TD-HSPA關鍵技術

近年來，第三代移動通信技術的發展非常迅速，特別是具有自主智慧財產權的TD-SCDMA技術在我國更是獲得了高度重視。2007年在北京、上海等10個城市進行的TD-SCDMA大規模商用網路試驗，進一步提高了TD-SCDMA技術的商用水平。2008年奧運會的召開促使TD-SCDMA網路在原來10個城市的基礎上，逐步實現全國覆蓋，所有這些都預示了TD-SCDMA技術已經日趨成熟，可以滿足未來隨時可能啟動的商用要求。

基本介紹

• 中文名：TD-HSPA關鍵技術
• 外文名：TD-HSPAKeytechnique
• 套用學科：通信

概述

當前，新一輪的移動通信技術標準和技術浪潮風起雲湧，以3G增強技術、LTE長期演進及4G技術為代表的新的競爭態勢正在形成。為了保證TD-SCDMA在這些新技術上繼續有創新、有突破，保持可持續發展，TD-SCDMA技術標準後續的演進必須基於TD-SCDMA現有的關鍵技術和核心專利。目前TD-SCDMA已經有了非常清晰的技術演進路線，即從目前的單載波技術向多載波技術演進，從3G增強（指TD-SCDMA高速分組接入（TD-HSPA））到長期演進（LTE）技術，再演進到IMT-Advanced。

3G增強技術是在3G現有技術的基礎上，通過引入局部的先進技術，如HARQ、AMC、高階調製、快速調度機制等，取得明顯的性能提升，以滿足3G現有網路的快速升級和部署。採用的基本技術仍然以CDMA技術為基礎，沒有技術體制上的更新換代。TD-HSPA技術以TD-SCDMA高速下行分組接入（TD-HSDPA）、TD-SCDMA高速上行分組接入（TD-HSUPA）、TD-SCDMA多媒體廣播與多播業務（TD-MBMS）、TD-HSPA增強與演進（也叫TD-HSPA+）為代表。

演進

從標準發展的角度講，3GPP必然會在HSDPA和HSUPA之後進一步演進，但演進的方向和時間表都遲遲未定。然而在LTE項目啟動的初期，3GPP內部就LTE系統的多址技術選擇產生了爭執。大部分公司主張採用OFDM作為LTE的基本多址技術，這種技術可以擴展到很大頻寬，更符合技術長期發展的趨勢，可以更平滑地過渡到4G（IMT-Advanced）。一小部分公司主張沿用3GPP一直採用的CDMA技術，並在此基礎上進行一系列改進，如採用MIMO技術和增強型接收機等。經過激烈的討論，LTE最終選擇了OFDM/SC-FDMA作為基本多址技術，這就使LTE系統缺乏和3G系統的後向兼容性。

而基於目前的理論，除了頻寬擴展性比較好外，並不能看出OFDM比CDMA有哪些明顯優勢。而且支持OFDM技術的公司作為對支持CDMA技術的公司的一種妥協，承認在5MHz頻寬以內，CDMA演進系統完全可以達到和LTE系統相同的性能，HSPA系統也可以在5MHz頻寬內繼續演進。所以在LTE項目之後，3GPP又啟動了HSPA（包括HSDPA和HSUPA）的演進項目，又稱為“HSPA+”。HSPA+技術的宗旨是要保持和UMTS第6版本（R6）的後向兼容性，同時在5MHz頻寬下要達到和LTE相仿的性能。由於3GPP中參與TDD標準開發的公司尚未準備好開展此項工作，因此此項目在開始階段僅針對FDD系統。隨著TDD標準開發公司的積極參與，TD-HSPA標準的增強和演進（TD-HSPA+）工作也提上了日程。

關鍵技術

HSDPA/HSUPA是TD-SCDMA系統R5/R7協定中引入的無線增強技術，它可以為下行提供高達2.8Mbit/s的峰值速率，為上行提供2.2Mbit/s的峰值速率，這些性能的提高主要得益於系統在物理層引入了大量關鍵技術，包括自適應調製編碼（AMC）、混合自動重傳請求（HARQ）及快速調度等。

3.1自適應調製編碼

在非自適應系統中，系統設計需要留出一定的鏈路餘量，以便在信道條件變得惡劣時，系統仍然能夠維持正常的工作，而這種設計必然會降低信道利用率。自適應調製編碼是通過在接收端進行信道估計，並將估計結果反饋到傳送端，使傳送端能夠根據信道狀況調整傳送的方式，從而增強傳輸的可靠性，提高頻帶利用率。

自適應的方式在信道條件好的時候可以提高傳輸速率或減小傳送功率，在信道條件差時降低速率或增大功率，從而提高系統平均吞吐量，降低所需的發射功率，或降低平均誤比特率。

正是由於自適應技術的這些優點，包括GSM、CDMA蜂窩系統及無線區域網路在內的許多無線系統都已經採用了自適應傳輸技術。在R99中廣泛採用的鏈路自適應技術是功率控制技術，在HSPA中則主要採用AMC這一鏈路自適應技術。

自適應傳送技術在套用中要注意以下問題。首先，要求傳送端和接收端之間必須存在反饋通路；其次，如果信道變化的速度很快，導致信道估計不準確和反饋信息不及時，自適應技術的性能將會很差。由於無線信道存在著不同程度的時變性，例如多徑衰落變化非常快，陰影衰落變化很慢，因此許多系統只能根據慢衰落進行自適應傳送，在這種情況下，接收端還需要採用其他濾波器來消除多徑的影響，如TD-SCDMA的聯合檢測技術。硬體因素同樣會影響到傳送端改變傳輸速率和功率的速度，這一點使自適應技術能帶來的增益受到限制。最後，自適應技術經常會根據信道的條件改變數據傳輸速率。我們將會看到，在平均功率的約束下，為了最大化頻譜效率，信道條件差時數據速率可能會很小甚至為零。這對於有硬性時延要求的固定速率業務，如話音和視頻來說，性能將受到嚴重影響。因此，在有時延限制的套用中，自適應傳送技術應該最佳化為在固定速率傳輸時有最小的中斷率。

3.2混合自動重傳請求

差錯控制技術背景

寬頻數據和多媒體業務的迅猛發展對數據的傳輸速率和可靠性有了更高的要求。然而眾所周知無線信道的條件是惡劣的，不僅會有熱噪聲污染，同時會伴隨著在時間、空間、頻率上的時變特性。隨著數據速率的提高，多徑時延和都卜勒頻移對系統性能的影響會增大。在這種情況下，差錯控制技術便應運而生了，它能夠很好地實現低誤比特率的高速數據傳輸。差錯控制技術一般分為3類：重傳反饋方式（ARQ），前向糾錯方式（FEC），混合自動重傳請求方式（HARQ）。

ARQ方式是在傳送端傳送能夠檢錯的碼，在接收端根據解碼結果是否出錯並通過反饋信道向傳送端傳送一個應答信號正確（ACK）或者錯誤（NACK）。傳送端根據這個應答信號來決定是否重發數據幀，直到收到ACK或者傳送次數超過預先設定的最大傳送次數後再發下一個數據幀。FEC方式是在傳送端傳送能夠糾正錯誤的碼，接收端根據糾錯碼的解碼規則進行解碼，糾正一定程度上的誤碼。不需要反饋信道，直接根據編碼的冗餘就能發現一定程度上的錯誤，也不需要傳送端和接收端的配合處理，傳輸時延小，效率高，控制電路也比較簡單。但糾錯碼比檢錯碼的編碼冗餘度大、編碼效率低、解碼複雜，並且如果誤碼在糾錯碼的糾錯能力以外就只能把錯誤的碼組傳給用戶。ARQ和FEC的主要性能比較如表1所示。

表1 ARQ和FEC的性能比較

	可靠性	有效性	實時性	複雜度	反饋信道
ARQ	高	低	低	低	有
FEC	較高	較低	高	較高	無

如果要提高可靠性，就需要採用糾錯能力強的碼組，這樣就會增加編碼的冗餘度，頻寬的占用和解碼的複雜度。自然把ARQ和FEC結合起來就是一個很好的選擇，這就是HARQ方式。這樣就能在不增加系統的複雜度和提高數據的可靠性之間找一個平衡點。

傳統的ARQ技術

1．ARQ的基本原理及框圖

最早的ARQ技術，體現了最初差錯控制的思想，僅僅由收端簡單地根據收到的數據幀是否正確來控制重傳。基本思想就是傳送端傳送具有檢錯能力的碼組，傳送之後並不馬上刪除，而是存放在緩衝存儲器中，接收端接收到數據幀時先解碼判斷是否有誤。如果解碼正確，就通過反饋信道傳送一個ACK應答信號，反之就傳送一個NACK。當傳送端接收到ACK時就傳送下一個數據幀，並把快取器里的數據幀刪除。當傳送端接收到NACK時，就把快取器里的數據幀重新傳送一次，直到收到ACK或者傳送次數超過預先設定的最大傳送次數為止，然後把快取器里的數據幀刪除，接著傳送下一個數據幀。ARQ的原理結構框圖如圖1所示。

圖1ARQ原理結構圖

根據ARQ的具體重傳方式，可以把它分成以下幾種：停止等待ARQ（SW-ARQ）方式，退回N步ARQ（GBN-ARQ）方式，選擇重發ARQ（SR-ARQ）方式。

2．ARQ的幾種方式

（1）SW-ARQ

SW-ARQ方式就是傳送端在傳送一個數據幀後就處於等待狀態，直到收到ACK才傳送下一個數據幀或者收到NACK之後傳送快取器裡面的數據幀。原理如圖2所示。

圖2SW-ARQ重傳機制

其中3′、3″表示經過解碼發現錯誤的數據幀。採用這種方式信道就會經常處於空閒狀態，傳輸效率以及信道利用率很低，不過實現簡單。在信道條件比較惡劣時可能出現以下幾種情況。

①接收端無法判別是否收到數據幀，也就不會傳送回響幀，傳送端就會長時間處於等待狀態。

②傳送的回響幀丟失，傳送端又會傳送原來的數據幀，接收端就會收到同樣的數據幀。

這樣就需要對數據幀進行編號來解決重複幀問題。

在實際中，為了提高SW-ARQ方式的效率，可以使用N個並行子信道重傳的方式。在某個子信道等待時，別的子信道可以傳輸數據。這樣就可以克服簡單的SW-ARQ方式在等待過程中造成的信道資源的浪費。

（2）GBN-ARQ

由於SW-ARQ方式需要耗費大量的時間處於空閒狀態，造成效率低下。GBN-ARQ就克服了這種缺點而採用連續傳送的方式，傳送端的數據幀連續傳送，接收端的應答幀也連續傳送。假設在往返時延內可以傳輸N個數據幀，那么第i個數據幀的應答幀會在傳送第i+N個數據幀之前到達。已傳送的N個數據並不立即刪除，而是存放在存儲器中，直到它的ACK應答幀到達或者超過最大重傳次數為止。很明顯收發兩端需要的存儲器比SW-ARQ方式的大。如果接收到的應答幀為ACK，則繼續發第i+N個數據，如果接收到NACK，則退回N步傳送第i,i+1,i+2,…,i+N−1個數據幀。如果在第i個數據幀出錯，那么接收端期望接收的數據就一直保持為第i個數據，直到接收到正確的第i個數據幀或者超過最大重傳次數，即使是第i+k(k=1,…,N−1)個數據幀的CRC正確也傳送NACK，因為這些都不是收端所期望接收的數據。也就是說對出錯幀後的N−1幀數據做丟棄處理。假設N=5，GBN-ARQ原理如圖3所示。

圖3GBN-ARQ重傳機制

其中3′，4′表示出錯的數據幀。首先對數據幀編號，當接收端發現第3幀出錯後，即使以後收到的數據幀通過CRC為正確，同樣傳送NACK應答幀。直到接收端收到CRC為正確的第3幀時才傳送ACK應答幀。由於傳送端和接收端都採用連續傳送的方式，信道利用率比較高，但是一旦有傳錯的幀則會導致退回N步重發，即使誤幀後的N−1幀中有的幀CRC校驗正確。這必然會導致資源的浪費，降低傳輸效率。回退數N主要由收發雙方的往返時間以及設備的處理時延決定，即從傳送出數據幀到接收到該數據幀的應答幀之間的時間。

（3）SR-ARQ

由以上的分析可知，GBN方式雖然實現了連續傳送、信道利用率較高，但是會造成很多不必要的浪費，特別是在N比較大的時候。SR方式做進一步的改進，並不是重傳N個數據幀而是選擇性地重傳，僅重傳出錯的數據幀。那么就需要對數據幀進行正確的編號，以便在收發端對成功接收或重傳的數據幀進行排序。為了保證發生連續錯誤時存儲器仍然不會溢出，這就要求存儲器的容量相當大，理論上應該趨於無窮。具體的原理圖如圖4所示：

在有限快取的情況下，當惡劣的信道條件帶來連續的錯誤時，重傳次數和存儲的數據幀都會增加。為了防止存儲器的溢出，以及給需要傳送的和存儲器里的數據幀正確排序，這就需要比較複雜的控制電路。所以實現起來還是有一定的困難。後來還提出來一種回退N步和選擇性重傳相結合的ARQ（PRIME-ARQ），它是將GBN-ARQ和SR-ARQ結合起來。這是由於GBN-ARQ比較適合於連續錯誤多的情況，而SR-ARQ比較適合錯誤不連續且較少的情況。那么可以事先設定一個管理序列數（MSN）作為門限值，當傳錯的幀數小於MSN時採用SR-ARQ，當傳錯的幀數大於MSN時採用GBN-ARQ。

圖4SR-ARQ重傳機制

以上介紹了3種傳統的ARQ方式，SW-ARQ是非連續的，後面兩種都是連續性的。SW-ARQ是最容易實現的，相應效率也是最低的，GBN-ARQ和SR-ARQ較複雜，不過效率也一定程度地提高。

HARQ

ARQ在傳送端傳送的是只能檢錯的碼，如果和FEC結合起來，即在編碼時增加一定的冗餘度傳送能夠有效糾錯的碼，就可以兩者優勢互補，從而得到更好的性能，這就是混合ARQ方式即HARQ方式。檢錯有兩種方式，第一種就是先加CRC校驗然後再把信息位和校驗位一起進行糾錯編碼，這樣用來檢錯的CRC也是經過了糾錯的碼字。另一種就是直接對信息位進行糾錯編碼，檢錯也由糾錯碼來一併完成，效率較高不過可靠性低。HARQ重傳的信息的構成有兩種。

（1）每次傳送同樣的數據。顯然在信道條件好的時候，重複傳送校驗位對頻寬是一種浪費；而在信道條件差的時候，相同的校驗位仍不足以正確解碼。

（2）根據解碼結果改變重傳的數據。這樣就有一定的自適應性，可以達到更高的效率。重發的信息可以採用遞增冗餘（IR）機制，主要是通過遞增傳送的碼字的冗餘度來增大解碼正確的機率，從而提高數據的吞吐量。其關鍵在於逐漸降低編碼速率，即逐步提高傳送碼字的冗餘。例如：在初次送時，以高速率編碼，這樣冗餘度就較低。如果在接收端解碼不正確，則傳送相同信息不同校驗位的數據幀。在接收端將接收到的數據幀合併解碼，從而增大了糾錯能力。也就是說IR並不是每次都傳同一個碼字，重發碼字的編碼速率取決於上一次的解碼結果。

通常我們所說的HARQ有3種類型，它們也分別採用了上面兩種重發的方式。

1．Type-ⅠHARQ

這種方式就是單純的ARQ和FEC相結合，在傳送端傳送糾錯碼，在接收端解碼並糾正錯誤，如果錯誤在糾錯碼的糾錯範圍內並成功解碼，則傳送一個ACK應答幀，反之則傳送一個NACK應答幀，同時丟棄出錯的幀。在重發時仍然傳送相同的數據幀，攜帶相同的冗餘信息。這種方式實現簡單，而且也不需要很大的快取器。實現原理圖如圖5所示。

圖5Type-ⅠHARQ重傳機制

由於每次收到重傳請求時仍然傳送相同的信息，接收端也不做任何合併，信令開銷較小。而每次都對出錯幀作丟棄處理，就會丟失它所攜帶的有用信息。

2．Type-ⅡHARQ

Type-ⅡHARQ並不將出錯的幀丟棄，這樣就可以很好地利用這些有效的信息。對於不能正確解碼的數據幀，並不是簡單地做丟棄處理而是保留下來，等到重發的數據幀到達時，再把他們合併解碼。這樣就相當於獲得了時間分集的增益，可以提高接收數據的信噪比。Type-ⅡHARQ的原理圖如圖6所示。

圖6Type-ⅡHARQ重傳機制

Type-ⅡHARQ屬於IR的HARQ方式，就是說重傳的數據攜帶新的解碼信息，在接收端和初次傳送的數據合併。

Type-ⅡHARQ屬於全冗餘方式的遞增冗餘HARQ，全冗餘方式是指重傳的數據不含系統位信息，新增的冗餘部分只含校驗位。冗餘的形式因打孔方式的不同而不同，每次重發都傳送一種形式的冗餘版本，在接收端先進行合併再解碼。如果所有形式的冗餘版本都發完後仍然不能成功解碼，則再次傳送第一次傳的包含系統位的數據，在合併解碼時用這次傳的數據代替之前那次傳送的包含系統位的數據。當然為了控制時延等性能指標，重傳不能無休止地進行。

之後人們又提出了遞增改變傳送幀編碼速率的Type-ⅡHARQ，採用了自適應遞增冗餘（AIR）的方式，它是在遞增冗餘的基礎上加上鏈路自適應（LA）。因為移動信道是時變信道，比特差錯情況隨信噪比等因素的變化而變化，所以信道採用自適應編碼速率以適配信道條件，從而獲得較高的吞吐量。IR和LA的核心思想都是通過不斷調整數據傳輸方案，使之適應時變的無線信道，增大吞吐量。兩者的不同點在於，LA技術需要先行估計信道條件，然後根據信道估計結果，調整編碼/調製方案。而IR技術則不需要進行信道估計，只用根據接收端的解碼結果，來調整傳送端的信道編碼速率，而對於調製方案則固定使用一種。單純的LA對於吞吐量的改善不如IR明顯，這是因為LA是根據信道預測來跟蹤信道的變化，任何預測的錯誤都會導致LA的性能下降。而IR的編碼速率的選擇是根據前一次解碼的結果來確定的，能更實時地跟蹤信道的變化，更好地利用信道變化的信息。IR較好的性能也是以其較長的時延為代價的。這是由於IR的重傳控制協定本身需要ACK及NACK的反饋。兩者的實現條件也不同，對於LA，最基本的一點就是在收端需要有信道條件的估測，並且還要實時與發端交流這些信息；而對於IR，由於較長的反饋時延，且需要合併，所以收端與發端都要有較大的存儲器，同時還需要有完備的信令體系來支持重傳。

現在通常提到的Type-ⅡHARQ，多半指的是包含了遞增冗餘的HARQ。

如果使用Turbo編碼器，則根據碼率以及對系統位和校驗位不同的打孔規則進行打孔。Turbo編碼器的結構如圖7所示。

圖7Turbo編碼器的結構

由圖7可知，Turbo編碼器含有兩個成員編碼器，如果沒有刪除則碼率為1/3，其中包括一位系統位和兩位校驗位。打孔就是通過不同的刪除格式打掉校驗位上的比特來匹配不同的編碼速率。刪除是信道編碼中很重要的一個環節，不同的編碼速率是通過按照不同的格式刪除來實現的，一種編碼速率也可以由不同的刪除格式來實現。刪除格式是通過刪除矩陣來表示的，有3位輸出那么刪除矩陣的行數就為3，如：

（2-36）

第一行對應的是系統位N_i（i=1,2,3，...），其後的行依次對應生成的校驗位。刪除矩陣從左到右按行寫入，從上到下按列讀出，當矩陣p1中的單元為“1”時則讀出該數據，相應的為“0”時則刪除該數據。按照以上規則，矩陣讀出的數據為（,,,,,,,），此時的編碼速率為1/3×18/8=3/4。在Type-Ⅱ中採用的是全冗餘的方式，重發是傳送的不含系統位的冗餘版本。重發的刪除矩陣可以如p2所示：

（2-37）

那么根據這個刪除矩陣傳送的數據為（,,,,,,,），由於重發了一個3/4編碼速率的數據幀，所以在解碼時按照3/8的碼率解碼。如果仍然不能正確解碼，則再發一個不同冗餘版本的數據幀，然後結合前幾次的接收數據解碼。

3．Type-ⅢHARQ

Type-ⅢHARQ屬於半冗餘的HARQ，就是說重發的數據既包含系統位又包含校驗位，因而重傳數據是自解碼的。因為如果傳送過程中的噪聲和干擾很大，第一次傳送的數據被嚴重破壞，由於系統位對解碼很重要，即使後來增加了正確的冗餘信息還是不能正常解碼。Type-ⅢHARQ可以看成前面兩種的結合，重傳時傳送能夠自解碼的數據包，但是這些數據包含有不同的打孔比特。在接收端涉及到數據幀合併，從廣義上講有3類分集合併技術。

（1）選擇性合併：對於接收到的信號，選擇一個信噪比最大的解碼，這樣比較適合抗深度衰落。

（2）等增益合併：把接收到的各個信號等增益相加。

（3）最大比合併：以信噪比的平方根作為加權係數，對各個接收信號加權後相加，這也是最佳的分集合併方式，因為它能夠得到最大的輸出信噪比。

傳送信息位相同，校驗位不同的數據幀是通過互補刪除格式來實現的。比如一個1/2編碼速率的卷積碼經過刪除後成為5/6編碼速率的碼字的刪除格式如下：

（2-38）

令ci(i=1,2,…,p)表示具有相同編碼速率，不同刪除格式的碼字，它們各自對應的刪除格式為pi，則定義矩陣

（2-39）

所謂互補，就是指P矩陣中的每一個元素都必須大於或等於1，也就是說不能有0這個元素出現在P中。這樣，當互補的碼字合併在一起的時候，各個校驗位的信息都存在了。如果上面的例子中取p=2，選擇兩個合併，則得到

（2-40）

這樣不符合每個元素都大於0的規則，所以並不算互補。如果選擇另外兩個合併得到

（2-41）

則符合互補的要求。

由於重傳的碼字都採用不同的刪除格式，那么由此得到的碼字是互補的，所以在接收端合併的碼字完全覆蓋了碼字中的每個比特，這樣解碼信息變得更全面。

當第一次傳送的數據不能正確解碼時，就接著重傳。由於傳送的數據是自解碼的，可以對接收到的重傳的數據進行解碼，如果還是不能解碼，就把多次重傳的數據合併起來再進行解碼。如果還是不能解碼，則繼續重傳。如果所有刪除格式的數據都重傳完還是不能正確解碼，並且沒有超過最大重傳次數，則再重複以前的數據包傳送。

Type-ⅢHARQ的實現更為複雜，因為每次重傳的數據以及他們的組合都得進行解碼。

在TD-HSDPA中採用Type-ⅢHARQ並使用Turbo編碼器。由於是部分冗餘形式的，每次傳送的數據幀都可以自解碼，那么重傳時的刪除格式稍有差別。第一次傳送時的刪除矩陣為p1：

（2-42）

根據刪除矩陣p1第一次傳送的數據為（,,,,,,,），相應的編碼速率為3/4，解碼失敗後傳送NACK要求重發數據幀。在重發時仍然保留系統比特，根據互補規則對校驗位進行打孔，刪除矩陣如p2：

（2-43）

根據刪除矩陣p2第二次傳送的數據為（,,,,,,,），如果對這次傳送的數據幀單獨解碼，則按照3/4的碼率；如果解碼失敗，則結合前一次接收到的數據幀，由於重複傳送了系統位比特，那么解碼的碼率應該為1/3×18/(8+2)=3/5。

以上介紹了HARQ的幾種方式，它們各有利弊，效率的提高也必然會帶來複雜度的增加，而且在不同信道條件、MCS等級、編碼速率以及車載速率的情況下性能也有所不同。HARQ重傳合併的方式為chase合併、部分冗餘和全冗餘這3種，重傳機制有選擇重傳HARQ（SR-HARQ）和停止等待HARQ（SAW-HARQ）這兩種方式。SR-HARQ方式是在SR-ARQ的基礎上加了糾錯編碼，通過之前對SR-ARQ方式的分析可以知道，它也只是重傳出錯的幀，從而提高了信道的利用率。不過需要對數據幀編號，而且對存儲器的要求也很高，同時還需要複雜的信令，浪費了頻寬。所以在TD-HSPA中採用了SAW-HARQ的方式，由於採用單信道的SAW必然會使得信道在一部分時間內處於空閒狀態，造成不必要的資源浪費。所以在這裡使用了N信道的SAW，執行的是並行的SAW協定。HARQ使用停止等待機制，明顯地提高了頻寬利用率和減小了UE存儲器大小。下面就介紹在TD-HSPA中的重傳機制。

TD-HSPA的重傳機制

1．SAW-HARQ的基本原理

這種SAW-HARQ方式就是說在N條並行的信道上同時使用相互獨立的HARQ協定，這也必然要求終端能夠同時存儲N個數據幀。

例如在TD-HSDPA中，在下行鏈路傳送數據幀的同時在上行鏈路中傳送應答幀，這樣就不會造成資源的浪費。在N=2時就執行雙信道的HARQ協定，就是說在時間軸上以TTI為單位劃分成兩個子信道，如圖8所示，每個子信道獨立地執行SAW-HARQ協定，也就是說一個信道在空閒狀態時，另一個信道執行自己的SAW-HARQ協定。

圖8子信道的劃分

如果第一次傳送失敗，則在各自的子信道的下一個TTI上重傳。與FDD不同，在TDD中UE並不使用上行的專用信道傳送ACK/NACK信息。為了實現HARQ的上行同步，UE會使用上行共享資源傳送ACK/NACK信息。在雙信道SAW中，一個數據幀經歷長時間的衰落導致出錯，只會影響一個子信道上的通信。

2．單設備方案

在這裡只考慮單個用戶使用信道。圖9顯示了雙信道SAW方式中奇偶控制信道、數據信道以及反饋信道在時間上是怎樣交叉的。

圖9N=2時雙信道SAW方式時序圖

在一個時隙中，當下行鏈路在傳輸偶控制和偶數據時，在上行鏈路上傳輸奇數幀的應答回響，在下一個時隙就正好反過來。這種機制的實現設備如圖10所示。

圖10雙信道SAW協定的單設備結構

在圖10中，系統由通過時隙數據信道連線的單個源端設備和目的端設備組成。為了敘述方便我們假定TD-HSDPA的TTI大小相等，並且一個時隙等同於一個TTI。數據信道被劃分成了偶時隙和奇時隙來區分相互獨立的HARQ協定。信道的奇狀態和偶狀態是由控制信道上來自系統的信息，如連線幀號（CFN）決定的。一位CFN比特就已經足夠來區分奇偶信道了。來自網路的數據先在源端設備排序，源端使用雙信道序列器來區分數據幀是發給偶信道傳送器還是奇信道傳送器的。一旦確定，每個傳送器在它們各自的時隙執行獨立的SAW協定，把數據幀傳送到數據信道和把順序號傳送到相應的控制信道。和源端類似，目的端設備也包含了偶信道和奇信道的接收機，分別接收從偶信道或者奇信道來的信息。需要注意的是，這些接收機只是單個硬體設備在邏輯意義上的表示。每個接收機都有自己的HARQ解碼器。同時存在奇和偶的反饋信道來支持獨立的SAW實例，HARQ解碼器在各自獨立的反饋信道上傳送解碼成功或失敗的信息。

總的來說，設備需要如下的配置：

（1）一個下行時隙數據信道；

（2）將每個時隙與奇偶實例相聯繫的機制；

（3）一個偶下行控制信道來區分偶SAW數據協定數據單元（PDU）的順序號；

（4）一個奇下行控制信道來區分奇SAW數據PDU的順序號；

（5）一個偶上行反饋信道來傳送偶下行數據信道傳輸成功或失敗的信息；

（6）一個奇上行反饋信道來傳送奇下行數據信道傳輸成功或失敗的信息。

在這個單設備方案中，目的端要求多於兩個數據快取，每個SAW協定實體需要一個。圖11顯示上行鏈路上的回響幀沒有占用一個完整的時隙，這是因為考慮到目的端設備需要處理下行數據和源端設備需要處理回響數據。實際上把子信道數從兩個變到N個就可以延長源端和目的端設備的處理時間，而目的端的存儲器大小要求也會因為子信道數的增加而增加。圖11和圖12分別顯示了當子信道數增加到4的時序和設備結構。

圖11N=4時SAW方式時序圖

圖124信道SAW協定的單設備結構

在N=4時就可以用3個TTI來處理下行數據，由此可以知道增加並行的子信道數可以增加數據的處理時間，不過也會相應地帶來存儲器容量的增大和信令的複雜。

3．多設備方案

圖13把單設備的系統擴展到多設備系統。與圖10類似，源端和目的端設備是通過獨立的下行控制和上行反饋信道連線的。不同的是，所有源端和目的端設備共享一條下行數據信道。因此就需要系統調度器對所有設備進行公平的調度，調度器會根據每個獨立佇列或者可能的大的聯合佇列的狀態來選擇誰占有當前的時隙。在這種情況下，每個源設備必須通過控制信道告訴目的端當前信道奇或者偶的狀態，以及當前時隙的所屬權。特別是多設備系統允許調度器推遲重傳，直到設備經歷了可接受的信道條件，這樣使得系統資源可以充分利用。在其他方面，系統的運行類似於單設備的情況。

多設備方案和單設備方案的配置要求基本相同，所不同的是系統調度器需要一條到每個目的端設備的定址控制信道。

SAW機制的信道數可以靈活地或者明確地給出。靈活給出的方式將把奇偶信道實例和明確的蜂窩幀定時或者CFN聯繫起來。信道和TTI數目可以被預先確定，並且由網路和UE來維持。明確給出的方式要求傳送信號的信道附加額外的資源來區分信道狀態。信道狀態信息只需要在傳送PDU時傳送。當SAW機制採用N信道方式時，信道狀態信息將要占用lbNbit。

N信道SAW-HARQ長期發展的一些建議：

（1）在一次傳輸或者重傳時靈活套用chase合併、IR以及兩者的結合；

（2）明確IR合併在MIMO或者非MIMO中的執行；

（3）在同樣的傳輸信道數據速率下靈活地選擇不同的傳輸塊大小（通過可變TTI實現）；

（4）早期的ACK特徵要求在某些情況下降低傳輸時間，提高吞吐量。

圖13雙信道SAW協定的多設備結構

在研究中有兩種可行的機制：與R99兼容的基於RNC的HARQ和HSDPA中基於NodeB的快速HARQ。基於RNC的HARQ由於需要UE存儲大量的軟採樣從而增加了UE的複雜度。一個大的RLC視窗大小需要適應大於100ms的Iub時延，同時要保證信道的最大利用率。為了能夠實現HARQ，UE必須有足夠大的存儲器來存儲一個視窗中所有RLC的PDU數據，所需要存儲器的容量將10倍於TD-HSDPA中的存儲器容量。另外，較大的Iub時延將會增大使用HARQ的時延。比如說一個無線數據幀需要經過幾次重傳才能夠成功解碼。例如一個無線幀需要3次重傳，在基於RNC機制下，PDU將會帶來230ms的時延。但是在TD-HSDPA中只會帶來10.67ms的時延。一個短的幀將會給HARQ的重傳帶來較快的反饋，而且也能夠在調度分配上更好地適應信道條件。TD-HSDPA使用NodeB的選擇調度和短的幀結構，從而降低了UE存儲器容量要求和傳輸時延，性能比基於RNC的HARQ有了提高。

3.3快速調度

快速調度算法可以在動態複雜的無線環境下使多用戶更有效地使用無線資源，提高整個扇區的吞吐量，它控制著共享資源的分配，在很大程度上決定了整個系統的行為。

調度算法功能實現於基站，由於採用了時分加碼分的技術，並且用戶可使用共享信道，這使得每一個5ms無線子幀都可以重新被調度，反應速度大大提高。調度算法可以綜合評估多方因素，在實施HSDPA分組調度時，調度算法會根據事先掌握的信息，如：每一個傳輸時間間隔（TTI）階段可用的碼資源和功率資源；UE上報的信道質量指示（CQI）；以前傳送數據是否被正確接收的反饋信息（ACK/NACK）；將要傳送數據塊的優先權等在多用戶中實施快速調度和無線資源的最優使用，從而提高頻譜的使用效率。

調度算法在完成系統資源的調度時應主要基於信道條件，同時考慮等待發射的數據量以及業務的優先等級等情況，並充分發揮AMC和HARQ的能力。調度算法應向瞬時信道條件最好的用戶傳送數據，這樣在每個瞬間都可以達到最高的用戶數據速率和最大的數據吞吐量，但同時還要兼顧每個用戶的等級和公平性。因此，在短期內以信道條件為主，而長期內則應兼顧到用戶公平性。HSDPA技術為了能更好地適應信道的快速變化，將調度功能單元放在NodeB而不是RNC。

不同的調度算法，對系統性能影響很大，常用的調度算法包括：最大載乾比（C/I）算法，輪詢（RR）算法，正比公平算法。

下面對3種常用調度算法進行簡要介紹。

1．輪詢調度（RR）算法

這種調度器不考慮每個用戶的信道條件，採用循環方式為每個用戶分配資源，每個用戶以相同的機率占有可分配的時隙和功率。該算法認為不同用戶的傳輸優先權是相等的，因而實現了用戶間的最佳公平性。該算法的執行遵循以下的原則：

（1）每個用戶對應一個佇列，以存放待傳輸的數據；

（2）在調度時，非空的佇列以循環的形式接收服務，向終端傳輸數據；

（3）在一個佇列再次接收服務之前，其他所有的非空佇列必須都被服務過一遍；

（4）除非只有一個非空佇列，否則一個佇列不可能連續接收服務；

（5）調度算法可以一次傳送多個數據包。

輪詢調度算法雖然可以保證用戶間的公平性，但是沒有考慮無線信道的時變特性，如果被調度的用戶信道條件差，那么用戶就有可能不能傳送數據，所以這種算法的吞吐量是比較差的，難以充分利用系統資源以達到較高的系統容量。

2．最大載乾比（C/I）調度算法

最大C/I調度算法是一種依賴信道質量的調度算法，即按信道瞬時狀況的好壞區分優先次序，由信道條件最好的用戶傳輸數據。這樣可以讓系統資源得到最大的利用，由於多用戶選擇分集增益的存在，這就使系統的總體吞吐量達到最大。該算法的執行遵循以下原則：

（1）每一個用戶對應一個佇列，以存放待傳輸數據；

（2）在調度時刻，所有非空佇列都按照對應幀傳輸期間的載乾比（C/I）值，由高到低進行排序；

（3）在任意時刻，調度器一直接收具有最高載乾比（C/I）值的UE數據，直到該UE數據佇列為空，或者具有更高的C/I值的用戶數據到來，或者有更高優先權的重傳被調度。

最大C/I調度算法雖然能夠達到最大的系統容量和資源利用率，但是這種算法有可能使多數用戶得不到系統服務，用戶公平性差，因此在實際系統中使用該算法並不多見。

3．正比公平（PF）算法

正比公平算法是目前廣泛採用的調度算法，它既考慮用戶信道條件，又考慮用戶間的公平性，以達到系統吞吐量和用戶公平性的一個折中。在該算法中，每個用戶被分配一個相應的優先權，在任意時刻，小區中優先權最大的用戶接收服務和傳輸數據。該優先權如下所示：

（2-44）

式中，priok(t)是第k個用戶在t時刻的調度優先權；(C/I)k是第k個用戶在t時刻的載乾比；Rk(t)是該用戶在時隙t內的平均傳輸速率，即吞吐量。

在採用正比公平算法的小區中，一個用戶不可能總是進行通信，因為當用戶連續進行通信時，Rk(t)逐漸變大，從而使該用戶的優先權變小，無法再獲得服務。如果用戶的信道條件較好，則該用戶的優先權提高。如果用戶信道條件較差，特別是當它處於小區邊緣時，C/I長時間較低，得不到傳輸數據的機會，則Rk(t)就會變小，由式（2-44）可知，同樣會使其優先權提高並獲得傳輸機會。可見，正比公平算法實現了系統吞吐量最大化與儘可能保證各個用戶之間公平性的折中。

除了上述3種基本調度算法外，基於優先權的調度算法可以衍生出多種算法，在此不再一一贅述。在3GPP協定中，並沒有規定系統所採用的調度算法，因此尋求最優的調度算法以提高系統容量，成為各個生產製造商努力研究的方向。