HSDPA和HSUPA的增强功能及测试分析

    宽带蜂窝数据业务市场正在迅速变化。仅仅在几年前，UMTS技术仍处在早期部署阶段，能够利用提高带宽的业务少之又少，而能够支持这些业务的手机数量就更少。现在，UMTS终于慢慢成为主流技术，相应的中等价位的手机已经上市，因此可以获得更多的终端用户。

    由于这一市场的发展，运营商和制造商正在寻求各种方式，首先满足数量不断提高的潜在3G用户需求，其次是改善用户在这些宽带业务中的感受。在技术方面，这需要改善3G网络容量，支持的峰值速率必需超过Rel.99 UMTS支持的384kbps，在理想情况下还应使用3G频谱。

    第三代合作项目(3GPP)在早期阶段已经认识到这种需求，其任务是制订基于WCDMA的3G标准。在2000年，它作为3GPP Rel-4标准化活动的一部分进行可行性研究，其目标是确定可望改进容量及可以实现峰值数据速率的技术，特别是在下行方向。这一努力使得作为3GPP Rel-5的一部分的一系列增强规范得到批准，这些规范统称为HSDPA(高速下行分组接入)。

    人们需要改善上行使用容量。3GPP Rel-6中的“FDD增强上行”功能满足了这种要求，这就是我们通常所说的HSUPA (高速上行分组接入)。

    HSDPA和HSUPA都在3G无线接入网(即UTRAN)中引入了新功能，必须使用相应的软件升级Node-B和RNC。与蜂窝网络中的任何其它技术进步一样，在部署之前必须全面测试这些增强功能，包括功能级和性能级。本文的目的是介绍UTRAN增强功能，演示在开发/部署这些新技术时存在哪类测试要求。

HSDPA及其功能测试

1．HSDPA介绍

    HSDPA设计用于在一个小区中支持14.4 Mbps的峰值数据速率。UTRAN的主要增强功能是引入了一条新的传输信道，称为高速共享数据信道(HS-DSCH，参见表1)，外加上行和下行使用的两条控制信道。顾名思义，HS-DSCH是多个用户可以同时使用的一条共享信道，专门满足了具有突发业务特点的应用需求。

    这条新传输信道的引入影响着多个协议层，最明显的变化在物理层和MAC层。下面的特点实现了HSDPA的高吞吐量功能：

1． HSDPA引入了一种自适应调制和编码(AMC)方案，根据终端和Node-B提供的信道条件相关信息选择调制方法和编码速率。在下行方向，HSDPA支持16QAM作为良好信道条件下传输数据的高阶调制方法，同时支持用于WCDMA中的QPSK。

2． HSDPA采用混合自动重复请求(HARQ)协议处理重传，保证无差错数据传输。HARQ是称为MAC-hs的新型MAC实体的关键要素，同时位于Node-B和用户设备中(UE)，参见图1。

3． 快速分组调度算法作为Node-B功能的一部分实现，它把HS-DSCH资源(如时隙和代码)分配给不同的用户。

    从上面可以看出，以前为RLC协议层及服务RNC(SRNC)预留的部分功能已经下移到MAC协议层及Node-B中。时间很关键的功能(如HARQ处理和分组调度)接近无线接口至关重要，因为HSDPA指定的传输时间间隔(TTI)仅2ms，是Rel. 99 WCDMA指定的最小TTI的1/5。换言之，重传及调制方法和编码速率变化等可能会每隔2ms发生一次。这么低的TTI明显允许Node-B更快地对变化的信道条件作出反应，因此HSDPA为高吞吐量应用提供了更好的性能。

 

表1：HSDPA专用传输信道和物理信道

HSDPA标准比HS-DSCH更进一步，新增了下面两条传输信道和物理层信道：

1．高速共享控制信道(HS-SCCH)是一条下行信道，用来提供与HS-PDSCH有关的控制信息。它包括下一个HSDPA子帧指向的移动终端标识、信息代码集信息，以及解码HS-DSCH子帧使用的调制方案等信息。

2．高速专用物理控制信道(HS-DPCCH)是一条上行控制信道，用来传送信道质量信息(由CQI信道质量指示位携带)及与Node-B中HARQ操作有关的ACK/NACK消息。

2．MAC协议增强功能

    HSDPA不仅引入了新的传输信道和物理层信道，还对包括MAC层的高层协议产生影响。图1显示了HSDPA的第一层/第二层协议结构。

    不同类型的MAC实体用来识别不同类别的传输信道。3GPP Rel. 99中区分专用传输信道和共用传输信道，因此MAC层包含一个MAC-d实体和一个MAC-c实体。HSDPA的引入需要定义一个新的实体，称为MAC-hs。在Rel. 99规范中，MAC层在RNC中实现，相比之下MAC-hs则用于Node-B中，考虑了标准高性能实现方式的要求。

Node-B MAC-hs负责处理与HS-DSCH有关的第二层功能，包括下述功能：

1． 处理HARQ协议，包括生成ACK和NACK消息。

2．重新排列失序的子帧顺序。注意，这实际上是RLC协议的功能，但这个协议层没有在HS-DSCH的Node-B中实现。因此，MAC-hs必须接管RLC的部分关键任务。由于HARQ的重传处理，子帧到达时可能会失序。

3． 复用多个MAC-d流到一个MAC-hs流和从一个MAC-hs流解复用多条MAC-d流。

4． 下行分组调度。

3．控制面协议

HSDPA的引入还要求增加和修改UTRAN内部使用的控制面协议，特别是下面的协议：

1． 无线资源控制(RRC)协议，负责一系列UTRAN专用功能，包括(信令)无线承载(Radio Bearer)管理。

2． Node-B应用部分(NBAP)协议，它在Iub接口(即Node-B和RNC之间的接口)上实现，NBAP使得RNC能够管理Node-B上的资源。HS-DSCH构成了一种额外的Node-B资源类型，也需要使用NBAP协议进行管理。

3． 无线网络子系统应用部分(RNSAP)在两个RNC之间的Iur接口上实现，也受到HSDPA影响，因为在这种情况下，Node B中的HSDPA相关资源由不同于Node B主控RNC的服务RNC管理。

4．用户面协议

    用来在UTRAN内部传送HS-DSCH传输块的相关用户面协议是HS-DSCH帧协议(HS-DSCH FP)，如图1所示。顾名思义，帧协议一般负责把传输块(从MAC层传送到物理层的数据的基本单位)集合“打包”成可以通过UTRAN传输网络(在Rel. 99 UMTS中是基于ATM的)传送的格式。帧协议支持的其它功能包括节点和传输信道同步。

图1

    数据单元(PDU)有关。由于Node-B缓冲器有限，因此必需采用某种流量控制形式，这可以用RNC和Node-B之间交换的专用HS-DSCH FP消息实现。RNC把容量请求消息发送到Node-B，表明数据准备传输。根据Node-B内部当前缓冲器状态，这个网元(network element)通过容量分配消息，表明在一定时间周期内允许RNC传输多少个(如果有的话) MAC-d协议数据单元。

5．HSDPA测试

    如前所述，在标准发布部及署前，需要在UTRAN内部全面测试网元。检验正确实现用户面和控制面程序只是需要解决的测试问题的一部分。由于在Node-B和RNC之间以很高的吞吐量交换用户数据，因此还需要对Node-B和RNC执行性能测试。换句话说，需要解决的问题之一是使用的容量分配算法，特别是在Node-B中是否能够正确处理从RNC发来的以最高吞吐量到达的用户数据，即达到理论最大值14.4Mbps。

图2显示了一个典型的功能测试案例。

图2：HSDPA测试方案

    在这案例中，协议测试仪模拟RNC，即根据测试工程师开发的测试方案面向Node-B生成相应的消息。测试仪自动仿真不属于测试用例、但要求使用的所有底层协议层。该特定案例还仿真核心网，如SGSN、GGSN和HLR。通过这种方式，可以检验通过Iub接口正确实现控制面程序。

    在本案例中，Node-B是被测设备(DUT)。其它测试可能要求测试RNC，而协议测试仪则模拟Node-B和UE。

    在另一个测试案例中，目标是检验Node-B的内存管理，测试其实现方案是否能够处理来自一部或多部终端的高吞吐量用户业务。在这种情况下，需要模拟的协议是HS-DSCH FP；由协议测试仪仿真设置要求的无线承载(即RRC和NBAP)所需的其它协议。如图2所示，实际业务由外部FTP服务器模拟器提供，例如这个模拟器可以通过以太网连接到协议测试仪。在这该案例中，测试用例可以由速率逐渐提高(最高达14.4 Mbps)的用户面业务组成，以确定在任何时间点上Node-B中是否会发生缓冲器溢出。另一个测试用例则模拟到多个UE的业务，以检验Node-B的资源分配功能。

HSUPA及其功能测试

1．HSUPA介绍

    HSUPA的目标是在上行方向改善容量和数据吞吐量，降低专用信道中的延迟。3GPP规范提供的主要增强功能是定义了一条新的传输信道，称为增强专用信道(E-DCH)。可以实现的最大理论上行数据速率是5.6 Mbps。与HSDPA一样，E-DCH同时依赖PHY层和MAC层实现的改进。但是，其中一个区别在于HSUPA没有引入新的调制方案，而是使用为WCDMA指定的现有调制方案QPSK。因此，HSUPA也没有实现AMC。表2比较了HSDPA和HSUPA之间的明显类似之处和区别。

 

表2：HSDPA和HSUPA特点比较

2．物理信道

        在物理层，E-DCH定义引入了五条新的物理层信道(参见图3和表3)。

 

图3

 

表3：E-DCH传输信道和物理信道定义

    E-HICH的功能与HSDPA的HS-DPCCH类似，即用来提供HARQ反馈信息(ACK/NACK)。但是，它不包含CQI信息，因为HSUPA不支持自适应调制和编码。

    与HSDPA一样，Node-B包含一个用于HSUPA的上行调度器。但是，调度操作的目标与HSDPA完全不同：HSDPA的目标是为多个用户分配HS-DSCH资源(时隙和代码)，而上行调度器的目标是为各个E-DCH用户分配所需要的尽可能多的容量(发送功率)，以保证Node-B不会发生“功率过载”。

    很明显，由于WCDMA固有的扩频操作，UE的发送功率与其发送信息的数据速率直接相关。即高位速率传输要求低扩频系数来填充WCDMA的5 MHz带宽，因此发送功率要高于要求高扩频系数的低位速率应用。此外，同时发送信息的UE越多，其导致的相互干扰越多。Node-B只能容忍最大数量的干扰，一旦超过最大值，它就不再能解码各个UE的传输信息。由于E-DCH是一条专用信道，因此极有可能多个UE同时传输信息，因此在Node-B上导致干扰。所以，Node-B必须调节E-DCH中发送信号的各个UE的功率电平，以避免达到这个“功率天花板”。所以，这种发送功率调节相当于为使用E-DCH发送信号的每个UE“调度”上行容量。换句话说，上行调度无非是一种非常快的功率控制机制。

    两条物理调度信道E-RGCH和E-AGCH告诉UE怎样调节发送功率电平。在E-RGCH中，它告诉UE把发送功率电平提高或降低一步，也可以使当前发送功率电平保持不变。在E-AGCH中，Node-B提供UE应发送的E-DCH功率电平绝对值。

3．MAC协议增强功能

    除引入新的物理信道外，E-DCH还为UE引入了新的MAC实体：Node-B和SRNC。这些MAC实体称为MAC-e和MAC-es (见图4)，映射到网元上。

图4：E-DCH协议结构(资料来源: 3GPP TS 25.309)

具体如下：

1． MAC-e同时在UE和Node-B中实现。其主要功能涉及处理HARQ重传和调度。这是一个低级MAC层，与物理层非常近。

2． MAC-es实体在UE和SRNC中实现。在UE中，它在一定程度上负责把多条MAC-d流量复用到同一条MAC-es流上。在SRNC中，这个实体负责顺序传送MAC-es PDU，解复用MAC-d流，并根据QoS特点把这些流分配到各个队列中。这些MAC-d流可能在Iu-PS接口上与具有不同QoS规范(如流类业务和后台类业务)的各个PDP关联域(context)对应。

与HS-DSCH不同，E-DCH支持软切换(soft handover)。这说明了为什么E-DCH的MAC层在Node-B和SRNC之间划分，Node-B负责HARQ处理和调度等实时功能，位于SRNC中的相关MAC-es实体则负责顺序传送MAC-es帧，这些帧可能来自目前为UE服务的不同Node-B。

E-DCH与HS-DSCH还有一个大的差异，是E-DCH可以同时支持2ms和10ms的TTI (HS-DSCH要求2ms的TTI)。具体要求哪个TTI取决于UE类别。

4．HSUPA测试案例

图5显示了可能的HSUPA测试案例。

 

图5：HSUPA测试方案

    在该案例中，DUT是RNC。测试的目标是检验MAC-es层正确解复用来自MAC-es流的各条MAC-d流，把各个MAC-d PDU重新排列到各个重新排序队列中。测试的进一步目标是检验根据各条MAC-d流的QoS要求实现重新排序。在一个测试用例中，只能模拟一个UE，检验在RNC中正确实现了基本MAC-es功能。在另一个测试用例中，可以模拟多个UE，检验RNC中的MAC-es层能够正确区分所有UE。

    在这个测试配置中，协议测试仪一方面作为UE和Node-B模拟器。它根据测试工程师的测试用例定义测试用户面业务，在UE和RNC之间建立一条MAC-es流之前，仿真要求的所有必需的信令协议。生成的业务可以把视频文件传输与发送大型附件的电子邮件对应起来(这取决于具体测试用例)。

    在RNC的另一侧，协议测试仪可以实现核心网仿真，以保证建立要求的PDP关联域。此外，需要在协议测试仪上解码和查看通过Iu-PS接口传送的用户面业务。由于还可以在协议测试仪上查看MAC-d流量上的用户业务分配情况，所以可以实现MAC-d流量和PDP关联域映射。值得注意的是，可以通过一台测试设备实现UE/Node-B模拟器和CN仿真/Iu-PS监测仪。图5显示了两台不同的设备，以帮助您了解协议测试仪的工作方式。

 

本文总结

    HSDPA和HSUPA这样的新移动网络功能的引入，给测试相关网络节点产品提出了严格的要求。然而，功能测试并不只是测试实现方案、查看其是否符合标准、检查标准化接口之间的控制面程序和用户面程序，在很大程度上还要求功能测试，检查网络节点内部算法(如与缓冲器管理、排队等有关的算法)是否实现预计功能。这些算法和相关软硬件不仅应该能够在正常条件下运行(用户业务以平均数据速率运行)，它们还应能够处理最大指定吞吐量的用户业务。满足这些要求的测试平台保证了制造商可以构建面向未来的解决方案，同时保证运营商成功地使用这些解决方案。

作者：

Simon Binar

泰克公司协议监测分部