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測試與測量  

HSDPA與HSUPA增強功能及測試分析

上網時間: 2006年11月28日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:HSDPA  HSUPA  功能測試  C-Plane  U-Plane 

寬頻蜂巢式數據服務市場正在迅速變化。僅僅在幾年前,UMTS技術仍處在早期部署階段,能夠利用提高頻寬的服務少之又少,而能夠支援這些服務的手機數量就更少。現在,UMTS終於慢慢成為主流技術,中等價位手機已經上市,可獲得更多的終端用戶。

由於這一市場的發展,廠商和製造商正尋求各種方式,首先滿足數量不斷提高的潛在3G用戶需求,其次是改善用戶在這些寬頻服務中的感受。在技術方面,這需要改善3G網路容量,支援的峰值速率必須超過Rel.99 UMTS支援的384kbps,在理想情況下還應使用3G頻譜。

第三代合作計劃(3GPP)在早期階段已經認識到這種需求,其任務是制訂基於WCDMA的3G標準。在2000年,它作為3GPP Rel-4標準化活動的一部份進行可行性研究,其目標是確定可望改進容量及可以實現峰值數據速率的技術,特別是在下行方向。這一努力使得作為3GPP Rel-5的一部份的一系列增強規格得到核准,這些規格統稱為HSDPA(高速下行封包接取)。

由於互動服務的數量不斷提高,這些服務由最終用戶產生內容而不是使用內容,人們需要改善上行使用容量。3GPP Rel-6中的‘FDD增強上行’功能滿足了這種要求,這就是我們通常所說的HSUPA (高速上行封包接取)。

HSDPA和HSUPA都在3G無線接取網路(即UTRAN)中導入了新功能,必須使用相應的軟體升級Node-B和RNC。與蜂巢式網路中的任何其它技術進展一樣,在部署之前必須全面測試這些增強功能,包括功能級和性能級。本文的目的是介紹UTRAN增強功能,展示在開發/部署這些新技術時存在哪類測試要求。

HSDPA簡介及功能測試

HSDPA設計用於在一個小區中支援14.4Mbps的峰值數據速率。UTRAN的主要增強功能是導入了一條新的傳輸訊息通道,稱為高速共享數據訊息通道(HS-DSCH,參見表1),外加上行和下行使用的兩條控制訊息通道。


表1:HSDPA專用傳輸訊息通道和實體訊息通道

顧名思義,HS-DSCH是多個用戶可同時使用的一條共享訊息通道,滿足了具有突發服務特點的應用需求。

這條新傳輸訊息通道的導入影響著多個協議層,最明顯的變化在實體層和MAC層。以下特性實現了HSDPA的高吞吐量功能:

1. HSDPA導入了一種自適應調變和編碼(AMC)方案,根據終端和Node-B提供的訊息通道條件相關資訊選擇調變方法和編碼速率。在下行方向,HSDPA支援16QAM作為良好訊息通道條件下傳輸數據的高階調變方法,同時支援用於WCDMA中的QPSK。

2. HSDPA採用混合自動重覆請求(HARQ)協議處理重傳,保證無差錯數據傳輸。HARQ是稱為MAC-hs的新型MAC實體的關鍵要素,同時位於Node-B和用戶設備中(UE),參見圖1。


圖1:HSDPA L1/L2協議結構

3. 快速封包調度演算法作為Node-B功能的一部份實現,它把HS-DSCH資源(如時隙和程式碼)分配給不同的用戶。

從這些特性可以看出,以前為RLC協議層及服務RNC(SRNC)預留的部份功能已經下移到MAC協議層及Node-B中。時間關鍵的功能(如HARQ處理和封包調度)對無線介面至關重要,因為HSDPA指定的傳輸時間間隔(TTI)僅2ms,是Rel. 99 WCDMA指定之最小TTI的1/5。換言之,重傳及調變方法和編碼速率變化等可能會每隔2ms產生一次。這麼低的TTI明顯允許Node-B更快地對變化的訊息通道條件作出反應,因此HSDPA為高吞吐量應用提供了更好的性能。

HSDPA標準比HS-DSCH更進一步,新增了以下兩條傳輸訊息通道和實體層訊息通道:

1. 高速共享控制訊息通道(HS-SCCH)是一條下行訊息通道,用來提供與HS-PDSCH有關的控制資訊。它包括下一個HSDPA子訊框指向的行動終端標識、資訊程式碼集資訊,以及解碼HS-DSCH子訊框使用的調變方案等資訊。

2. 高速專用實體控制訊息通道(HS-DPCCH)是一條上行控制訊息通道,用來傳送訊息通道品質資訊(由CQI訊息通道品質指示位元攜帶)及與Node-B中HARQ作業有關的ACK/NACK消息。

MAC協議增強功能

HSDPA不僅導入了新的傳輸訊息通道和實體層訊息通道,還對包括MAC層的高層協議產生影響。圖1顯示了HSDPA的第一層/第二層協議結構。

不同類型的MAC實體用來識別不同類別的傳輸訊息通道。3GPP Rel. 99中區分了專用傳輸訊息通道和共用傳輸訊息通道,因此MAC層包含一個MAC-d實體和一個MAC-c實體。HSDPA的導入需要定義一個新的實體,稱為MAC-hs。在Rel. 99規格中,MAC層在RNC中實現,相較之下MAC-hs則用於Node-B中,考慮了標準高性能實現方式的要求。

Node-B MAC-hs負責處理與HS-DSCH有關的第二層功能,包括下述功能:

1. 處理HARQ協議,包括產生ACK和NACK消息。

2. 重新排列失序的子訊框順序。注意,這實際上是RLC協議的功能,但這個協議層沒有在HS-DSCH的Node-B中實現。因此,MAC-hs必須接管RLC的部份關鍵任務。由於HARQ的重傳處理,子訊框到達時可能會失序。

3. 多工多個MAC-d串流到一個MAC-hs串流,並從一個MAC-hs串流對多條MAC-d串流進行解多工。

4. 下行封包調度。

在控制面協議部份,HSDPA的導入還要求增加和修改UTRAN內部使用的控制面協議,特別是下列協議:

1. 無線資源控制(RRC)協議,負責一系列UTRAN專用功能,包括(訊號)無線承載(Radio Bearer)管理。

2. Node-B應用部份(NBAP)協議,它在Iub介面(即Node-B和RNC之間的介面)上實現,NBAP使得RNC能夠管理Node-B上的資源。HS-DSCH構成了一種額外的Node-B資源類型,也需使用NBAP協議進行管理。

3. 無線網路子系統應用部份(RNSAP)在兩個RNC之間的Iur介面上實現,也受到HSDPA影響,因為在這種情況下,Node B中的HSDPA相關資源由不同於Node B主控RNC的服務RNC管理。

在用戶面協議部份,用來在UTRAN內部傳送HS-DSCH傳輸區塊的相關用戶面協議是HS-DSCH訊框協議(HS-DSCH FP),如圖1所示。顧名思義,訊框協議一般負責把傳輸區塊(從MAC層傳送到實體層的數據基本單位)整合,並‘封包化’成可透過UTRAN傳輸網路(在Rel. 99 UMTS中是基於ATM)傳送的格式。訊框協議支援的其它功能包括節點和傳輸訊息通道同步。

一個重要的HS-DSCH FP功能與需要控制HS-DSCH中從RNC發送到Node-B的MAC-d協議數據單元(PDU)有關。由於Node-B緩衝器有限,因此必須採用某種流量控制形式,這可以用RNC和Node-B之間交換的專用HS-DSCH FP消息實現。RNC把容量請求消息發送到Node-B,顯示數據準備傳輸。根據Node-B內部目前緩衝器狀態,這個網元(network element)透過容量分配消息,顯示在一定時間週期內允許RNC傳輸多少個(如果有的話) MAC-d協議數據單元。

如前所述,在標準發佈及部署前,需在UTRAN內全面測試網元。檢驗正確實現用戶面和控制面程式只是必須解決的測試問題的一部份。由於在Node-B和RNC之間以很高的吞吐量交換用戶數據,因此還需要對Node-B和RNC執行性能測試。換句話說,需要解決的問題之一是使用的容量分配演算法,特別是在Node-B中是否能夠正確處理從RNC發來的以最高吞吐量到達的用戶數據,即達到理論最大值14.4Mbps。

圖2顯示了一個典型的功能測試案例。


圖2:HSDPA測試方案

在這案例中,協議測試儀模擬RNC,即根據測試工程師開發的測試方案針對Node-B產生相應的消息。測試儀自動模擬不屬於測試用例、但要求使用的所有底層協議層。該特定案例還模擬核心網路,如SGSN、GGSN和HLR。透過這種方式,可以檢驗透過Iub介面正確實現控制面程式。

在本案例中,Node-B是被測設備(DUT)。其它測試可能要求測試RNC,而協議測試儀則模擬Node-B和UE。

在另一個測試案例中,目標是檢驗Node-B的記憶體管理,測試其實現方案是否能夠處理來自一部或多部終端的高吞吐量用戶服務。在這種情況下,需要模擬的協議是HS-DSCH FP;由協議測試儀模擬設置要求的無線承載(即RRC和NBAP)所需的其它協議。如圖2所示,實際服務由外部FTP伺服器模擬器提供,例如這個模擬器可以透過乙太網路連接到協議測試儀。在這該案例中,測試用例可以由速率逐漸提高(最高達14.4Mbps)的用戶面服務組成,以確定在任何時間點上Node-B中是否會產生緩衝器溢出。另一個測試用例則模擬到多個UE的服務,以檢驗Node-B的資源分配功能。

HSUPA簡介及功能測試

HSUPA的目標是在上行方向改善容量和數據吞吐量,降低專用訊息通道中的延遲。3GPP規格提供的主要增強功能是定義了一條新的傳輸訊息通道,稱為增強專用訊息通道(E-DCH)。可實現的最大理論行數據速率是5.6Mbps。與HSDPA一樣,E-DCH同時依賴PHY層和MAC層實現改進。但其中的區別在於HSUPA沒有導入新的調變方案,而是使用為WCDMA指定的現有調變方案QPSK。因此,HSUPA也沒有實現AMC。表2比較了HSDPA和HSUPA間的明顯類似之處和區別。


表2:HSDPA與HSUPA特性比較

在實體層,E-DCH定義導入了五條新的實體層訊息通道(參見圖3和表3)。


圖3:HSUPA導入的新的實體訊息通道


表3:E-DCH傳輸訊息通道和實體訊息通道定義

E-HICH的功能與HSDPA的HS-DPCCH類似,即用來提供HARQ反饋資訊(ACK/NACK)。但它不包含CQI資訊,因為HSUPA不支援自適應調變和編碼。

與HSDPA一樣,Node-B包含一個用於HSUPA的上行調度器。但是,調度作業的目標與HSDPA完全不同:HSDPA的目標是為多個用戶分配HS-DSCH資源(時隙和程式碼),而上行調度器的目標是為各個E-DCH用戶分配所需要的盡可能多的容量(發送功率),以保證Node-B不會產生‘功率過載’。

很明顯,由於WCDMA固有的擴頻作業,UE的發送功率與其發送資訊的數據速率直接相關。即高位元速率傳輸要求低擴頻係數來填充WCDMA的5MHz頻寬,因此發送功率要高於要求高擴頻係數的低位元速率應用。此外,同時發送資訊的UE越多,其導致的相互干擾越多。Node-B只能容忍最大數量的干擾,一旦超過最大值,它就不再能解碼各個UE的傳輸資訊。由於E-DCH是一條專用訊息通道,因此極有可能多個UE同時傳輸資訊,因此在Node-B上導致干擾。所以,Node-B必須調節E-DCH中發送訊號的各個UE的功率電平,以避免達到‘功率極限’。所以,這種發送功率調節相當於為使用E-DCH發送訊號的每個UE‘調度’上行容量。換句話說,上行調度無非是一種非常快的功率控制機制。

兩條實體調度訊息通道E-RGCH和E-AGCH告訴UE怎樣調節發送功率電平。在E-RGCH中,它告訴UE把發送功率電平提高或降低一步,也可以使目前發送功率電平保持不變。在E-AGCH中,Node-B提供UE應發送的E-DCH功率電平絕對值。

除導入新的實體訊息通道外,E-DCH還為UE導入了新的MAC實體:Node-B和SRNC。這些MAC實體稱為MAC-e和MAC-es (見圖4),映射到網元上。


圖4:E-DCH協議結構

具體如下:

1. MAC-e同時在UE和Node-B中實現。主要功能涉及處理HARQ重傳和調度。這是一個低階MAC層,與實體層非常近。

2. MAC-es實體在UE和SRNC中實現。在UE中,它在一定程度上負責把多條MAC-d流量多工到同一條MAC-es串流上。在SRNC中,這個實體負責順序傳送MAC-es PDU,解多工MAC-d串流,並根據QoS特點把這些串流分配到各個佇列中。這些MAC-d串流可能在Iu-PS介面上與具有不同QoS規格(如串流類服務和後台類服務)的各個PDP關聯域(context)對應。

與HS-DSCH不同,E-DCH支援軟切換(soft handover)。這說明了為什麼E-DCH的MAC層在Node-B和SRNC之間劃分,Node-B負責HARQ處理和調度等即時功能,位於SRNC中的相關MAC-es實體則負責順序傳送MAC-es訊框,這些訊框可能來自目前為UE服務的不同Node-B。

E-DCH與HS-DSCH還有一個大的差異,是E-DCH可以同時支援2ms和10ms的TTI (HS-DSCH要求2ms的TTI)。具體要求哪個TTI取決於UE類別。

HSUPA測試案例

圖5顯示了可能的HSUPA測試案例。


圖5:HSUPA測試方案

在該案例中,DUT是RNC。測試的目標是檢驗MAC-es層正確解多工來自MAC-es串流的各條MAC-d串流,把各個MAC-d PDU重新排列到各個重新排序佇列中。測試的進一步目標是檢驗根據各條MAC-d串流的QoS要求實現重新排序。在一個測試用例中,只能模擬一個UE,檢驗在RNC中正確實現了基本MAC-es功能。在另一個測試用例中,可以模擬多個UE,檢驗RNC中的MAC-es層能夠正確區分所有UE。

在這個測試配置中,協議測試儀一方面作為UE和Node-B模擬器。它根據測試工程師的測試用例定義測試用戶面服務,在UE和RNC之間設立一條MAC-es串流之前,模擬要求的所有必須的訊號協議。產生的服務可以與視訊文件傳輸與發送大型附件的電子郵件對應,但需取決於具體測試用例。

在RNC的另一側,協議測試儀可以實現核心網路模擬,以保證設立要求的PDP關聯域。此外,需要在協議測試儀上解碼和查看透過Iu-PS介面傳送的用戶面服務。由於還可以在協議測試儀上查看MAC-d流量上的用戶服務分配情況,所以可以實現MAC-d流量和PDP關聯域映射。值得注意的是,可以透過一台測試設備實現UE/Node-B模擬器和CN模擬/Iu-PS監測儀。圖5顯示了兩台不同的設備,以幫助您瞭解協議測試儀的工作方式。

本文小結

HSDPA和HSUPA新行動網路功能的導入,為測試相關網路節點產品提出了嚴格的要求。然而,功能測試並不只是測試實現方案、查看其是否符合標準、檢查標準化介面之間的控制程式和用戶程式,在很大程度上還要求功能測試,檢查網路節點內部演算法(如與緩衝器管理、佇列等相關演算法)是否實現預計功能。這些演算法和相關軟硬體不僅應該能夠在正常條件下執行(用戶服務以平均數據速率執行),它們還應能夠處理最大指定吞吐量的用戶服務。滿足這些要求的測試平台保證了製造商可以建構針對未來的解決方案,同時保證廠商成功地使用這些解決方案。

作者:Simon Binar

太克公司協議監測分部





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