摘要 HSUPA作爲繼HSDPA後又一個增強的數據解決方案，在全球多媒體發展、視頻監控以及移動VoIP升溫的腳步聲中，走入運營商的視野，受到業界的廣泛關注。文章介紹了HSUPA的關鍵技術，詳細分析了HSUPA的引入對網絡帶來的影響，對網絡規劃帶來的影響。最後給出HSUPA的應用部署前景。
1、HSUPA關鍵技術
與HSDPA類似，HSUPA採用了物理層快速重傳及軟合併（HARQ）、Node B分佈調度、更短的TTI、高階調製等技術。因此HSUPA的系統性能主要由擴頻、調製、編碼、HAQR重傳和軟合併、調度效率以及特定無線環境等因素確定。
1.1 軟合併與HARQ技術
HSUPA採用混合自動重傳HARQ技術，應對複雜多變的傳輸信道。HARQ是一種糾錯技術。混合（Hybrid）的意思是它綜合了前向糾錯碼（FEC）和重傳（ARQ）兩種方式的特點。R99/R4採用了傳統的ARQ方法，重傳功能在RLC實現。HSUPA在Node B增加了H-ARQ功能，用以提高傳輸速率和減小時延。在HSUPA中採用的是多進程停等HARQ機制。停等協議SAW（Stop & Wait）是對每個進程來說，發送完數據包後等待接收正確的確認信息，如果對方沒有正確接收，則重傳數據包，如果對方已經正確接收，則發送下一個新的數據包。在HSUPA中，10msTTI對應4個HARQ進程，2msTTI對應8個HARQ進程。對於HARQ的前向糾錯，分爲CC（Chase Combining）和IR（Incremental Redundancy）兩種方式。CC方式重傳的信息和第一次發送的內容完全一樣，這樣UE在解碼前，先把重傳的信息進行最大比合並後，再進行解碼，提高解碼增益。IR方式的重傳支持兩種類型，一種是重傳時發送和前次發送完全不一樣的冗餘信息，該信息只有和第一次發送的信息合併後纔可以解碼；另外一種是重傳時發送和前次完全不一樣的冗餘信息，但該信息是可以自解碼的。在每次HARQ重傳時，通過給定增量冗餘方式，提高譯碼前向糾錯的能力。
1.2 快速調度
HSUPA採用Node B的非集中調度策略。非集中調度策略是針對RNC內的集中式調度策略而言，RNC集中調度的優點是知道UE多個無線鏈路的解調性能以及相應小區負載信息，可以更準確的調度UE的數據傳輸速率，防止UE過高的發射功率給某些小區帶來過大的底噪攀升，但是缺點是響應時間太慢。Node B非集中調度的優點是可以根據當前UE的信道條件好壞和小區負載狀況，以最快2ms的速率對用戶的數據傳輸速率進行調度，可以獲得快速調度帶來的性能增益，缺點是無法知道調度UE發射功率給其他鄰小區帶來的底噪攀升。爲了解決軟切換區域服務小區Node B調度給其他鄰小區帶來的不可估計的底噪影響，在HSUPA中，最終的UE傳輸格式選擇權由UE自己決定，UE可以根據當前各個小區下行傳輸速率調度指示RG信息以及自己剩餘可用功率信息，決定是否增加傳輸速率，還是降低傳輸速率。比如，如果UE接收的非服務小區傳輸速率調整指示RG爲下調傳輸速率，則即使UE服務小區指示UE上調傳輸速率，也將按照下調傳輸速率進行數據傳輸，防止過大的發射功率擡高非服務小區的底噪聲，超過了負載要求，導致系統性能下降。Node B採用非集中式的快速調度機制，和R99/R4的DCH相比，可以使得Node B工作在較高的負載水平，這樣網絡規劃的負載餘量預留可以大大的減小，提高了系統上行的容量。
1.3 2ms短幀
HSUPA採用2ms短幀，減小了傳輸時延，主要體現在空口數據傳輸相比10ms有比較大的時延減小，並且發射方數據組成幀時需要的幀對齊時間也減小了。2ms短幀使得Node B控制的HARQ進程的往返RTT（Round Trip Time）減小了，並提高了快速調度響應時間。相對10ms幀來說，可以更好的利用資源，獲得更高的系統容量。
下面具體分析一下2ms TTI和10ms TTI相比帶來的性能增益。
HSUPA調度週期仿真參數如表1所示。2ms TTI的EDCH調度週期爲2ms，Node B根據當前小區負載特性確定用戶調整的速率指示（RG，Rate Grant）值，併發送給用戶，用戶使用該調度信息（SI，Scheduling Information）時，考慮處理時延等因素，調度對應上行數據傳輸格式有10個時隙的延遲；10ms TTI的E-DCH調度週期和上行數據使用SI的延遲分別爲10ms和35時隙。仿真結果顯示，在4.5dB RoT的情況下，2ms TTI的E-DCH小區吞吐率比10ms TTI的E-DCH小區吞吐率提高了16%，並且隨着工作負載點的增加，獲得的性能提升更大。可見短TTI帶來了較大的性能增益。
2、HSUPA在UMTS中的技術實現
2.1 在物理層的實現
爲了支持HSUPA，物理層在上行增加了E-DPCCH和E-DPDCH，在下行增加了E-AGCH、E-RGCH和E-HICH。上行增強專用數據信道E-DPDCH用於承載HSUPA用戶上行的傳輸數據，最大支持2個SF=4同時組合2個SF=2的多碼傳輸，峯值速率可達5.76Mb/s，E-DPDCH採用BPSK調製；上行增強控制信道E-DPCCH承載解調數據信道E-DPDCH的伴隨信令。下行絕對授權信道E-AGCH爲公共信道，由用戶服務E-DCH無線連接所在的小區指示UE E-DPDCH最大可用功率偏置，通常爲慢速調節；下行相對授權信道E-RGCH爲專用信道，最快可按2ms時間快速調整UE的上行可用功率；下行HARQ指示信道E-HICH用於反饋用戶接收進程數據是否正確的ACK/NACK信息。
2.2 在MAC層的實現
2.2.1 UE側的MAC層實現
（1）總體結構
UE MAC結構見圖1。它包含一個新的MAC-es/MAC-e實體。結構中加了兩個連接：MAC-d和MAC-es/MAC-e之間的連接，MAC-es/MAC-e與MAC控制SAP之間的連接。
一個RLCPDU通過邏輯信道進入MAC-d。MAC-d C/T複用被旁路。在MAC-e頭中，DDI（數據描述指示）域識別邏輯信道、MAC-d流和MAC-d PDU大小，DDI映射表通過RRC通知，N域指示了相應於同一DDI值的連續的MAC-d PDUs的數目。一個特殊的DDIO域指示了MAC-e PDU數據頭定義的結束。TSN域提供了E-DCH上的傳輸序列號。MAC-e PDU下傳給HARQ實體，然後HARQ實體將該MAC-e PDU置於層1的一個TTI中發送。
（2）MAC-e/es實體
MAC-es/e處理E-DCH的特定功能。UE中的MAC-e和MAC-es不再細分。在以下模型中，MAC-e/es包含如下實體：
◆HARQ
HARQ實體負責處理和HARQ協議有關的MAC功能。它負責存儲MAC-e PDU數據以及可能的重傳。HARQ協議的具體配置由RRC通過MAC控制SAP提供。HARQ實體提供E-TFC、RSN和用於L1的功率偏置。L1從RSN、CFN以及子幀號（在2ms TTI時需要）導出HARQ的RV參數。或者RV參數由RRC信令配置爲常數0。
◆複用
複用實體負責連接多個MAC-d PDUs到MAC-es PDUs，並且按照E-TFC選擇算法的指令複用一個或者多個MAC-es PDUs成爲一個MAC-e PDU，該MAC-e PDU在下一個TTI中傳輸。複用實體還負責管理和設置每個MAC-es PDU的每個邏輯信道的TSN。
◆E-TFC選擇
這個實體負責根據發自UTRAN經L1接收的調度信息（RG和AG）來進行E-TFC選擇，以及對映射到E-DCH上的不同的MAC-d流進行仲裁。E-TFC實體的具體配置由RRC通過MAC控制SAP提供。E-TFC選擇功能控制MAC-es PDU數據塊的複用。
（3）MAC-d實體
爲了支持E-DCH，加入了一個到MAC-e/es的新的連接。
2.2.2 在UTRAN側的MAC層實現
（1）總體結構
UTRAN MAC總體結構見圖2。它包含一個新的MAC-e實體和一個新的MAC-es實體。對於每一個使用E-DCH的UE，該UE對應的每個Node-B配置一個MAC-e實體，SRNC配置一個MAC-es實體。位於Node B中的MAC-e控制E-DCH的接入，該MAC-e連接到位於SRNC中的MAC-es。MAC-es進一步連接到MAC-d。對於控制信息，在Node B中的MAC-e和一個MAC控制SAP之間定義了新的連接，同時，在SRNC中的MAC-es和MAC控制SAP也之間定義了新的連接。
每一個MAC-d流有一個Iub傳輸承載。
從協議總體架構來看，一個MAC-e PDU從層1進入MAC。在HARQ處理後，MAC-e PDU解複用後形成MAC-es PDUs，這些MAC-es PDUs對應各自的MAC-d流。6比特DDI（數據描述指示符）域與MAC-d流之間的映射，以及MAC-d PDU的大小由SRNC提供給Node B。SRNC定義了MAC-d流到它對應的Iub承載的映射。DDI域的一個特定值指示MAC-e PDU數據頭定義的結束。MAC-es PDUs經Iub發給MAC-es實體，在MAC-es實體中被分配到對應邏輯信道的重排序隊列中。重排序後，順序數據單元被分解爲MAC-d PDUs。上述是針對沒有軟切換的情況，存在軟切換時，還需要進行宏分集處理。最終的MAC-d PDUs被髮給MAC-d實體。
（2）Node B的MAC-e實體
在Node B中，對每一個UE都有一個MAC-e實體，以及一個E-DCH調度器。MAC-e和E-DCH調度器處理Node B中與HSUPA相關的功能。在下面的模型中，MAC-e和E-DCH調度器包含如下實體：
◆E-DCH調度：該功能爲不同UE分配E-DCH小區資源。根據UE的調度請求，進行具體的調度分配。
◆E-DCH控制：E-DCH控制實體負責接收調度請求和發送分配給各UE的調度。
◆解複用：該功能進行MAC-e PDUs的解複用。MAC-es PDUs分解到關聯的MAC-d流。
◆HARQ：一個HARQ實體能支持HARQ協議的多個進程。每個進程負責產生ACK或NACK，它們用於指示E-DCH進程數據發射是否成功。HARQ實體處理HARQ協議需要的所有任務。
（3）RNC的MAC-es實體
對於每個UE，SRNC中都有一個MAC-es實體，MAC-es包含以下功能實體：
◆重排序隊列分配：根據SRNC的配置，重排序隊列分配功能將MAC-es PDUs送到合適的重排序緩衝區中。
◆重排序：該功能根據接收到的TSN和Node B觸發標識（即CFN，子幀號）將接收到的MAC-es PDUs重排序。在接收時，有連續TSN的MAC-es PDUs被提交到解複用實體。SRNC控制重排序實體的數目。每個邏輯信道有一個重排序隊列。
◆宏分集選擇：在多個Node Bs進行軟切換時，在MAC-es實體中進行宏分集選擇。宏分集選擇可以考慮在重派隊列分配之前實現。
◆解複用：負責MAC-es PDUs的分解。當分解一個MAC-es PDU時，刪除MAC-es頭，提取出MAC-d PDU，然後上傳給MAC-d實體。
（4）RNC的MAC-d實體。
爲了支持E-DCH，加入了一個到MAC-es的新的連接。
HSUPA的引入對RLC曾沒有影響，對RRC層也只是消息信元上的改變，對消息信令也不存在影響。
2.2.3 HSUPA的階段實現方案
按照3GPP的規定，HSUPA峯值速率爲5.76Mb/s，從它所規定的6類終端的要求可見，如表2所示：
其中只支持10ms TTI的有三種，只支持2msTTI也是三種。從系統演進的平穩性考慮，HSUPA在商用初期傾向於使用10ms的TTI，即2Mb/s的終端，後期支持到5.76Mb/s因此HSUPA的商用與如同HSDPA一樣，也是分階段進行。
3、HSUPA對網絡規劃的影響
在3GPP規範討論過程中，對HSUPA研究最終認爲使用QPSK調製編碼，上行H-ARQ的應用，Node B控制上行調度，更短的幀結構會達到50%～70%的上行容量增益，數據呼叫時延減少20%～55%，用於上行平均數據呼叫的數率可提高大概50%。HSUPA和CDMA Rev.A的關鍵技術非常接近，從CDMA2000 1x RTT Rev.A的模擬結果和現網觀察可以認爲上述結論相對可靠和保守。
但是如果HSUPA和R99/R4/R5混合在同一載波組網（1xEV-DO Rev.A不存在這個問題），HSUPA是否會對原網絡產生影響?下面主要討論HSUPA/R99混合組網的情況下，HSUPA的引入對原網絡的可能的影響。
3.1 下行碼資源
HSUPA在下行引入E-AGCH、E-RGCH和E-HICH三種控制信道。
E-DCH絕對準予信道（E-AGCH：E-DCH ab-solute grant channel）：承載E-DCH的下行絕對信息，如小區信息。每個配置E-DCH的UE只需要監聽服務小區的E-AGCH信道即可，該信道是公共信道，SF=256。
E-DCH HARQ確認指示信道（E-HICH：E-DCH HARQ Acknowledgement Indicator Channel）：承載E-DCH下行信令信息的專用信道，如HARQ的ACK/NACK信息，擴頻因子SF=128。
E-DCH相關准予信道（E-RGCH：E-DCH Relative Grant Channel）：承載E-DCH的下行相關信息，該信道SF=128。
E-RGCH和E-HICH兩個信道通過碼組複用在同一條SF=128的信道上，因此引入HSUPA後，要佔用一個SF=128，一個SF=256的下行碼道。對於下行碼資源，在無線環境好的室內，有存在碼字受限的可能，因此HSUPA的引入對碼字有一定的影響。
3.2 下行功率資源
上述三個公共信道中E-AGCH屬於共享信道，功率消耗與同時支撐的用戶數、調度策略等因素有關，依據HSDPA中HS-SCCH的功率佔用情況推斷，一條E-AGCH最大可能佔用小區下行發射功率的5%～7%，E-RGCH和E-HICH要佔用5%左右，因此一共佔用10%～12%。對於多數環境下下行功率受限的無線系統，這些功率的佔用可能會造成下行容量的損失。
3.3 上行干擾
從網絡規劃的角度來看，在R99/HSDPA階段，一般上行負載都設置在50%左右，引入HSUPA後，由於引入了靈活的上行調度策略，使得上行的負載處於可控的範疇，因此從目前的理論分析來看，引入HSUPA後會引入較高的負載，因此會導致較原來要大的上行干擾。引入的干擾是否會對R99/R4有一定的影響，需要對其做出更深入分析。
4、HSUPA應用及部署前景
作爲WCDMA網絡繼HSDPA之後的下一步演進方案，HSUPA的目標是進一步改善用戶業務感受和提升網絡上行性能，爲新興數據業務提供更高的上行數據速率和更低的時延，爲VoIP的部署打下基礎。
HSUPA網絡部署：數據業務的發生地帶一般相似，因此初期規劃可以參照HSDPA的規劃，在HSDPA的覆蓋區域引入HSUPA，熱點區域做重點覆蓋，一般小區邊緣做低速覆蓋，與R99/R4/HSDPA在同一頻點部署。網絡發展的中後期，隨着上下行數據業務量的快速發展，可將HSDPA/HSUPA剝離，採用單獨的載頻。
從整個行業的情況看，在全球全IP網絡——AIPN （All IP Network）的發展趨勢下，伴隨着視頻監控、移動VoIP的升溫，多媒體業務的廣泛應用，業界對上行高速數據技術的需求也逐步迫切，很多地方採用WiMAX、WiFi等技術已經開展了相應的工作，HSUPA作爲WCDMA陣營的平滑演進策略，勢必成爲他們的必選方案，特別是已經引入HSDPA的運營商，引入HSUPA只是簡單的軟件升級，不需要規模性的改造。因此HSUPA的引入勢在必行。