HSUPA增强技术及其测试解决方案

HSUPA技术介绍

WCDMA的R99和R4系统能够提供的最高上下行速率分别为64kbit/s和384kbit/s，为了能够与CDMA2000的1xEV-DO技术抗衡，3GPP在R5规范中引入了HSDPA，在R6规范中引入了HSUPA。作为WCDMA标准的升级技术，HSUPA可以使上行最高数据传输速率提高到5.76Mbps。目前，HSUPA标准在3GPP规范化进程中已全部冻结，并已完成全部的CR。相应的预商用产品预计会在2007年年中推出。

作为一种高速分组接入技术，HSUPA引入了新的数据和信令承载功能信道，以及相应的功率控制、拥塞控制和资源调度等机制。HSUPA在R99/R4版本的基础上通过引入短TTI, 短扩频码，甚至采用扩频因子为2的短码字，以及多码道技术等来实现UE的高速上行分组接入。如果分析当扩频增益变小和TTI变短对于物理层可能带来的影响，这种通过修改承载参数来实现高速接入的机制必然会带来分组包的误块率(BLER)增大，甚至丢失。正因为这一点，R99/R4就无法采用类似的方法进一步提升速率。而HSUPA通过引入自动混合重传(HARQ)和软合并技术来克服上

述的影响，保证系统的BLER。在此基础上，通过把R99/R4的DCH调度从RNC往Node B前端移动，从而实现资源的快速调度，从而达到增加小区吞吐量的效果。

与HSUPA相对应的是HSDPA，这是一种有效的高速下行分组传输技术，它能充分利用R99/R4下行物理信道多余的码字和功率资源。HSUPA独立于HSDPA,即两者在关键技术和承载的物理信道上相互独立。但同作为WCDMA后续的分组传输加强技术，HSUPA和HSDPA的关系却极为密切。而作为一种演变技术的E-HSPA, 综合了HSDPA和HSUPA两者的好处。从而可以在WCDMA 5M带宽的基础上，达到与LTE(下行OFDMA、上行SC-CDMA将会在3GPP R8版本中定义)近似的性能，即频谱利用率达到2bit/s/Hz的水平。

本文就HSUPA技术的本质作了一下深入探讨。通过分析，并借助与HSDPA的比较，揭示了HSUPA技术的实现和优势。第二章会描述HSUPA的物理层关键技术及其支撑信道，第三章介绍HSUPA协议栈和基于上面的快速调度技术，第四章将对HSUPA数据终端的发展做简单介绍。最后对其演变做一下总结。论述中，将会对HSUPA发展和预商用测试的一些解决方案作一些介绍。

HSUPA物理层关键技术

HSUPA同HSDPA一样，物理层关键技术的本质都是对WCDMA分组传输技术的加强。众所周知，分组传输技术本身是一种服务于用户突发性数据访问的技术，资源的调度是基于分组包进行的。为了支持上行高速的分组业务，HSUPA引入了五个新的物理信道，并对上行分组包的传输格式提供了增强支持。这主要包括短TTI(2m)和可选短扩频码SF=2的支持等。但在调制方式上，HSUPA却没有引入新的调制方案，而是使用与WCDMA上行同样的双BPSK调制(HPSK扩展)。而大家记得HSDPA在下行引入了比WCDMA的QPSK更高阶的16QAM调制以提高下行速率。

表1 HSUPA传输信道和物理信道定义

表1是HSUPA传输信道和物理信道的定义。从中可以看到HSUPA继续延续了WCDMA、HSDPA多码道传输的概念，其理论峰值速率5.76Mbps是在2个SF=2和2个SF=4的4码道并行传输的情况下实现。需要注意的是，是否支持SF=2的扩频码由HSUPA终端的能力类别决定。此外，由于上行链路多码道传输的峰均功率比PAR问题，必须对上行的E-DCH物理信道作I/Q路的均衡配置和功率增益补偿。一般而言，E-DPCCH总是映射到I路上面;而E-DPDCH的映射取决于配置的E-DPDCH最大信道个数Nmax-dpdch和HSDPA信道的是否存在。

在对帧的支持上，HSUPA可灵活支持TTI=2ms和TTI=10ms的帧格式，表1中物理信道可以支持两种TTI帧格式，这有别于HSDPA单一的2ms TTI和R99的10 × 2nms，(n=0,1,2,3)。10ms TTI的保留一方面是考虑标准实现早期的向后兼容，另一方面是因为基于2ms TTI的短帧传输不适合工作于小区的边缘。由于两种帧格式的存在，3GPP TS 25.214(物理层进程)规范对三种下行信令信道对E-DCH控制的时序关系作了分开阐述。其目的是如何更加有效和可靠地让服务小区集或非服务小区集中的下行控制信道携带的控制信息在E-DPDCH某个特定的SFN或子帧中起作用。

从本质上而言，HSUPA主要是上行的技术。考虑上行链路的特点，如上行软切换、功率控制和UE的峰均比(PAR)及用户间的远近效应 (上行使用扰码来区分用户，互相关性差)等，HSUPA主要采用快速链路适配，自动混合重传和快速调度等技术来提高上行链路的数据速率和小区容量。

为了简化HSUPA终端复杂的硬件结构和处理机制，在E-HICH的功能设计上虽然与HSDPA的HS-DPCCH类似，即用来提供HARQ反馈信息(ACK/NACK)。但是，它不包含CQI信息，因此HSUPA不支持自适应调制和编码AMC。由于WCDMA的扩频原理，UE的发射功率与其发送信息的数据速率直接相关：即高速率传输要求低扩频因子，也意味着低扩频增益，因此UE的发射功率要高。此外，同时发送信息的UE越多，其导致的相互干扰越多。而Node-B只能容忍最大数量的干扰，一旦超过最大值，它就不再能解码各个UE的传输信息。所以，Node-B必须调节各个UE的E-DCH功率电平，以避免达到“功率天花板”。从表1我们可以看到，HSUPA利用RGCH信道进行上行的功率控制，以确保各个手机的功率。

采用上行功率控制后的HSUPA, E-DPDCH、E-DPCCH的初始功率设置与DPCCH有一定的偏置，即引入了△E-DPCCH和△DPDCH。△E-DPCCH

和△DPDCH的值由高层协议栈给出，譬如在呼叫建立的时候。根据3GPP TS 25.214规范，这种偏移bec，bed(j=1...4)值的配置还必须充分考虑TTI间隔和压缩模式的因素。对于△DPDCH，还必须考虑采用的E-DPDCH信道个数等影响。

图1是基于罗德与施瓦茨(R&S)CMU200平台的HSDPA+HSUPA网络模式下UE的信道功率情况及相应的功率偏置值b的测试。这种测试可以非常清楚直观地发现HSUPA数据终端的码道功率情况，并且非常容易扩展到规范要求的其它指标测试。

图1 HSUPA码道功率和功率偏置

对于终端而言，可同时检测服务小区和非服务小区集的E-RGCH信道。不同的是只有服务小区的RGCH信道允许命令终端提高发射功率，即发射UP(+1)指令。非服务小区只能指示过载的情形。由于自动混合重传HARQ的存在，BLER指标不会变差。因此HSUPA的外环功率控制的依据会改为“重传的次数”，而不是BLER，这一点跟HSDPA是类似的。

为了降低BLER,同HSDPA一样，HSUPA采用了自动混合重传技术HARQ，支持两种合并方式。即对基站重发的相同的分组包进行前后合并(Chase Combing)或对基站重发的含有不同信息(即冗余信息)的分组包进行增量冗余合并(Increment Redundancy)。信息在UE与基站间直接传输，采用ACK/NACK的方式进行，当基站正确接收数据后，会通过E-HICH信道发送ACK信息，否则发送NACK信息，这样便于UE准确及时地了解是否需要重传。

实际的HSUPA系统，为了克服停止等待协议(Stop and Wait，UE发送数据包以后要等待基站返回的ACK/NACK，这种等待降低了传输速率)的局限性，采用了HARQ并发进程的做法。在等待基站返回ACK/NACK时，UE可以发送下一个数据包。对于发送的每一个数据包，UE在E-DPCCH都发送相应的重传序列号RSN,这种HARQ是同步的。这样就极大地提高了重传的速度。目前通过CMU200平台可以非常方便进行上述的配置，来验证UE的HARQ等性能。

事实上HARQ技术的效率和性能很大程度上取决于HSUPA的调度算法。HSUPA中的调度主要由NodeB中新增的MAC-e功能实体完成。

图2 R&S Layer 1 软件的服务准许配置

HSUPA协议栈和快速调度

HSUPA调度的核心思想是避免过多的UE同时高速接入，从而给系统带来干扰，即尽可能抑制上行干扰和功率过载。这一点同HSDPA采用MAC-hs调度,实现码字和功率的有效分配有很大差别的。但两者共同点是，调度信令是在基站和移动终端间直接传输的，这跟WCDMA R99 的RNC控制下的RLC重传机制不同，因而更加适合于高速的分组调度。

HSUPA 基于Node B的快速调度机制可以使基站灵活快速地控制小区内各移动终端的传输速率，使无线网络资源更有效地服务于访问突发性数据的用户，从而达到增加小区吞吐量的效果。

目前HSUPA的调度主要基于E-DCH信道进行的。调度的申请主要是UE向基站发送相应信令信息实现。每个UE都有自己的服务准许(Serving Grant)，影响着下一次发射UE采用的E-DPDCH信道的功率比。从表1中我们知道，服务准许包括两方面的内容：绝对准许及相对准许。绝对准许的内容为小区信息，E-DCH的绝对功率偏置(相对DPCCH)以及UE可用的Primary E-RNTI及Secondary E-RNTI。绝对准许可以用来初始化UE的服务准许。

当UE的上传数据量非常大时，Node B会指示它使用主E-RNTI资源，反之指示它使用辅E-RNTI，即与其他用户共享E-RNTI的资源。相对准许主要包括E-DCH信道功率的相对上升(UP)，保持(HOLD)和下降(DOWN)等信息。UE的服务准许可根据绝对准许及相对准许的改变而更新。处于主E-RNTI的UE，基站采用专用的调度机制;处于辅E-RNTI的UE，基站采用一般调度方案。需要注意的是，服务准许的更新主要是通过查找SG表来实现。为了保证更新的效率，通过对前面TTI功率比参数的判断采用的不同的步幅。

正如我们前面提到，HSUPA的调度由MAC-e功能实体完成。实际上，HSUPA在UE和网元Node B及SRNC上引入了MAC-e和MAC-es两个实体，如图3。MAC-e在UE和Node B中实现，通俗而言，它是重传和调度的指挥中心，决定UE的高速接入，并根据队列优先级、UE能力、等待/空闲时间、ACK/NACK重复次数和压缩模式等参数进行基于业务QoS需求的TFC算法

选择。从理论上而言，这是一种参数化的调度器。

图3 HSUPA协议栈结构

MAC-es实体在UE和SRNC中实现。在UE中，它负责把多条MAC-d流量复用到同一条MAC-es流上。在SRNC中,它主要负责顺序合并和把MAC-d流跟不同QoS规范(如流类业务和后台类业务)的各个PDP场景对应。因此，与HSDPA不同，MAC层在Node B和RNC之间的分离，为E-DCH软切换和更软切换创造了条件。因为位于SRNC中的MAC-es接收的帧可能来自当前为UE服务的不同Node-B。

目前，3GPP TS34.123对于MAC-e/MAC-es的实体的各种具体功能，包括与RRC相互作用的各种场景，主要包括RRC控制下物理信道的重配，E-TFC, happy bit调度和HARQ重传机制及MAC-d流的正确复用和解复用等。另外，基于业务QoS的RAB建立和NAS层HSUPA相关的特性都需要额外考察。

在切换方面，HSUPA到GPRS小区的切换是比较关键的地方。目前关于此方面的测试可以在罗德与施瓦茨公司的CRTU-W上实现。CRTU具备强大的分析工具支持，甚至可以支持上传文件，Email等真实的业务流。

HSUPA数据终端介绍

根据3GPP规范，HSUPA终端共有6类。它们代表了不同的执行复杂性。差别主要在于最大支持的E-DCH码字，最小的扩频因子，TTI和支持的最大传输块大小。其中TTI和最大传输块大小决定了UE的最大传输速率。目前，6个分类中，支持2ms TTI的仅有三种，而支持10ms TTI的，即2Mbps的终端在各个分类中居于多数。

正如HSDPA数据终端分阶段进行一样，HSUPA终端的发展也必然分阶段进行。在预商用的早期，2Mbps的数据终端会最先推出，再逐步发展到5.76Mbps。

在HSUPA数据终端的开发过程中，要经历物理层测试，协议栈集成，射频测试，一致性测试，生产测试等阶段。这是一个分阶段逐步进行的工作。为了加速产品的开发和保证终端的质量，需要对各个功能模块和实体单元进行暗箱或白箱测试。在这些阶段可以分步采用支持HSUPA测试的信号源SMU200A和频谱分析仪FSU/FSQ、无线综测仪CMU200和协议分析仪CRTU-W，具有很好的灵活性。

结语

正如本文前面介绍，HSUPA物理层和协议栈技术使3G上行频谱效率翻了一倍。对于FDD对称频段的WCDMA系统，极大的提高了资源的利用率。此外，对于提高网络吞吐量，提供高速的上行业务，尤其是高速互动类业务，上载类业务提供了强有力的保障，从而帮助运营商降低运营成本并提高其业务吸引力。

HSUPA是与HSDPA对称互补的技术。HSDPA和HSUPA结合在一起，会达到资源利用的最大化。目前3GPP在上行的可能信道配置上给出了三种组合，分别对应网络模式为R99+HSDPA, R99+HSDPA+HSUPA和HSDPA+HSUPA。目前各大芯片厂商正在加强推出HSUPA的早期预商用芯片。估计在明年中后期，整个市场将会逐渐成熟。

其演变技术E-HSPA，有利于网络的整体优化。目前E-HSPA已纳入3GPP的候选考虑范畴，以作为向LTE平滑过渡的技术。不管结果怎样，可以用岑参的一句诗来形容：“忽如一夜春风来，千树万树梨花开”，市场回暖和业务驱动的今天，HSUPA的推出势在必行。