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(shù)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。現(xiàn)在，UMTS終于慢慢成為主流技術(shù)，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(shù)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(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(nèi)容而不是使用內(nèi)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(shù)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(shù)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(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(guān)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(diào)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(guān)鍵的功能(如HARQ處理和分組調(diào)度)接近無線接口至關(guān)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(diào)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(guān)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(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(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(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(guān)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(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(gòu)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(guān)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(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(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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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)。可以實現(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(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(diào)制和編碼。

與HSDPA一樣，Node-B包含一個用于HSUPA的上行調(diào)度器。但是，調(diào)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(diào)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(guān)。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(diào)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(diào)節(jié)相當于為使用E-DCH發(fā)送信號的每個UE“調(diào)度”上行容量。換句話說，上行調(diào)度無非是一種非?？斓墓β士刂茩C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(jié)構(gòu)(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(diào)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(guān)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(diào)度等實時功能，位于SRNC中的相關(guān)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(cè)，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(guān)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(guān)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(jié)

HSDPA和HSUPA這樣的新移動網(wǎng)絡功能的引入，給測試相關(guān)網(wǎng)絡節(jié)點產(chǎn)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(nèi)部算法(如與緩沖器管理、排隊等有關(guān)的算法)是否實現(xiàn)預計功能。這些算法和相關(guān)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(gòu)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。