多載波高速分組接入及其演進(jìn)

顧慧瓊， 石明衛(wèi)

(1.中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司， 北京 100080； 2. 西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

多載波高速分組接入及其演進(jìn)

顧慧瓊1， 石明衛(wèi)2

(1.中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司， 北京 100080； 2. 西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

由多載波傳輸?shù)幕靖拍畛霭l(fā)，介紹3GPP多載波高速分組接入技術(shù)及其優(yōu)勢，并對R8之后多載波技術(shù)的進(jìn)一步演進(jìn)進(jìn)行概述，說明各版本中主要的增強(qiáng)技術(shù)及由此可達(dá)到的性能提升。

多頻段；多載波；高速分組接入；演進(jìn)

R99中指定寬帶碼分多址接入(Wideband Code Division Multiple Access, WCDMA)碼片速率為3.84 Mcps,標(biāo)稱載波間隔為5 MHz。第三代伙伴合作項(xiàng)目(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)標(biāo)準(zhǔn)包含多個(gè)演進(jìn)步驟。然而直到R7所有的增強(qiáng)均限制在同一5 MHz帶寬[1]。R8引入雙載波(或雙小區(qū))高速下行分組接入(Dual Cell Downlink Packet Access, DC-HSDPA)，使單一用戶設(shè)備(User Equipment，UE)能在兩個(gè)相鄰載波上進(jìn)行接收，R9進(jìn)一步將雙載波手段擴(kuò)展到上行,將下行DC-HSDPA與多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)相結(jié)合，并且還引入了雙頻段高速下行分組接入(Dual Band High Speed Downlink Packet Access, DB-HSDPA)，使得在不能得到兩相鄰載波的情形依然提供雙載波HSDPA的益處。 R10進(jìn)一步引入了非連續(xù)頻段4載波HSDPA(4 Carrier HSDPA, 4C-HSDPA)，而R11引入了8載波HSDPA方案[2]。

多載波演進(jìn)的主要優(yōu)勢是在多載波站點(diǎn)可獲得更高的數(shù)據(jù)速率和更好的中繼效率。多載波演進(jìn)與任何已有的WCDMA和HSPA UEs共存于相同的載波，這使得多載波高速分組接入(High Speed Packet Access, HSPA)的引入為一個(gè)平滑的過程。

1 DC-HSPA

R8引入了DC-HSDPA，使HSDPA能用兩個(gè)相鄰載波共10 MHz帶寬向單一UE進(jìn)行傳輸，而R9將雙載波手段擴(kuò)展到上行，引入了DC-HSUPA，DC-HSPA的概念如圖1所示[3]。

DC-HSPA基于主載波和輔載波。主載波為UE提供用作下行數(shù)據(jù)傳輸及支持上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃邢滦形锢硇诺?包括：

● 高速物理下行共享信道(HS-PDSCH)，

● 對應(yīng)的高速共享控制信道(HS-SCCH)，

● 使上行功率控制易于實(shí)現(xiàn)的分?jǐn)?shù)專用物理信道(F-DPCH)，

● E-DCH確認(rèn)指示信道(E-HIGH)，

● E-DCH絕對許可信道(E-AGCH)，

● E-DCH相對許可信道(E-RGCH)。

圖1 DC-HSPA概念

對于DC-HSDPA，輔載波用于傳輸下行的第二組HS-PDSCHs和HS-SCCHs，對于DC-HSUPA，輔載波也發(fā)送支持第二個(gè)上行載波的下行物理信道集。這樣，只有當(dāng)支持兩個(gè)下行載波時(shí)，才可支持兩個(gè)上行載波。

對于DC-HSDPA，UE估計(jì)兩載波的信道質(zhì)量信息(Chanel Quality Indicator, CQI)分別用于兩載波的鏈路自適應(yīng)。UE也需在上行鏈路為兩載波分別提供HARQ應(yīng)答。所有這些上行物理層反饋在位于主上行載波的一單獨(dú)的高速專用物理控制信道上傳送，這樣用一個(gè)上行載波即可支持DC-HSDPA。

上行E-DCH專用物理控制信道(E-DPCCH)和增強(qiáng)專用物理數(shù)據(jù)信道(E-DPDCH)在R9中可分配在DC-HSUPA的兩個(gè)載波上。物理信道的配置如圖2所示。

圖2 DC-HSPA 物理信道的配置

總之，就上行而言，除HS-DPCCH僅能在主頻率之外，其它所有物理信道均可在兩個(gè)頻率上傳送。任一載波均可是主和輔載波。

上行功率控制對不同載波是獨(dú)立運(yùn)行的，因?yàn)?MHz的頻率偏移使得各載波呈現(xiàn)不同的快衰落，兩載波的上行功率電平也不相同。上行信擾比由Node B從各載波的上行DPCCH分別估計(jì)。功率控制指令在對應(yīng)下行載波的F-DPCH上傳送，上行功率控制如圖3所示。

圖3 DC-HSPA上行功率控制

所有別的物理信道包括主公共導(dǎo)頻(P-CPICH)、同步信道(SCHs)、捕獲指示信道(AICH)、尋呼指示信道(PICH)和物理廣播信道(P-BCH)均可在兩個(gè)載波上傳送，這允許遺留的UEs與新的DC-HSPA UEs共存于同一載波。所有遺留UEs可共存于使用了DC-HSPA的任一載波是引入DC-HSPA的主要優(yōu)勢。也可以以這樣的方式操作DC-HSPA：輔載波僅專用于DC-HSPA。此時(shí)輔載波僅傳送用于信道估計(jì)的P-CPICH而不傳送別的其它公共信道。

分組調(diào)度在兩個(gè)載波上聯(lián)合來做。調(diào)度器接收兩個(gè)下行載波的CQI報(bào)告。調(diào)度決策基于多個(gè)輸入?yún)?shù),包括CQI、緩沖器中的數(shù)據(jù)量以及QOS優(yōu)先級。調(diào)度器的目標(biāo)是最大化用戶數(shù)據(jù)速率和系統(tǒng)效率。得用如同LTE中的方法，可以從頻域調(diào)度獲得增益。

鏈路自適應(yīng)和L1重傳(HARQ)分別運(yùn)行在不同的載波上。重傳使用與第一次傳送相同的頻率。因?yàn)閿?shù)據(jù)流在兩個(gè)載波間的分割是在MAC層進(jìn)行的，所以DC-HSPA對RLC層不做任何改變。這個(gè)概念如圖4所示。

圖4 DC-HSDPA 傳輸策略

移動(dòng)性基于主載波。即移動(dòng)性流程與單載波HSPA一樣。

2 R8中的雙載波HSDPA

3GPP R8在下行鏈路引入兩種方式支持高達(dá)42 Mbps的數(shù)據(jù)速率[4],它們是：

● 單一5 MHz載波使用2×2MIMO和64QAM組合，

● 兩個(gè)相鄰5 MHz載波與64QAM結(jié)合，即DC-HSDPA。

DC-HSDPA基于主、輔一對相鄰5MHz載波，所有物理層過程均在主載波進(jìn)行[5]。雙載波用戶可被調(diào)度在分別位于主載波和輔載波的兩并行高速下行共享信道(HS-DSCH)傳輸信道，而對每個(gè)雙載波用戶可將兩個(gè)載波中的任一個(gè)配置作為主載波。這樣，使得扇區(qū)內(nèi)載波之間可以獲得有效的負(fù)載平衡。

DC-HSDPA容量增益由下列特性獲得。

● 頻域分組調(diào)度增益。由于UE分別為兩個(gè)載波提供CQI報(bào)告，NodeB的分組調(diào)度器可在不衰落的頻率上傳送分組。

● 統(tǒng)計(jì)復(fù)用或中繼增益。DC-HSDPA兩個(gè)頻率間的負(fù)載可以2 ms的傳輸時(shí)間間隔分辨率快速加以平衡，而兩個(gè)單載波HSDPA的負(fù)載平衡需借助于較慢的頻率間切換或重定向。

● 多用戶分集增益。HSDPA分組調(diào)度可使用時(shí)域正比公平算法[6]。這一調(diào)度算法當(dāng)有大量用戶可供選擇時(shí)給出了較高的增益。

3 R9中的雙載波HSPA

R9進(jìn)一步增強(qiáng)了雙載波手段：為在不能得到兩相鄰載波的情形依然能獲得雙載波HSDPA的益處，將DC-HSDPA擴(kuò)展到了雙頻段，引入了雙頻段DC-HSDPA(Dual Band DC-HSDPA, DB-DC-HSDPA)。將下行DC-HSDPA與2×2MIMO相結(jié)合，使峰值速率翻番達(dá)到了84 Mbps；同時(shí)將雙載波技術(shù)用于上行，引入DC-HSUPA，進(jìn)一步提高上行用戶速率[7]。

3.1 DB-DC-HSDPA

許多運(yùn)營商已經(jīng)在兩個(gè)頻帶部署了HSPA。為了在這種場景也能夠獲得多載波帶來的益處，R9定義了雙頻段HSPA[8]，下行方向主載波位于一個(gè)頻段，輔載波位于另一個(gè)頻段，而上行傳輸可由網(wǎng)絡(luò)配置于兩個(gè)頻段中的任一個(gè)。

R9中的雙頻段操作支持表1所示的三種不同頻段的組合，歐洲市場和某些亞洲市場可使用配置1：頻段Ⅰ(2100 MHz)和頻段Ⅷ(900 MHz)。北美市場可使用配置2：頻段Ⅱ(1900 MHz)和頻段Ⅳ(1700/2100 MHz)。第三種可能配置是頻段Ⅰ與頻段Ⅴ(850 MHz)，這是某些亞洲市場部署情形。

表1 R9中的雙頻段HSPA組合

DB-DC-HSDPA使用與R8中用于相鄰載波DC-HSDPA同樣的L1/L2方案。即雙載波用戶可被調(diào)度在分別位于主載波和輔載波的兩并行HS-DSCH傳輸信道，輔載波可由基站使用HS-SCCH指令動(dòng)態(tài)激活或去激活。但是在雙頻段HSPA的情形，UE必須在兩個(gè)頻率上同時(shí)接收，增加了UE的RF復(fù)雜性。

3.2 MIMO+DC-HSDPA

如前所述，R8在下行通過引入兩種方式來進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)速率，即單載波+MIMO和DC-HSDPA，R9中將這兩種方案加以結(jié)合，定義了MIMO + DC-HSDPA，因而可使峰值速率加倍由42 Mbps提高到84 Mbps，相對于無MIMO的DC-HSDPA，極大地提高了頻率效率。這里使用與早期版本一樣的L1/L2方案，僅對L1的反饋信道(HS-DPCCH)和L2的傳輸序號(TSN)作了些許修改以便處理雙倍的傳輸塊。為使運(yùn)營商在部署上有最大的靈活性，MIMO配置是基于載波的，即如果希望的話，一個(gè)載波可配置為MIMO方式，而另一個(gè)為非MIMO方式。

3.3 DC-HSUPA

為了在改善下行速率后同樣改善上行速率，R9引入了支持在相鄰上行載波工作的雙載波HSUPA(DC-HSUPA)。這使得在采用16QAM調(diào)制時(shí)上行峰值速率翻番達(dá)到23 Mbps。可達(dá)到的上行數(shù)據(jù)速率常常更多地受限于可使用的帶寬而非UE發(fā)射功率，在此情景，應(yīng)用DC-HSUPA可使上行數(shù)據(jù)速率及其覆蓋范圍均得以顯著提高。

DC-HSUPA用戶可使用兩個(gè)2 ms傳輸時(shí)間間隔的E-DCH傳輸信道，彼此位于不同的上行載波。用戶在服務(wù)基站的同一扇區(qū)擁有兩個(gè)服務(wù)小區(qū)，分別對應(yīng)于兩個(gè)載波，服務(wù)基站通過HS-SCCH指令可動(dòng)態(tài)激活或去激活輔載波。當(dāng)兩個(gè)上行載波同時(shí)激活時(shí)，它們象早期版本制定的單載波HSUPA一樣彼此獨(dú)立工作。例如，沿用了包括許可信號、功率控制及向非服務(wù)小區(qū)的軟切換機(jī)制等。

如前所述，DC-HSUPA必須與DC-HSDPA一同配置，輔上行載波只有在輔下行載波激活時(shí)才可激活。這是由于輔上行載波賴以工作的重要信息均承載于輔下行載波(F-DPCH、E-AGCH、E-RGCH、E-HICH)。而即使輔上行載波未激活甚至未配置輔下行載波依然可處于激活狀態(tài)，因?yàn)閮上滦休d波工作所需的全部信息僅承載在主上行載波上(HS-DPCCH)。

4 R10中的四載波HSDPA

為滿足日益增長的高速數(shù)據(jù)需求，基于R8 DC-HSDPA和R9中擴(kuò)展的DC-HSDPA，R10引入了非連續(xù)4C-HSDPA[9]。

4C-HSDPA使得基站能將HSDPA傳輸同時(shí)調(diào)度到多達(dá)4個(gè)5 MHz的載波，在所有下行載波采用最高階調(diào)制64QAM和2×2 MIMO配置下，峰值速率達(dá)到168 Mbps。

R10 4C-HSDPA中，配置于同一頻段的所有載波必須是相鄰的，以簡化UE設(shè)計(jì)。

此外，為了使更多的運(yùn)營商能獲得DB-DC-HSDPA帶來的益處，在R9已定義的三種頻段組合的基礎(chǔ)上，R10又引入了表2所示的另外兩種頻段組合。

表2 R10中引入的另外兩種雙頻段HSPA組合

除了雙頻段配置外，還可僅在頻段Ⅰ配置三個(gè)相鄰載波。

4C-HSDPA沿用了R8 DC-HSDPA和R9 MIMO+DC-HSDPA的大部分L1/L2方案。L1的改變僅限于L1反饋信道(HS-DPCCH)，其擴(kuò)頻因子由256減小為128。L2的變化限于增大用于RLC AM 的UE緩沖大小和MAC-(e)hs緩沖，例如對于4C-HSDPA，這意味著UE可被調(diào)度在主小區(qū)和輔小區(qū)的總共4條HS-DSCH傳輸信道，與之前的多載波特征一樣，HARQ重傳、編碼調(diào)制對于激活的各下行載波和流是獨(dú)立進(jìn)行的。需特別注意的是R10中的三載波無MIMO方式配置。為了保持與R8和R9同樣的HS-DPCCH上行覆蓋，為該配置設(shè)計(jì)了一種新的HARQ-ACK碼本。

與R8和R9多載波類似，所有輔載波可由基站使用HS-SCCH指令以十分靈活的方式動(dòng)態(tài)去激活和重激活,因此，HS-SCCH指令提供了一種高效的手段用以：

●動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡。由于不同的用戶可由S-RNC配置為具有不同的主服務(wù)小區(qū)，這可增加用戶數(shù)據(jù)速率,

●UE節(jié)電。去激活一個(gè)頻段的所有下行載波能夠讓UE關(guān)掉該頻段的接收鏈，這能夠在突發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)顯著地節(jié)約電能。

5 R11中的 8載波HSDPA

3GPP R11中包含多個(gè)HSPA的新特性。而其中之一就是8載波HSDPA，通過在多達(dá)8個(gè)載波同時(shí)向單一UE傳輸將HSDPA載波聚合擴(kuò)展到了40 MHz帶寬[10]。由于可將多個(gè)頻段聚合，這些載波不必位于彼此相鄰的連續(xù)頻段。

8載波HSDPA將使峰值速率比4載波HSDPA提高2倍，將帶來與R8到R10中多載波特性類似的增益。作為潛在的演進(jìn)步驟，可以引入4×4 MIMO，從而使峰值速率為2×2 MIMO 的2倍。

6 結(jié)束語

通過雙載波和多載波演進(jìn)，HSPA+能夠提供類似LTE的寬帶性能益處。R10(4C-HSDPA)使理論上的峰值速率高達(dá)168 Mbps，而R11的8載波HSDPA使峰值速率比4載波HSDPA提高2倍。

多頻段HSPA可在與傳統(tǒng)WCDMA和HSPA相同的頻率上部署，這使得部署變得容易進(jìn)行。因此，就現(xiàn)存的HSPA頻率而言，多載波HSPA是倍受青睞的技術(shù)而LTE需要使用新的頻段。HSPA 的演進(jìn)將與LTE-A并行發(fā)展，許多提升性能的革新可同時(shí)用于HSPA和LTE。

許多運(yùn)營商業(yè)已擁有多個(gè)載波，這使得多載波HSPA得以容易部署，并且通過引入MIMO可使峰值速率進(jìn)一步提高。

[1] Dahlman E. 3G演進(jìn)HSPA與LTE[M]. 堵久輝，繆慶育，徐斌，譯. 北京：人民郵電出版社，2010:11-22.

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[10]4G Americas. 4G Mobile Broadband Evolution: 3GPP Release 11 &Release 12 and Beyond[EB/OL]. (2014-02-25)[2014-05-06]. http//www. 4gamericas.org

[責(zé)任編輯:瑞金]

Multi-carrier HSPA and its Evolution

GU Huiqiong1, SHI Mingwei2

(1. China Mobile Group Design Institute Co., Ltd.，BeiJing 100080，China；2.School of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

Based on the fundamental concepts of multi-carrier transmission，3GPP multi-carrier high speed packet access technique is described and its further evolution after Release 8 is summarized in this paper. The enhanced techniques and improved performances in each release are stressed.

multi-band, multi-carrier, high speed packet access(HSPA), evolution

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.06.021

2014-06-27

顧慧瓊(1982-)，女，碩士，工程師，從事移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。E-mail：guhuiqiong@cmdi.chinamobile.com 石明衛(wèi)(1961-)，男，碩士，副教授，從事移動(dòng)通信和立體電視研究。E-mail：smw@xupt.edu.cn

TN929.5

A

2095-6533(2014)06-0106-05