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HSPA演化技术顺势而行!
行动宽带接取效能大跃进!

【作者: Ericsson】2009年08月05日 星期三

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前言


本文介绍HSPA演化(High-speed Packet Access Evolution;HSPA Evolution)的主要观念。HSPA演化技术已在3GPP的WCDMA规格的第七、八版(Release 7、8)中被标准化了。HSPA演化技术的目标是进一步提升WCDMA系统效能。这些效能提升包括更高的峰值传输速率、更低的延迟、更大的系统容量、更长的电池时间、以及对VoIP和群播/广播(Multicast/Broadcast)能力更好的支持。



HSPA演化技术简介


根据统计,现今全球84%的移动电话用户,是利用3GPP所规范的射频接取技术来拨打电话,这代表WCDMA是3G射频网络接取技术的主流。



在3GPP第六版规范(Release 6)中引进的HSPA技术,可以大幅增强封包数据流传送的效能,下行链路HSDPA可达14.4Mbps,上行链路E-UL达1.4Mbps,这可提供一般ADSL的宽带速度,并能大幅提升封包数据流量。封包数据已成为3G网络中主要的网络流量型态。



而HSPA演化技术(3GPP规范的第七、八版)更引进了新的特性,能支持更高的传输速率、更低的延迟、更大的系统容量,以及支持更佳的VoIP与群播服务。3GPP在规范的第七版(Release 7)增加下列特性:




  • ●更高阶的调变机制(Higher-order Modulation;HOM);



  • ●多重输入多重输出天线技术(Multiple Input Multiple Output;MIMO);



  • ●连续封包链接(Continuous Packet Connectivity;CPC);



  • ●强化L2协议;



  • ●加强版的CELL_FACH;



  • ●群播/广播单频网络(Multicast/Broadcast Single-frequency Network;MBSFN);



  • ●高阶接收机;





此外,3GPP也正在考虑将诸如多重载波运作(Multicarrier Operation)和下型链路优化之广播服务(Downlink-optimized Broadcast;DOB)、和更高阶的接收机技术等特性,纳入下一版的规范当中。引进这些新技术,也能产生更高速的传输速率和频谱使用效率,并支持更大的VoIP系统容量。在3GPP规范的第八版(Release 8)中,则要求峰值传输速率要达到下行链路42Mbps、上行链路5Mbps的标准(假设5MHz的载波带宽)。




《表一 HSPA主要特性摘要示意表》




HSPA的特性与效能


高阶的调变技术


数字调变的机制将会决定传送的信息位(Information Bit)如何映像到传送信号的相位与振幅。图一为不同调变机制的星座图。每个连续的位序列(Bit Sequence)都会对应到一个调变符号(Modulation Symbol),而每一个调变符号的相位与振幅,在星座图上都有相应的点。每个调变符号所传递的位数如下:BPSK为1位,QPSK为2位,16QAM为4位,64QAM为6位。因此,越高阶的调变机制,代表每一调变符号所能达到的峰值数据位传输速率越高。



在HSPA Release 6中,下行链路支持QPSK与16QAM调变机制,而上行链路支持BPSK与QPSK调变机制。在Release 7中,下行链路引进64QAM调变,可以增加约50%的峰值数据位传输速率(从14Mbps到21Mbps)。在上行链路则引进16QAM调变,则将倍增峰值数据位传输速率。



此外, 在物理层控制信道(HS-SCCH、HS-DPCCH、E-AGCH与E-DPCCH)皆已被修正成能够支持以下功能:




  • ●新的更高阶的调变机制信号;



  • ●更大的传输区块(Transport Block)大小;



  • ●以及更大范围的信道质量指针CQI(Channel Quality Indicator)。





在相对合适的射频环境条件下,更高阶的调变机制能有效提升数据位传输速率,而周密的细胞规划(Cell Planning)是能使网络符合优良射频环境的先决条件。表一为HSPA特性摘要。



《图一 调变机制的星座图》


MIMO天线技术(Multiple Input, Multiple Output)


除了高阶调变技术外,在多重天线上同时传送多个不同的传输区块也能大量提升数据位传输速率。这项技术通常称作空间多任务的多重输入多重输出天线技术(MIMO with Spatial Multiplexing),MIMO的接收机是利用信道特性与编码能力,将数据流分开。而多层传输机制(Multi-layer Transmission Scheme)的标准化是MIMO天线技术应用的前提。



MIMO是相较于发射/接收分集(Transmit/Receive Diversity)而来的名词,后者是将同一个传输区块利用不同的多重天线进行传送或接收。



3GPP定义HSPA所支持的MIMO机制是具有前置编码(Precoded)与多重码字秩自适调节(Rank- adaptive Multi-codeword)特性的传输方式,其相关特性如下:




  • ●每一层子数据流(substream)负责传送不同的传输区块;



  • ●而同时传递的数据流数量可因为目前的信道状况而调整,亦即所谓的Rank Adaptation。





每个数据流分开的编码机制,更方便连续干扰抵消接收机(Successive Interference Cancellation Receiver)的使用。相较于例如最小方均差接收器(MMSE-based Receiver)的线性接收机(Linear Receiver),此种接收机将能大幅增强传输效能。



在数据被发射之前,被调变与展频的信号会在空间上被加权(亦即前置编码Precoded)。换句话说,数据流会以不同的发射加权(transmission weights)透过不同的发射天线被发射。适当的加权值则会由客户端装置(User Equipment;UE)估计,随信道质量指针COI一并回报给网络系统端。前置编码的主要好处是即便只有单一传输区块要发射,所有的功率放大器仍均是满载的,而每个数据流带有相同的信道码(Channelization Code)。图二为MIMO发射器的功能方块图。



《图二 MIMO发射器功能方块图》


为了要将MIMO天线技术加入Release 7的规范中,3GPP更新了上/下行链路的物理层控制信道,以满足传递包括前置编码(Proceding)加权值、传输层格式以及每一数据流之混合式自动重传要求(Hybrid Automatic Repeat Request;HARQ)参数等的信息所需。对每一个数据流而言,其混合式自动重传要求HARQ的响应是分开且独立的。未被接收到的数据区块可在两个数据流间独立地被重传。



在规范的Release 7中,MIMO技术被要求最高需支持两个数据流的传送。在此情形下,每一数据流可使用QPSK或16QAM的调变技术,将HSDPA的下行峰值传输速率提升至约28Mbps。在规范的Release 8中,每一个数据流可使用64QAM的调变技术,将HSDPA的下行峰值传输速率提升至约42Mbps,如图三所示。



《图三 不同的高阶调变与MIMO组合之传输速率曲线 》

在Pedestrian-A信道,90%的机率条件下


多重载波运作(Multicarrier Operation)


多重载波运作是3GPP在未来版本的WCDMA规范中,新增特性的候选之一。拥有相邻成对频段的电信营运商,将能透过各频段间协调的方式,让HSPA在多个相邻的5HMz频段上运作,可有效运用频段。举例来说,在每个载波上的控制信道的架构,就不必然需要相同。此外因为只需要一个锚载波(Anchor Carrier),在另一个载波上将能节省更多的功率给HSPA。因此,如果在实务上布建2×2的MIMO的系统有困难,电信营运商或许可考虑以多重载波运作的方式,作为达到42Mbps下行链路传输速率的替代解决方案。换句话说,双载波运作再配合上2×2MIMO天线系统与64QAM调变机制,将能产生高达84Mbps的峰值传输速率,而不须使用到4×4的MIMO天线系统。更进一步地,如果是四重载波运作,将能支持高达4×42Mbps的峰值传输速率。



强化L2协议(Layer-2 Enhancements)


对告知模式的射频链路控制(Acknowledged-mode Radio Link Control;RLC)而言,其峰值传输速率会因RLC的协议数据单元(Protocol Data Unit;PDU)大小、RLC的双向时延(RLC Round-trip Time)、以及RLC滑动窗口(RLC Window)大小...等而有所限制。



为维持使用MIMO天线系统与64QAM调变机制的下行链路峰值传输速率,这里需要大的射频链路控制协议数据单元(RLC PDU)。为了有效利用RLC PDU并加强L2协议的效能,规范Release 7采用弹性的RLC大小、MAC分割以及改善MAC层多任务(MAC Multiplexing)的方式,来改善下行链路传输。因此,发射机可以自由地选择RLC PDU的大小。



RLC的分割(Segmentation)能力依然保留着,也就是说网络系统可以分割RLC的服务数据单元(Service Data Unit;SDU),成为协议数据单元(PDU),使空中接口的传输与重传更有效率。



发射机弹性选择RLC PDU大小的能力,可藉由减少RLC表头的冗余位(header overhead)与虚位塞入(padding),减少L2协议的冗余位(overhead)。此外,较大的RLC PDU也意谓了客户端装置UE可以减少所处理的PDU数量。



在下行链路中,RLC 协议起始于RNC,而MAC-hs协议层中止于Node-B。如果因为射频环境的变化导致RLC PDU太大,而无法在合理的HARQ重传次数内将它藉由空中接口顺利传送出去,那么RLC PDU就必须更进一步做分割。因此,在规范的Release 7中,定义了新的MAC协议:MAC-ehs。新的MAC协议支持弹性的RLC PDU大小与分割。此外,MAC层多任务的能力亦获得改善,使得携带不同射频接承载服务(Radio Access Bearers)的信号和数据的RLC PDU,能以多任务的方式汇流至单一的MAC-ehs PDU。



在规范release 8中,之前在下行链路协议的加强也将在上行链路有所强化。在上行链路对于RLC PDU大小弹性化的支持,将增强涵盖上行链路,这有助于降低处理的需求及L2的冗余位(overhead)。



连续封包链接(Continuous Packet Connectivity;CPC)


对封包数据的用户(Packet Data User)而言,数据传送的活动量在时间轴上的变化很大。但即便如此,为了避免因联机/不联机状态转换所导致的传输延迟,即便在暂时不传送数据的时候,保持拥有专用联机就变得很重要。3GPP在规范的Release 7加强了专用联机状态(Dedicated Connection State),来提升封包数据用户的传输效率,这称之为连续封包链接(CPC),其包含UE不连续发射/不连续接收(UE DTX/DRX)和HS-SCCH 运作减少(HS-SCCH-less Operation)两个主要特性。



UE DTX/DRX


UE不连续发射(Discontinuous Transmission from UE)使得UE可以在上行链路没有信息需要传送的情况下,关闭专用实体控制信道(Dedicated Physical Control Channel;DPCCH)的连续发射。在不连续发射的情况下,只有为维持同步与控制功率的最低发射才会被执行。关闭发射的两个最明显而立即的好处,就是能节省电池的消耗与降低干扰,后者能增加上行链路的容量,端赖有多少用户关闭发射。



同样地,UE 不连续接收也让UE在下行链路没有信息需要接收时,能关闭其接收机,进一步降低电池耗损。UE只需要定期查核是否需要从微眠模式(Micro Sleep Mode)醒过来。在规范的Release 7中,UE DTX/DRX的特性甚至可以被执行在诸如VoIP 通话中、两封包间极短暂的静止时间。



HS-SCCH-less Operation


当许多的小封包(例如VoIP)在下行链路传送时,下行链路控制信道HS-SCCH的冗余位影响就会变得很大。在规范的Release 7内,便引进HS-SCCH运作减少机制,透过在HARQ机制中的第一次传输中,将HS-SCCH完全移除,来达成减少冗余位的目的。这个机制简而言之,就是利用减少对下行链路控制讯号的编码使用与干扰,达到增加系统容量的目的。这是依靠UE对高达四组不同格式的下行数据信道(HS-DSCH)的盲译码(Blind Decoding)来消除对HS-SCCH传输的依赖。图四为3GPP规范Release 7相较于Release 6,在支持VoIP系统容量的相对增加示意图。



仿真结果显示,在3GPP规范Release 7的连续封包链接(CPC)概念,能使VoIP的系统容量在上行链路增加40%,下行链路增加10%,而使用高阶接收机,将更进一步增加系统容量。



《图四 VoIP容量的相对增加示意图》


加强版CELL_FACH


HSPA正逐渐取代ADSL在链接PC到因特网所扮演的角色。这种行为模式上的转变,直接对网络流量的负载与网络特性造成冲击。事实上PC在背景通讯(Background Communication)中,执行了许多不需要跟用户互动的程序,这中间包含诸如Keep-alive讯息、软件升级探测(Probes for Software Upgrade)、存在信号(Presence Signaling)...等背景数据流。为有效支持传送这种数据流,3GPP 在规范的Release 7和Release 8中,进一步强化CELL FACH状态。



在Release 7中,当用户在CELL FACH状态下,HSDPA已被开启了。在下行链路上,UE会监控HSDPA的控制信道,根据它们自己独有的身分识别(H-RNTI),侦测其排程信息。但没有上行链路的专用信道(Uplink Dedicated Channel),代表在Release 7规范并不支持信道质量指针COI和HARQ回报的连续传送。因此,3GPP对「链路调节 (Link Adaptation)」与 HARQ 做了修正。解决的办法是 HARQ 的重复使用 (HARQ Repetition) 以及根据「射频资源控制 (RRC: Radio ResourceControl) 」的量测来做链路调节 (Link Adaptation)。



在Release 8中,上行链路藉由在CELL FACH状态下开启E-DCH得到改善。在随机选取的Preamble中逐步增强功率,如同在Rel-99 一般。在侦测到Preamble后,Node-B会指派一共同E-DCH(Common E-DCH)组态(由Node-B控制)给UE。共同的竞争是透过E-DCH传输中UE的身分识别。某个特定UE能快速地转移到CELL DCH状态而连续传输。



加强版的CELL FACH试图拥有与上述CELL DCH相同的L2表头格式(Layer-2 Header Format)。藉此,即便是在CELL FACH与CELL DCH状态间切换,数据传输也可以继续而不致于中断。相较于Release 6,这样的强化不会因信道切换使数据传输暂停,能大幅改善效能。



优化的MBSFN下行链路广播技术


Release 7规范也强化多媒体广播群播服务(MBMS),使其更进一步超越在Release 6规范透过多细胞MBMS传输(Multicell MBMS Transmission)所能达到的传输效率。其强化的解决方案就是群播/广播单频网络(Multicast/Broadcast Single Frequency Network;MBSFN)。藉由从多个细胞同时传送具有一模一样相同波形的传输,如此UE的接收机将视多个MBSFN细胞为一个大的细胞,如图五所示。此外,对UE而言从多个MBSFN细胞传送而来的讯号,有别于以往被视为从邻细胞而来的细胞间干扰,将会作正效性的迭加(Constructive Superposition)。而且,高阶的UE接收机技术,如G-Rake,会利用解决多路径传输所造成的时间差问题的手段,消除细胞间干扰,这些结果都使得WCDMA技术能达到高效率的广播传输。



《图五 利用MBSFN的行动电视广播示意图》


另一项用来消除细胞间干扰的强化技术则是使用保留给MBSFN传输的下行链路载波共享搅拌码(Common Scrambling Code)。如此,3GPP将不需要去修改标准,因为FDD的网络同步运作已包含在R99的规范中。



广播数据流的传送在MBSFN使用如同MBMS一般相同的逻辑和实体信道结构(Logical and Physical Channel Structure),也就是MTCH、FACH及S-CCPCH,再搭配如MICH与MSCH等的控制信道,MBSFN改善了功率的使用效率,使得限制射频下行链路的主要因子不再是功率,而是分码多任务接取的编码数。因此为了完全利用到可获得的射频资源,MBSFN的FACH使用16QAM的调变机制。此外为更进一步加强在移动接收机端的信道估算(Channel Estimation),规范的Release 7支持使用同步信道(Synchronization Channel;SCH)的时序多任务导频(Time Multiplexed Pilot)。为了大幅减低UE的电池损耗,甚至于可以在每个TTI(Transmission Time Interval)执行服务的多任务(Service Multiplexing)。



对于MBSFN的运作,3GPP更进一步提出下行链路优化广播(Downlink Optimized Broadcast;DOB)的观念,当作它在非对称频段、3.84Mbps分时双工(TDD)运作时的特别模式。



DOB的原理与射频解决方案与MBSFN FDD的原理与射频解决方案相同,两者的射频效能是一样的,而对于只拥有非对称频段的WCDMA营运商而言,有足够的诱因促使其将网络升级。因为WCDMA中MBMS与MBSF 高度的共通性,使得DOB对UE与Node- 的影响很小,而且是在非对称频段上布建MBSFN时极具吸引力的一个选项。



高阶的接收机(Advanced Receiver)


随着产品规格的演进,UE与Node-B上接收机的架构也会持续改良,更复杂的接收机特性也加入至HSPA产品中。接收机改良演进的结果,将提升系统效能与用户的数据传输速率。这种趋势反映在3GPP对UE接收机要求的持续增加。在规范的Release 6和Release 7当中,3GPP便规定对于高阶接收机以下的要求:




  • ●UE接收天线分集(UE Receive Antenna Diversity[UE receiver type-1]);



  • ●线性均衡器,如G-RAKE(Linear Equalizers, such as G-RAKE[UE receiver



  • type-2]);



  • ●线性均衡器结合UE接收天线分集,如G-RAKE 2(Linear Equalizers in combination with UE Receive Antenna Diversity, such as G-RAKE2[UE receiver type-3, suitable for example, for MIMO])。





在规范的Release 8中,甚至对高阶接收机(Type-3 G-Rake 2)增加了支持干扰消除的要求(UE Receiver Type-3i)。



结论


在规范的Release 8中,甚至对高阶接收机(Type-3 G-Rake 2)增加了支持干扰消除的要求(UE Receiver Type-3i)。




  • HSPA演化技术(3GPP Release 7和Release 8)进一步加强系统效能,能让电信营运商延长投资在WCDMA网络上的高度回收生命周期。HSPA演化并增加了数个新的特性,能够支持更高速的数据传输速率,缩短延迟、增加系统容量,以及增强对VoIP服务与群播服务的支持。



  • ●更高阶的调变机制。在下行链路引进64QAM调变机制以增加峰值传输速率至21Mbps。同样地,在上行链路引进16QA 调变机制以增加峰值传输速率至 11Mbps。



  • ●MIMO多重输入多重输出天线技术。规范Release 7中,MIMO被定义为要能发射两个数据流,每一个数据流可使用QPSK或16QAM的调变,如此将能增加HSDPA的峰值传输速率至大约28Mbps。规范Release 8中,每一个数据流可使用64QAM调变,而能增加峰值传输速率至大约42Mbps。



  • ●连续封包链接(Continuous Packet Connectivity;CPC)。仿真测试显示,在Release 7规范中的CPC概念,能在上行链路增加大约40%的VoIP容量,在下行链路增加大约10%的VoIP容量。



  • ●强化L2协议。Release 7规范新增新的MAC协议:MAC-ehs。新的MAC协议支持了弹性的RLC PDU大小及分割。此外,MAC多任务能力的增强,使得不同的射频接取承载服务(Radio Access Bearer;RAB)的RLC PDU可以被多任务至单一的MAC-ehs PDU 上。Release 8规范中,强化下行链路协议,可将应用在上行链路协议上。支持弹性的RLC PDU大小将增强上行链路的涵盖,并减少对L2冗余位(Layer-2 Overhead)的处理。



  • ●增强版的CELL_FACH。规范的Release 7中,用户的HSDPA功能在CELL_FACH状态会被开启。规范的Release 8中,则是在上行链路中,E-DCH在CELL_FACH状态下会被启动。相较于规范的Release 6在信道切换(Channel Switching)时必须暂时中止数据的传输,从用户观点来看,这项提升特性可以大幅改善效能。



  • ●下行链路优化广播(Downlink-optimized Broadcast;DOB)。3GPP更进一步提出DOB的观念,当作MBSFN在非对称频段,3.84 Mbps时分双工(TDD)运作时的特别模式。



  • ●高阶接收机。随着产品规格的演进,UE与Node-B上接收机的架构持续改良,更复杂的接收机特性也加入至HSPA产品中。接收机改良演进的结果,将提升系统效能与用户的数据传输速率。





对于未来的规范版本,3GPP正在考虑纳入多重载波运作(Multicarrier Operation)甚至更高阶的接收机技术。



(本文由瑞典电信大厂易利信Ericsson所提供)



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