HSDPA学员手册

TD-SCDMA
RAN系统
TD-SCDMA HSDPA学员手册
1 HSDPA 原理与关键技术
HSDPA 是TD-SCDMA/WCDMA 在3GPP Rel5中引入的增强型技术，通过采用AMC 、HARQ 和快速调度等技术，在基站侧增加了一个实体MAC-hs 用于数据的快速调度，可获得较高的用户峰值速率和小区数据吞吐率。

在单载波下，TD-HSDPA 可获得最大 2.8Mbps 的理论吞吐量，多载波绑定时，可得nx2.8Mbps （n 为绑定载波数）的理论吞吐率。

1.1 HSDPA 协议架构 1.1.1
HSDPA 协议栈结构
如图1-1所示，引入HSDPA 后，对UU 口的影响主要是在MAC 层增加了一个MAC-hs 实体，位于MAC-d 和Phy 之间，用于对数据进行调度。

MAC-hs 实体的功能分别在UE 和NodeB 实现。

对Iub 的影响主要是增加了一个HS-DSCH 数据帧和两个HS-DSCH 控制帧，用于在NodeB 和SRNC 之间进行HS-DSCH 数据的传输和流量控制。

图1-1：HSDPA 协议栈架构
1.1.2
UTRAN 侧MAC 结构
描述MAC-hs 实体的结构及功能
1.1.
2.1
UTRAN 侧MAC 总体结构
如图1-1所示为引入HSDPA 后UTRAN 侧MAC 总体结构。

从结构上看，
原有的MAC-d 、
UE NodeB
DCCH DTCH
SRNC
MAC-c/sh 没有变化，只是新增了一个MAC-hs 实体。

Signalling
Signalling
图 1-2: UTRAN 侧 MAC 结构
在网络侧，MAC-c/sh 位于CRNC ，MAC-d 位于SRNC ，而MAC-hs 位于NodeB ，如果配置了MAC-c/sh ，则MAC-sh SDU 的传送路径为MAC-d ―Iur （或无须通过Iur ）―MAC-c/sh ―Iub ―MAC-sh ；如果没有配置MAC-c/sh ，则MAC-sh SDU 的传送路径为MAC-d ―Iub/Iur ―MAC-sh ； HARQ 的具体配置信息由RRC 通过MAC-Control SAP 提供。

为支持MAC-d 和MAC-hs 之间的数据传输，需要增加MAC-d 与MAC-hs 间的流量控制功能。

1.1.
2.2
UTRAN 侧MAC-hs 实体
HS-DSCH
Signalling
Signalling
图 1-3: UTRAN 侧MAC-hs 实体
如图1-3所示，每个支持HS-DSCH的小区对应一个MAC-hs实体，MAC-hs负责处理HS-DSCH数据发送，同时还负责管理HSDPA的物理资源。

在MAC_hs中对每个MAC-d PDU
都进行优先级处理。

MAC_hs包括以下四个功能模块：
Control（流量控制）：
- Flow
完成MAC-hs与MAC-d或MAC-c/sh之间的流量控制，以减少层2的时延，减少由
于HS-DSCH拥塞导致的数据丢失和重传。

- Scheduling/Priority Handling（调度/优先级处理）：
该模块主要完成的功能包括
对小区内所有用户进行调度。

一个UE可以有一个或多个MAC-d数据流，每个
MAC-d数据流包括的HS-DSCH MAC-d PDUs根据优先级分配至一个或多个优先级
队列，一个优先级队列只对应一个MAC-d数据流。

确定HARQ实体（一个HARQ实体处理一个用户），对于每个待发送的MAC-hs PDU，
向HARQ实体指示QueueID（即优先级队列识别号）和TSN。

根据上行链路的反馈的状态报告确定是发送新的数据还是重传数据。

确定冗余版本；
确定HCSN，向某用户发送HS-SCCH时，该用户的HCSN加一。

- HARQ:
完成HARQ功能。

一个HARQ实体能支持多进程的SAW HARQ协议，每个HS-DSCH
TTI只能运行一个HARQ进程。

根据scheduler功能模块的指示，设置MAC-hs PDU的QueueID，TSN。

发送数据时，
确定HARQ的进程，设置相应的HARQ process ID。

负责将状态报告传送至Scheduling功能模块。

selection:
- TFRC
为HS-DSCH选择适当的传输格式及传输资源。

1.1.3UE侧MAC结构
1.1.3.1UE侧MAC总体结构
如图1-4所示为引入HSDPA后UE侧MAC总体结构。

从结构上看，原有的MAC-d、MAC-c/sh没有变化，只是新增了一个MAC-hs实体。

Signalling
Signalling
图 1-4: UE 侧MAC 结构
下行链路上，从HS-DSCH 接收到的数据传送至MAC-hs 处理，处理完的数据传送至MAC-d 。

MAC-hs 的配置由RRC 通过MAC Control SAP 配置。

相关的下行信令携带了支持HS-DSCH 的信息，相关上行信令携带了反馈给网络侧的信息。

1.1.3.2
UE 侧MAC-hs 实体
Associated Uplink Signalling
Associated Downlink Signalling
图 1-5：UE 侧MAC-hs 实体
如图1-5所示为UE 侧MAC-hs 实体结构，UE 侧MAC_hs 处理HSDPA 相关功能，主要包括HARQ 、Re-ordering queue distribution 、Reordering 和Disassembly 功能模块：
- HARQ:
HARQ实体主要完成和HARQ协议相关的MAC功能。

处理HARQ所有任务，负责产生ACK/NACK。

HARQ的具体配置信息由RRC通过MAC-Control SAP提供。

UE的HARQ实体包括多个HARQ进程，不过每个HS-DSCH TTI只能有一个HARQ进程。

HS-SCCH中携带HARQ进程识别，指示随后接收的HS-DSCH由哪个HARQ进程处理。

- Reordering Queue distribution:
根据Queue ID 将MAC-hs PDUs 分派到不同的reordering buffer。

- Reordering:
对应每个Queue有一个Reordering实体，Reordering实体根据接收到的TSN（传输序列号）对PDU进行排序，将TSN连续的PDU送至disassembly实体。

- Disassembly：
负责对MAC-hs PDUs进行拆分。

去除MAC-hs头，抽取MAC-d PDU并递交到高层。

1.2 关键技术
HSDPA采用的关键技术包括AMC、HARQ和基站的快速调度。

1.2.1AMC
AMC（Adaptive Modulation and Coding）能够通过自适应地调整传输数据的调制和编码方式，补偿由于信道和干扰变化对接收信号所造成的衰落影响。

主要采用了以下技术：
1、支持QPSK和16QAM两种调制方式；
2、支持从R=1/5到R=1的可变编码率；
3、终端快速反馈的CQI信息，作为调制和编码的依据。

HSDPA中AMC技术主要应用于HS-DSCH信道，AMC与HARQ相结合，对处于有利位置的用户可以得到更高的数据速率，提高了小区平均吞吐量，另外，通过自适应地改变编码调制方案来代替改变发射功率，充分的利用了基站的发射功率，这样做的结果是在信道条件好时充分利用系统资源提高传输速率，而在信道条件差时又不提高功率，因而不会增加对其它用户和小区的干扰。

1.2.2HARQ
HARQ（Hybrid Automatic Repeat request）即ARQ和FEC混合使用，目前HSDPA中FEC 仍采用1/3的Turbo码。

在HSDPA中，HARQ技术需要与AMC结合使用，其主要作用是补偿
AMC选择的传输格式不恰当带来的误码。

AMC的机制提供了大动态范围的粗略的、慢速的自适应控制，而HARQ的机制则提供了小动态范围的精确的、快速的自适应控制。

HARQ将ARQ和FEC混合使用的一种技术，在译码错误的情况下，保存接收到的数据，并通过反向链路反馈NACK要求重传数据，在收到重传数据后，和保存的数据进行合并，然后再译码。

为了提高信道利用率，HSDPA的HARQ重传机制采用N通道停等HARQ （N-channel-SAW-HARQ，N-SAW ARQ）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，这样，系统资源可以被充分利用。

目前HSDPA中采用的HARQ方式包括两种：Type II HARQ和Type III HARQ，这两种HARQ的特征为：
1、Type II HARQ：第二类HARQ方案属于增量冗余（Incremental Redundancy）的HARQ 方案，称为Full IR HARQ (FIR)。

在这种HARQ中，第一次传输的错误分组没有被丢弃，而是和发送端重发的增量冗余信息合并后进行译码。

发送端重传的信息不是前一次数据的简单重复，而是不同的增量冗余信息，多次重传的冗余信息都不一样。

对于FIR，重传分组无法自解码，必须和第一次发送的的数据合并后再进行译码。

由于增加了新的冗余位信息帮助译码，纠错能力增强，从而提高系统性能。

2、Type III HARQ：第三类的HARQ方案也属于增量冗余(IR)方案，与第二类HARQ相似，接收错误的数据包不会被丢弃，接收机将其存储起来与后续的重传数据合并后进行解码。

和第二类HARQ不同的是，每次重传都包含有完整的系统比特，因此重传分组具有自解码能力。

因此比较适合第一次数据遭到严重损害的情况下。

根据重传的冗余版本不同，第三类HARQ又可分为两种合并方式：
一种被称为Chase Combing 方式，其特点在于重传数据与前面发送的分组数据完全相同（包含系统比特和校验冗余比特），只有一种冗余版本，接收端将重传数据和存储数据进行软合并后进行译码；
另一种是Partial IR HARQ (PIR)方式，其每次重传包含了相同的系统比特和不同的增量冗余校验位（可有多个冗余版本），接收端对重传的信息位进行软合并，并将新的校验位合并到码子后再进行译码。

1.2.3快速调度
由于是多个用户共享相同的物理信道资源，必然需要合理的控制用户数据流的优先级。

NodeB快速调度用来进行用户数据流的优先权控制，快速是针对RNC调度而言的，调度过程不需要UE和UTRAN之间的交互，而是通过预先约定的时间关系，NodeB先于3个时隙通过HS-SCCH信道通知被调度UE相关信息。

调度需要的信息通常包括：MAC-hs中MAC-d 数据缓存的长度和业务类型、优先级，UE反馈的链路质量。

通常使用的快速调度算法包括：轮循调度算法（Round Robin）、最大载干比调度（Max C/I）、正比公平调度（Proportional Fair）。

轮循调度算法主要关注公平性，不考虑UE的信道环境，每个UE具有相同的调度优先级，小区吞吐率最低；最大载干比调度算法只关注UE的信道质量，对C/I最大的用户进行调度，获得的小区吞吐率最高，但是信道质量不好的UE很难得到调度，因此该调度算法最不公平；正比公平调度算法兼顾公平性和小区吞吐率，可通过适当的参数配置在调度公平性和小区吞吐率之间获得较好的平衡，其调度性能介于RR和Max C/I之间。

1.3 多载波HSDPA
为了提高单小区用户峰值速率和小区数据吞吐率，TD-SCDMA在N频点和3GPP R5单载波HSDPA的基础引入多载波HSDPA方案，一个用户的数据可以同时在多个载波上传输，所使用的物理资源包括载波、时隙和码道，由MAC-hs统一调度和分配。

当一个用户的数据在多个载波上同时传输时，由MAC-hs对数据进行分流，即将数据流分配到不同的载波，各载波独立进行编码映射、调制发送，每个载波上HS-DSCH的编码处理与3GPP R5完全相同，对于UE，则需要有同时接收多个载波数据的能力，各个载波独立进行译码处理后，由MAC-hs进行合并。

对于UE来说，每个频点都有一组HS-SCCH/HS-SICH用于控制信息的交互。

如图1-6所示为多载波HSDPA系统总体框架示意图：
图1-6 多载波HSDPA总体框架图
多载波HSDPA主要技术特征包括：
（1） 多载波HSDPA以N频点技术为基础并兼容N频点行标；多载波HSDPA技术中的多个载波是N频点小区中的多个载波；
（2） 在多载波小区中的一个或者多个载波上配置高速下行物理共享信道HS-PDSCH资源和一对或者多对HS-SCCH和HS-SICH物理信道资源，多个载波上的HS-PDSCH物理信道为多个用户终端以时分或者码分的方式共享，一个用户终端可被同时分配一个或者多个载波上的HS-PDSCH物理信道资源；
（3） 当一个用户的数据在多个载波上同时传输时，由MAC-hs对数据进行分流，即将数据流分配到不同的载波，各载波独立进行编码映射、调制发送，对于UE，则需要有同时接收多个载波数据的能力，各个载波独立进行译码处理后，由MAC-hs进行合并；
（4） 在网络侧，每个用户建立一个HARQ实体。

HARQ功能实体中，为每个载波建立单独的HARQ进程（1~8个），每个HARQ进程独立进行各自的处理过程，每个进程由载波标识和process Id一起标识；
（5） 对多载波UE而言，每个载波各自具有一对HS-SCCH/HS-SICH，该对HS-SCCH/HS-SICH 进行该载波HS-DSCH资源的独立控制和反馈。

多载波HSDPA的业务信道HS-DSCH可根据系统的资源和干扰负载状况进行配置，既可以由单载波的码道资源组成，也可由多个载波的码道资源捆绑构成，载波数目可以不固定。

多载波提供了更多的信道资源，显著提高了UE的峰值数据传输速率和小区吞吐率。

1.4 TD-HSDPA与W-HSDPA的比较
HSDPA是WCDMA和TD-SCDMA在3GPP R5引入的无线增强型技术，都采用了HARQ、AMC、高阶调制和快速调度等关键技术，协议栈结构相同，都在MAC层引入了MAC-hs实体，并都放在NodeB中实现。

从物理层引入的信道来看，传输信道和物理信道均为HS-DSCH和HS-PDSCH，下行共享控制信道均为HS-SCCH，不同点为上行控制信道，在TD-SCDMA中HSDPA 上行共享控制信道为HS-SICH，而WCDMA中上行控制信道为HS-DPCCH，是一个专用控制信道。

从技术体制上看，WCDMA采用码分方式，TD-SCDMA采用时分+码分的方式，这就导致两种技术在进行组网时，在功率配置、码字管理和网络规划等方面差别较大。

WCDMA是一种自干扰系统，小区内下行HSDPA码字、公共信道码字和DPCH码字采用码分共享码字资源，在进行组网时重点关注小区内功率和码字分配策略、干扰提升、HSDPA与R99相互之间的影响和覆盖变化等因素，而TD-SCDMA中HSDPA码字可以独立时隙配置，因此重点关注载波、时隙等资源的配置策略。

如表1-1所示为TD-HSDPA和W-HSDPA的异同点比较：
表1-1：TD-HSDPA与W-HSDPA对比
波束赋形 支持 不支持 联合检测 支持
不支持
频谱效率 1.68bit/Hz/s 1.44bit/Hz/s 切换方式 硬切换
硬切换
功率配置
独占时隙功率，配置简单
与公共信道/专用信道共享功率，配置复杂
与R4的相互影响 小 大
2
影响HSDPA 速率的因素
2.1
资源配置
HSDPA 系统资源配置包括HS-DSCH 的下行时隙个数、上行伴随DPCH 信道，上行反馈信道HS-SICH 个数，下行伴随DPCH 信道，下行公共控制信道HS-SCCH 个数。

随着系统分配的下行HS-DSCH 时隙个数增多，系统的吞吐速率就会增加并且符合成倍的增长关系。

下表给出了单载波情况下典型时隙比例和峰值吞吐率。

表2-1时隙比例和最大吞吐率
时隙比例
3：3 2：4 1：5
HS-DSCH 时隙数目 <=
2
<=
3
<=
4
峰值速率 <=
1.12Mbps <=
1.68Mbps <=
2.24Mbps 系统资源配置取决于组网的方式，需要考虑R4业务的容量以及R4业务的比例。

HS-SCCH 和HS-SICH 的信道个数也会对多用户小区吞吐量有一定的影响。

即如果配置HS-SCCH/HS-SICH 信道个数增多，小区的吞吐量也会有所增加。

由于TD-SCDMA 系统的HSDPA 在每个TTI （5ms ）调度一次，所以当配置一对HS-SCCH/HS-SICH 时，每秒钟最多调度200次，而当配置多对HS-SCCH/HS-SICH 时，在HS-DSCH 资源有剩余的情况下就可以在同一TTI 调度多个用户，从而提高资源利用率，使系统吞吐量得到提高。

然而配置多对HS-SCCH/HS-SICH 信道需要占用更多的码道资源，因此必须考虑小区吞吐率及共享控制信道资源占用率之间的平衡，一般情况下，当配置的HS-PDSCH 时隙数少于3个时，建议只配置一对HS-SCCH/HS-SICH 共享控制信道。

2.2 信道环境
信道环境对HSDPA用户的峰值影响很大，由于受干扰、衰落、多径、多普勒频移等影响，不同信道环境下UE所能获得的速率差别很大。

在实际组网时，即使对UE进行连续调度，在信噪比很好的条件下也很难达到理论的吞吐率。

2.3 UE能力等级
终端最大速率由终端传输能力等级决定，LCR TDD终端能力等级分为15类，如表2-2所示：
表2-2 1.28 Mcps TDD HS-DSCH 物理层能力等级
HS-DSCH
等级
每时隙最大
HS-DSCH码道数
每TTI最多支持的
HS-DSCH时隙数
每TTI最多能接收的
传输比特数
总软信道比特数
Category 1 16 2 2788 11264 Category 2 16 2 2788 22528 Category 3 16 2 2788 33792 Category 4 16 2 5600 22528 Category 5 16 2 5600 45056 Category 6 16 2 5600 67584 Category 7 16 3 8416 33792 Category 8 16 3 8416 67584 Category 9 16 3 8416 101376 Category 10 16 4 11226 45056 Category 11 16 4 11226 90112 Category 12 16 4 11226 135168 Category 13 16 5 14043 56320 Category 14 16 5 14043 112640 Category 15 16 5 14043 168960
表2-3： UE能力等级定义
参考组合0.5Mbps
等级1.1Mbps
等级
1.6Mbps等级
2.2 Mbps等级 2.8 Mbps等级
1.28 Mcps TDD HS-DSCH
Category
Category 1Category4 Category7Category 10 Category 13 调制方式QPSK QPSK/16QAM QPSK/16QAM QPSK/16QAM
QPSK/16QAM 最大支持时隙个数 2 2 3 4 5 每时隙最大支持码道个数16 16 16 16 16 每TTI支持最大传输块大小2788 5600 8416 11226 14043 支持最大编码率 1 1 1 1 1 如表2-3所示，1-3类终端每个HS-DSCH TTI支持的最大传输块为2788 bits，只支持QPSK调制，峰值速率0.5Mbps；4-6类终端每个HS-DSCH TTI支持的最大传输块为5600 bits，
峰值速率为1.1Mbps；7-9类终端每个HS-DSCH TTI支持的最大传输块为8416 bits，峰值速
率1.6Mbps；10-12类终端每个HS-DSCH TTI支持的最大传输块为11226 bits，峰值速率为
2.2Mbps；13-15类终端每个HS-DSCH TTI支持的最大传输块为14043，峰值速率2.8Mbps。

终端能力级越高，传输块根据公式就越大，能够达到的速率就越高。

系统中终端的能力等级
如果都够和系统配置的资源数目匹配，则能够使系统达到最佳的吞吐量。

另外，多载波HSDPA系统中，终端的能力还包括是否支持多载波接收，如果能够支持，则能够在调度时发挥多载波分集的作用，让用户尽量选择信道质量最好的载波进行数据传
输，进一步提高系统吞吐量。

2.4 CQI反馈时延
HS-SICH反馈的CQI值是HS-DSCH信道进行AMC的主要依据。

如果反馈的信道条件比实际好，则选择的传输块就会偏大，容易造成多次重传现象。

反之，如果反馈的信道条件
比实际差，传输块的选择偏小，造成资源浪费。

因此，CQI反馈的及时性会影响到其准确性，
从而影响吞吐量的高低。

CQI时延越小，反馈信息越及时和准确，吞吐量就越大。

在终端3公里低速移动时，快衰落周期在200ms左右，几个子帧内信道相关性逐渐降低，所以容量会逐渐降低，但并不会有非常明显的下降。

在30公里移动速度下，快衰落周
期为20ms左右，2个子帧（10ms）时延信道已经不具有相关性了，所以时延2到8子帧，
吞吐量并不会有多大变化
2.5 CQI正确性
CQI的准确性会影响到吞吐量的大小。

错误概率越小，选择的传输块大小越合适，吞吐量就越高。

反之，吞吐量越低。

调度算法
HSDPA系统中，多个接入用户是通过调度算法协调共享信道资源的。

HSDPA常用的三种调度算法：MAX C/I算法、RR算法、PF算法。

MAX C/I算法总是选择信道条件最好的用户占用共享信道。

该算法下，系统吞吐量最大，但在系统负荷比较高时，处于小区边缘用户，由于信道条件一直较差，有可能长期得不到调度，因此公平性差。

RR算法是所有用户轮流占用共享信道，机会均等，公平性最好，但吞吐量最低。

该调度算法目标是保障用户间的公平性，即保障每个用户都能得到一定的服务时间。

RR算法以循环分配资源的方式保障用户间的公平性，但没有考虑无线信道的时变特点，也没有利用无线信道所提供的信息(如载干比值等)，因此它难以充分利用系统资源以达到较高的系统容量。

PF算法算法是MAX C/I和RR算法的折衷。

通过当前速率和平均速率的比值来决定是否占用共享信道。

信道条件好的用户，具有更高的优先级，同时，长时间没有调度的用户，也会逐渐提高优先级。

相对于RR算法，PF调度算法也会带来一定的调度增益。