HSDPA和HSUPA的增強功能及測試分析

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

由于這一市場的發(fā)展，運營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)務中的感受。在技術方面，這需要改善3G網(wǎng)絡容量，支持的峰值速率必需超過Rel.99 UMTS支持的384kbps，在理想情況下還應使用3G頻譜。

第三代合作項目(3GPP)在早期階段已經(jīng)認識到這種需求，其任務是制訂基于WCDMA的3G標準。在2000年，它作為3GPP Rel-4標準化活動的一部分進行可行性研究，其目標是確定可望改進容量及可以實現(xiàn)峰值數(shù)據(jù)速率的技術，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規(guī)范得到批準，這些規(guī)范統(tǒng)稱為HSDPA(高速下行分組接入)。

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

HSDPA和HSUPA都在3G無線接入網(wǎng)(即UTRAN)中引入了新功能，必須使用相應的軟件升級Node-B和RNC。與蜂窩網(wǎng)絡中的任何其它技術進步一樣，在部署之前必須全面測試這些增強功能，包括功能級和性能級。本文的目的是介紹UTRAN增強功能，演示在開發(fā)/部署這些新技術時存在哪類測試要求。

HSDPA及其功能測試

1．HSDPA介紹

HSDPA設計用于在一個小區(qū)中支持14.4 Mbps的峰值數(shù)據(jù)速率。UTRAN的主要增強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是多個用戶可以同時使用的一條共享信道，專門滿足了具有突發(fā)業(yè)務特點的應用需求。

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

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

2． HSDPA采用混合自動重復請求(HARQ)協(xié)議處理重傳，保證無差錯數(shù)據(jù)傳輸。HARQ是稱為MAC-hs的新型MAC實體的關鍵要素，同時位于Node-B和用戶設備中(UE)，參見圖1。

3． 快速分組調度算法作為Node-B功能的一部分實現(xiàn)，它把HS-DSCH資源(如時隙和代碼)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RNC(SRNC)預留的部分功能已經(jīng)下移到MAC協(xié)議層及Node-B中。時間很關鍵的功能(如HARQ處理和分組調度)接近無線接口至關重要，因為HSDPA指定的傳輸時間間隔(TTI)僅2ms，是Rel. 99 WCDMA指定的最小TTI的1/5。換言之，重傳及調制方法和編碼速率變化等可能會每隔2ms發(fā)生一次。這么低的TTI明顯允許Node-B更快地對變化的信道條件作出反應，因此HSDPA為高吞吐量應用提供了更好的性能。

表1：HSDPA專用傳輸信道和物理信道

HSDPA標準比HS-DSCH更進一步，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，用來提供與HS-PDSCH有關的控制信息。它包括下一個HSDPA子幀指向的移動終端標識、信息代碼集信息，以及解碼HS-DSCH子幀使用的調制方案等信息。

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

2．MAC協(xié)議增強功能

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

不同類型的MAC實體用來識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MAC-d實體和一個MAC-c實體。HSDPA的引入需要定義一個新的實體，稱為MAC-hs。在Rel. 99規(guī)范中，MAC層在RNC中實現(xiàn)，相比之下MAC-hs則用于Node-B中，考慮了標準高性能實現(xiàn)方式的要求。

Node-B MAC-hs負責處理與HS-DSCH有關的第二層功能，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，這實際上是RLC協(xié)議的功能，但這個協(xié)議層沒有在HS-DSCH的Node-B中實現(xiàn)。因此，MAC-hs必須接管RLC的部分關鍵任務。由于HARQ的重傳處理，子幀到達時可能會失序。

3． 復用多個MAC-d流到一個MAC-hs流和從一個MAC-hs流解復用多條MAC-d流。

4． 下行分組調度。

3．控制面協(xié)議

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

1． 無線資源控制(RRC)協(xié)議，負責一系列UTRAN專用功能，包括(信令)無線承載(Radio Bearer)管理。

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

3． 無線網(wǎng)絡子系統(tǒng)應用部分(RNSAP)在兩個RNC之間的Iur接口上實現(xiàn)，也受到HSDPA影響，因為在這種情況下，Node B中的HSDPA相關資源由不同于Node B主控RNC的服務RNC管理。

4．用戶面協(xié)議

用來在UTRAN內部傳送HS-DSCH傳輸塊的相關用戶面協(xié)議是HS-DSCH幀協(xié)議(HS-DSCH FP)，如圖1所示。顧名思義，幀協(xié)議一般負責把傳輸塊(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UTRAN傳輸網(wǎng)絡(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)點和傳輸信道同步。

圖1

一個重要的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。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消息實現(xiàn)。RNC把容量請求消息發(fā)送到Node-B，表明數(shù)據(jù)準備傳輸。根據(jù)Node-B內部當前緩沖器狀態(tài)，這個網(wǎng)元(network element)通過容量分配消息，表明在一定時間周期內允許RNC傳輸多少個(如果有的話) MAC-d協(xié)議數(shù)據(jù)單元。

5．HSDPA測試

如前所述，在標準發(fā)布部及署前，需要在UTRAN內部全面測試網(wǎng)元。檢驗正確實現(xiàn)用戶面和控制面程序只是需要解決的測試問題的一部分。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Node-B和RNC執(zhí)行性能測試。換句話說，需要解決的問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)來的以最高吞吐量到達的用戶數(shù)據(jù)，即達到理論最大值14.4Mbps。

圖2顯示了一個典型的功能測試案例。

圖2：HSDPA測試方案

在這案例中，協(xié)議測試儀模擬RNC，即根據(jù)測試工程師開發(fā)的測試方案面向Node-B生成相應的消息。測試儀自動仿真不屬于測試用例、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。通過這種方式，可以檢驗通過Iub接口正確實現(xiàn)控制面程序。

在本案例中，Node-B是被測設備(DUT)。其它測試可能要求測試RNC，而協(xié)議測試儀則模擬Node-B和UE。

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

HSUPA及其功能測試

1．HSUPA介紹

HSUPA的目標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)范提供的主要增強功能是定義了一條新的傳輸信道，稱為增強專用信道(E-DCH)?？梢詫崿F(xiàn)的最大理論上行數(shù)據(jù)速率是5.6 Mbps。與HSDPA一樣，E-DCH同時依賴PHY層和MAC層實現(xiàn)的改進。但是，其中一個區(qū)別在于HSUPA沒有引入新的調制方案，而是使用為WCDMA指定的現(xiàn)有調制方案QPSK。因此，HSUPA也沒有實現(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，即用來提供HARQ反饋信息(ACK/NACK)。但是，它不包含CQI信息，因為HSUPA不支持自適應調制和編碼。

與HSDPA一樣，Node-B包含一個用于HSUPA的上行調度器。但是，調度操作的目標與HSDPA完全不同：HSDPA的目標是為多個用戶分配HS-DSCH資源(時隙和代碼)，而上行調度器的目標是為各個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不會發(fā)生“功率過載”。

很明顯，由于WCDMA固有的擴頻操作，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。即高位速率傳輸要求低擴頻系數(shù)來填充WCDMA的5 MHz帶寬，因此發(fā)送功率要高于要求高擴頻系數(shù)的低位速率應用。此外，同時發(fā)送信息的UE越多，其導致的相互干擾越多。Node-B只能容忍最大數(shù)量的干擾，一旦超過最大值，它就不再能解碼各個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UE同時傳輸信息，因此在Node-B上導致干擾。所以，Node-B必須調節(jié)E-DCH中發(fā)送信號的各個UE的功率電平，以避免達到這個“功率天花板”。所以，這種發(fā)送功率調節(jié)相當于為使用E-DCH發(fā)送信號的每個UE“調度”上行容量。換句話說，上行調度無非是一種非?？斓墓β士刂茩C制。

兩條物理調度信道E-RGCH和E-AGCH告訴UE怎樣調節(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，也可以使當前發(fā)送功率電平保持不變。在E-AGCH中，Node-B提供UE應發(fā)送的E-DCH功率電平絕對值。

3．MAC協(xié)議增強功能

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

圖4：E-DCH協(xié)議結構(資料來源: 3GPP TS 25.309)

具體如下：

1． MAC-e同時在UE和Node-B中實現(xiàn)。其主要功能涉及處理HARQ重傳和調度。這是一個低級MAC層，與物理層非常近。

2． MAC-es實體在UE和SRNC中實現(xiàn)。在UE中，它在一定程度上負責把多條MAC-d流量復用到同一條MAC-es流上。在SRNC中，這個實體負責順序傳送MAC-es PDU，解復用MAC-d流，并根據(jù)QoS特點把這些流分配到各個隊列中。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)務和后臺類業(yè)務)的各個PDP關聯(lián)域(context)對應。

與HS-DSCH不同，E-DCH支持軟切換(soft handover)。這說明了為什么E-DCH的MAC層在Node-B和SRNC之間劃分，Node-B負責HARQ處理和調度等實時功能，位于SRNC中的相關MAC-es實體則負責順序傳送MAC-es幀，這些幀可能來自目前為UE服務的不同Node-B。

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

4．HSUPA測試案例

圖5顯示了可能的HSUPA測試案例。

圖5：HSUPA測試方案

在該案例中，DUT是RNC。測試的目標是檢驗MAC-es層正確解復用來自MAC-es流的各條MAC-d流，把各個MAC-d PDU重新排列到各個重新排序隊列中。測試的進一步目標是檢驗根據(jù)各條MAC-d流的QoS要求實現(xiàn)重新排序。在一個測試用例中，只能模擬一個UE，檢驗在RNC中正確實現(xiàn)了基本MAC-es功能。在另一個測試用例中，可以模擬多個UE，檢驗RNC中的MAC-es層能夠正確區(qū)分所有UE。

在這個測試配置中，協(xié)議測試儀一方面作為UE和Node-B模擬器。它根據(jù)測試工程師的測試用例定義測試用戶面業(yè)務，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)務可以把視頻文件傳輸與發(fā)送大型附件的電子郵件對應起來(這取決于具體測試用例)。

在RNC的另一側，協(xié)議測試儀可以實現(xiàn)核心網(wǎng)仿真，以保證建立要求的PDP關聯(lián)域。此外，需要在協(xié)議測試儀上解碼和查看通過Iu-PS接口傳送的用戶面業(yè)務。由于還可以在協(xié)議測試儀上查看MAC-d流量上的用戶業(yè)務分配情況，所以可以實現(xiàn)MAC-d流量和PDP關聯(lián)域映射。值得注意的是，可以通過一臺測試設備實現(xiàn)UE/Node-B模擬器和CN仿真/Iu-PS監(jiān)測儀。圖5顯示了兩臺不同的設備，以幫助您了解協(xié)議測試儀的工作方式。

本文總結

HSDPA和HSUPA這樣的新移動網(wǎng)絡功能的引入，給測試相關網(wǎng)絡節(jié)點產品提出了嚴格的要求。然而，功能測試并不只是測試實現(xiàn)方案、查看其是否符合標準、檢查標準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試，檢查網(wǎng)絡節(jié)點內部算法(如與緩沖器管理、排隊等有關的算法)是否實現(xiàn)預計功能。這些算法和相關軟硬件不僅應該能夠在正常條件下運行(用戶業(yè)務以平均數(shù)據(jù)速率運行)，它們還應能夠處理最大指定吞吐量的用戶業(yè)務。滿足這些要求的測試平臺保證了制造商可以構建面向未來的解決方案，同時保證運營商成功地使用這些解決方案。