摘要　HSUPA是WCDMA上行鏈路的演進標(biāo)準(zhǔn)，在此標(biāo)準(zhǔn)中采用了基于軟合并的物理層混合重傳、基于Node B的快速調(diào)度及傳輸時間間隔短幀傳輸?shù)燃夹g(shù)，大大提高了WCDMA上行數(shù)據(jù)速率。在簡要介紹HSUPA的基礎(chǔ)上，對其采用的三種關(guān)鍵技術(shù)作了較全面的分析，并探討了HSUPA的引入對UTRAN系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響。最后，還對HSUPA的全球商業(yè)化進展作了詳細介紹。

　　隨著全球移動業(yè)務(wù)的發(fā)展，移動寬帶成為目前移動業(yè)務(wù)開展和移動用戶需求的焦點。高速下行鏈路分組接入技術(shù)（HSDPA）為3G/WCDMA網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)高速下行接入業(yè)務(wù)提供了可能[1]。HSDPA的日益成熟使得移動通信系統(tǒng)在下行能夠提供更高的傳輸速率和更短的時延，這樣對流量和遲延要求較高的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（如視頻、流媒體及大文件下載等下行業(yè)務(wù)）得以順利開展。目前HSDPA商用準(zhǔn)備已在全球各大移動市場（例如日本、北美和歐洲等）陸續(xù)展開。與此同時，交互式移動寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、移動VoIP服務(wù)、互動性移動游戲、視頻網(wǎng)絡(luò)日志發(fā)布以及功能更為強大的交互視頻業(yè)務(wù)等基于流媒體的交換視頻業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，迫切需要提高上行數(shù)據(jù)傳輸速率來滿足多媒體應(yīng)用服務(wù)的需要。為了迎合用戶對上行數(shù)據(jù)速率的要求，高速上行鏈路分組接入技術(shù)（HSUPA）作為3G演進過程的關(guān)鍵技術(shù)在3GPP的Release 6中被加入。在本文中，筆者在對HSUPA作簡要介紹的基礎(chǔ)上，全面分析了HSUPA采用的關(guān)鍵技術(shù)，同時對HSUPA的商業(yè)化進展情況進行總結(jié)。

　　一、HSUPA介紹

　　多媒體應(yīng)用的寬帶特性和用戶個性化移動業(yè)務(wù)的極大需求，以及新興的WiMAX和cdma2000 1x EV-DV等技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，使得以最高2 Mbit/s數(shù)據(jù)速率為設(shè)計目標(biāo)的IMT-2000 WCDMA系統(tǒng)面臨著技術(shù)和業(yè)務(wù)的雙重挑戰(zhàn)。為此，WCDMA設(shè)備主導(dǎo)廠商作出了迅速的反應(yīng)，極力推動著WCDMA系統(tǒng)地不斷演進。圖1即給出了WCDMA的演進之路。?

圖1　WCDMA演進之路

　　HSDPA的提出和部署大大緩解了運營商在給用戶提供高速下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)方面的窘境，并取得了初步的成功。而交互式多媒體業(yè)務(wù)的增長對上行業(yè)務(wù)的帶寬提供能力也提出了進一步的要求，為此，HSUPA作為WCDMA系統(tǒng)的高速下行解決方案被提出和采用。圖2給出了HSUPA技術(shù)同其他技術(shù)的比較。我們可以看到，當(dāng)引入HSUPA后，典型的用戶上行數(shù)據(jù)速率可達800 kbit/s，比成熟的有線ADSL接入的上行速率（384 kbit/s）都高。?

圖2　HSUPA技術(shù)同其他技術(shù)的比較

　　HSUPA技術(shù)大大提高了上行鏈路傳輸速率[2]，為運營商運營帶來雙向的容量。同時，通過HSUPA可提供音樂、電子郵件、互動移動游戲、視頻共享等多媒體應(yīng)用服務(wù)，運營商也將獲得巨大收益。對于試驗HSUPA，由于其標(biāo)準(zhǔn)制定和釋放的時間晚于規(guī)范的HSDPA，因此各大運營商對HSUPA的商用計劃也晚于HSDPA。

　　二、HSUPA關(guān)鍵技術(shù)

　　HSUPA采用了三種主要的技術(shù)[3][4][5]：基于軟合并的物理層混合重傳[L1（Fast）HARQ]、基于Node B的快速調(diào)度及傳輸時間間隔（TTI）短幀傳輸。同時還新增了一個專用信道以支持HSUPA的傳輸。新增的專用傳輸信道E-DCH：在HSUPA中，新增了一個專用傳輸信道E-DCH來傳輸HSUPA業(yè)務(wù)。R99版本中DCH和E-DCH可以共存，因此用戶可以享受在DCH上傳統(tǒng)的R99語音服務(wù)的同時，利用HSU-PA在E-DCH進行突發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸。

　　1.基于軟合并的物理層混合重傳

　　這種技術(shù)允許基站能夠在發(fā)現(xiàn)錯誤的接收數(shù)據(jù)后，迅速發(fā)出重傳請求，大大降低了時延。數(shù)據(jù)包的重傳在移動終端和基站直接進行。如果接收到的數(shù)據(jù)包正確則發(fā)送ACK信號，如果接收到的數(shù)據(jù)包錯誤就發(fā)送NACK信號，移動終端通過ACK/NACK的指示，可以迅速重新發(fā)送傳輸錯誤的數(shù)據(jù)包。在信道譯碼前，基站把前一次和重傳后的信息進行合并。這就是軟合并原理，它可以在給定信息速率條件下提高系統(tǒng)容量和擴大覆蓋面積。由于繞開了Iub接口傳輸，在10 ms TTI下，重傳延時縮短為40 ms，提高了重傳數(shù)據(jù)包的傳輸正確率。

　　2.基于基站的快速調(diào)度

　　基于基站的快速調(diào)度（Node-B Scheduling）的核心思想是由基站來控制移動終端的傳輸數(shù)據(jù)速率和傳輸時間?？焖僬{(diào)度使得無線資源在UE間快速重新分配，充分適應(yīng)分組數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐话l(fā)性。這一機制使得系統(tǒng)可以接納高數(shù)據(jù)速率的用戶和快速適應(yīng)系統(tǒng)干擾的變化，因此它提高了系統(tǒng)容量，也提高了用戶使用高速率業(yè)務(wù)的概率。當(dāng)移動終端希望用更高的數(shù)據(jù)速率發(fā)送時，移動終端向基站發(fā)送請求信號，基站根據(jù)小區(qū)的負載情況和調(diào)度策略決定是否同意移動終端請求。如果基站同意移動終端的請求，基站將發(fā)送信令提高移動終端的最高可用傳輸速率。當(dāng)移動終端一段時間內(nèi)沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時，基站將自動降低移動終端的最高可用傳輸速率。由于這些調(diào)度信令是在基站和移動終端間直接傳輸?shù)?，所以基于基站的快速調(diào)度機制可以使基站靈活快速地控制小區(qū)內(nèi)各移動終端的傳輸速率，使無線網(wǎng)絡(luò)資源更有效地服務(wù)于訪問突發(fā)性數(shù)據(jù)的用戶，從而達到增加小區(qū)吞吐量的效果。

　　3.短傳輸時間間隔

　　WCDMA R99上行DCH的傳輸時間間隔為10 ms、20 ms、40 ms和80 ms。在HSUPA中，采用了10 ms TTI以降低傳輸延遲。雖然HSUPA也引入了2 ms TTI的傳輸方式，進一步降低傳輸延遲，但是基于2 msTTI的短幀傳輸不適合工作于小區(qū)的邊緣。圖3給出了不同3GPP版本下的時延情況?？梢钥闯觯S著3GPP的演進，傳輸時延越來越低，這也使得其他的系統(tǒng)特性有充足時間進行自適應(yīng)。?

圖3　不同3GPP協(xié)議版本下的系統(tǒng)時延比較

　　三、HSUPA的引入對UTRAN結(jié)構(gòu)的影響

　　圖4（a）是目前UTRAN的架構(gòu)體系[1]。多個RNC連接到一個核心網(wǎng)，每個無線網(wǎng)絡(luò)控制器控制一個或多個基站。基站同多個用戶設(shè)備進行通信，調(diào)度和重傳由RNC來控制。為了滿足HSUPA對低時延和快速資源分配的要求，傳統(tǒng)的調(diào)度和混合ARQ必須更接近于空口。這一特性由一個新的媒體接入控制實體（MAC-e）的引入來實現(xiàn)，見圖4（b）。MAC-e位于基站，這一點同HSDPA類似，它主要負責(zé)資源調(diào)度和混合ARQ。物理層也必須能夠支持軟合并所需的功能實體。?

圖4　HSUPA的引入對UTRAN架構(gòu)的影響

　　無線網(wǎng)絡(luò)控制器中加入了一個新的MAC-e實體，以支持資源調(diào)度、混合ARQ以及分集合并等功能。無線網(wǎng)絡(luò)控制器里的無線鏈路控制和媒體接入控制實體同WCDMA以前的版本相比都保持不變。

　　四、HSUPA性能分析

　　考慮到上行鏈路自身的特點，如上行軟切換、功率控制和用戶設(shè)備的峰均比問題，HSUPA主要采用物理層快速重傳和快速調(diào)度等技術(shù)來提高上行鏈路的數(shù)據(jù)速率和小區(qū)容量。

　　在WCDMA R99中，數(shù)據(jù)包重傳是由無線網(wǎng)絡(luò)控制器控制下的無線鏈路控制重傳完成的。在透明模式（AM）下，無線鏈路控制的重傳涉及無線鏈路控制信令和Iub接口傳輸，重傳延時超過100 ms；HSUPA使用增量冗余重傳機制，使得數(shù)據(jù)包的重傳可以在移動終端和基站間直接進行，繞開了Iub接口傳輸，大大降低了時延，快速重發(fā)還允許上行鏈路以更高的誤塊率運行，允許在給定的數(shù)據(jù)速率下以更低的功率級開始傳輸，最終使得小區(qū)的覆蓋面擴大。

　　在WCDMA R99中，移動終端傳輸速率的調(diào)度由無線網(wǎng)絡(luò)控制器控制，移動終端可用的最高傳輸速率在DCH建立時由無線網(wǎng)絡(luò)控制器確定，無線網(wǎng)絡(luò)控制器不能夠根據(jù)小區(qū)負載和移動終端的信道狀況變化靈活控制移動終端的傳輸速率；HSUPA通過在上行鏈路中使用快速調(diào)度可以對網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負載和數(shù)據(jù)做出快速反應(yīng)，減少了上行鏈路噪聲增長的變化率，有可能減少上行鏈路為了保護超負荷預(yù)留的峰值儲備，充分利用了R99解決方案里保留的容量，這樣一來就實現(xiàn)了更高的用戶數(shù)據(jù)速率和小區(qū)容量。

　　HSUPA向后充分兼容于3GPP的WCDMA R99，可以逐步引入到網(wǎng)絡(luò)中，其終端可以和R99的終端共享同一無線載體。HSUPA不依賴HSDPA，也就是說沒有升級到HSDPA的網(wǎng)絡(luò)也可以引入HSUPA。雖然WCDMA引入HSUPA需要對現(xiàn)有的無線接入系統(tǒng)做一定程度的升級，但是由于HSUPA極大地提高了上行傳輸速率，無論對于發(fā)送電子郵件，文件上傳還是交互式游戲這樣的應(yīng)用，用戶都將體會到HSUPA提供的高速率和短延遲。

　　五、HSUPA商業(yè)化的進展

　　截至2006年2月在西班牙巴塞羅那舉行3GSM世界大會，已經(jīng)有諸多的WCDMA設(shè)備廠商演示了HSUPA產(chǎn)品和其強大的上行數(shù)據(jù)傳送能力。雖然全球尚未有商用的HSUPA網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備廠商宣稱能達到的HSUPA性能還有待驗證，但這充分顯示了各大廠商如摩托羅拉、阿爾卡特、朗訊、愛立信、諾基亞、北電、NEC等對于HSUPA的重視程度。

　　摩托羅拉在近日于西班牙巴塞羅那舉行的3GSM世界大會上向人們展示了超過4 Mbit/s的HSUPA速率所帶來的移動寬帶體驗。通過該系統(tǒng)，用戶不僅能在數(shù)秒內(nèi)下載完成音樂或視頻，而且也能以相同高速度發(fā)送和共享這些內(nèi)容。

　　同樣是在最近的3GSM大會上，阿爾卡特展示了他們在HSUPA領(lǐng)域的突出成就。采用三星手機和諾華達與Option公司生產(chǎn)的PC卡，HSUPA不僅可實現(xiàn)點對點的互動，而且用戶僅用16 s就可以上傳采用MPEG-4編碼技術(shù)的（每秒24幅圖像，600×400類似TV的模擬分辨率）60 s長度的視頻文件。

　　朗訊科技也在本次展覽會上，基于商用的WCDMA/HSDPA網(wǎng)絡(luò)，進行了商用級別的HSUPA演示。實現(xiàn)高達1.4 Mbit/s的逆向鏈路數(shù)據(jù)傳輸，較當(dāng)前的UMTS速率快四倍以上。HSUPA支持的更高逆向鏈路數(shù)據(jù)傳輸速度能夠緩解數(shù)據(jù)延遲，并為運營商未來通過UMTS/HSDPA網(wǎng)絡(luò)提供VoIP及視頻會議等實時多媒體業(yè)務(wù)鋪平了道路。目前的網(wǎng)絡(luò)無需增加硬件，只需對基站進行軟件升級即可支持HSUPA。

　　愛立信在2005年5月，聯(lián)手斯堪的納維亞移動運營商3Scandinavia公司完成了HSUPA的現(xiàn)場演示，數(shù)據(jù)傳輸速1.5 Mbit/s。這是世界上首次基于商用WCDMA系統(tǒng)的HSUPA現(xiàn)場演示。同樣在2005年5月，在廣東舉行的2005展覽會上，愛立信成功演示了傳輸速率達1.7 Mbit/s的HSUPA移動寬帶應(yīng)用。這是HSUPA基于商用的首次在中國以無線方式WCDMA系統(tǒng)進行的演示。在2005年10月中國際通信設(shè)備技術(shù)展覽會上，在HSUPA方面，愛立信通過FTP上傳等應(yīng)用進行基于商用網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的HSUPA現(xiàn)場演示，展現(xiàn)高速上行業(yè)務(wù)，并且通過HSDPA/HSUPA系統(tǒng)進行VoIP的第一次基于的業(yè)務(wù)演示。此舉進一步證明了愛立信在移動寬帶和通話的公眾WCDMA領(lǐng)導(dǎo)地位。愛立信HSUPA解決方案的首個商用版本支持1.5 Mbit/s的傳輸速率，并將與終端同步推向市場。第一批終端和PC卡產(chǎn)品將會在2006年下半年投放市場，而手機則會在2007年早些時候面世。

　　諾基亞是全球首個公開演示HSUPA技術(shù)的廠家，在2005年2月法國戛納舉行的3GSM大會和美國新奧爾良舉行的CTIA無線峰會上就率先成功完成了HSUPA技術(shù)演示。在實際演示中，HSUPA演示系統(tǒng)通過上行鏈路同時進行DVD質(zhì)量的視頻傳送和FTP文件上傳，上行的峰值速率達到1.4 Mbit/s，平均為900 kbit/s。

　　北電在這次3GSM世界大會上展示了業(yè)界首次同時支持HSUPA和HSDPA的無線呼叫，此次演示中主要采用北電的商用UMTS基站收發(fā)信臺和Aeroflex公司的TM500手機模擬器，尤為突出的是在該演示中，傳輸VoIP、視頻和文件的上行速率達到1.4 Mbit/s。而在此前，北電在巴黎的實驗室就已成功實現(xiàn)在兩個移動終端設(shè)備之間實現(xiàn)高速上下行接入的無線呼叫。這一演示成為業(yè)界首次，并且上行速率達到現(xiàn)有UMTS業(yè)務(wù)速率的四倍北電的HSUPA技術(shù)預(yù)計將于2007年年初推出，它只需對現(xiàn)有商用網(wǎng)絡(luò)進行一次軟件升級就能提高上行吞吐量、縮短時延并增加容量。

　　NEC計劃于2006年4月左右推出世界第一個HSDPA商用業(yè)務(wù)。HSUPA下一步的相關(guān)技術(shù)研發(fā)已經(jīng)在進行當(dāng)中，預(yù)計將于2006年底在日本進行外場測試。

　　六、結(jié)束語

　　本文通過對HSUPA引入的背景，支撐技術(shù)以及商用化進程的討論，分析了HSUPA技術(shù)的特點和市場前景。HSUPA的引入適應(yīng)了移動市場競爭發(fā)展的需要，同時與其他移動寬帶技術(shù)相比更具有市場競爭力。適時地將3G/WCDMA系統(tǒng)升級為具有HSUPA功能的網(wǎng)絡(luò)，將有利于保持網(wǎng)絡(luò)運營商的競爭優(yōu)勢，具有現(xiàn)實意義。

　　參考文獻
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