摘要：
TD-SCDMA系统的HSPA技术主要目的是改善上下行性能，显著提高上下行分组数据的峰值传输速率，以及提高系统的总体吞吐量、减少传输时延。为了支持HSPA系统，在TD-SCDMA的基础上，增加了MAC-hs、MAC-e/es实体，新的传输信道和物理信道，对协议进行增强和优化。同时，使用了AMC、HARQ、NodeB快速调度等关键技术。本文将对HSPA技术进行详细介绍。
- 1. 引言
TD-SCDMA是中国提出的一个具有自主知识产权的第三代移动通信标准，可支持速率从8Kbps到2Mbps的语音、互联网等所有3G业务。目前，中国移动在全国十个城市部署TD-SCDMA网络，已经在八个城市进行了试商用放号。通过实际测试，TD-SCMDA的话音、数据业务都表现出良好的性能。然而，随着移动通信和Internet的迅速发展，许多对流量和迟延要求较高的数据业务，如视频、流媒体和下载等，不断涌现。这些业务对中国移动现有的TD-SCMA网络系统提出了更高的需求，要求系统提供更高的传输速率和更小的传输时延。
为了满足日益增长的分组业务需求，国际标准化组织3GPP在R5版本中提出了TD-SCDMA系统的下行增强型技术-高速下行数据分组接入(HSDPA)技术。HSDPA主要考虑下行吞吐量远大于上行链路的数据业务，如www、ftp业务，但其不具备对上行高数据业务支持的能力，因而不能很好的支持如可视电话、高质量语音等上下行数据量较平衡的业务。为此，3GPP在R6版本引入上行增强型技术-高速上行数据分组接入(HSUPA)技术，来增强TD-SCDMA系统上行链路能力。HSDPA和HSUPA合称为HSPA，两者的结合构成了完整的3.5G系统。
- 2. 物理层的实现
为了实现HSDPA的功能特性，在物理层规范中引入了三种新的信道。
(1)高速下行共享信道（HS-DSCH）
该信道用于HSDPA数据传输，可以通过时分、码分由多个UE共享。在物理层由高速物理下行共享信道（HS-PDSCH）来承载HS-DSCH信道，可以使用SF=16和SF=1的扩频因子，支持高阶调制（16QAM），传输时间间隔为5ms。
(2)共享控制信道（HS-SCCH）
该信道用于传输HS-DSCH信道的控制信息。当UE要从HS-DSCH信道接收数据时，会先监听HS-SCCH信道来判断在下一个HS-DSCH TTI上是否是传递给自己的数据，当UE得到确认后，才会从HS-DSCH信道上接收数据。对于TD-SCDMA系统，HS-SCCH要比HS-DSCH提前最少2个时隙。
对于每一个HS-DSCH TTI，HS-SCCH携带和该HS-DSCH相关的下行信令包括以下内容：
* UE标志：由于一条HS-SCCH可能同时被多个UE监听，因此需要在信令中有一个标志来确定唯一的接收者。
* 传输格式和资源信息（TFRl）：TFRI包括HS-DSCH信道的传输格式，包括UE使用哪些资源和数据在这些资源上的传送方式。具体说来有信道化码、时隙、调制方式和传输块大小。只有得到这些信息，UE才能正确地对数据进行解码。
* HARQ：指示UE当前数据块是否是以前传送的数据块的重传。
(3)共享指示信道（HS-SICH）
该信道是上行物理信道，用于传输HS-DSCH的信道质量指示（CQI）和HARQ信息比特（ACK或者NACK）。
为了支持HSUPA特性，TD-SCDMA系统上行新增加了增强上行链路专用信道(E-DCH)，这是一个传输信道，用于承载高速上行数据。其传输时间间隔(TTI)为5 ms，支持高阶调制，以及层1(L1)HARQ过程。其使用的资源，包括功率、时隙、码道等，可由NodeB调度分配。
同时在上行还定义了上行增强控制信道(E-UCCH)，用于传输上行增强相关的信令信息。E-UCCH通常和E-DCH复用在一起，传递当前E-DCH HARQ相关的信息，在物理层由E-PUCH承载。
为了支持基站调度，还引入了上行增强随机接入信道（E-RUCCH），用于上行增强业务的请求；增强上行绝对准入信道（E-AGCH），用于传输基站的调度信息给UE；增强上行HARQ指示信道（E-HICH），用于传输HARQ过程的应答信息（ACK或者NACK）给相应的UE。
- 3. MAC层的增强技术
为了支持HSPA技术的实现，在MAC层引入了MAC-hs和MAC-e/es实体,用于处理数据流复用、调度、以及HARQ相关功能。
2.1 MAC-hs实体
3GPP在R5版本中，在UTRAN和UE端的MAC层引入了MAC-hs实体，来实现HSDPA技术。
下面以位于UTRAN侧NodeB中的MAC-hs实体为例进行详细介绍。
图 3-1 UTRAN侧 MAC-hs结构
在每个小区中会有一个MAC-hs实体来支持HS-DSCH传输，MAC-hs主要负责HSDPA物理层资源的管理，处理在HS-DSCH上的数据传输。MAC-hs由四个不同的功能实体组成。
(1) 流量控制
该实体根据空口的处理能力，提供在MAC-c/sh/m和MAC-hs或者MAC-d和MAC-hs之间的流量控制。可以减少Layer2信令的延迟，同时降低HS-DSCH数据重传和删除的阻塞。
(2) 调度/优先级处理
该实体管理HS-DSCH的资源，包括HARQ实体和数据流优先级。同时，根据相关的上行信令来确定是否重传数据，提供MAC-hs PDU相关的参数(PQ ID、TSN、HCSN等)。
(3) HARQ实体
一个HARQ实体支持一个用户的HARQ功能，每个HARQ实体可以处理多个停等协议的HARQ过程。在每个TTI中，将有一个HARQ过程提供一个HS-DSCH信道的传输。
(4) TFRC选择
TFRC即传输格式和资源，该实体用于选择在HS-DSCH上数据传输的格式和所用资源。
UE端的MAC-hs实体与UTRAN端相似，只是针对UTRAN端的调度实体，提供相应的接收功能，在此不作详细阐述。
2.2 MAC-e/es实体
3GPP在R6版本中，在UTRAN和UE端的MAC层引入了MAC-e/es实体，来实现HSUPA技术。
下面以UTRAN侧的MAC-/es实体为例进行详细介绍。
图 3-2 UTRAN侧SRNC中的 MAC-es结构
图 3-3 UTRAN侧NodeB中的 MAC-e结构
在SRNC中都要有一个相应的MAC-es实体来支持UE的HSUPA技术，该实体处理E-DCH相关功能。
(1)重排队列分配
该实体根据SRNC的配置，将接收到的MAC-es PDU置于正确的重排缓冲区中。
(2)重排
该实体根据接收到的TSN和NodeB上报的子帧号，重新排列接收到得MAC-es PDU.将带有连续
TD-SCDMA HSPA技术及发展
摘要
TD-SCDMA是由我国提出的3G技术标准，是3G的3种主流制式之一。TD-SCDMA从2001年3月正式写入3GPP的R4版本，并在3GPP开展实质性标准化工作。本文介绍了TD-SCDMA HSUPA的一些关键技术，并对HSPA+标准的进展情况进行了阐述。
1 引言
TD-SCDMA是由我国提出的3G技术标准，是3G的3种主流制式之一。国际上，TD-SCDMA的标准化工作主要集中在3GPP（3G伙伴计划）进行。
TD-SCDMA在2001年3月正式写入3GPP的R4版本，并在3GPP开展实质性标准化工作；在3GPP R5中引入HSDPA，R7中引入HSUPA和MBMS等增强性技术；3GPP R8中引入LTE技术的同时，也延续进行HSPA+标准的研究工作。
由图1可以看到，TD-SCDMA技术在不断发展演进，由最初的R4阶段单终端速率384kbit/s，到3G增强型技术HSDPA/HSUPA，单终端速率（单载波）为2.8/2.2Mbit/s，以及采用HSPA+等高阶调制技术使得速率达到4.2Mbit/s。
图1 TD-SCDMA技术发展路线
2 R4 TD-SCDMA
TD-SCDMA采用不需成对频率的TDD双工模式以及FDMA/TDMA/CDMA相结合的多址接入方式，使用1.28Mcps的低码片速率，载波带宽为1.6MHz，同时采用了智能天线、联合检测、上行同步、接力切换、动态信道分配等先进技术。
基于R4版本，TD-SCDMA可在1.6MHz的带宽内提供最高384kbit/s的用户数据传输速率。CCSA在2004年开始研究制定TD-SCDMA的第一个版本的行标。研究制定过程中，为了进一步提高TD-SCDMA的系统能力，满足运营商的需求，提出N频点组网的方案。每小区/扇区N个载波，包含1个主载频，N-1个辅载频；所有公共信道均配置于主载波，辅载波仅配置业务信道和在切换时配置部分公共信道。之后，针对TD-SCDMA相关技术试验中出现的问题，又提出了UpPCH Shifting功能。UpPCH Shifting功能是指在TD-SCDMA网络中的某一个基站的下行信号由于传播时延的原因，对另一个远端基站的上行接收，主要是指对上行同步信道（UpPCH）的接收造成干扰。因此，针对这种场景，RNC根据Node B对上行时隙的干扰测量，调整UE发送上行同步信道的位置（如调整到业务时隙TS1或TS2，达到规避干扰的目的）。
3 TD-SCDMA HSPA
在R5版本，TD-SCDMA引入了下行链路增强技术HSDPA；在R7版本，TD-SCDMA引入了上行链路增强技术HSUPA。
（1）TD-SCDMA HSDPA技术
为了进一步提高频谱效率和下行链路方向分组数据业务的速率，满足诸如下载或流媒体类业务对更高传输速率和更小延迟的需求，3GPP从R5版本开始引入高速下行分组接入（HSDPA）技术。2002年，3GPP基本完成了HSDPA标准的制定。
HSDPA是一种无线增强技术。HSDPA主要采用自适应编码调制（AMC）、混合自动请求重传（HARQ）、快速调度等技术。3GPP R5版本制定了基于单载波的TD-SCDMA HSDPA标准，在一个1.6MHz载波上可提供最高2.8Mbit/s的数据速率（在时隙分配比例1：5条件下，即TS1为上行时隙，TS2～TS6为下行时隙）。
TD-SCDMA HSDPA行业标准的制定从2005年下半年启动，基于多载波框架，即通过多载波捆绑实现更高的单用户数据速率（如3载波可提供最高8.4Mbit/s）。但近期对TD-SCDMA产业的调研表明多载波功能的实现对芯片厂家很困难，因此多载波功能很可能在近期不予考虑。
需要指出的是，TD-SCDMA HSDPA系统一个载波所能提供的峰值速率与TD-SCDMA另一项关键技术，即非对称时隙分配密切相关。在系统将上行与下行时隙配置为2：4，即TS3～TS6 4个时隙为下行时隙条件下，一个载波能提供的峰值速率为2.2Mbit/s；在系统将上行与下行时隙配置为1：5，即TS2～TS6 5个时隙为下行时隙条件下，一个载波能提供的峰值速率为2.8Mbit/s，而且这个峰值速率是在不考虑HSDPA系统中公共控制信道所需占用一定码道资源（HS-SCCH需占用至少2个码道）开销条件下得到的。
根据用于HSDPA的下行时隙数目和调制方式的不同，单小区内一个1.6MHz载波上可提供不同的下行峰值数据速率（见表1）。
表1 不同的下行峰值数据速率
（2）TD-SCDMA HSUPA技术
经过前期的技术可行性研究，2007年底在CCSA正式启动了TD-SCDMA上行链路增强HSUPA的标准制定工作。HSUPA采用的主要关键技术与HSDPA类似，即自适应编码调制（AMC）、高阶调制（16QAM）、混合自动请求重传（HARQ）、快速调度等。2009年初已完成相关接口的协议规范的标准化工作。
根据用于HSUPA的上行时隙数目和调制方式的不同，单小区内一个1.6MHz载波上可提供不同的上行峰值数据速率（见表2）。
表2 不同的上行峰值数据速率
由于WCDMA技术在上行链路中UE之间是不同步的，而且相关的物理资源是掌握在每个UE处，因此很难像HSDPA技术那样，由基站统一调配资源，集中提供给具有良好无线环境的用户使用，极大地提高单个用户的瞬时峰值速率，从而提高整个小区的吞吐量。对于WCDMA的HSUPA技术来说，更为准确的称呼是增强的专用信道（E-DCH），上行链路依然采用的是专用信道的概念，只是引入了HARQ和快速调度算法，从而减少延迟、提高速率。
对于TD-SCDMA技术来说，由于每个小区的上行采用一个扰码，因此可以实现共享信道的方式，即由基站来统一调配资源，在某个时刻，用资源集中提供给某个用户来使用。因此，TD-SCDMA HSUPA技术在理念上更靠近HSDPA的思想。其主要的关键技术有以下几点：
●Node B控制的调度
通过Node B对UE的功率调度许可和上行功率控制来控制小区内与小区间的干扰，即上行RoT控制，维持系统的干扰稳定在一定阈值内。
与HSDPA调度的不同在于：为了控制小区内与小区间的干扰情况，增加了被调度UE的功率控制。同时在调度策略上还需要考虑不同位置的UE所带来的对本小区和邻小区干扰大小的差异。
●HARQ技术
TD-SCDMA在HSUPA中采用的HARQ技术与HSDPA相同，是异步自适应方式。这一点与WCDMA也是不同的，WCDMA在HSUPA中使用的是同步的HAQR技术，同步HARQ的主要好处就是节省了控制信令开销，不需要表示HARQ处理序号。而在TD-SCDMA的HSUPA技术中，由于使用了共享信息的理念，因此如果采用同步HARQ技术的话，假定某个UE把Node B反馈的ACK被错误地解码成NACK，那么就需要在后面帧的相同时隙和码资源中进行重传；与此同时，由于所有的用户共享同一个信息，因此调度器完全有可能将此资源已分配给其它UE使用，从而造成冲突。因此，TD-SCDMA中使用的是异步HARQ。
●高阶调制与AMC
TD-SCDMA在HSUPA阶段就在上行引入了16QAM的调制方式，而WCDMA到HSPA+阶段也在上行引入16QAM的调制方式。
4 TD-SCDMA HSPA+
3GPP基本完成HSDPA和HSUPA（统称HSPA）的标准制订后，在对LTE积极推进的同时，对基于HSPA无线网络的容量和性能增强的研究也在进行中。
业界普遍认为，HSPA网络将构成未来3G系统不可或缺的部分，并且必须提供向LTE的平滑演进路径。在全球主要移动运营商的推动下，2006年3月的3GPP RAN第31次全会通过了开展HSPA（FDD）演进（HSPA+）研究项目的决定，试图进一步对HSDPA和HSUPA进行增强，为未来的3GPP系统提供平滑的演进路径。并且确定研究要遵循如下指导原则：
（1）HSPA的频谱效率、峰值数据速率、时延性能继续演进提高，并应考虑与LTE系统的权衡。
（2）HSPA演进系统和LTE系统间的互操作应使得从一种技术向另一种技术尽可能平滑，并便于两种技术的共同运行。
（3）演进的HSPA网络应能作为一种只使用共享信道、只提供分组业务的网络而运行。
（4）HSPA演进之前的终端（包括R99终端和HSPA终端）应能与实现了HSPA演进新特性的终端共用同一载波，且无性能降低。在这种意义上，HSPA演进应支持后向兼容。
（5）理想地，HSPA网络设施应可通过简单升级就能支持HSPA演进所定义的部分特性。
从上述指导原则看，HSPA演进（又称为HSPA+）更强调与此前3GPP系统的后向兼容性，而LTE在网络架构、无线技术等方面的变化则几乎是革命性的。
TD-SCDMA HSDPA/HSUPA之后HSPA+的技术标准研究工作也在国内和国际展开。单载波条件下，理论下行峰值速率可达到4.2Mbit/s（单流）、上行峰值速率可达到2.2Mbit/s。TD-SCDMA HSPA+可采用更高的调制编码方式，如采用64QAM；采用半动态的调度算法等，保证分组数据业务用户的持续连接（CPC）；采用干扰消除、干扰协调、干扰随机化等技术，减少小区间干扰；物理层，层2，层3，UTRAN Iub等相关协议需要对MIMO技术支持，并研究相关的MIMO接收算法。对于TD-SCDMA来说，可能会包含以下技术：
●引入高阶调制：下行引入64QAM调制技术
下行引入64QAM调制后，TD-SCDMA在单载波下行的峰值速率可以达到3.3Mbit/s（上、下行时隙比为2：4）。
对于上行，WCDMA会在HSPA+阶段引入16QAM调制，而TD-SCDMA在HSUPA阶段已采用了16QAM调制，因此在HSPA+阶段对上行的速率可能不会再有提升。
●增强CELL_FACH状态
随着“Aalways-on”（如Pushemail以及VPN连接）业务的出现，CELL_FACH的应用将越来越广泛。对于某些类型的业务，例如一些传输频繁但数据量较小的背景类业务，将UE保持在CELL_DCH状态并不合适。而且使用HSPA技术，可以明显减少PS域和CS域信令RB的延迟。基于此，可以考虑在CELL_FACH状态使用HSPA技术提高数据速率、降低信令延迟；这一增强技术同样可以考虑用于CELL_PCH和URA_PCH状态。
●CPC（Continuous Packet Connectivity，连续性连接）
以分组业务为导向的HSDPA/HSUPA技术能极大地提升用户的传输速率，但传输间断、连接终止及重连等不可保证的QoS机制也是的确存在的。CPC分组数据的连续传输正是基于此而提出的解决方案。CPC采用预留最小带宽的方式，可以避免在用户无业务活动时完全释放专用信道导致的重建时延，减少控制信道开销，从而提高用户数量。
●层2增强
由于层1的新技术的引入极大地提高了下行的峰值速率，但是HSDPA在RLC层的峰值速率的确要受限于RLC PDU的大小，RTT以及RLC窗尺寸。当前的RLC PDU并不能满足引入MIMO和64QAM后的下行HSDPA的要求，因此需要对层2技术进行增强。
●MIMO技术
MIMO（Multiple Input/Multiple Output，多输入、多输出）技术是针对多径无线信道来说的，是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，从而提高数据速率，减少误比特率，改善无线信号传送质量。但是MIMO的多天线会增加体积，同时也需要多功放的配合驱动，耗电增加。在以个人用户为主导的3G移动通信中，终端的体积和耗电始终是困扰众多芯片/设备厂商的难点。
目前，已基本明确下行采用MIMO双流技术，而上行为减少终端实现难度将不采用MIMO技术。对于TD-SCDMA来说，已经使用了智能天线。智能天线如何与MIMO技术相结合，将是目前面临的重要问题。在研究过程中提出几种解决方案：一种是将智能天线分成两组，实现4天线一组的双流技术；另一种是在原有智能天线的基础上，实现8天线一组的双流技术。
