1 引言

目前有關TDD系統的HSDPA的技術方案已經在3GPP標準和CCSA相關標準中規定下來。且CCSA在原來單載波的基礎上，完成了有關N頻點小區標準工作。N頻點小區是在一個扇區中從分配到的N個頻點中確定一個作為主載頻，僅在主載頻上發送DwPTS和廣播信息，多個載頻共同使用一個廣播，這樣就增大了TD-SCDMA小區的系統容量，減少了系統之間的干擾。多載波的HSDPA是在N頻點的基礎上，小區內的多個載波共同使用一個MAC-hs實體，不同載波的所有用戶的數據調度都在這一個MAC-hs內完成。同時多載波數據在MAC層進行分流； 多載波僅針對HSDPA信道，即一個給定的UE將在一個或者多個載波上接收和發送信息(多載波發送僅限于支持多-多方式的UE)。 物理信道HS-SCCH和HS-SICH物理信道結構不變。

在HSDPA中，快速分組調度由RNC側移到了NodeB側，所以來自RNC的數據將在NodeB進行緩存。但NodeB MAC-hs調度算法受到無線信道的影響，對數據在NodeB側的緩存有很大的影響，進而影響到數據在Iub接口上的傳輸，為了保證Iub接口上的數據不會丟失和延遲過大，在NodeB側引入了流控算法(flow control)來動態的實時的調整Iub接口上的用戶數據的傳輸流量。

目前，對HSDPA Iub接口的流控算法主要集中在RNC側的固網的流控算法，主要涉及的是IP骨干網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據在NodeB側的存儲memory大小有關，所以通常的算法是根據用戶數據存儲memory的占用情況來實時的動態的調整Iub接口上的數據流量。

本論文將從實際產品開發的角度，結合實際產品開發的具體要求和標準中對有關技術的描述對多載波的HSDPA進行模塊的劃分并設計整個軟件結構。在此基礎上，對MAC-hs實體中有關Iub接口的流控算法進行分析和設計。

2 多載波HSDPA結構分析

多載波的HSDPA技術是由 CCSA在2005年8月TC5 WG9 #1會議上提出來的，該技術以N頻點行標和HSDPA技術為基礎，引入多載波特性，從而完善和提高TD-SCDMA HSDPA技術，以更好的支持分組業務，滿足運營商對高速分組數據業務的需求。

多載波的技術就是當使用HSDPA技術時，一個小區內的多個載波上的信道資源可以為同一個用戶服務，即該用戶可以同時接收本小區內多個載波發送的信息。這樣，如果采用N個載波同時為一個用戶發送，理論上用戶可以獲得原來N倍的數據速率。在多載波HSDPA方案中，HS-DSCH所使用的物理資源包括載波、時隙和碼道，由MAC-hs統一調度和分配。當一個用戶的數據在多個載波上同時傳輸時，由MAC-hs對數據進行分流，即將數據流分配到不同的載波，各載波獨立進行編碼映射、調制發送，對于UE，則需要有同時接收多個載波數據的能力，各個載波獨立進行譯碼處理后，由在MAC-hs進行合并。

在多載波HSDPA方案中，MAC層原有結構和機制沒有變化。但在MAC-hs的具體調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， MAC-hs的調度實體需要對數據在各個載波上統一分配，即將數據流分配到不同的載波上；在UE側，MAC-hs需要把來自不同載波的數據進行統一處理，將來自不同載波的數據進行合并和重排后上報高層。

根據多載波的HSDPA技術描述，一個小區內的所有HSDPA資源，包括載波，時隙和碼道以及功率，由MAC-hs統一調度和分配。即MAC-hs根據高層的配置，把同一用戶的數據分別配置給不同的載波，并根據載波當前的信道條件，分配相應的無線資源并且指定相應的HARQ機制和編碼調制機制等。也就是說，在MAC-hs層進行數據的分流，而在物理層的處理多載波和單載波是一樣的。多載波的HSDPA的結構如下：

3 Iub接口流控算法分析

由于HSDPA提供了高速的下行數據且把數據的調度放在了NodeB側，所以從RNC發過來的MAC-d PDUs 需要在NodeB側進行緩存，等待MAC-hs的調度。由于空中接口的復雜和移動信道的不確定性，用戶在空口的實際速率受到調度算法的性能影響，同時也直接影響到用戶數據在NodeB側的緩存，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側的邏輯信道把數據映射稱MAC-d PDU通過HS-DSCH FP幀傳輸到NodeB， 由NodeB側的 MAC-hs實體進行封裝通過空口發送到UE。MAC-d PDU在Iub 接口上的傳輸控制，即流控，由HS-DSCH FP控制幀負責。

流控算法的主要功能是根據用戶在空口的實際傳輸能力采用一種動態的方式控制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數據在Iub 接口上的傳輸。有關HSDPA數據幀和控制幀詳細內容參見文獻【17】。

在整個流控算法中，NodeB是主要的發起方。因為對用戶而言，用戶空口的信道狀況隨時發生變化，而快速調度算法主要是根據用戶的空口信道條件來進行調度的，所以空口信道條件的變化直接影響到了用戶數據緩存buffer的占用情況。因此通過調整Iub接口上的數據流量來達到一種平衡，使NodeB側用戶的存儲buffer不至于過滿也不至于過空，保證數據在RNC和NodeB之間不會丟失，同時保證用戶在空口的數據吞吐量達到最大。因此，流控算法主要有以下目標：

1．   如果NodeB MAC-hs的調度算法能夠實時的進行調度，為了減少數據的延遲，RNC應盡可能的把數據發送給NodeB,以減少數據在Iub接口上的延遲。

2．   當UE在進行小區間切換或者小區內切換的時候，要保證數據盡量不會丟失，即在UE切換時，使NodeB內的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；但對UM模式，丟失的數據是無法恢復的。

3．   使在Iub 接口上的流控信令盡量減少，保證數據的傳輸的帶寬和效率。

4．   NodeB內部每個用戶數據隊列memory的合理分配。

由于HSDPA數據的調度主要由NodeB控制和管理，MAC-d PDUs將在NodeB側進行緩存，且數據的緩存受到NodeB側memory 的影響，所以需要協調MAC-d PDUs在Iub 接口上的傳輸，確保數據不會丟失。

由于在TD-SCDMA系統中，對HSDPA來說，一個最小的TTI是5ms，即一個子幀。在一個子幀內部，所有的資源包括碼道， 時隙和功率。在一個時隙內的所有用戶，可以共享所有的資源，即在一個子幀內，MAC-hs的調度算法可以調度多個用戶。對每個調度的用戶來說，它在NodeB內部的數據緩存buffer會隨時變化，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用戶的所有數據流而言的，即用戶數據的消息隊列，也就是說每個消息隊列都有自己獨立的流控進程。

對HSDPA用戶來說，在一定條件下，目標是使用戶數據在下行鏈路上的達到最大吞吐量，同時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前信道質量的影響，最終反映到在Iub接口上的數據流量。所以，反過來說，在Iub接口上的流控也反映了當前的無線信道的質量。由于MAC-d PDU將在NodeB進行緩存，如果信道條件變壞，在一段時間內，所傳輸的數據量就會下降，那么就有可能使MAC-d PDU在NodeB側緩存時間過長而得不到調度，如果時間超過了RNC配置下來的Discard timer， 這些MAC-d PDU就會被丟棄。所以在這種情況下，調度算法將會保證一定的公平性，對流控算法而言，需要很及時在Iub接口數據傳輸上反映出這種變化，使到達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據業務，但是對整個網絡而言，在NodeB側的延遲也是有一定約束的。此參數也就是上面提到的RNC配置下來的Discard timer。所以盡量保證MAC-d PDU在NodeB側的緩存不要超過此參數所規定的值。

當NodeB發送一個HS-DSCH Capacity Allocation給RNC時，需要在一定時間內才能起作用，也就是說從NodeB發送數據到RNC和NodeB接收到RNC的回應這段時間我們稱之為Round trip time(RTT)。對優先級隊列來說，這是一個很重要的參數。

由于移動信道的時變性，用戶的實際空口速率也是變化的。為了描述用戶的在一段時間內的

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

加上當前的信息采用平滑因子來進行平滑。

    是用戶空口速率的統計平均， 指用戶在某一個TTI的實際速率。 是一個常數， 的取值應能反映出用戶的快速信道衰落或者陰影衰落，此等式每個TTI都將被更新一次，如果在某個TTI內，用戶沒有被調度，那么 的值將取0。只有當用戶實際接收到所發送包的ACK/NACK時，才進行更新。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際吞吐量，相應MAC-d PDU的Discard timer,以及RTT.下面將主要分析流控的機制和算法。

    流控算法是對每一個具體的優先級隊列， 在NodeB側，優先級隊列表現為一個具體的buffer。 當用戶NBAP 收到radio link setup 或者收到RNC發下來的Capacity Request時，流控算法才被激活。對每一個Capacity Request， NodeB必須回應一個Capacity Allocation。在Capacity Allocation中，將包含Credits， Interval 和Rep.period等參數。

對每一個優先級隊列，NodeB在以下條件下將產生Capacity Allocation 消息：

1．   收到RNC側發送的Capacity Request。

2．   收到NodeB底層發送上來的用戶的統計平均SIR值.（此值主要用于UE切換時）。

3．   觸發了相應的用戶buffer的臨界門限值。

4．   為了實時跟蹤用戶的空口吞吐量，在一定條件下，我們將周期性發送Capacity Allocation給RNC.

5．   收到來自UE的CQI指示。

    由于流控算法是針對NodeB側每個用戶的優先級隊列的。所以，每個優先級隊列buffer內的MAC-d PDU數量的變化直接反映到buffer的filling level。也就是說當某個優先級隊列buffer將要滿的時候，就表示Iub 接口的速率較大，空口速率較小，NodeB將通知RNC停止發送MAC-d PDU。如果buffer將要空的時候，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接口的發送速率。所以，流控的主要目的就是維持優先級隊列buffer在一個合適的水平，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據吞吐量。在整個用戶數據傳輸的過程中，NodeB一直將檢測對應的HS-SICH的SIR 或者 RSCP值，并進行統計平均。一般情況下，快速衰落或者陰影衰落持續的時間是3～4 (波長),相應的大約是620ms的衰落周期， 所以SIR或者RSCP值應能避免由于快速衰落所引起的大的波動。如果檢測到一段時間內用戶的SIR或者RSCP值一直低于門限制，NodeB將立刻向RNC發送Capacity Allocation 停止向NodeB發送數據報。在這種情況下，MAC-hs將把對應的用戶列為最高優先級將由先進行調度，盡量在真正的切換發生時，使原小區內的用戶數據發送完畢。

    設NodeB發送Capacity Allocation 的周期為T1。

    用戶的優先級隊列buffer大小可以用MAC-d 流對應的Discard timer來決定。Discard timer由RNC通過NBAP消息進行配置，由于Discard timer 是一個可選的參數，可能很小，所以不一定能滿足我們系統的需求。考慮到用戶的RTT，我們可以用Discard timer， RTT和T1來確定用戶的某個優先級隊列的大小。

由于Capacity Allocation 是不定時發送的且有一定的延遲，所以用戶的優先級隊列buffer應比Que_Discard_timer稍大一些。因此，引入了一個buffer動態改變系數w，具體用戶的buffer大小如下圖所示。

為了實時的反映用戶在空口的信道變化，當用戶buffer在lower_Limit和Upper_Limit 之間時，我們引入了一個可變參數factor實時反映用戶在空口的實際吞吐量。

如圖所示：

考慮到在流控開始時， =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，NodeB可以根據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Capacity Allocation周期內，一旦Credits/Interval被確定下來，如果沒有外部條件的觸發，此值在Capacity Allocation周期內將不會變化，直到一個新的Credits/Interval值被確定或者外部條件觸發Credits/Interval重新計算。

計算流程：

1)         NodeB檢測所有用戶的HS-SICH SIR或者RSCP統計平均值

2)         計算所有用戶的CQI

3)         根據調度算法的結果計算被調度用戶的

4)         根據調度算法的結果計算被調度用戶的

5)         計算用戶優先級隊列buffer level

6)         和buffer的上下限進行比較

a)          Lower_limit=RTT

b)         Upper_limit= Que_Discard_Timer  -  RTT

7)         NodeB發送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流控算法開發流程圖

對多載波HSDPA而言，由于所有載波的調度都在MAC-hs完成，所以對整個流控算法沒有影響。在整個算法設計中，相關的主要參數的確定需要通過系統仿真來完成。限于篇幅，本文沒有涉及到仿真這方面的工作。

4 結論

目前有關多載波的HSDPA的標準化工作已經完成，具體的有關多載波HSDPA的產品開發工作正在進行中。HSDPA技術不僅涉及到物理層也涉及到層2協議，其結構比較復雜，如何從軟件模塊開發的角度來分析HSDPA系統也是一個難點。HSDPA的性能主要受到MAC-hs層的算法即快速調度算法和Iub接口的流控算法的影響。其算法設計和性能分析是整個HSDPA系統中的難點。

本論文從產品開發的角度, 對多載波的HSDPA的性能進行了分析，提出了多載波HSDPA的軟件結構，進行了軟件模塊的劃分，同時對Iub接口的流控算法進行了分析，根據用戶buffer的filling level提出了一個Iub接口的流控算法,并給出了相應的流程圖，僅供參考。隨著TD-SCDMA系統在實際環境中的大規模測試，根據測試的結果，我們可以對原有的算法進行修正，進一步提高算法的性能。

5 致謝

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

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