高速下行分组接入技术

　早在1998年国际电信联盟提出第3代移动通信系统的标准化要求时[1]， 其主要目标就是希望第3代移动通信系统能同时提供电路交换业务和分组交换业务，最高传输速率为2 Mb/s。但随着信息社会对无线Internet业务的需求日益增长，2 Mb/s的传输速率已远远不能满足需求，于是各种增强型技术逐步被第3代移动通信系统所采用，为具有非对称特性的无线Internet业务提供更高的分组传输速率和频谱效率。

　　作为主要的第3代移动通信系统标准之一的WCDMA标准，在其最新的第5版(Release5)中，就采用了高速下行分组接入技术(HSDPA)[2]，可以提供高达10.8 Mb/s的下行分组传输速率。由于高速分组数据具有非对称性、峰值速率高、激活时间短等特点，为有效利用无线频谱资源，WCDMA系统专门增加了一个物理信道：高速物理下行共享信道(HS-PDSCH)进行多用户共享的高速分组数据传输，并采用了自适应调制编码(AMC)、快速物理层混合自动重传(HARQ)技术，这些技术将大大增加系统的数据吞吐量。为了进一步提高系统容量，目前WCDMA系统的标准化组织3GPP正在研究把多输入多输出天线(MIMO)技术标准化。

　　1 自适应调制编码技术

　　在移动无线传播环境下，移动台接收信号质量取决于基站与移动台间的距离以及信道的路径损失、对数正态衰落和瑞利短期快衰落等。链路自适应技术是根据时变衰落信道的变化，通过自适应调整发射功率、符号速率、调制阶数、编码速率、编码方案或上述几个因素的组合来实现链路预算的实时平衡，达到增加系统容量和改善通信质量的目的。在无线通信系统中广泛采用的功率控制就是一种链路自适应技术。

　　自适应调制编码技术是在给定数据传输质量要求的前提下，根据无线信道的实际情况、通信业务量、平均信干比、平均时延、断话概率和数据速率等来决定采用的调制和编码方式。在多媒体业务的可变速率情况下，能保证信噪比不变，满足语音、数据等传输质量需求，同时也可自适应调节系统的通信容量和质量。AMC的优点是能够根据信道特性的变化实时地调整编码和调制格式，抗多径传播能力较强，频谱利用率较高。

　　针对高速分组数据的特点，为了有效利用无线资源，HSDPA技术中采用了两个新的下行物理信道[3]：高速物理下行共享信道(HS-DSCH)和用于传输相关信令的共享控制信道(HS-SCCH)。

　　图1所示为HS-DSCH的码域和时域结构。图1码树中的一部分用于HS-DSCH，其余的则可以用于其他的信道。HS-DSCH的信道码都使用固定的扩频因子(即SF=16)。在HS-DSCH中可以多码传输，即在同一传输时间间隔(TTI)内对一个用户可以分配多个信道码。此外，在同一TTI中多用户可以分配多个信道码，即在码域内实行多用户复用。在HS-DSCH中，各用户的时间分配是以时隙(2 ms)为长度的传输时间间隔(一个子帧)。

　　在HS-DSCH信道上采用了自适应调制编码(AMC)技术，可选用的调制方式包括正交移相键控(QPSK)和16相正交幅度调制(16QAM)[4]。在QPSK调制时，每码道可传输速率为480 Kb/s的数据；在16QAM调制方式下，每码道可传输速率为960 Kb/s的数据。HSDPA中采用了分层调制的思想，把对译码性能影响较大的比特(比如Turbo编码后的系统比特)映射道16QAM符号的高两位比特。

　　HSDPA中采用了速率兼容打孔Turbo编码，基本编码速率为1/3，通过不同的打孔速率，实现了不同的编码速率。

　　图2所示为HS-DSCH发射机功能框图，其中CQI表示由移动台向基站报告的信道质量指示，基站根据信道质量指示(CQI)选择合适的编码速率和调制方式，实现自适应调制编码。CQI表示在当前的无线信道条件下，如果用该CQI值对应的传输格式(调制方式、传输块大小等)，可以使误块率小于0.1[5]。为了减少空中接口的信令开销，CQI的值用5个比特表示。为了增加灵活性和减少信令开销，CQI报告的周期是可变的，在没有CQI报告的子帧中，基站可以根据功率控制命令进行传输格式的调整。

　　HS-DSCH中传输的全部是数据信息，相应的信令在HS-SCCH中传输[6]，包括：HS-DSCH使用的信道码集信息(7 bit)、调制方案信息(1 bit)、传输块大小信息(6 bit)、HARQ处理信息(3 bit)、冗余和星座版本的信息(3 bit)、新数据指示(1 bit)、移动台标识(16 bit)。这些信息采用编码速率为1/3的卷积编码。

　　尽管自适应调制编码技术能大大提高系统容量，但也需付出相当的代价，主要体现在：增加了硬件实现的复杂度，需要大量的信令开销，对测量误差和测量时延敏感。由于采用了高阶的调制方式，移动台接收机的复杂度大大增加，需要更高的同步精度、更优的信道估计算法和更为复杂的软判决解调[7]。 图3所示为高阶调制非理想采样时的性能损失，可以看出同样在3/4的编码速率下，当采样误差为1/8码片(chip)时，16QAM调制比QPSK调制的性能约低1.4 dB。

　　自适应调制编码对测量误差和测量时延敏感[8]，这里的测量是指对移动信道的质量估计。文献[3]通过分析的方法，讨论了以信噪比(SNR)作为信道质量度量，在瑞利衰落的情况下，在理想的自动增益控制(AGC)时，为了维持10-3的误码率，信道质量估计误差应该在1 dB范围内。文献[3]得出要达到10-6的误码率(BER)要求，时延应该小于0.001λ/υ，其中λ为载波波长，υ为移动速度。

　　2 物理层混合自动请求

　　  重传技术

　　AMC技术尽管可以提高系统容量，但其缺点在于其对测量误差和测量时延敏感，而且在无线移动数字通信系统中，信道特性的动态变化常常使得准确地进行信道估计十分困难。而HARQ技术则具有对信道测量误差和测量时延不敏感的特点，可以在AMC根据信道特性选择调整编码和调制器的基础上，对系统性能加以进一步改善。

　　常见的自动请求重传(ARQ)技术主要有两种机制：选择性重发(SR)和停等协议(SAW)。SR仅仅重传错误码组，需要用序号区分各分组。为了充分利用信道容量，SR发射机在等待响应时要发射许多分组。SR ARQ要求接收机预先知道序号，序号必须独立于数据编码而且必须足够可靠以克服信道情况变化引起的各种错误。因此要对序列信息进行编码，这就增加了信令开销。SAW是另一种ARQ方案。发射机等待确认信息以确定数据块被成功接收，信令开销小。然而这种方法导致了信道在时域上利用不充分，发射机一直在等待响应而没有发射数据块。为解决SAW方案的这个缺点，提出了多通道ARQ方案。此方案使协议并行化，在并行通道上有效地运行多个独立的ARQ协议。连续传输流在多个独立的时分子信道上，每个独立的时分子信道执行SAW重传协议。多信道结构保证连续传输，只要确认信息来回延迟时间足够短，当相同子信道时隙再次到来时响应总是有效，数据传输就不会因为等待确认信息而被拖延。

　　目前广泛采用的HARQ合并技术有：不采用合并的第1类HARQ，采用Chase合并的HARQ和增量冗余的混合自动请求重传(IR HARQ)。不采用合并的第1类HARQ是在数据包中附加CRC，并且数据用前向纠错码(FEC)进行编码。接收机进行FEC译码并检查数据包，如果有错就重传数据包。错误包被丢弃，重传时仍然使用与第1次传输时一样的FEC码。Chase合并的HARQ又被称作只有一个冗余版本的HARQ typeIII，发射机只需要简单重传数据包，接收方的译码器根据接收的SNR按权重综合这些重复的传输包再译码，从而可获得时间分集增益。

　　IR HARQ代替了简单的重发数据包，当第1次尝试译码失败时，附加冗余信息后再传输。译码器综合所有数据包进行译码，没有传输包被丢弃。重传包和原始传输包并不完全相同，重传包携带部分附加冗余信息以纠错，这些冗余信息和先前的数据包组合可得到更强的FEC性能。增量冗余(IR)方案通常分为两类：部分IR和全IR。部分IR又称作HARQ typeIII，它的每次重传都是可自译码的，重传包比第1次传输包要小，通常没有综合过程就不能从重传包恢复出数据；全IR又称作HARQ typeII，它的每次传输都不能自译码，每次重传的冗余信息数量是一样的。

　　HARQ采用了多通道SAW机制，最大通道数可达8，合并方法采用了Chase和IR两种[6]。HARQ每次重传的传输块都与第1次传输时的相同。然而，每次重传时采用的调制方式、信道码的集合和传输功率都可能与第1次传输时不同，即每次重传时的可用信道比特数可能不同，即使可用信道比特数相同，在物理信道中传输的信息比特也可能不同。HARQ每次重传使用不同的冗余版本(RV)，这里每个冗余版本对应了不同的编码比特子集，每个子集包含不同的比特。Chase合并对应单一的冗余版本。

　　物理层HARQ高速下行共享信道与其他信道相比最主要的不同在于信道编译码部分，文献[6]进行了描述。图4给出了物理层HARQ的功能框图。

　　HARQ功能块通过调整信道编码后的比特数来与映射到的HS-DSCH集的总的比特数相匹配。HARQ功能块由参数RV来控制。HARQ功能块实际输出的比特集合由输入比特数、输出比特数和RV参数来确定。

　　第1次的速率匹配算法与Rel99(99版本)大致相同，只有在序列输出比特数与一个HS-DSCH TTI所规定的比特数不匹配时有所不同。与用户设备规定的软缓冲容量相匹配的输出比特数是由高层给出的。如果输入比特数没有超过规定的软缓冲容量，第1次速率匹配将会是透明的。

　　第2次的速率匹配是将第1次速率匹配后的输出比特数与一个由HS-DSCH TTI传输信道规定的比特数相匹配。第2次速率匹配算法与Rel99相同。但是，速率匹配只考虑第1次速率匹配未被刺穿的比特。第2次速率匹配参数由RV控制的特定的传输方式传输。

　　HARQ实现的复杂度主要由发射机和接收机的IR缓冲器的大小决定。2003年初，贝尔实验室推出了全球第1片支持HSDPA的Turbo编译码器[9]，最高速率可达24 Mb/s。

　　3 多输入多输出技术

　　多输入多输出(MIMO)技术指在天线系统收发两端都使用多天线进行发送和传输的技术[7]。在收发两端都使用多天线，采用码复用技术可以提高吞吐量的峰值。使用码复用技术，分配给HS-DSCH的每一对信道码/扰码可调制到M个不同的数据流，M为传输天线的个数。使用同一对信道码/扰码的数据流通过空分技术来区分。原理上讲，码复用技术能获得M倍使用单天线的吞吐量的增益。另外，使用码复用技术联合较低阶的调制方式也同样可获得使用单天线联合高阶调制方式所获得的吞吐量。同时，前者所需要的每比特能量与噪声功率谱密度之比(Eb/No)比后者要小，从而提高了系统性能。

　　MIMO技术分为开环和闭环两种技术，开环技术包括空时编码和垂直-贝尔实验室分层空时算法

　　(V-BLAST)两类，空时编码可以获得较好的系统容量，但发射机和接收机的复杂度随发射天线的增加而快速增长，V-BLAST实现简单，但由于在每个天线使用相同的发射功率和数据传输速率，所以系统容量较小。为了解决这个问题，目前在V-BLAST的基础上又提出了一种每天线速率独立控制(PARC)的闭环方法[10]，由于该方案根据每对天线的无线衰落条件自适应调整每发射天线的数据传输速率，所以使系统容量得到大大提高，但信令的开销将随着天线数的增加而线性增加。

　　4 结束语

　　HSDPA由于采用了AMC、物理层HARQ技术，从而大大提高了系统下行的通信能力。目前各种可能增强技术[11]也在不断讨论中，如MIMO技术、CQI增强技术、HS-DSCH的码复用技术、基站和移动台间的快速信令技术、快速自适应加强技术等。对这些技术的不断研究将提高和完善HSDPA的性能，值得研究者密切关注。

　　5 参考文献

　　[1] ITU-R M.1225, Guideline for Evolution of Radio Transmission Technologies for IMT-2000 [S].

　　[2] 3GPP TR 25.858, High Speed Downlink Packet Access: Physical Layer Aspects (Release 5) [S].

　　[3] Goldsmith A J, Varaiya P. Capacity of Fading Channels with Channel Side Information [J]. IEEE Trans. Inform. Theory, 1997,43(11):1986-1992.

　　[4] 3GPP TS 25.211, Physical Channel and Mapping of Transport Channels onto Physical Channels (FDD) [S].

　　[5] 3GPP TSGRAN R1-02-0459, HSDPA CQI Proposal [S].

　　[6] 3GPP TS 25.212, Multiplexing and Channel Coding (FDD) [S].

　　[7] 3GPP TR 25.848, Physical Layer Aspects of UTRA High Speed Downlink Packet Access (Release 4 ) [S].

　　[8] Goldsmith A J, Chua S G. Variable-Rate Variable-Power MQAM for Fading Channels [J]. IEEE Trans Comm, 1997, 45(10):1218-1230.

　　[9] Mark Blckerstaff, Linda Davis. A 24 Mb/s Radix-4 LogMap Turbo Decoder for 3GPP-HSDPA Mobile Wireless [C]. ISSCC 2003, 2003,2.

　　[10] Catreux S. Data Throughputs Using Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Techniques in a Noise-Limited Cellular Environment [J]. IEEE Trans on Wireless Comm, 2002, 1(4):226-235.

　　[11] 3GPP TR 25.899, HSDPA Enhancements (Release 6 ) [S].

[摘要] 文章描述了高速下行分组接入（HSDPA）技术的标准化进程，讨论了自适应调制编码(AMC)、物理层混合自动重传(HARQ)和多输入多输出天线(MIMO)技术的特点、分类和性能，指出了在实现这些关键技术时面临的问题并给出了相应解决办法。

[关键词] 高速下行分组接入/自适应调制编码/混合自动重传/多输入多输出

[Abstract] The standardization process of the high-speed downlink packet access (HSDPA) technology is described. The characteristics, categories and performance of the technologies of adaptive modulation and coding (AMC), physical layer hybrid automatic repeat request (HARQ) and multiple input multiple output (MIMO) are detailed. Problems in the implementation of these key technologies along with corresponding solutions are provided and analyzed.

[Keywords] HSDPA/AMC/HARQ/MIMO