1 引言

目前有關(guān)TDD系統(tǒng)的HSDPA的技術(shù)方案已經(jīng)在3GPP標(biāo)準(zhǔn)和CCSA相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定下來。且CCSA在原來單載波的基礎(chǔ)上，完成了有關(guān)N頻點(diǎn)小區(qū)標(biāo)準(zhǔn)工作。N頻點(diǎn)小區(qū)是在一個(gè)扇區(qū)中從分配到的N個(gè)頻點(diǎn)中確定一個(gè)作為主載頻，僅在主載頻上發(fā)送DwPTS和廣播信息，多個(gè)載頻共同使用一個(gè)廣播，這樣就增大了TD-SCDMA小區(qū)的系統(tǒng)容量，減少了系統(tǒng)之間的干擾。多載波的HSDPA是在N頻點(diǎn)的基礎(chǔ)上，小區(qū)內(nèi)的多個(gè)載波共同使用一個(gè)MAC-hs實(shí)體，不同載波的所有用戶的數(shù)據(jù)調(diào)度都在這一個(gè)MAC-hs內(nèi)完成。同時(shí)多載波數(shù)據(jù)在MAC層進(jìn)行分流； 多載波僅針對HSDPA信道，即一個(gè)給定的UE將在一個(gè)或者多個(gè)載波上接收和發(fā)送信息(多載波發(fā)送僅限于支持多-多方式的UE)。 物理信道HS-SCCH和HS-SICH物理信道結(jié)構(gòu)不變。

在HSDPA中，快速分組調(diào)度由RNC側(cè)移到了NodeB側(cè)，所以來自RNC的數(shù)據(jù)將在NodeB進(jìn)行緩存。但NodeB MAC-hs調(diào)度算法受到無線信道的影響，對數(shù)據(jù)在NodeB側(cè)的緩存有很大的影響，進(jìn)而影響到數(shù)據(jù)在Iub接口上的傳輸，為了保證Iub接口上的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失和延遲過大，在NodeB側(cè)引入了流控算法(flow control)來動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)的調(diào)整Iub接口上的用戶數(shù)據(jù)的傳輸流量。

目前，對HSDPA Iub接口的流控算法主要集中在RNC側(cè)的固網(wǎng)的流控算法，主要涉及的是IP骨干網(wǎng)上的流控算法以及在ATM層的CBR、VBR和UBR之間的流控算法，針對Iub接口的高層流控算法較少。由于Iub接口上的流控算法和數(shù)據(jù)在NodeB側(cè)的存儲(chǔ)memory大小有關(guān)，所以通常的算法是根據(jù)用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)memory的占用情況來實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)的調(diào)整Iub接口上的數(shù)據(jù)流量。

本論文將從實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)的角度，結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)的具體要求和標(biāo)準(zhǔn)中對有關(guān)技術(shù)的描述對多載波的HSDPA進(jìn)行模塊的劃分并設(shè)計(jì)整個(gè)軟件結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，對MAC-hs實(shí)體中有關(guān)Iub接口的流控算法進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。

2 多載波HSDPA結(jié)構(gòu)分析

多載波的HSDPA技術(shù)是由 CCSA在2005年8月TC5 WG9 #1會(huì)議上提出來的，該技術(shù)以N頻點(diǎn)行標(biāo)和HSDPA技術(shù)為基礎(chǔ)，引入多載波特性，從而完善和提高TD-SCDMA HSDPA技術(shù)，以更好的支持分組業(yè)務(wù)，滿足運(yùn)營商對高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。

多載波的技術(shù)就是當(dāng)使用HSDPA技術(shù)時(shí)，一個(gè)小區(qū)內(nèi)的多個(gè)載波上的信道資源可以為同一個(gè)用戶服務(wù)，即該用戶可以同時(shí)接收本小區(qū)內(nèi)多個(gè)載波發(fā)送的信息。這樣，如果采用N個(gè)載波同時(shí)為一個(gè)用戶發(fā)送，理論上用戶可以獲得原來N倍的數(shù)據(jù)速率。在多載波HSDPA方案中，HS-DSCH所使用的物理資源包括載波、時(shí)隙和碼道，由MAC-hs統(tǒng)一調(diào)度和分配。當(dāng)一個(gè)用戶的數(shù)據(jù)在多個(gè)載波上同時(shí)傳輸時(shí)，由MAC-hs對數(shù)據(jù)進(jìn)行分流，即將數(shù)據(jù)流分配到不同的載波，各載波獨(dú)立進(jìn)行編碼映射、調(diào)制發(fā)送，對于UE，則需要有同時(shí)接收多個(gè)載波數(shù)據(jù)的能力，各個(gè)載波獨(dú)立進(jìn)行譯碼處理后，由在MAC-hs進(jìn)行合并。

在多載波HSDPA方案中，MAC層原有結(jié)構(gòu)和機(jī)制沒有變化。但在MAC-hs的具體調(diào)度控制和處理能力上需要有所改變和提高。主要變化是：在NodeB側(cè)， MAC-hs的調(diào)度實(shí)體需要對數(shù)據(jù)在各個(gè)載波上統(tǒng)一分配，即將數(shù)據(jù)流分配到不同的載波上；在UE側(cè)，MAC-hs需要把來自不同載波的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理，將來自不同載波的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并和重排后上報(bào)高層。

根據(jù)多載波的HSDPA技術(shù)描述，一個(gè)小區(qū)內(nèi)的所有HSDPA資源，包括載波，時(shí)隙和碼道以及功率，由MAC-hs統(tǒng)一調(diào)度和分配。即MAC-hs根據(jù)高層的配置，把同一用戶的數(shù)據(jù)分別配置給不同的載波，并根據(jù)載波當(dāng)前的信道條件，分配相應(yīng)的無線資源并且指定相應(yīng)的HARQ機(jī)制和編碼調(diào)制機(jī)制等。也就是說，在MAC-hs層進(jìn)行數(shù)據(jù)的分流，而在物理層的處理多載波和單載波是一樣的。多載波的HSDPA的結(jié)構(gòu)如下：

3 Iub接口流控算法分析

由于HSDPA提供了高速的下行數(shù)據(jù)且把數(shù)據(jù)的調(diào)度放在了NodeB側(cè)，所以從RNC發(fā)過來的MAC-d PDUs 需要在NodeB側(cè)進(jìn)行緩存，等待MAC-hs的調(diào)度。由于空中接口的復(fù)雜和移動(dòng)信道的不確定性，用戶在空口的實(shí)際速率受到調(diào)度算法的性能影響，同時(shí)也直接影響到用戶數(shù)據(jù)在NodeB側(cè)的緩存，即MAC-d PDUs在Iub 接口上的傳輸。本部分主要描述在Iub接口上的MAC-d PDUs的傳輸算法，即流控算法。

RNC側(cè)的邏輯信道把數(shù)據(jù)映射稱MAC-d PDU通過HS-DSCH FP幀傳輸?shù)?/span>NodeB， 由NodeB側(cè)的 MAC-hs實(shí)體進(jìn)行封裝通過空口發(fā)送到UE。MAC-d PDU在Iub 接口上的傳輸控制，即流控，由HS-DSCH FP控制幀負(fù)責(zé)。

流控算法的主要功能是根據(jù)用戶在空口的實(shí)際傳輸能力采用一種動(dòng)態(tài)的方式控制HS-DSCH FP 即MAC-d PDUs在Iub 接口上的傳輸。流控算法獨(dú)立于HS-DSCH FP幀，主要通過HS-DSCH的控制幀HS-DSCH Capacity Request 和HS-DSCH Capacity Allocation之間的交互來控制HS-DSCH FP數(shù)據(jù)在Iub 接口上的傳輸。有關(guān)HSDPA數(shù)據(jù)幀和控制幀詳細(xì)內(nèi)容參見文獻(xiàn)【17】。

在整個(gè)流控算法中，NodeB是主要的發(fā)起方。因?yàn)閷τ脩舳?，用戶空口的信道狀況隨時(shí)發(fā)生變化，而快速調(diào)度算法主要是根據(jù)用戶的空口信道條件來進(jìn)行調(diào)度的，所以空口信道條件的變化直接影響到了用戶數(shù)據(jù)緩存buffer的占用情況。因此通過調(diào)整Iub接口上的數(shù)據(jù)流量來達(dá)到一種平衡，使NodeB側(cè)用戶的存儲(chǔ)buffer不至于過滿也不至于過空，保證數(shù)據(jù)在RNC和NodeB之間不會(huì)丟失，同時(shí)保證用戶在空口的數(shù)據(jù)吞吐量達(dá)到最大。因此，流控算法主要有以下目標(biāo)：

1．   如果NodeB MAC-hs的調(diào)度算法能夠?qū)崟r(shí)的進(jìn)行調(diào)度，為了減少數(shù)據(jù)的延遲，RNC應(yīng)盡可能的把數(shù)據(jù)發(fā)送給NodeB,以減少數(shù)據(jù)在Iub接口上的延遲。

2．   當(dāng)UE在進(jìn)行小區(qū)間切換或者小區(qū)內(nèi)切換的時(shí)候，要保證數(shù)據(jù)盡量不會(huì)丟失，即在UE切換時(shí)，使NodeB內(nèi)的MAC-d PDU的緩存盡量減少。對RLC的AM模式，利用RLC的重傳模式可以恢復(fù)；但對UM模式，丟失的數(shù)據(jù)是無法恢復(fù)的。

3．   使在Iub 接口上的流控信令盡量減少，保證數(shù)據(jù)的傳輸?shù)膸捄托省?/span>

4．   NodeB內(nèi)部每個(gè)用戶數(shù)據(jù)隊(duì)列memory的合理分配。

由于HSDPA數(shù)據(jù)的調(diào)度主要由NodeB控制和管理，MAC-d PDUs將在NodeB側(cè)進(jìn)行緩存，且數(shù)據(jù)的緩存受到NodeB側(cè)memory 的影響，所以需要協(xié)調(diào)MAC-d PDUs在Iub 接口上的傳輸，確保數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。

由于在TD-SCDMA系統(tǒng)中，對HSDPA來說，一個(gè)最小的TTI是5ms，即一個(gè)子幀。在一個(gè)子幀內(nèi)部，所有的資源包括碼道， 時(shí)隙和功率。在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)的所有用戶，可以共享所有的資源，即在一個(gè)子幀內(nèi)，MAC-hs的調(diào)度算法可以調(diào)度多個(gè)用戶。對每個(gè)調(diào)度的用戶來說，它在NodeB內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩存buffer會(huì)隨時(shí)變化，那么就直接影響到了MAC-d PDU在Iub接口上的傳輸。而流控算法是針對每個(gè)用戶的所有數(shù)據(jù)流而言的，即用戶數(shù)據(jù)的消息隊(duì)列，也就是說每個(gè)消息隊(duì)列都有自己獨(dú)立的流控進(jìn)程。

對HSDPA用戶來說，在一定條件下，目標(biāo)是使用戶數(shù)據(jù)在下行鏈路上的達(dá)到最大吞吐量，同時(shí)也要保證一定的公平性。而在一定條件下的用戶最大吞吐量直接受到當(dāng)前信道質(zhì)量的影響，最終反映到在Iub接口上的數(shù)據(jù)流量。所以，反過來說，在Iub接口上的流控也反映了當(dāng)前的無線信道的質(zhì)量。由于MAC-d PDU將在NodeB進(jìn)行緩存，如果信道條件變壞，在一段時(shí)間內(nèi)，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量就會(huì)下降，那么就有可能使MAC-d PDU在NodeB側(cè)緩存時(shí)間過長而得不到調(diào)度，如果時(shí)間超過了RNC配置下來的Discard timer， 這些MAC-d PDU就會(huì)被丟棄。所以在這種情況下，調(diào)度算法將會(huì)保證一定的公平性，對流控算法而言，需要很及時(shí)在Iub接口數(shù)據(jù)傳輸上反映出這種變化，使到達(dá)NodeB 的MAC-d PDU減少甚至停止。

盡管HSDPA主要傳輸一些對延遲不是十分敏感的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，但是對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)而言，在NodeB側(cè)的延遲也是有一定約束的。此參數(shù)也就是上面提到的RNC配置下來的Discard timer。所以盡量保證MAC-d PDU在NodeB側(cè)的緩存不要超過此參數(shù)所規(guī)定的值。

當(dāng)NodeB發(fā)送一個(gè)HS-DSCH Capacity Allocation給RNC時(shí)，需要在一定時(shí)間內(nèi)才能起作用，也就是說從NodeB發(fā)送數(shù)據(jù)到RNC和NodeB接收到RNC的回應(yīng)這段時(shí)間我們稱之為Round trip time(RTT)。對優(yōu)先級隊(duì)列來說，這是一個(gè)很重要的參數(shù)。

由于移動(dòng)信道的時(shí)變性，用戶的實(shí)際空口速率也是變化的。為了描述用戶的在一段時(shí)間內(nèi)的

平均吞吐量，我們采用時(shí)間窗平滑的方法來計(jì)算用戶的平均吞吐量。時(shí)間平滑窗方法是利用了過去的信息

加上當(dāng)前的信息采用平滑因子來進(jìn)行平滑。

    是用戶空口速率的統(tǒng)計(jì)平均， 指用戶在某一個(gè)TTI的實(shí)際速率。 是一個(gè)常數(shù)， 的取值應(yīng)能反映出用戶的快速信道衰落或者陰影衰落，此等式每個(gè)TTI都將被更新一次，如果在某個(gè)TTI內(nèi)，用戶沒有被調(diào)度，那么 的值將取0。只有當(dāng)用戶實(shí)際接收到所發(fā)送包的ACK/NACK時(shí)，才進(jìn)行更新。以上主要分析了影響流控算法的一些主要因素，主要包括用戶在空口的實(shí)際吞吐量，相應(yīng)MAC-d PDU的Discard timer,以及RTT.下面將主要分析流控的機(jī)制和算法。

    流控算法是對每一個(gè)具體的優(yōu)先級隊(duì)列， 在NodeB側(cè)，優(yōu)先級隊(duì)列表現(xiàn)為一個(gè)具體的buffer。 當(dāng)用戶NBAP 收到radio link setup 或者收到RNC發(fā)下來的Capacity Request時(shí)，流控算法才被激活。對每一個(gè)Capacity Request， NodeB必須回應(yīng)一個(gè)Capacity Allocation。在Capacity Allocation中，將包含Credits， Interval 和Rep.period等參數(shù)。

對每一個(gè)優(yōu)先級隊(duì)列，NodeB在以下條件下將產(chǎn)生Capacity Allocation 消息：

1．   收到RNC側(cè)發(fā)送的Capacity Request。

2．   收到NodeB底層發(fā)送上來的用戶的統(tǒng)計(jì)平均SIR值.（此值主要用于UE切換時(shí)）。

3．   觸發(fā)了相應(yīng)的用戶buffer的臨界門限值。

4．   為了實(shí)時(shí)跟蹤用戶的空口吞吐量，在一定條件下，我們將周期性發(fā)送Capacity Allocation給RNC.

5．   收到來自UE的CQI指示。

    由于流控算法是針對NodeB側(cè)每個(gè)用戶的優(yōu)先級隊(duì)列的。所以，每個(gè)優(yōu)先級隊(duì)列buffer內(nèi)的MAC-d PDU數(shù)量的變化直接反映到buffer的filling level。也就是說當(dāng)某個(gè)優(yōu)先級隊(duì)列buffer將要滿的時(shí)候，就表示Iub 接口的速率較大，空口速率較小，NodeB將通知RNC停止發(fā)送MAC-d PDU。如果buffer將要空的時(shí)候，就表示空口速率較大，Iub 接口的速率較小，NodeB將通知RNC提高Iub接口的發(fā)送速率。所以，流控的主要目的就是維持優(yōu)先級隊(duì)列buffer在一個(gè)合適的水平，既能滿足MAC-d PDU的Discard timer的要求，也能滿足用戶在空口的最大的數(shù)據(jù)吞吐量。在整個(gè)用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，NodeB一直將檢測對應(yīng)的HS-SICH的SIR 或者 RSCP值，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均。一般情況下，快速衰落或者陰影衰落持續(xù)的時(shí)間是3～4 (波長),相應(yīng)的大約是620ms的衰落周期， 所以SIR或者RSCP值應(yīng)能避免由于快速衰落所引起的大的波動(dòng)。如果檢測到一段時(shí)間內(nèi)用戶的SIR或者RSCP值一直低于門限制，NodeB將立刻向RNC發(fā)送Capacity Allocation 停止向NodeB發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)。在這種情況下，MAC-hs將把對應(yīng)的用戶列為最高優(yōu)先級將由先進(jìn)行調(diào)度，盡量在真正的切換發(fā)生時(shí)，使原小區(qū)內(nèi)的用戶數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。

    設(shè)NodeB發(fā)送Capacity Allocation 的周期為T1。

    用戶的優(yōu)先級隊(duì)列buffer大小可以用MAC-d 流對應(yīng)的Discard timer來決定。Discard timer由RNC通過NBAP消息進(jìn)行配置，由于Discard timer 是一個(gè)可選的參數(shù)，可能很小，所以不一定能滿足我們系統(tǒng)的需求?？紤]到用戶的RTT，我們可以用Discard timer， RTT和T1來確定用戶的某個(gè)優(yōu)先級隊(duì)列的大小。

由于Capacity Allocation 是不定時(shí)發(fā)送的且有一定的延遲，所以用戶的優(yōu)先級隊(duì)列buffer應(yīng)比Que_Discard_timer稍大一些。因此，引入了一個(gè)buffer動(dòng)態(tài)改變系數(shù)w，具體用戶的buffer大小如下圖所示。

為了實(shí)時(shí)的反映用戶在空口的信道變化，當(dāng)用戶buffer在lower_Limit和Upper_Limit 之間時(shí)，我們引入了一個(gè)可變參數(shù)factor實(shí)時(shí)反映用戶在空口的實(shí)際吞吐量。

如圖所示：

考慮到在流控開始時(shí)， =0，所以在流控算法被激活之前，不能使用上面的公式。在開始時(shí)，NodeB可以根據(jù)RNC配置下來的UE capability， MAC-d PDU size 和GBR(保證的空口速率) 來配置Credits/Interval的值。

如果 =0， Credits/Interval=UEcapability/MAC-d PDUsize ………(3)

在一個(gè)Capacity Allocation周期內(nèi)，一旦Credits/Interval被確定下來，如果沒有外部條件的觸發(fā)，此值在Capacity Allocation周期內(nèi)將不會(huì)變化，直到一個(gè)新的Credits/Interval值被確定或者外部條件觸發(fā)Credits/Interval重新計(jì)算。

計(jì)算流程：

1)         NodeB檢測所有用戶的HS-SICH SIR或者RSCP統(tǒng)計(jì)平均值

2)         計(jì)算所有用戶的CQI

3)         根據(jù)調(diào)度算法的結(jié)果計(jì)算被調(diào)度用戶的

4)         根據(jù)調(diào)度算法的結(jié)果計(jì)算被調(diào)度用戶的

5)         計(jì)算用戶優(yōu)先級隊(duì)列buffer level

6)         和buffer的上下限進(jìn)行比較

a)          Lower_limit=RTT

b)         Upper_limit= Que_Discard_Timer  -  RTT

7)         NodeB發(fā)送Capacity Allocotion給NodeB, Interval的值固定為5ms.

 A)如果

<=Lower_limit 那么

Credits/Interval=2*

B)如果

Lower_limit< <Upper_limit  那么

Credits/Interval=factor* 而

             (5)

C)如果

>=Upper_limit  那么

Credits/Interval=0

具體的流程圖如下：

圖7流控算法開發(fā)流程圖

對多載波HSDPA而言，由于所有載波的調(diào)度都在MAC-hs完成，所以對整個(gè)流控算法沒有影響。在整個(gè)算法設(shè)計(jì)中，相關(guān)的主要參數(shù)的確定需要通過系統(tǒng)仿真來完成。限于篇幅，本文沒有涉及到仿真這方面的工作。

4 結(jié)論

目前有關(guān)多載波的HSDPA的標(biāo)準(zhǔn)化工作已經(jīng)完成，具體的有關(guān)多載波HSDPA的產(chǎn)品開發(fā)工作正在進(jìn)行中。HSDPA技術(shù)不僅涉及到物理層也涉及到層2協(xié)議，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，如何從軟件模塊開發(fā)的角度來分析HSDPA系統(tǒng)也是一個(gè)難點(diǎn)。HSDPA的性能主要受到MAC-hs層的算法即快速調(diào)度算法和Iub接口的流控算法的影響。其算法設(shè)計(jì)和性能分析是整個(gè)HSDPA系統(tǒng)中的難點(diǎn)。

本論文從產(chǎn)品開發(fā)的角度, 對多載波的HSDPA的性能進(jìn)行了分析，提出了多載波HSDPA的軟件結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了軟件模塊的劃分，同時(shí)對Iub接口的流控算法進(jìn)行了分析，根據(jù)用戶buffer的filling level提出了一個(gè)Iub接口的流控算法,并給出了相應(yīng)的流程圖，僅供參考。隨著TD-SCDMA系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境中的大規(guī)模測試，根據(jù)測試的結(jié)果，我們可以對原有的算法進(jìn)行修正，進(jìn)一步提高算法的性能。

5 致謝

    在本論文發(fā)表過程中，得到了導(dǎo)師清華大學(xué)電子工程系姚彥教授的悉心指導(dǎo)，對本文提出了很好的修改建議。同時(shí)也得到了作者所在公司鼎橋通信技術(shù)有限公司的系統(tǒng)部門經(jīng)理佟學(xué)儉博士的大力支持和幫助，使本論文能夠及時(shí)的完成和發(fā)表，在此對兩位表示深深的感謝。

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【14】3GPP. Technical Specification Group Radio Access Network. MAC Protocol Specification. (3GPPTS 25.321 version 5.1.0).

【15】3GPP. Technical Specification Group Radio Access Network. Physical Layer Aspects of UTRA High Speed Downlink Packet Access. (3GPP TR 25.848 version 0.5.0). May 2000.

【16】3GPP. Technical Specification Group Radio Access Network. Physical Layer Procedures (TDD).(3GPP TS 25.214 version 5.5.0).

【17】3GPP TS 25.308: "High Speed Downlink Packet Access (HSDPA): Overall Description; Stage 2".