HSDPA和HSUPA的增強(qiáng)功能及測(cè)試分析

寬帶蜂窩數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)市場(chǎng)正在迅速變化。僅僅在幾年前，UMTS技術(shù)仍處在早期部署階段，能夠利用提高帶寬的業(yè)務(wù)少之又少，而能夠支持這些業(yè)務(wù)的手機(jī)數(shù)量就更少?，F(xiàn)在，UMTS終于慢慢成為主流技術(shù)，相應(yīng)的中等價(jià)位的手機(jī)已經(jīng)上市，因此可以獲得更多的終端用戶。

由于這一市場(chǎng)的發(fā)展，運(yùn)營(yíng)商和制造商正在尋求各種方式，首先滿足數(shù)量不斷提高的潛在3G用戶需求，其次是改善用戶在這些寬帶業(yè)務(wù)中的感受。在技術(shù)方面，這需要改善3G網(wǎng)絡(luò)容量，支持的峰值速率必需超過(guò)Rel.99 UMTS支持的384kbps，在理想情況下還應(yīng)使用3G頻譜。

第三代合作項(xiàng)目(3GPP)在早期階段已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這種需求，其任務(wù)是制訂基于WCDMA的3G標(biāo)準(zhǔn)。在2000年，它作為3GPP Rel-4標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)的一部分進(jìn)行可行性研究，其目標(biāo)是確定可望改進(jìn)容量及可以實(shí)現(xiàn)峰值數(shù)據(jù)速率的技術(shù)，特別是在下行方向。這一努力使得作為3GPP Rel-5的一部分的一系列增強(qiáng)規(guī)范得到批準(zhǔn)，這些規(guī)范統(tǒng)稱為HSDPA(高速下行分組接入)。

由于互動(dòng)業(yè)務(wù)的數(shù)量不斷提高，這些業(yè)務(wù)由最終用戶生成內(nèi)容而不是使用內(nèi)容(例如博客和播客等業(yè)務(wù))，人們需要改善上行使用容量。3GPP Rel-6中的“FDD增強(qiáng)上行”功能滿足了這種要求，這就是我們通常所說(shuō)的HSUPA (高速上行分組接入)。

HSDPA和HSUPA都在3G無(wú)線接入網(wǎng)(即UTRAN)中引入了新功能，必須使用相應(yīng)的軟件升級(jí)Node-B和RNC。與蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的任何其它技術(shù)進(jìn)步一樣，在部署之前必須全面測(cè)試這些增強(qiáng)功能，包括功能級(jí)和性能級(jí)。本文的目的是介紹UTRAN增強(qiáng)功能，演示在開(kāi)發(fā)/部署這些新技術(shù)時(shí)存在哪類測(cè)試要求。

HSDPA及其功能測(cè)試

1．HSDPA介紹

HSDPA設(shè)計(jì)用于在一個(gè)小區(qū)中支持14.4 Mbps的峰值數(shù)據(jù)速率。UTRAN的主要增強(qiáng)功能是引入了一條新的傳輸信道，稱為高速共享數(shù)據(jù)信道(HS-DSCH，參見(jiàn)表1)，外加上行和下行使用的兩條控制信道。顧名思義，HS-DSCH是多個(gè)用戶可以同時(shí)使用的一條共享信道，專門(mén)滿足了具有突發(fā)業(yè)務(wù)特點(diǎn)的應(yīng)用需求。

這條新傳輸信道的引入影響著多個(gè)協(xié)議層，最明顯的變化在物理層和MAC層。下面的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了HSDPA的高吞吐量功能：

1． HSDPA引入了一種自適應(yīng)調(diào)制和編碼(AMC)方案，根據(jù)終端和Node-B提供的信道條件相關(guān)信息選擇調(diào)制方法和編碼速率。在下行方向，HSDPA支持16QAM作為良好信道條件下傳輸數(shù)據(jù)的高階調(diào)制方法，同時(shí)支持用于WCDMA中的QPSK。

2． HSDPA采用混合自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求(HARQ)協(xié)議處理重傳，保證無(wú)差錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸。HARQ是稱為MAC-hs的新型MAC實(shí)體的關(guān)鍵要素，同時(shí)位于Node-B和用戶設(shè)備中(UE)，參見(jiàn)圖1。

3． 快速分組調(diào)度算法作為Node-B功能的一部分實(shí)現(xiàn)，它把HS-DSCH資源(如時(shí)隙和代碼)分配給不同的用戶。

從上面可以看出，以前為RLC協(xié)議層及服務(wù)RNC(SRNC)預(yù)留的部分功能已經(jīng)下移到MAC協(xié)議層及Node-B中。時(shí)間很關(guān)鍵的功能(如HARQ處理和分組調(diào)度)接近無(wú)線接口至關(guān)重要，因?yàn)镠SDPA指定的傳輸時(shí)間間隔(TTI)僅2ms，是Rel. 99 WCDMA指定的最小TTI的1/5。換言之，重傳及調(diào)制方法和編碼速率變化等可能會(huì)每隔2ms發(fā)生一次。這么低的TTI明顯允許Node-B更快地對(duì)變化的信道條件作出反應(yīng)，因此HSDPA為高吞吐量應(yīng)用提供了更好的性能。

表1：HSDPA專用傳輸信道和物理信道

HSDPA標(biāo)準(zhǔn)比HS-DSCH更進(jìn)一步，新增了下面兩條傳輸信道和物理層信道：

1．高速共享控制信道(HS-SCCH)是一條下行信道，用來(lái)提供與HS-PDSCH有關(guān)的控制信息。它包括下一個(gè)HSDPA子幀指向的移動(dòng)終端標(biāo)識(shí)、信息代碼集信息，以及解碼HS-DSCH子幀使用的調(diào)制方案等信息。

2．高速專用物理控制信道(HS-DPCCH)是一條上行控制信道，用來(lái)傳送信道質(zhì)量信息(由CQI信道質(zhì)量指示位攜帶)及與Node-B中HARQ操作有關(guān)的ACK/NACK消息。

2．MAC協(xié)議增強(qiáng)功能

HSDPA不僅引入了新的傳輸信道和物理層信道，還對(duì)包括MAC層的高層協(xié)議產(chǎn)生影響。圖1顯示了HSDPA的第一層/第二層協(xié)議結(jié)構(gòu)。

不同類型的MAC實(shí)體用來(lái)識(shí)別不同類別的傳輸信道。3GPP Rel. 99中區(qū)分專用傳輸信道和共用傳輸信道，因此MAC層包含一個(gè)MAC-d實(shí)體和一個(gè)MAC-c實(shí)體。HSDPA的引入需要定義一個(gè)新的實(shí)體，稱為MAC-hs。在Rel. 99規(guī)范中，MAC層在RNC中實(shí)現(xiàn)，相比之下MAC-hs則用于Node-B中，考慮了標(biāo)準(zhǔn)高性能實(shí)現(xiàn)方式的要求。

Node-B MAC-hs負(fù)責(zé)處理與HS-DSCH有關(guān)的第二層功能，包括下述功能：

1． 處理HARQ協(xié)議，包括生成ACK和NACK消息。

2．重新排列失序的子幀順序。注意，這實(shí)際上是RLC協(xié)議的功能，但這個(gè)協(xié)議層沒(méi)有在HS-DSCH的Node-B中實(shí)現(xiàn)。因此，MAC-hs必須接管RLC的部分關(guān)鍵任務(wù)。由于HARQ的重傳處理，子幀到達(dá)時(shí)可能會(huì)失序。

3． 復(fù)用多個(gè)MAC-d流到一個(gè)MAC-hs流和從一個(gè)MAC-hs流解復(fù)用多條MAC-d流。

4． 下行分組調(diào)度。

3．控制面協(xié)議

HSDPA的引入還要求增加和修改UTRAN內(nèi)部使用的控制面協(xié)議，特別是下面的協(xié)議：

1． 無(wú)線資源控制(RRC)協(xié)議，負(fù)責(zé)一系列UTRAN專用功能，包括(信令)無(wú)線承載(Radio Bearer)管理。

2． Node-B應(yīng)用部分(NBAP)協(xié)議，它在Iub接口(即Node-B和RNC之間的接口)上實(shí)現(xiàn)，NBAP使得RNC能夠管理Node-B上的資源。HS-DSCH構(gòu)成了一種額外的Node-B資源類型，也需要使用NBAP協(xié)議進(jìn)行管理。

3． 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)應(yīng)用部分(RNSAP)在兩個(gè)RNC之間的Iur接口上實(shí)現(xiàn)，也受到HSDPA影響，因?yàn)樵谶@種情況下，Node B中的HSDPA相關(guān)資源由不同于Node B主控RNC的服務(wù)RNC管理。

4．用戶面協(xié)議

用來(lái)在UTRAN內(nèi)部傳送HS-DSCH傳輸塊的相關(guān)用戶面協(xié)議是HS-DSCH幀協(xié)議(HS-DSCH FP)，如圖1所示。顧名思義，幀協(xié)議一般負(fù)責(zé)把傳輸塊(從MAC層傳送到物理層的數(shù)據(jù)的基本單位)集合“打包”成可以通過(guò)UTRAN傳輸網(wǎng)絡(luò)(在Rel. 99 UMTS中是基于ATM的)傳送的格式。幀協(xié)議支持的其它功能包括節(jié)點(diǎn)和傳輸信道同步。

圖1

一個(gè)重要的HS-DSCH FP功能與需要控制HS-DSCH中從RNC發(fā)送到Node-B的MAC-d協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)有關(guān)。由于Node-B緩沖器有限，因此必需采用某種流量控制形式，這可以用RNC和Node-B之間交換的專用HS-DSCH FP消息實(shí)現(xiàn)。RNC把容量請(qǐng)求消息發(fā)送到Node-B，表明數(shù)據(jù)準(zhǔn)備傳輸。根據(jù)Node-B內(nèi)部當(dāng)前緩沖器狀態(tài)，這個(gè)網(wǎng)元(network element)通過(guò)容量分配消息，表明在一定時(shí)間周期內(nèi)允許RNC傳輸多少個(gè)(如果有的話) MAC-d協(xié)議數(shù)據(jù)單元。

5．HSDPA測(cè)試

如前所述，在標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布部及署前，需要在UTRAN內(nèi)部全面測(cè)試網(wǎng)元。檢驗(yàn)正確實(shí)現(xiàn)用戶面和控制面程序只是需要解決的測(cè)試問(wèn)題的一部分。由于在Node-B和RNC之間以很高的吞吐量交換用戶數(shù)據(jù)，因此還需要對(duì)Node-B和RNC執(zhí)行性能測(cè)試。換句話說(shuō)，需要解決的問(wèn)題之一是使用的容量分配算法，特別是在Node-B中是否能夠正確處理從RNC發(fā)來(lái)的以最高吞吐量到達(dá)的用戶數(shù)據(jù)，即達(dá)到理論最大值14.4Mbps。

圖2顯示了一個(gè)典型的功能測(cè)試案例。

圖2：HSDPA測(cè)試方案

在這案例中，協(xié)議測(cè)試儀模擬RNC，即根據(jù)測(cè)試工程師開(kāi)發(fā)的測(cè)試方案面向Node-B生成相應(yīng)的消息。測(cè)試儀自動(dòng)仿真不屬于測(cè)試用例、但要求使用的所有底層協(xié)議層。該特定案例還仿真核心網(wǎng)，如SGSN、GGSN和HLR。通過(guò)這種方式，可以檢驗(yàn)通過(guò)Iub接口正確實(shí)現(xiàn)控制面程序。

在本案例中，Node-B是被測(cè)設(shè)備(DUT)。其它測(cè)試可能要求測(cè)試RNC，而協(xié)議測(cè)試儀則模擬Node-B和UE。

在另一個(gè)測(cè)試案例中，目標(biāo)是檢驗(yàn)Node-B的內(nèi)存管理，測(cè)試其實(shí)現(xiàn)方案是否能夠處理來(lái)自一部或多部終端的高吞吐量用戶業(yè)務(wù)。在這種情況下，需要模擬的協(xié)議是HS-DSCH FP；由協(xié)議測(cè)試儀仿真設(shè)置要求的無(wú)線承載(即RRC和NBAP)所需的其它協(xié)議。如圖2所示，實(shí)際業(yè)務(wù)由外部FTP服務(wù)器模擬器提供，例如這個(gè)模擬器可以通過(guò)以太網(wǎng)連接到協(xié)議測(cè)試儀。在這該案例中，測(cè)試用例可以由速率逐漸提高(最高達(dá)14.4 Mbps)的用戶面業(yè)務(wù)組成，以確定在任何時(shí)間點(diǎn)上Node-B中是否會(huì)發(fā)生緩沖器溢出。另一個(gè)測(cè)試用例則模擬到多個(gè)UE的業(yè)務(wù)，以檢驗(yàn)Node-B的資源分配功能。

HSUPA及其功能測(cè)試

1．HSUPA介紹

HSUPA的目標(biāo)是在上行方向改善容量和數(shù)據(jù)吞吐量，降低專用信道中的延遲。3GPP規(guī)范提供的主要增強(qiáng)功能是定義了一條新的傳輸信道，稱為增強(qiáng)專用信道(E-DCH)?？梢詫?shí)現(xiàn)的最大理論上行數(shù)據(jù)速率是5.6 Mbps。與HSDPA一樣，E-DCH同時(shí)依賴PHY層和MAC層實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)。但是，其中一個(gè)區(qū)別在于HSUPA沒(méi)有引入新的調(diào)制方案，而是使用為WCDMA指定的現(xiàn)有調(diào)制方案QPSK。因此，HSUPA也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)AMC。表2比較了HSDPA和HSUPA之間的明顯類似之處和區(qū)別。

表2：HSDPA和HSUPA特點(diǎn)比較

2．物理信道

在物理層，E-DCH定義引入了五條新的物理層信道(參見(jiàn)圖3和表3)。

圖3

表3：E-DCH傳輸信道和物理信道定義

E-HICH的功能與HSDPA的HS-DPCCH類似，即用來(lái)提供HARQ反饋信息(ACK/NACK)。但是，它不包含CQI信息，因?yàn)镠SUPA不支持自適應(yīng)調(diào)制和編碼。

與HSDPA一樣，Node-B包含一個(gè)用于HSUPA的上行調(diào)度器。但是，調(diào)度操作的目標(biāo)與HSDPA完全不同：HSDPA的目標(biāo)是為多個(gè)用戶分配HS-DSCH資源(時(shí)隙和代碼)，而上行調(diào)度器的目標(biāo)是為各個(gè)E-DCH用戶分配所需要的盡可能多的容量(發(fā)送功率)，以保證Node-B不會(huì)發(fā)生“功率過(guò)載”。

很明顯，由于WCDMA固有的擴(kuò)頻操作，UE的發(fā)送功率與其發(fā)送信息的數(shù)據(jù)速率直接相關(guān)。即高位速率傳輸要求低擴(kuò)頻系數(shù)來(lái)填充WCDMA的5 MHz帶寬，因此發(fā)送功率要高于要求高擴(kuò)頻系數(shù)的低位速率應(yīng)用。此外，同時(shí)發(fā)送信息的UE越多，其導(dǎo)致的相互干擾越多。Node-B只能容忍最大數(shù)量的干擾，一旦超過(guò)最大值，它就不再能解碼各個(gè)UE的傳輸信息。由于E-DCH是一條專用信道，因此極有可能多個(gè)UE同時(shí)傳輸信息，因此在Node-B上導(dǎo)致干擾。所以，Node-B必須調(diào)節(jié)E-DCH中發(fā)送信號(hào)的各個(gè)UE的功率電平，以避免達(dá)到這個(gè)“功率天花板”。所以，這種發(fā)送功率調(diào)節(jié)相當(dāng)于為使用E-DCH發(fā)送信號(hào)的每個(gè)UE“調(diào)度”上行容量。換句話說(shuō)，上行調(diào)度無(wú)非是一種非常快的功率控制機(jī)制。

兩條物理調(diào)度信道E-RGCH和E-AGCH告訴UE怎樣調(diào)節(jié)發(fā)送功率電平。在E-RGCH中，它告訴UE把發(fā)送功率電平提高或降低一步，也可以使當(dāng)前發(fā)送功率電平保持不變。在E-AGCH中，Node-B提供UE應(yīng)發(fā)送的E-DCH功率電平絕對(duì)值。

3．MAC協(xié)議增強(qiáng)功能

除引入新的物理信道外，E-DCH還為UE引入了新的MAC實(shí)體：Node-B和SRNC。這些MAC實(shí)體稱為MAC-e和MAC-es (見(jiàn)圖4)，映射到網(wǎng)元上。

圖4：E-DCH協(xié)議結(jié)構(gòu)(資料來(lái)源: 3GPP TS 25.309)

具體如下：

1． MAC-e同時(shí)在UE和Node-B中實(shí)現(xiàn)。其主要功能涉及處理HARQ重傳和調(diào)度。這是一個(gè)低級(jí)MAC層，與物理層非常近。

2． MAC-es實(shí)體在UE和SRNC中實(shí)現(xiàn)。在UE中，它在一定程度上負(fù)責(zé)把多條MAC-d流量復(fù)用到同一條MAC-es流上。在SRNC中，這個(gè)實(shí)體負(fù)責(zé)順序傳送MAC-es PDU，解復(fù)用MAC-d流，并根據(jù)QoS特點(diǎn)把這些流分配到各個(gè)隊(duì)列中。這些MAC-d流可能在Iu-PS接口上與具有不同QoS規(guī)范(如流類業(yè)務(wù)和后臺(tái)類業(yè)務(wù))的各個(gè)PDP關(guān)聯(lián)域(context)對(duì)應(yīng)。

與HS-DSCH不同，E-DCH支持軟切換(soft handover)。這說(shuō)明了為什么E-DCH的MAC層在Node-B和SRNC之間劃分，Node-B負(fù)責(zé)HARQ處理和調(diào)度等實(shí)時(shí)功能，位于SRNC中的相關(guān)MAC-es實(shí)體則負(fù)責(zé)順序傳送MAC-es幀，這些幀可能來(lái)自目前為UE服務(wù)的不同Node-B。

E-DCH與HS-DSCH還有一個(gè)大的差異，是E-DCH可以同時(shí)支持2ms和10ms的TTI (HS-DSCH要求2ms的TTI)。具體要求哪個(gè)TTI取決于UE類別。

4．HSUPA測(cè)試案例

圖5顯示了可能的HSUPA測(cè)試案例。

圖5：HSUPA測(cè)試方案

在該案例中，DUT是RNC。測(cè)試的目標(biāo)是檢驗(yàn)MAC-es層正確解復(fù)用來(lái)自MAC-es流的各條MAC-d流，把各個(gè)MAC-d PDU重新排列到各個(gè)重新排序隊(duì)列中。測(cè)試的進(jìn)一步目標(biāo)是檢驗(yàn)根據(jù)各條MAC-d流的QoS要求實(shí)現(xiàn)重新排序。在一個(gè)測(cè)試用例中，只能模擬一個(gè)UE，檢驗(yàn)在RNC中正確實(shí)現(xiàn)了基本MAC-es功能。在另一個(gè)測(cè)試用例中，可以模擬多個(gè)UE，檢驗(yàn)RNC中的MAC-es層能夠正確區(qū)分所有UE。

在這個(gè)測(cè)試配置中，協(xié)議測(cè)試儀一方面作為UE和Node-B模擬器。它根據(jù)測(cè)試工程師的測(cè)試用例定義測(cè)試用戶面業(yè)務(wù)，在UE和RNC之間建立一條MAC-es流之前，仿真要求的所有必需的信令協(xié)議。生成的業(yè)務(wù)可以把視頻文件傳輸與發(fā)送大型附件的電子郵件對(duì)應(yīng)起來(lái)(這取決于具體測(cè)試用例)。

在RNC的另一側(cè)，協(xié)議測(cè)試儀可以實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)仿真，以保證建立要求的PDP關(guān)聯(lián)域。此外，需要在協(xié)議測(cè)試儀上解碼和查看通過(guò)Iu-PS接口傳送的用戶面業(yè)務(wù)。由于還可以在協(xié)議測(cè)試儀上查看MAC-d流量上的用戶業(yè)務(wù)分配情況，所以可以實(shí)現(xiàn)MAC-d流量和PDP關(guān)聯(lián)域映射。值得注意的是，可以通過(guò)一臺(tái)測(cè)試設(shè)備實(shí)現(xiàn)UE/Node-B模擬器和CN仿真/Iu-PS監(jiān)測(cè)儀。圖5顯示了兩臺(tái)不同的設(shè)備，以幫助您了解協(xié)議測(cè)試儀的工作方式。

本文總結(jié)

HSDPA和HSUPA這樣的新移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)功能的引入，給測(cè)試相關(guān)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品提出了嚴(yán)格的要求。然而，功能測(cè)試并不只是測(cè)試實(shí)現(xiàn)方案、查看其是否符合標(biāo)準(zhǔn)、檢查標(biāo)準(zhǔn)化接口之間的控制面程序和用戶面程序，在很大程度上還要求功能測(cè)試，檢查網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部算法(如與緩沖器管理、排隊(duì)等有關(guān)的算法)是否實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)功能。這些算法和相關(guān)軟硬件不僅應(yīng)該能夠在正常條件下運(yùn)行(用戶業(yè)務(wù)以平均數(shù)據(jù)速率運(yùn)行)，它們還應(yīng)能夠處理最大指定吞吐量的用戶業(yè)務(wù)。滿足這些要求的測(cè)試平臺(tái)保證了制造商可以構(gòu)建面向未來(lái)的解決方案，同時(shí)保證運(yùn)營(yíng)商成功地使用這些解決方案。