA基本原理HSDPA关键技术16QAM高阶调制技术自适应调制与编码AMCHARQ技术快速调度技术多载波捆绑技术 快速调度介绍 NodeB中新增的MAC hs功能实体主要负责HSDPA的快速分组调度和HS DSCH信道的实时控制 该实体处于NODEB中 可以更好地适应无线信道变化 快速调度算法控制着共享资源的快速分配 在很大程度上决定了AMC和HARQ的效率和性能 快速调度算法根据公平性 空口质量 QoS 调度优先级 重传策略等因素来调度用户 快速调度介绍 基本调度算法公平调度 RR 最大C I调度 MaxC I 比例公平调度 PF 调度算法考虑的因素 综合优先级计算 公平性 调度优先级 QoS 其他因素 重传 空口质量 优先级排序 最优资源组合分配 调度用户选择 影响调度算法的因素 公平性 考虑公平性 具体实现可以采用 公平资源每个用户获得同等的调度频度 每个用户获得同等的码道资源 公平吞吐量每个用户获得同等的吞吐量 影响调度算法的因素 空口质量 不同UE 无线信道质量不同 多UE调度 可产生多用户分集增益 选择信道质量好的UE调度 可提高系统容量 在HSDPA系统中 UE测量信道质量 并以CQI信息上报给NodeB NodeB根据CQI信息为UE选择合适的传输格式 NodeB可以在多个UE间选择信道质量最好的UE调度 从而最大化系统容量 MAXC I调度算法是完全依据空口质量调度用户的 影响调度算法的因素 空口质量 下图是用户数与多用户增益的仿真图 从图中可以看到 依据空口质量调度用户的MAXC I算法有较大增益 HSDPA用户数与多用户分集增益 影响调度算法的因素 QOS 调度算法以QoS参数为调度依据 典型的QoS的参数包括 最低保证速率 GBR 统计数据速率 以最低保证速率GBR为目标 优先调度队列 最大时延 DT 统计数据延时 以不超过最大时延DT为目标 优先调度队列 影响调度算法的因素 调度优先级 RNC根据业务类型 保留优先级 业务处理优先级 为每个用户的每个队列生成调度优先级指示 SPI较高的用户队列 将得到优先调度 SPI生成 影响调度算法的因素 重传策略 对于重传数据 可以采用以下策略 立即重传策略重传队列将立即得到优先调度 优点 时延小 UE资源利用率高 延时重传策略重传队列在一定延时后得到调度 优点 顺应深衰落无线环境 合理利用空口资源 混合重传策略结合上述两种策略 影响调度算法的因素 重传策略 上图是延时重发策略示意图 数据解码失败后 进行第一次重发 重发数据解码失败 等待一定时间后再进行第二 三次重发 影响调度算法的因素 其它因素 其它影响调度算法的因素有 UE能力载波接入能力 时隙接入能力 MAC hs缓冲区大小 DOA信息利用UE的DOA测量信息 选择合适的用户调度 减少用户间干扰 缓冲区数据量根据用户的MAC hs缓冲队列数据量 采用不同的调度措施 业务类型不同业务 配置不同的调度算法参数 以满足不同业务的需求 原型调度算法介绍1 RoundRobin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 原型调度算法介绍2 ProportionalFair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内 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 原型调度算法介绍3 MaxC 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