HSPA+终端标准现状及分析

    随着移动通信产业的快速发展，各标准化组织的相关标准研究工作也正在越发紧锣密鼓地进行。其中，HSPA+作为介于HSPA与LTE之间的一种技术，目前3GPP标准化组织初步将其归类到R7系列。本文从HSPA+终端类别的定义出发，探讨它与HSPA终端的关系，以及HSPA+终端的新特点。

　　HSPA+终端分类情况

　　HSPA+是HSPA(3GPPR6)的向下演进版本，是上下行能力增强的一项技术，在FDD系统中，上下行资源是分开处理的，因此这里讨论的HSPA+的终端类别要分别从上下两个角度进行。

　　从标准定义的角度，HSPA+的下行业务信道是HS-DSCH，因此下行的终端类别也称为“HSDPA终端类别”，当然这里的“HSDPA终端类别”不同于3GPPR5中的HSDPA。同样，HSPA+的上行业务信道是E-DCH，因此上行的终端类别可称为“HSUPA终端类别”，也不同于3GPPR6中的“HSUPA终端类别”。

　　按照3GPP25.306V730的定义，HSDPA(FDD)的终端共分为16类,如表1所示。

表1 HSDPA终端类别及参数一览表

　　由表1可见，HSPA+终端完全后向兼容HSDPA的终端，Category1～12即为HSDPA的终端定义。HSPA+终端的标准仍在进一步修订中，有可能还存在其他类别的终端。

　　按照3GPP25.306V730的定义，HSUPA(FDD)的终端共分为7类，如表2所示。

表2 HSDPA终端类别及参数一览表

　　由表2可见，HSPA+终端完全后向兼容HSUPA的终端，Category1～6即为HSUPA的终端定义。同样地，HSPA+终端的标准仍在进一步修订中，也有可能还存在其他类别的终端。

　　影响HSPA+终端性能的关键要素

　　表1及表2详细地列出了不同类别的终端所对应的峰值速率以及影响峰值速率的主要因素，影响HSPA+终端性能的关键因素主要有以下几方面。

　　1.调制方式

　　HSPA+可采用QPSK，16QAM，64QAM三种调制方式。QPSK每一符号代表2bit，16QAM每符号代表4bit，而64QAM每符号代表6bit。因此由于调制方式的不同，每符号代表的信息量也有区别。

　　由表1可见，Category1～10的峰值速率是在16QAM调制方式下计算出的，高于只支持QPSK调试方式的Category11～12的峰值速率，而Category13～14采用64QAM调制后较前面的12类都要更高。

　　由表2可见，速率更高的Category7采用16QAM调制，而其他6类只支持QPSK调制方式。

　　2.天线方式

　　3GPPR6规范及以前的版本均采用传统的收发天线，而HSPA+采用全新的MIMO(2X2)配置，利用天线间的不相关性极大地提高系统效率，特别是在信号环境好的情况下，每根天线可传输不同的信息，实现峰值速率的加倍。

　　由表1可见，配置了MIMO的终端Category15～16峰值速率最大，其计算过程如下。

　　Category15在单TTI(2ms)内的可传输的最大传输块为23370bit，因此它的峰值速率为：23370bit/2ms×2=23.4Mbit/s。

　　Category16在单TTI(2ms)内的可传输的最大传输块为27952bit，因此它的峰值速率为：27952bit/2ms×2=28Mbit/s。

　　这里要说明一点：上面两个计算公式中后面乘上的2，是代表2根发MIMO天线承载不同的信息，因此峰值速率翻倍。

　　3.支持的最大码字数

　　(1)HSDPA

　　HSDPA采用固定SF=16的码道，单小区除公共信道占用一个SF=16的码字外，HSDPA最大可用的码字数为15个，由表1可知，16类终端支持的最大码字数分别为5、10、15。依据WCDMA的通信原理，信号从信源编码到信道编码，再进行扩频调制到3.84Mchips/s的带宽上。

　　采用QPSK调制，HSDPA单码道极限传输能力是：3840/16×2=480kbit/s。

　　采用16QAM调制，HSDPA单码道极限传输能力是：3840/16×4=960kbit/s。

　　采用64QAM调制，HSDPA单码道极限传输能力是：3840/16×6=1440kbit/s。

　　可见HSDPA的速率与可使用的码道数紧密相关，在其他条件一致的情况下，使用的码道数越多，能够达到的峰值速率越大。

　　(2)HSUPA

　　上行UE可采用的码道数跟自身信道环境和需要传输的速率相关，它采用的可变因子SF分别为64、32、16、8、4、2，同时采用多码道传输。由表2可知，在其他条件(SF、TTI、调制方式)相同的情况下，4码道传输的速率明显高于2码道传输的速率。

　　4.软信道容量

　　针对HSDPA的16类终端，规范分别定义了相应的软信道容量：HARQ的虚拟IR缓存，即HS-DSCH所能传输的总信息量。

　　混合ARQ是HSDPA的关键技术之一，它完成信道编码后的输出比特数与映射进HS-PDSCH物理信道集合的总比特数相匹配，HARQ功能由冗余版本(RV)参数控制，混合ARQ输出比特的精确设置依赖于输入比特数、输出比特数和RV参数。

　　HARQ功能包括2次速率匹配和一个虚拟IR缓存，也称为软信道容量，决定了混合ARQ的第一次速率匹配。软信道容量会影响网络侧使用的传输格式(RV)，并在一定程度上影响UE的传输能力，该容量越大所对应有效的传输信息量越大，UE的速率会越高，这从表1可以得到验证。

　　5.最小TTI的间隔

　　HSDPA采用资源共享的方式，帧长TTI为2ms，在码分方式下，每个TTI可同时容纳4个用户。在资源分配条件允许的情况下，UE可以一直占用资源，同时每个TTI都有信息发送，可实现资源利用率的最大化，但是UE在占用TTI的情况下不能发送数据，这将会浪费系统资源。例如，最小TTI间隔为2或3的UE与TTI间隔为1的UE相比，在传输相同信息量时，由于前者占用时间是后者的2或3倍，所以前者的速率是后者的1/2或1/3。因此，最小TTI间隔也对终端性能有很大影响。

　　最小TTI的间隔越小，代表可发送信息的机会越多，可实现的速率越大。性能低的手机在网时，较高的Inter-TTI会造成网络侧基站频谱利用效率降低。

　　影响HSPA+发展的关键技术

　　上面列出了影响HSPA+终端的关键要素，但实际上如何处理这些要素、怎样区分各类别终端间的差异，关键还是由一系列的新技术决定。

　　体积、耗电等问题是一直以来困扰终端发展的重要问题之一。众所周知，3G终端耗电量略高于2G终端，这和3G技术的复杂性有关。3G的CDMA技术复杂、基带数据处理量大、射频功率放大器的线性度要求很高，导致3G终端基带处理芯片和射频芯片组的耗电量相对增加；HSPA+需要比HSPA更加复杂的基带及射频技术，并且，动态的功率及码资源调整、16QAM/64QAM/MIMO等技术的引入导致HSPA+具有较HSPA更高的功耗；传输速率越快，对手机天线的性能要求越高，所消耗的电量也越大。因此，从信令处理的角度来看，HSPA+终端需要充分考虑节能省电的相关技术。

　　随着All-IP理念的强化，HSPA+将成为全IP、全业务运营网络的关键技术，因此它需要突破原有HSPA的纯粹支持BE业务的局限，实现语音(VoIP)、视频(VT)、高速下载等多媒体业务的融合。

　　综合上述两个要点，HSPA+终端采用的新技术主要有以下几种。

　　1.DPCCH时隙的更改

　　按照3GPP25.211规范的定义，原有的上行DPCCH共有6种时隙结构，每个时隙有导频比特、TFCI、TPC以及FBI四个比特域：导频比特用来在接收端进行信道估计；TFCI指示当前帧的传输速率；TPC传送进行下行链路功率控制需要的功率控制命令；下行链路使用闭环发射分集时需要FBI比特。

　　而采用HS-DSCH后，可实现盲解码，不需要TFCI的速率指示。此外，非闭环时不需要使用FBI，所以此时有效的比特是TPC，Pilot。新增的时隙格式将DPCCH的10bit分为6bit的Pilot，4bit的TPC，保证有效比特单元，减少不必要的比特发送，实现资源的有效利用。

　　2.UL-DTX

　　与WCDMA以前的版本—DPCH传输相比，UL_DTX(UplinkDiscontinuousTransmission)只存在于DPDCH数据信道，但是在R7中，引入了上行控制信道DPCCH下的UL_DTX功能，UL-DTX的应用一方面可减少终端的耗电量，另一方面还可以减少对上行的干扰。

　　3.HS-SCCHless Transmissions

　　在3GPPR5/R6版本中，HS-SCCH信道是下行物理共享信道，它的引入是为了承载HS-PDSCH信道所需的物理层信令。其扩频因子为128，每2ms对相应的终端下发相应的调度指令，但调度的情况要参考HS-SCCH的配置数目：当只配一条时，多用户只能通过时分复用的形式共享HS-PDSCH信道，在一个TTI内只能为一个用户服务。它最多可配置4条，即在单TTI内可调度4个用户。因此，HS-SCCH的使用会耗费很大的码字及功率资源，降低系统的使用效率。

　　在3GPPR7版本中引入了HS-SCCHlessTransmissions模式，一方面将部分信令打包承载在HS-PDSCH高速信道上，另一方面在UE端采用盲解调的方式，极大节省了HS-SCCH的码字及功率资源，提高了系统效率。

　　4.增强的F-DPCH

　　为了优化系统使用的效率，3GPPR6规范引入了F-DPCH(Fractional Dedicated Physical Channel)，主要用来传输下行的功控指令TPC，其最大好处是多用户(最多10个用户)可时分共享一条SF=256的码道，但它并不是替代A-DPCH(A-DPCH配置给每个使用HSDPA业务的用户)，网络侧根据终端的支持情况，既可以选择F-DPCH，也可以选择A-DPCH。

　　在3GPPR7中，任何一条RL都对应相应的F-DPCH，同时原A-DPCH承载的信令转移到HS-DSCH上承载，由于HSDPA较R99速率更高，因此SRB承载在HS-DSCH上能够降低业务建立的时延。

　　5.增强的Cell_FACH

　　考虑到数据承载的效率，3GPPR7引入了增强的Cell_FACH。其传输信道不再是原有DCH，而是高速的HS-DSCH，容量增加，时延降低。

　　6.其他技术

　　在其他版本中，考虑到终端的耗电量、处理复杂性、体积等问题，MIMO、64QAM等技术只是在网络侧考虑，但是从提升终端性能、提高峰值速率的角度，这些网络侧的新技术也会在终端侧考虑。

　　在配合应用这些层一技术的同时，如RLCPDU的大小等层二的功能，也需要相应的进行调整。

　　总结

　　本文介绍了HSPA+终端的类别以及影响终端性能的关键要素，同时结合终端性能的提升以及HSPA+的业务目标给出了影响HSPA+终端的关键技术。HSPA+终端仍在进一步发展中，还存在新终端类别出现的可能，相关技术也需要进一步的完善。