TD-SCDMA系统终端中HSDPA的实现

1、引言

　　TD-SCDMA标准作为我国提出的第三代移动通信技术标准，在最近几年取得了令人欣喜的成果，产业链日趋完善，系统和终端逐渐成熟。随着市场对高速数据业务需求的日益增长，3GPP在Release 5和Release 6版本规范中引入了重要的增强技术：高速下行分组接入（HSDPA：High Speed Downlink Packet Access）技术以同其它无线接入技术相抗衡。HSDPA技术是3G系统中为了提高系统的下行业务速率而引入的一种改进技术。目前，TD-SCDMA在这方面的进展也非常快。

2、HSDPA中的若干关键技术

　　HSDPA是一些无线增强技术的集合，其目的在于满足上/下行数据业务的不对称需求，可以在不改变现行3G网络结构的情况下提升下行链路的用户峰值速率和小区数据吞吐率，从而大大提高系统网络的性能和容量。其基本的物理层关键技术主要包括：自适应调制与编码技术（AMC：Automatic Modulation and Coding）、混合自动重传请求技术（HARQ：Hybrid Automatic Repeat Request）和高阶调制技术等。

　　2.1　自适应调制与编码技术

　　对于AMC技术，网络侧会根据终端上报的信道质量指示（CQI：Channel Quality Indication）来自适应调整下行的调制方式和编码速率，以提高小区的平均吞吐量。自适应调制编码技术有效地利用了信道条件信息来提高整个系统的性能。对于TD-SCDMA终端，需要实时地统计高速下行共享信道（HS-DSCH：High Speed Downlink Shared Channel）的误块率（BLER：Block Error Ratio）。终端可以根据HS-DSCH的共享控制信道（HS-SCCH：Shared Control Channel for HS-DSCH）中带有的物理层的信息，包括传输块大小、调制方式、扩频增益以及物理信道数计算出有效码率，从而计算出CQI值来上报给网络侧，进行自适应调制编码。

　　2.2　混合自动重传请求技术

　　混合自动重传请求技术将前向纠错（FEC：Forward Error Correction）技术同ARQ技术相结合，利用FEC技术的纠错能力以提高系统的传输效率，并通过ARQ技术来提高系统传输的可靠性。快速混合自动重传也是一种链路自适应的技术，它采用了FEC原理。是指接收方在解码失败的情况下，保存接收到的数据，并要求发送方重传一定的数据。在HARQ中，链路层的信息用于进行重传判决，HARQ能够自动地适应信道条件的变化并且对测量误差和时延不敏感。AMC和HARO两者结合起来可以得到最好的效果：AMC提供粗略的数据速率选择，而HARQ可以根据数据信道条件对数据速率进行较精细的调整。FEC原理包括了递增冗余（每次重传包括了更多的奇偶校验位）和跟踪组合（同样的数据块将被完全重传），可以根据系统的存储空间和系统性能对二者进行选择。

　　2.3　高阶调制技术

　　对于高阶调制，在HSDPA中采用了两种可选调制方式，即QPSK和16QAM。对于TD-SCDMA终端来说，需要从高阶调制的符号中提取软比特信息输入到解码器。

3、HSDPA中的终端实现考虑

　　对于终端的调度而言，必需对HSDPA有一些特殊的处理。终端需要不停地检测HS-SCCH信道，由于HS-SCCH信道是经过信道编码的，同寻呼指示信道（PICH：Paging Indicator Channel）不一样。3GPP中要求最少在三个时隙内调度接收HS-DSCH，这就要求必须在三个时隙的时间内完成HS-SCCH的解调和解码任务。同时，在这三个时隙中还可能伴有专用业务信道的解调和解码任务。

　　为了提高信道的利用率，HSDPA中的HARQ重传机制采用了N通道停止等待（N-Channel Stop-and-Wait）HARQ方式。即在一个传输物理信道上同时并列进行N个HARQ进程（N的个数最大为8），当下行链路一个HARQ进程发送完数据包等待反馈消息的时候。启动另外一个HARQ进程发送数据包。也就是说，当下行链路传送一个HARQ进程的数据包的时候，上行链路传输的是其他HARQ进程的反馈信息。这种方式的HARQ要求接收机，即TD-SCDMA终端，为了进行码合并（Code Combine）而存储N个通道的信息，从而需要较大的存储空间。

　　为了HARQ的实现方便，HS-DSCH在组帧时采用了二次速率匹配方案。这样虽然使得码合并处理简单化，但是却增加了解速率匹配的时间。

4、凯明信息HSDPA技术方案的主要特点

　　凯明信息一直以来都在跟踪HSDPA技术的发展，并对HSDPA技术进行预研和仿真。凯明信息的HSDPA物理层方案主要完成的功能有：支持HS-PDSCH，HS-SCCH和HS-SICH物理信道；采用递增冗余（IR）方案实现混合自动重传请求（HARQ）；采用多码传输技术实现对高速数据业务的支持；采用链路自适应和高阶调制技术提高系统的频谱利用率；采用短传输时间间隔（TTI）实现层1上的快速调度。

　　凯明信息的HSDPA物理层方案具有的主要特点有：完全遵循最新版本的3GPP规范，实现所规定的所有功能；高效率的HARQ方案，大大提高系统的吞吐量；简单高效的高阶调制与解调方案，大大提高系统的频谱利用率；快速调度算法有效地保证了数据的连续传输。

　　在协议栈方面，凯明信息的HSDPA方案在原有AS协议栈的基础上，除了按照CWTS规范新增MAC-hs功能实体外，还通过增加或完善RRC与MAC-hs，RRC与L1，MAC-hs与原有MAC，MAC-hs与L1等接口来共同完成HSDPA功能的配置和收发实现。RRC通过Uu口接收网络侧下发的命令，来决定是否需要开启HSDPA功能。当HSDPA功能开启时，RRC将会通过上述前两个接口将HSDPA功能所需的信息配置给MAC-hs和L1，使得MAC-hs和L1两个实体可以按照CWTS规范所规定的方式同步地进行高速数据包的收发任务。图1为HSDPA软件协议栈框图。

 

图1　HSDPA软件协议栈框图

　　凯明信息的HSDPA协议栈方案主要完成的功能主要有：支持HS-DSCH传输信道；支持HS-PDSCH，HS-SCCH，HS-SICH物理信道；支持HS-DSCH带内信令的传输；MAC-hs实体支持流控、优先级管理和调度；HARQ功能的实现；MAC-hs与MAC-D的复用和解复用。

　　基于的协议栈功能实现，技术方案具有以下主要特点：完全遵循最新版本CWTS规范所规定的全部功能；采用增量开发方式，对既有协议栈影响减少到最小；实体间接口简洁、直观，模块间耦合性小；针对高速数据业务，实时性强，时延小。

5、TD-SCDMA HSDPA在3G系统中的应用前景

　　虽然FDD WCDMA和TDD TD-SCDMA的HSDPA在技术实现方式上大致相似，而且网络演进都可以在不改变已经建设的网络架构的情况下，通过软件升级即可完成，但是综合考量而言，TD-SCDMA HSDPA还是具有一些相对优势。

　　（1）频谱利用效率方面的优势

　　在上下行时隙配置为1:5时，单载波（1.6MHz带宽）TD-SCDMA HSDPA的理论峰值速率可以达到2.8Mbit/s；在10MHz带宽内（WCDMA系统的一个载波带宽）能够达到的峰值速率为16.8Mbit/s，已经大于WCDMA HSDPA相应的14.4Mbit/s。如果考虑多载频的应用环境，TD-SCDMA HSDPA系统的频谱利用效率较WCDMA HSDPA系统将更具优势。

　　（2）频谱资源分配方面的优势

　　对于WCDMA，如果要在10MHz的带宽内支持HSDPA技术，则要求上下行的5MHz带宽分别都是连续的。而TD-SCDMA则可以使用6个分离的1.6MHz载波，在载波资源受限情形下，这无疑是一个极大的优势。

　　（3）网络部署方面的优势

　　考虑3GPP Release4和HSDPA网络的共存部署问题，基于窄带技术的TD-SCDMA HSDPA网络在资源利用率、组网成本、移动性管理复杂度和灵活性等方面均相比WCDMA HSDPA系统更具优势。

6、结束语

　　综上所述，TD-SCDMA向HSDPA的演进，将使TD-SCDMA具备持续的发展能力和更长远的竞争力，更增强运营商在3G建网制式选择时对于TD-SCDMA系统的信心。

　　凯明信息作为TD-SCDMA芯片解决方案提供商，目前所研发的新一代双模芯片组“火星”已完成室内测试及室外现场验证。在3G承载业务方面，并发业务（PS下行128kbit/s+语音CS 12.2k AMR）得到充分验证；在室内及室外环境下，已实现上行128kbit/s/下行384kbit/s数据业务；通过合作伙伴的网络系统设备及服务器，实现了稳定的基于384kbit/s数据业务的流媒体、视频点播业务以及电路域的可视电话业务，充分展示了“火星”平台强大的处理能力；全系统表现出良好和持续的稳定性；在省电功能方面，成功实现了电源管理功能，深睡状态下电流约为6mA，384kbit/s业务的电流为210mA左右。已经接近商用终端的耗电水平。

　　同时，凯明信息也将在加紧开展HSDPA在系统与终端设备上的研发工作，相信凭借凯明信息强大的研发实力，势将再攀HSDPA未来通信演进的技术高峰。