TD-HSDPA技术研究与分析
移动分组数据业务的支持能力是3G系统最重要的特点之一。随着移动通信和Internet网络的迅速发展，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。这些业务对移动通信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，特别是下行业务需求，3GPP提出了HSDPA技术并进行了标准化，HSDPA作为3GPPRelease5版本中的最主要特性(包括FDD以及TDD)，于2002年完成了标准化。HSDPA通过采用AMC、HARQ以及高阶调制(16QAM)等技术，并在基站侧实现快速调度，从而可以快速自适应的反映用户信道的变化，获得较高的用户峰值速率和小区数据吞吐率。
TD-SCDMA是我国自主提出的国际3大移动通信标准之一。李小文教授为TD-SCDMA的提出作出了杰出贡献。3GPP制定了高速下行分组接入(HSDPA)协议，使得单载波下行速率理论值达到2.8Mbit/s，若采用N点多载波技术，其下行速率能够达到N×2.8Mbit/s，满足了人们视频、浏览网页、下载等功能。
1、TD-HSDPA协议栈结构
图1给出了HSDPA无线接口协议结构。从图中可以看出，NodeB中新增加了MAC层的功能，增加了MAC-hs(hs表示HSDPA)功能模块，MAC-hs主要完成HARQ功能、调度和优先级处理。RNC继续保留原有的R99/R4的功能，包括RLC层的重传控制，而HARQ的重传机制在物理层和MAC层中实现，以达到快速调度和较高的小区吞吐量以及减少时延。
图1 HSDPA无线接口协议结构
2、TD-HSDPA关键技术
为了适应分组数据业务的特点，在TD-SCDMA中引入了共享信道的机制，多个用户共享无线资源。同时根据用户所处环境的不同，系统可以自适应的调整用户的调制方式以及编码速率，以提高系统吞吐量及无线资源效率。自适应编码调制技术(AMC，adaptivemodulationandcoding)、混合自动重传(HARQ，hybrid ARQ)和快速资源调度算法等技术，提高了高速下行分组数据速率和减少时延。
2.1共享信道
考虑到分组业务的特性，突发性强，持续时间不确定，系统采用共享信道的方式为分组用户提供服务，用户通过时分或者码分的形式共享无线资源。系统定义了新的共享信道以及相应的上下行控制信道以支持TD-HSDPA特性。
2.2自适应编码和调制技术(AMC)
AMC通过改变调制方式和信道编码率来调整传输速率，目前采用QPSK和16QAM两种调制方式。系统根据自身物理层能力和信道变化情况，建立一个在共享信道HS-DSCH中传输格式的编码调制格式集合(MCS)，每个MCS中的传输格式包括传输数据编码速率和调制方式等参数，当信道条件发生变化时，系统会选择与信道条件对应的不同传输格式来适应信道变化并通知UE。具体为：根据无线信道变化选择合适的调制和编码方式，网络侧根据用户瞬时信道质量状况和目前的无线资源，选择最合适的下行链路调制和编码方式，使用户达到尽量高的数据吞吐率。当用户处于有利的通信地点时(如靠近NodeB或存在视距链路)，用户数据发送可以采用高阶调制和高速率的信道编码方式，例如：16QAM和3/4编码速率，从而得到高的峰值速率;而当用户处于不利的通信地点时(如位于小区边缘或者信道深衰落)，网络侧则选取低阶调制方式和低速率的信道编码方案，例如：QPSK和1/4编码速率，来保证通信质量，通过改变调制和编码方式(MCS)以期待同信道所发生的变化保持一致，所需信道信息来自于接收机的反馈信息，采用AMC的优点：①合适位置的用户可以得到较高的数据率，提高了小区系统的平均吞吐量。②由于链自适应是基于调制编码方式的变化而不是基于发射功率的变化，因此降低了干扰变化。
2.3HARQ技术HARQ是HSDPA系统中采用的又一种新技术，它可以提高系统性能，并可灵活地调整有效编码速率，还可以补偿由于采用链路适配所带来的误码。HSDPA将AMC和HARQ技术结合起来可以达到更好的链路自适应效果。HSDPA先通过AMC提供粗略的数据速率选择方案，然后再使用HARQ技术来提供精确的速率调节，从而提高自适应调节的精度和提高资源利用率。HARQ机制本身的定义是将FEC和ARQ结合起来的一种差错控制方案，HARQ机制的形式很多，而HSDPA技术中主要是采用3种递增冗余的HARQ机制：TYPE-ⅠHARQ，TYPE-ⅡHARQ，TYPE-ⅢHARQ。其中：
TYPE-ⅠHARQ：主要采用了chase合并算法，这种算法是chase博士在1985年提出，发送方每次都发送整个完整的编码码字，接收端将每次收到的数据包与之前收到的所有数据包进行chase合并，组合成一个具有更强纠错能力的码字，从而达到递增冗余的目的。
TYPE-ⅡHARQ：又称为完全递增冗余机制，这种机制在1988年被首次提出，系统信息经过编码后，将编码比特按照一定的周期穿孔，根据码率兼容原则分批发送给接收端，接收端每次都进行码组合，将之前接收的所有比特组合形成更低码率的码字，从而达到递增冗余的目的。
TYPE-ⅢHARQ：又称为部分递增冗余机制，这种方案与TYPE-Ⅱ的主要区别在于，发送端每次发送的码字都是可以独立译码的码字，重传包不但包含与之前帧不同的冗余比特，还包含所有的系统比特。接收机每次也同样进行码组合，由于重传包中含有增加的冗余比特，同时系统比特每次都进行了优化选择，从而达到了递增冗余的目的。
出于对信道效率和调度灵活性的考虑，HARQ协议采用基于下行异步上行同步的机制。
UE侧负责数据接收、合并，根据UE内存决定采用何种方式、格式传输数据，在上行信令上主要是反馈ACK/NACK;下行控制信道的信令的参考主要有HARQ进程标识和新数据块标识指示。每个进程都有唯一的标识新数据块指示用来标明当前数据快是否为新以区别重传。在MAC-hs的数据包头内包含带内信令的相关数据，有优先级分类指示和数据块编号，优先级分类指示用来区分映射到同一物理信道上的不同逻辑信道，优先级数据块编号是标识新数据块在排序时用来识别数据块。
UTRAN侧，调度对具有以下属性的数据队列进行处理：依据1ub的帧协议内容而具有不同优先级，每个优先级的数据队列都配有RNC下来的时延属性参数，从NodeB上报的可获得数据速率信息，调度依据以上参数决定新数据块和重传数据快的发送顺序。
UTRAN侧的HARQ进程功能是新数据块指示设置和处理ACK/NACK。
UE侧与HARQ协议有关的是HARQ实体，HARQ进程和重排序实体，UE侧的HARQ实体处理HARQ进程，将接收到的数据块根据HARQ进程标识分配到不同的HARQ进程中，每UE中只有一个实体，在每个TTI(5ms)中，每个HS-DSCH应该由一个HARQ进程。
UE侧的HARQ进程对新数据指示、数据块错误检测、状态报告和队列的优先级标识进行处理，根据是否有新数据块指示来判断接收到的数据块是否是新数据块，若是新数据块，则内存中等待合并的信息可以放弃，在错误检测中如果数据块有错则产生NACK并保留在内存中等待下一次的CC或者IR，若无错误，则数据块上报并产生ACK。数据块的错去检测是根据数快中的CRC校验来完成的，根据HARQ进程可产生传输状态报告、根据优先级标识，HARQ进程对队列进行处理。
重排序根据数据块的编号，对每个优先级队列内的数据块进行排序和上报，为了防止阻塞情况的发生，重排序实体可以根据基于时间和窗口的机制对部分连续的序列处理，如果信令发生错误，必须有响应的措施，当NACK被误认为ACK时，发送的HARQ协议不会重传，而丢失的数据由RLC处理;当ACK被误认为NACK时，系统可根据数据块的编号来判断，不需要额外处理，因其他问题而导致HS-SCCH被误解码或者其他原因导致状态报告丢失，系统可以按照NACK的情况来处理重新传输数据块。
在R99中，一旦数据未被正确接收，则需要由RNC重传数据，无论是新的还是重传的数据包，R99物理层的处理方式是相同的。而在HSDPA中，数据包首先被NodeB接收并缓存(如图2)。即使数据包已经向用户发送，NodeB仍然保存该数据包，一旦出现数据解码失败，无需RNC参与，NodeB即可自重重传。这样，终端就能够合并每次传输的数据，从而获得新传输的数据的能量。如果由于信令差错导致物理层操作失败，那么还可以采用在物理层重传之上基于RNC的重传。