WCDMA高速上行分组接入技术性能研究

高速上行分组接入(HSUPA)是一种上行传输增强型技术，是3G标准制订组织3GPP的宽带码分多址(WCDMA)协议版本Release6的技术特征。

      相比标准版本Release5，HSUPA的引入会使上行分组接收性能有较为明显的服务质量(QoS)提高：首先在系统容量上大约有50%～70%的增加，在端到端分组数据包的延迟上有20%～55%的减少，在用户分组呼叫上行流量上有大约50%的增加[1]。在终端用户侧表现为更快速的数据传输、更流畅的游戏交互、更清晰连贯的语音视频。

      在HSUPA中，通过舍弃旧版标准中的无线网络控制(RNC)调度，改而采用将调度器放置在节点B(NodeB，WCDMA系统中的基站设备称为节点B)中的策略，大大缩短了调度控制信令和用户设备(UE)响应的时延，从而可以更快速、精确、有效地控制小区负载，使得小区负载总是处于十分接近预设负载门限的水平。软合并的混合自动重传请求(HARQ)协议、更短的传输时间间隔(TTI)等关键技术的引入，使UE能以尽可能大的功率传输HSUPA上行分组数据，从而提供了更大的上行吞吐量，充分地利用了有限的带宽资源。

      HSUPA技术是满足WCDMA通信系统上行链路应用的关键技术与重要补充，可以应用于无线游戏、交互类型业务，基于流媒体的视频业务，背景数据上载业务等。

1 HSUPA关键技术
      HSUPA通过引入一些关键性的新技术，提高了上行分组传输的性能。通过对这些主要的关键新技术进行定性分析和定量的性能对比，可以获得影响HSUPA系统性能的基本因素。
引入的新技术包括：自适应编码和调制模式、混合自动重传(HARQ)协议、带宏分集合并的软切换、NodeB控制的调度器、更短的无线帧(小于2 ms)等。本文将从技术原理和仿真结果两方面对其进行分析。

1.1 HSUPA的链路性能
      HSUPA的增强上行专用物理信道(E-DPDCH)支持扩频因子(SF)分别为：64、32、16、8、4、2的扩频码，并且支持多码道传输，可以使用的码道集合为{N64、N32、N16、N8、N4、2×N4、2×N2、2×N2+2×N4}[2]。HSUPA采用正交移相键控(QPSK)调制，编码比率为1/3的Turbo码。经过速率匹配算法，如果编码比率达到0.99，增强上行专用物理信道的最大传输能力可以达到5.7 Mb/s
不同E-DPDCH固定参考信道对应的比特速率[3]如表1所示。

      HSUPA上行传输理论峰值速率是在使用固定参考信道4时达到的。需要使用2 ms传输帧结构、{2×N2+2×N4}码道组合，以及为1的编码比率。这需要在信道条件非常良好、外界干扰很小、小区上行负载程度很轻时才可以实现。

1.2 HARQ性能
      HARQ是一种多等停并行重传操作技术。由于在标准版本Release99中ARQ协议得到应用，并获得良好的系统性能，因此ARQ技术在新的标准版本中得到了继承。在新版本标准中，HARQ技术被应用到了物理层，从而减少了高层信令传输的时延，进一步提升了系统性能。

      在HARQ重传机制中，UE发送一个数据包，当NodeB正确接收并且循环冗余校验(CRC)正确后，就会返回一个正确解码指示ACK，否则发回误块指示NACK。UE在收到NACK后，需要将相应的数据包在物理层重传。HARQ重传机制的重要性能参数是重传次数，重传次数关系到最终系统上行传输吞吐率和业务时延。

1.2.1 HSUPA的传输效率与HARQ重传次数的关系
      由于在MAC层采用了HARQ重传协议及软合并技术，在RLC得到的业务数据误块率就不是物理信道中的误块率，称为残留误块率。在残留误块率控制在低于1%的前提下，通过传输效率与重传次数的关系(见表2)可以得到以下一些结论：

      (1)对于同样的目标数据速率，随着目标传输次数的提高，链路效率得到提高。链路效率的提高随着目标重传次数的增加而减少，也就是从1、2次重传得到的链路效率增益大于2、4次重传。

      (2)随着重传次数的增加，最优专用控制信道信干比降低，功率比提高，UE即使处于链路状况很差的位置也可以通过重传获得重传增益，降低残留误码率，提高业务速率。

      (3)对于相同的目标数据速率，随着最大重传次数的增加，有效的数据速率得到提高。

      (4)对于最有效率的链路，初次传输的误块率可能会很高。UE只有在信道条件良好的情况下才可以将初次传输的误块率控制得很低。比较好的做法是：在UE信道条件一般的情况下，将第一次传输平均误块率控制在10%～30%的范围内，尽量利用HARQ重传以获得重传增益，这样可以既节省UE发射功率又获得比较理想的上行吞吐率。

      (5)对于相同有效传输速率，随着最大传输次数的增加，平均时延增加。吞吐率的最大化和时延的降低可以以链路效率为代价来获得。

1.2.2 HARQ重传对WCDMA系统性能的影响
      为了验证HARQ重传为系统性能带来的提升，在系统级仿真中本文对比了使用相同调度算法，吞吐公平(Throughput Fair)时，有HARQ重传和没有HARQ重传时的系统性能(见图1)。

      由于系统仿真时，UE模型随机均匀分布在小区内，大部分UE所处位置信道质量一般，无法保证第一次传输的误块率很低，因此在引入HARQ重传后，数据传输获得了重传增益，使得系统小区吞吐率提升了25%。

1.3 宏分集合并技术的影响
      当UE需要从一个小区的信号覆盖范围移动到另一个小区的信号覆盖范围时，需要经历服务NodeB变更的软切换(Soft Handover)过程。HSUPA中引入了软切换技术后，减少了UE对临近小区的干扰，同时这项技术为上行数据传输带来了宏分集增益。

      采用软切换宏分集合并技术后，只要当UE处于软切换状态时，UE所有激活集(跟UE有信号联系的小区的集合)中的NodeB都不能正确解码相同的数据包并发送非确认信号时，UE才会进行物理层重传；否则，只要UE激活集中，有一个NodeB正确接收并解码了某个数据包，并发送回确认信号，UE即使接到激活集中的其他NodeB的非确认信号，也将不会执行重传操作。

      采用宏分集技术为WCDMA系统带来了显著的性能增益，有效地提高了系统吞吐率，降低了重传次数，节约了系统资源。

      为了验证宏分集合并技术为系统性能带来的提升，在系统级仿真中本文对比了使用相同调度算法，吞吐公平，有宏分集合并(UE最大激活集数为6)和没有宏分集合并(UE激活数集强行置1)时的系统性能(见图2)。

      由于UE总是在移动，所以进行软切换在系统中是一个非常普遍的现象。因此在采用了软切换宏分集合并后，由于数据传输获得了宏分集合并增益，且UE的上行发射功率对临近小区造成的噪声干扰并没有任何变化，使得此时系统小区吞吐率提高了20%。

2 HSUPA小区性能分析
      HSUPA小区的性能分析主要从小区的平均吞吐率(kb/s)、UE调度的公平度、业务的时延和基站上行接收总功率提升量与热噪声的比例(RoT)的过载率等几个方面进行评估。

      HSUPA的小区吞吐率显示了小区平均负载RoT水平与系统小区吞吐率之间的函数关系。该指标除了受到UE的数量、UE所处的地理位置的无线传播条件、UE的数据传输请求，以及临近小区UE的上行信号干扰的影响，还受到不同的无线和分组调度策略和调度算法的影响。是反映系统性能的最主要的参数之一。

      公平度曲线是指每个用户的吞吐率对比系统内所有用户的平均吞吐率，进行归一化后的密度累积分布函数曲线，反映了调度的公平度。

      业务的时延分为分组呼叫时延和分组时延。分组呼叫时延是指两次连续分组传输请求之间的时间周期，对于采用文件传输协议(FTP)的用户，分组呼叫时延是指FTP上载文件的时间。分组时延是指分组报文自UE发出时刻，到在NodeB处接收所需要的时间。

      RoT的过载率反映了RoT超过某一指定RoT门限值的比率。该值从另一个角度反映了调度算法的性能。

2.1 小区吞吐率与调度策略的关系
      在WCDMA标准Release6中，HSUPA采用了位于NodeB处的分布式调度器代替原标准版本Release99中的基于无线网络控制(RNC)的集中调度器。

      在R99系统中，采用的是集中式的调度算法，调度器位于RNC中，由RNC中的调度器集中并行调度各个小区中的各个UE。这种集中调度方式虽然可以对系统中的UE统一进行管理，使之相互协调，但有显著的调度时延的缺点，这对HSUPA中高小区负载情况下的资源负荷控制十分不利。在HSUPA中，为了提供更快速的资源调度及更灵活的调度算法，将调度器下放到了NodeB中。在NodeB中实现的调度属于分布式调度，由于调度器所获取的信息有限(例如UE对其他临近小区的影响就无法考虑)，因此要求有好的调度算法消除这种影响。

      基于集中调度模式的Release99调度器性能与基于分布式调度模式的调度器性能进行对比的结果如图3所示。

      从图3可以看出，对于同样水平的小区平均RoT，集中调度器与分布调度器相比获得了较多的小区吞吐率上的增益。在调度公平度保持一致的情况下，分布式调度的RoT的过载率比较高，这是由于调度器缺乏被调度UE对其他小区的干扰的信息造成的。但是在相同RoT过载率的条件下，分布式调度的平均RoT高于集中式调度，这意味着系统可以获得较高的吞吐率。

2.2 传输间隔对系统性能的影响
      在HSUPA中采用了TTI为2 ms的更短的帧结构与TTI为10 ms帧混合使用的机制。协议规定10 ms帧结构要求所有UE强制支持，2 ms帧结构为可选。更短的帧结构可以使给定的时间内物理层的重传次数得到增加，从而提供链路的效率和吞吐率，对应相同的物理层时延，更短的帧结构可以有效降低上层的传输时延(见图4)。

2.3 不同调度器对系统性能的影响
      由于在HSUPA中采用位于NodeB中的分布式调度器，调度算法较Release99集中式调度器应该有一定的区别。

      本文对比了在UE数据缓存总是保持满的情况下3种经典调度算法在小区性能上的表现。3种算法分别是：吞吐公平调度算法、轮循(Round Robin)调度算法和最大载波干扰比(C/I)调度算法。
系统仿真结果(见图5)如下：

      (1)最大C/I调度算法根据信道质量为UE分配调度授权，牺牲了各UE上行传输公平度，但相应获得了最大小区吞吐率。

      (2)轮循调度算法采用时间公平调度，同一时间片只对一个UE进行调度(调度幅度相同)，小区负载RoT上升平缓，小区负荷可以稳步抬升到容量门限附近，因此也能获得较高的吞吐率。

      (3)吞吐公平调度算法获得小区吞吐率最小，这是因为调度器仅根据RoT水平对小区内所有UE同时做出相同调度，小区内干扰变化较大，使瞬时误块率(BLER)较高，重传率随之升高，从而降低了小区吞吐率。

2.4 帧结构对系统性能的影响
      经链路仿真验证，由于对于相同峰值上行业务速率传输，2 ms帧结构传输需要比10 ms帧结构传输更大的接收信噪比才能达到相同水平的BLER[4—6]。也就是说相同信道条件下，使用10 ms帧结构比使用2 ms帧结构需要更少的重传次数就可以获得理想的残留误块率水平，从而可以获得更大的上行吞吐率。

      在相同调度算法(如吞吐公平调度算法)、相同小区信道环境下，系统仿真结果(见图6)显示使用10 ms帧结构时，系统性能优于使用2 ms帧结构。同时也得出结论，2 ms帧结构可在信道条件非常优良，同时UE业务对时延要求很高的情况下使用。

3 结束语
      引入HSUPA增强型技术的WCDMA系统，上行数据传输不仅从覆盖和流量上得到了提高，而且上行专用信道传输延时得也到了减少。通过引入HARQ重传、软切换宏分集合并、更短的帧结构等技术，在可以接受的复杂度前提下，体现了足够的上行系统性能增益。
由系统仿真结果可以看出，由于调度器的变化，不同调度算法在HSUPA系统中的表现有很大差别，因此需要根据WCDMA系统业务的特点，设计更适合分布式调度器的调度算法，以进一步提高系统性能。

4 参考文献
[1] 3GPP TR 25.896 V6.0.0, Feasibility Study for Enhanced Uplink for UTRA FDD [S].
[2] 3GPP TR 25.80, FDD Enhanced Uplink, Physical Layer Aspects [S].
[3] 3GPP TSGR4-AHS R4AH-05066, Decisions and Further Steps for Enhanced Uplink[S].
[4] 3GPP TSGR1-36 R1-040265, TP on Short Term LL Performance with
10 ms TTI [S].
[5] 3GPP TSGR1-36 R1-040264, TP on Short Term LL Performance with
2 ms TTI [S].
[6] 3GPP TSGR1-37 R1-040519, Short Term Link Results[S].

收稿日期：2005-08-31

[摘要] 在高速上行分组接入(HSUPA)中通过采用NodeB控制调度、结合软合并的混合自动重传请求(HARQ)、更短的传输时间间隔(TTI)等关键技术，可使用户设备(UE)能以尽可能高的功率传输HSUPA数据，在减少时延的基础上得到更大的系统上行吞吐量。系统级仿真结果表明这些关键技术的引入对WCDMA通信系统上行数据传输带来了性能的提高。文章认为由于调度器的变化，不同调度算法在HSUPA系统中的表现有很大差别，需要进一步根据WCDMA系统业务的特点，设计更适合分布式调度器的调度算法，以进一步提高系统性能。

[关键词] 宽带码分多址；高速上行分组接入；仿真；系统性能

[Abstract] The High-Speed Uplink Packet Access (HSUPA) adopts NodeB controlled scheduling, Hybrid Automatic Repeat Request (HARQ) with chase combining, shorter Transmission Time Interval (TTI) and other technologies, which makes the user equipment transmit HSUPA data with the highest power and achieve higher system uplink throughput with shortened time delay. System-level simulation results show that the introduction of key technologies greatly improves the HSUPA data transmission in a WCDMA system. Different schedulers have different scheduling algorithms that bring about quite different performances of an HSUPA system. Therefore, it is expected to further consider the characteristics of WCDMA systems and work out better scheduling algorithms for distributed schedulers in order to obtain higher system performance.

[Keywords] WCDMA; HSUPA; simulation; system performance