WCDMA增强型上行链路技术研究

WCDMA增强型上行链路技术研究

增强型上行链路（Enhanced Uplink）是3G中R6的技术特征，通过采用基站（Node B）控制的调度、结合软合并的快速混合自动重传请求（HARQ）、更短的时帧（TTI）等关键技术，可使用户设备（UE）能以尽可能高的功率传输数据，在减少时延的基础上得到更大的系统上行吞吐量。本文通过讨论增强型上行链路的目标以及与高速下行分组接入（HSDPA）的对比来阐述其中的基本原则，并讨论了相应的关键技术的实现。

　　WCDMA的R5版本中引入增强型上行链路是WCDMA下行链路方向针对分组数据业务的优化和演进。能够很大地提高下行链路的传输速率和吞吐量。相比而言，上行链路速率和吞吐量偏低，不能很好地支持多媒体通信、视频会议、VoIP等要求高速对称数据通信业务。为满足更高的上行速率业务发展需要，3GPP从R6版本开始，开展了对增强型上行链路或称为高速上行分组接入的研究和标准制定工作。

　　增强型上行链路是继HSDPA后，WCDMA的又一次重要演进。通过采用一系列的关键技术，相对于R99版本，用户能体验到一种具有更高的数据传输速率和更少时延的服务，系统性能也能得到极大的提高。因此，在高性能分组数据应用方面，增强上行是HSDPA必然的补充。

一、增强型上行链路的基本原则

　　增强型上行链路的目标是在上行方向改善容量和数据吞吐量，降低专用信道中的延迟，并增加高比特速率的覆盖范围。低时延在实际应用时极为重要，若要传输更高的比特率，就必须要有更低的时延。并且，由于TCP性能取决于端到端的往返时间（RountTripTime，RTT），如果上行延迟减少则下行中的吞吐量将相应增加。此外，对系统而言，在上行链路中，增加高比特速率的覆盖范围比提高单纯的理论峰值数据速率有更高的价值。

　　为了达到这些目标，一些专为HSDPA研究的新技术从理论上也可以用于上行链路。然而，实际情况下，下行链路和上行链路在功率资源处理、远近效应和功率控制等方面有显著区别，不允许在上行链路上简单引入类似HSDPA的机制。

　　首先，在传输功率资源的处理方式上，下行链路传输功率资源是集中管理的、上行链路上每个用户的功率资源是分散控制的，且受手机终端能力的限制。HSDPA中使用的下行链路时分机制为用户提供瞬时最大数据速率的方式在上行链路上是不可实现的。此差别在进行HSUPA调度设计时尤其重要。

　　其次，WCDMA系统下行采用扰码（Gold序列）区分小区，扩频码（OVSF&Walsh码）区分用户，上行采用扰码（Gold序列）区分用户，而扩频码（OVSF&Walsh码）区分信道。由于扩频码完全正交，因此，下行不存在用户间的远近（Near Far）效应；而扰码自相关性好，而互相关性差，不完全正交，因此，上行存在用户间的远近效应。上行的扰码区分用户这个特点也可以利用更多的码道。于是，需要采用比16 QAM更低阶的调制以简化终端的设计。

　　最后，快速功率控制对于克服上行用户间的远近效应，并保证与未采用增强功能的终端和业务之间共存是非常重要的，这也是实现上行快速链路适配的一条主要途径。而HSDPA采用码率匹配（Rate Matching）的方式，即灵活根据当前的功率占用情况，来选择相应的传输速率。因此，HSDPA不采用功率控制，这也是为什么HSDPA一定要采用2ms帧长的原因。如果帧长10ms或者更长，HSDPA就难以跟踪信道的变化，难以实现快速的链路适配（500次/秒）。

　　增强型上行链路在功率控制的基础上，实现了上行的软切换及更软切换，通过在多个小区进行上行链路功率控制来限制相邻小区产生的干扰。另外，还提供宏分集增益。软切换有两方面含义：多个小区的功率控制和多个小区的接收。这是HSDPA不具备的，HSDPA只有硬切换。

二、增强型上行链路的关键技术

　　增强型上行链路物理层关键技术的本质都是对WCDMA分组传输技术的加强。由此，引入了新的信道，并且同样采用了HSDPA中基于Node B的快速调度技术、结合软合并的快速HARQ技术和短帧2ms技术等，但考虑到上行链路自身的一些特点，HSDPA中采用的AMC技术和高阶调制并没有被增强型上行链路采用。

　　1.新增实体和信道

　　正是由于上下行链路的诸多差异，增强型上行链路在最大程度地继承以前版本中定义的功能实体以及与逻辑层之间功能划分的基础上，引入了新的结构，称为增强型专用信道（E-DCH），如图1所示。UE端新增的MAC实体MAC-es/MAC-e，处理HARQ重传、调度、MAC-e复用、E-DCH TFC选择。Node B端增加了MAC-e实体用来处理HARQ重传、调度、MAC-e解复用。SRNC新增的MAC实体（MAC-es），用来重新排序和组合处于软交换中的来自不同Node B的数据。相对于R99版本，无线链路控制（RLC）和在无线网络控制器（RNC）中的MAC实体仍然没有变动。

　　表1列出增强型上行链路在物理层增加的5种新信道。

表1　增强型上行链路的传输信道和物理信道定义

图1　增强型上行链路E-DCH的协议栈结构

　　2.基于Node B的调度

　　前面已经提过，WCDMA无线链路具有共享资源特性，同时，分组数据具有突发特性，这就需要良好的调度策略，对系统有限共享资源进行合理分配，使资源利用率达到满足合理前提的最大化。而调度算法没有被标准化，因此，能采取不同的调度策略。常用的调度算法包括最大C/I算法、轮循算法、正比公平算法。当不同的信道环境和业务类型在调度策略中有不同的要求时，这种灵活性对系统的性能影响很大。尝试最优的调度算法就成为各厂商的努力方向。

　　在WCDMA R99中，移动终端传输速率的调度由RNC控制，UE可用的最高传输速率在DCH建立时由RNC确定，RNC不能够根据小区负载和UE的信道状况变化灵活控制UE的传输速率。而增强型上行链路中的调度主要由Node-B中新增的MAC-e功能实体完成，用以控制UE的传输数据速率和传输时间。从而避免过多的UE同时高速接入，给系统带来干扰。

　　图2（a）和2（b）分别比较了R99与增强性上行链路的调度流程。

图2（a）　R99上行DCH调度流程　　　图2（b）　增强型上行链路E-DCH调度流程

　　在增强型上行链路中，基于Node B的快速调度的工作流程如下：

　　●Nobe B调度器根据小区内各个UE的业务QoS需求、非调度的传输业务需求、小区上行干扰程度以及Node B自身的处理负荷，向UE发送功率比率调度绝对分配（Absolute Grant）命令和功率调整的相对分配（Relative Grant）命令。

　　●UE根据调度命令计算选择合适的E-TFC发送上行E-DCH数据，在AG的范围内发射上行业务速率和功率，并根据RG进行速率和功率的上下调整。

　　●Nobe B根据上行控制信道参数合并E-DCH数据，向UE发送ACK/NACK重传控制信令，并对上行热噪声的增加量（ROT）进行测量，发送AG/RG调度命令，同时，向RNC发送HARQ重传情况。

　　3.结合软合并的快速混合自动重传请求

　　在WCDMA R99中，数据包重传是由RNC控制下的RLC重传完成的。在透明模式（AM）下，由于RLC的重传涉及RLC信令和Iub接口传输，重传延时超过100ms。增强型上行链路技术使得数据包的重传可以在移动终端和Node B间直接进行。由于Node B控制的重传时延更小，允许物理层的快速重传使得RLC层重传的概率变小，从而使得延时周期大大减小，这特别适合于对时延敏感的业务。

　　与HSDPA类似，增强型上行链路中使用的重传协议是HARQ多重停等并行操作的重传协议。HARQ操作过程如图3所示。

图3　HARQ重传协议操作协议

　　对于每一个上行数据块MAC-e PDU，当Node B正确接收，并且CRC校验正确后，就会通过预先安排好的机制，在恰当的TTI向UE发回一个1 bit的正确解码指示ACK；或者当错误解码某个PDU时，通过发回错误接收指示NACK来要求UE重传该PDU，此时，重传序列号RSN和重复版本RV各累加1。

　　在某个UE处于软切换过程中，UE所有激活集（与UE间建立了无线上行链路的小区的集合）中的小区全都要对同一个PDU进行解码，此时，只要激活集中任何一个小区已正确解码的该PDU，并向UE返回ACK指示，UE就认为该PDU被正确接收，即使收到的激活集中其他小区的NACK信号，也不会进行重传，并在下一个TTI中传输新的PDU。因此，UE获得了软切换合并增益。

　　软合并是指利用重传前后的两个和多个数据包的信息，将它们一起用于信道译码，从而尽量增大译码成功概率的过程。采取怎样的包合并方式取决于HARQ中所用纠错编码和ARQ协议，它在很大程度上决定了HARQ的系统性能。

　　增强型上行链路利用增量冗余技术来实现软合并。例如，由于在重传时数据包中增加了为物理层软合并提供信息的增量冗余信息，所以，即使在初次传输的编码率（Coding Rate）很高的情况下，也会降低最终整体传输的编码速率。这样，既可以不为系统带来负荷上的负担，还能够带来足够的重传系增益。即同时为系统带来功率增益和编码增益。

　　Node B控制的HARQ使错误的数据可以快速重传，从而降低了由RLC层重传带来的时延，可改善时延QoS特性。而且，链路可以容忍更高的误块率（BLER），即相应终端发射功率降低，从而在相同系统负荷下可以支持更多的用户，系统吞吐量也相应提高。

　　4.短的时帧

　　R99版本中，上行链路采用的帧长为10ms的TTI，在HSUPA中，为了减小HARQ的重传时延，引入了2ms的TTI。更短的TTI减小了空中接口的传输时延、帧对齐带来的时延以及处理时延。如图4所示，在一个物理层重传所指定的时间内，更短的时帧允许更多数量的重传，注意E-DPDCH传输编号为{0，1，2，3}。可以看到在40ms以后，2ms的时帧传输了4次，而10ms的时帧仅传输了2次。

　　因为UE的功率限制，在使用短时延后，UE的发送功率会降低，UE的交织增益也会减小，造成系统的误码率和覆盖范围有所减小。在使用HARQ时，会造成数据包的频繁重传，影响小区的总吞吐量和单个用户的QoS。因此，在小区边缘或遮挡地区等信道条件不好的区域，将会使用10ms的TTI以保证QoS。

图4　2ms与10ms帧的定时

三、结束语

　　讨论了WCDMA增强型上行链路的基本原则以及关键技术的实现。相比R5，增强型上行链路的引入会使上行分组接收性能有较为明显的QoS提高。从单个用户角度看，上行峰值速率可以高达5.76Mbit/s。传输时延减少40%以上；从系统的角度看，容量提升40%～70%，覆盖提升14%左右。增强型上行链路和HSDPA的结合将实现高性能的分组数据解决方案。这种方案可以与已有网络的兼容，并能够更好地支持未来的应用。