TD-SCDMA HSDPA终端的实现

摘要　相对于3G的另外两个国际标准（WCDMA、CDMA 2000）来说，TD-SCDMA系统HSDPA（高速下行分组接入技术）终端的发展相对滞后，加速其发展是增加竞争力的重要因素。文章分析了高速数据业务在TD-SCDMA系统实现的重要意义，并探讨了HSDPA功能在终端的实现机制和解决方案。

1、TD-SCDMA高速数据业务的重要意义

目前，日本和韩国的3G经营商已经在体验3G高速数据服务方面取得巨大成功。日本DoCoMo公司于2001年推出的WCDMA-FOMA服务，截止到2004年5月已拥有400万用户，所创造的收入已经占到其总收入的20%以上。韩国电信公司（SKT）于2003年第3季度部署了1x EV-DO网络之后，该公司数据服务收入占据每用户平均收入（ARPU）值的比例上升到了34%。预计在未来几年内，数据服务仍将会取得大幅度增长，并成为第三代（3G）移动通信的主要应用和主要收入来源。

为了适应多媒体应用对高速数据传输日益增长的需要，第三代移动通信合作项目组（3GPP）公布了一种新的高速数据传输技术——HSDPA（高速下行分组接入技术）。该技术在WCDMA系统中已经得到了广泛的应用。根据电信相关部门的统计数据，目前全球共有123个HSDPA网络在56个国家/地区计划部署，其中有70个WCDMA-HSDPA网络在39个国家/地区商用，14个WCDMA-HSDPA网络已经达到3.6Mb/s的速率。终端方面，目前已经有66款HSDPA终端上市，其中22款手持机、44款PC卡及路由器，共19家提供商；另外还有13款内置HSDPA功能的PC机，共有8家提供商。

综合以上的数字我们可以看到，高速数据业务是第三代移动通信的重要服务，也是运营商的主要收入来源。TD-SCDMA如果要让用户体验到其优越于2G的服务，必然要提供高速的数据业务。国产的3G标准TD-SCDMA要在和其他3G标准的竞争中占有一席之地，实现高速数据业务也具有相当重要的意义。

2、TD-SCDMA高速下行数据终端实现机制和原理

2.1　TD-SCDMA高速下行主要技术

TD-SCDMA在3GPP Release 5版本的规范里引入了HSDPA技术。该技术能够在不改变现有网络结构的情况下提高TD-SCDMA系统下行传输数率，单载波理论值为2.8Mb/s。HSDPA主要引入了HARQ（混合自动重传）技术、AMC（自适应调制编码）技术、快速调度和高阶调制技术。

HARQ（混合自动重传）技术是将FEC（前向纠错）同ARQ相结合的纠错方法，利用FEC技术的纠错能力以提高系统的传输效率，并通过ARQ技术来提高系统传输的可靠性。发端发送的码不仅能够检错，而且还具有一定的纠错能力。收端译码器收到码字后，首先检查错误情况，如果可以则自动纠错；如果错误很多，解码失败的话，则保存接收到的数据，并要求发送方重传一定的数据。这种方式在一定程度上避免了FEC方式需要复杂的译码设备和ARQ方式信息连贯性差的缺点。

AMC（自适应调制编码）技术基本原理是网络侧根据信道的实际情况确定当前信道的容量，根据容量来确定合适的调制编码方式，以便最大限度地发送信息，实现较高地传输数率。而且，针对每一个用户的信道质量变化，AMC都能够提供相应变化的调制编码方案，从而获得较高的传输数率和频谱利用率。AMC和HARO两者结合起来可以得到很好的效果：AMC提供粗略的数据速率选择，而HARQ可以根据数据信道条件对数据速率进行较精细的调整。

快速调度技术主要是指原来在RNC（Radio Network Controller）中实现的分组调度功能转移到Node B来实现，从而大幅度的减少数据传输处理时延。

2.2　TD-SCDMA HSDPA终端实现机制

为了在TD-SCDMA系统中实现HSDPA功能，引入了一个新的传输信道HS-DSCH（High Speed-Downlink Shared Channel）和三个新的物理信道HS-PDSCH（High Speed Physical Downlink Shared Channel）、HS-SCCH（Shared Control Channel for HS-DSCH）、HS-SICH（Shared Information Channel for HS-DSCH）。同时引入了MAC—-hs实体，处理MAC（Medium Access Control）层HS-DSCH的相关功能，包括HARQ协议处理、重排、拆分调度等。

（1）终端侧MAC-hs实体结构如图1所示：

图1　终端侧MAC-hs实体结构

其中主要的是HARQ实体和重排实体。MAC-hs的详细配置信息是通过MAC控制接入节点从RRC（Radio Resource Control）层获得的。

HARQ实体负责处理HARQ协议。在每个TTI（TD-SCDMA HSDPA系统的TTI=5ms）里，终端有一个HARQ进程在运行，负责执行HARQ相关的所有任务，如处理ACK/NACK等。HSDPA的HARQ采取了最简单的SAW（Stop And Wait）机制。SAW机制虽然实现非常简单，但是由于下一个数据块的传送需要等到上一个数据块的确认消息而使其效率比较低。为了提高资源利用率，可以根据网络侧的配置，多个HARQ进程同时进行。这样，当一个HARQ进程处于确认消息等待状态时，另外的HARQ进程可以进行数据的传送。

重排实体根据接收到的TSN（传输序列号）对数据块进行排序，并将顺序的数据块依次传送给拆分实体。当接收到的数据块不连续时就会启动一个定时器（T1），把收到的不连续数据块缓存在重排实体里。当定时器T1到时，将所有正确接收到的数据块都传送给拆分实体。

拆分实体主要是将MAC-hs PDU的头解析后去除，并将可能的末尾填充比特去除，由此得到MAC-d PDU，然后传送到MAC-d实体进行处理。

（2）HS-DSCH、HS-PDSCH、HS-SCCH和HS-SICH的实现

一个终端对应的只有一个HS-DSCH，不同的终端可以通过时分复用或者码分复用来共享HS-DSCH信道。在HS-DSCH传输信道上每次只传送一个传输块。CRC的长度固定为24比特，信道编码采用1/3 Turbo方式。HS-DSCH映射的物理信道是HS-PDSCH，扩频因子可以使用SF=1或者SF=16，调制方式可以采用QPSK或者16QAM。HS-PDSCH功率控制由网络侧根据编码调制方式和HS-SICH上的TPC综合决定。

HS-SCCH是一个物理信道，是HSDPA专用的下行控制信道。它使用的扩频因子为SF=16，调制方式采用QPSK。HS-SCCH承载着所有HSDPA相关物理层的配置信息和控制信息。终端根据HS-SCCH的配置信息接收HSDPA的下行数据。HS-SCCH信道上的配置信息主要包括UE_TD、TFRI、HARQ、HS-SICH上行同步和功控等相关信息。UE_ID用于表示当前配置信息所属的终端。TFRI主要包括码道、时隙的分配信息，传输块大小和调制方式信息，分别用于指示终端下一次接收HSDPA数据所使用HS-PDSCH的码道、时隙位置，传输块的大小和调制方式是QPSK还是16QAM。HARQ相关信息包括HARQ进程信息、新数据指示信息和冗余版本信息。新数据指示信息表明此次数据是新数据还是重发数据。当前终端收到HS-SCCH信道信息时刻必须比为HS-PDSCH配置的第一个时隙提前至少3个时隙的时间，并且TD-SCDMA的上、下行导频时隙不在计算之内。HS-SCCH的初始发射功率由网络侧决定。HS-SCCH的闭环功率控制由HS-SICH信道上的TPC（传输功率控制）信息控制。

HS-SICH是一个物理信道，是TD-SCDMA HSDPA专用的上行控制信道。它使用的扩频因子为SF=16，调制方式采用QPSK。HS-SICH信道用于反馈相关上行信息，主要包括CQI（信道质量指示）和ACK/NACK。为了支持HARQ的反馈信息，终端在接收到HSDPA数据后需要向网络发送ACK或者NACK。终端将1比特的反馈信息通过重复的方式编码成36比特，以提高反馈信息传送的可靠性。终端根据测量的结果选择RTBS（推荐传输块大小）和RMF（推荐调制方式）。RTBS采用R-M编码方式将6比特信息转换成32比特，RMF则采用重复的方式将1比特编码成16比特。RTBS和RMF的组合就是CQI。当前终端发送HS-SICH信道信息时刻必须比其对应的HS-PDSCH配置的最后一个时隙滞后至少9个时隙的时间，并且TD-SCDMA的上、下行导频时隙不在计算之内。HS-SICH的上行开环功控由网络侧配置期望接收功率和终端测量路损得到。HS-SICH闭环功控由HS-SCCH上的TPC（传输功率控制）信息控制。HS-SICH初始上行同步根据相关DPCH，以后的上行同步取决于HS-SCCH上的SS控制字。

（3）HSDPA数据传送典型过程

终端用户需要HSDPA相关服务时，首先发起PDP上下文激活的信令流程。在此信令过程中，网络侧给终端配置了与HSDPA相关的HS-SCCH、HS-SICH信息。

当需要在HS-PDSCH传送HSDPA下行数据时，网络侧根据各个用户的信道条件、各个用户在缓冲区内的剩余数据量、自从上次某个用户服务后所经过的时间以及哪些用户的重传还没有执行等因素选择合适的用户。网络侧先在HS-SCCH上发送用户标识信息、用来传送数据的HS-PDSCH的配置信息。

终端在收到HS-SCCH后，根据上面携带的用户标识来判断此HSDPA数据是否属于自己。如果属于自己，则根据HS-SCCH所指示的HS-PDSCH的配置情况进行数据接收。终端根据接收到的数据和测量结果在HS-SICH上向网络反馈结果，用以指示数据传输的是否成功，并且指示网络侧在下一次的数据传输中采用那种CQI。

网络侧在收到终端HS-SICH上的信息后，进行后续数据的传输或者当前数据的重传。

用户希望结束HSDPA数据服务时，终端发起PDP上下文去激活的信令流程。在此信令过程中，网络侧将释放所有的HSDPA相关的配置。

3、TD-SCDMA HSDPA终端解决方案

本方案是在T3G（天碁科技）公司TD-SCDMA/GSM自动双模解决方案基础上讨论TD-SCDMA HSDPA（高速下行分组接入技术）的实现。

由于HSDPA主要是满足用户高速下行数据的应用要求，物理层需要在很短的TTI内把数据解调出来传送给上层，这就要求下行的处理能力强，而且速度必须快。本方案的物理层采用单独的内核和操作系统，高层协议采用另外的内核和操作系统。HSDPA数据的处理和反馈速度要求非常快，为了加快终端和网络的实时性，把所有的HARQ功能都放在终端的物理层来实现。在HARQ的实现过程中，终端如果无法正确解码HADPA数据，就会给网络侧回复NACK信息。同时会将这部分HSDPA数据软比特缓存起来，以便和接收到的重发数据一起解码而获得最好的效果。由于HSDPA的数据量相当大，这就要求物理层同时具备很大的存储空间。

为了实现HSDPA，在MAC中增加了MAC-hs实体来实现重排功能。当MAC-hs收到的HSDPA数据块的TSN不连续时就需要缓存暂时无法上传给拆分实体的数据，因此也需要额外的缓存空间。

本方案硬件平台框图如图2所示：

图2　TD-SCDMA HSDPA参考硬件平台

在协议栈方面，在基于T3G原有的TD-SCDMA/GSM双模协议栈的基础上增加了支持HSDPA的功能。根据3GPP标准的定义，在MAC层增加了MAC-hs实体，增加了对HS-DSCH的支持。在物理层也根据标准的定义增加了对HS-PDSCH、HS-SCCH和HS-SICH相关编解码的支持。增加了RRC层和MAC层、物理层接口对HSDPA的支持。从而实现了对HARQ、16QAM和AMC的支持。本方案将所有HARQ的功能都放在物理层的独立的内核来处理，反馈信息ACK/NACK不需要从MAC传送到物理层后再发送给网络侧，大大增加了HSDPA相关处理和反馈的实时性。TD-SCDMA HSDPA相关的协议栈结构如图3所示：

图3　TD-SCDMA HSDPA相关的协议栈结构

4、总结

经过多年的努力，TD-SCDMA标准已经越来越受到国际的认可和支持。TD-SCDMA系统HSDPA的实现能够大大加强其在3G国际标准里的竞争力。TD-SCDMA HSDPA终端的实现和产业化是其中很关键的一环。

TD-SCDMA终端如果能够配合网络实现HARQ、高阶调制、AMC和快速调度等功能，将会更好的支持高速下行数据业务——HSDPA。同时，芯片集成度的增高、进一步的高阶调制技术、MIMO技术等的研究和实现必将为TD-SCDMA高速数据业务进一步发展提供更多的空间。