1 引言

目前有关TDD系统的HSDPA的技术方案已经在3GPP标准和CCSA相关标准中规定下来。且CCSA在原来单载波的基础上，完成了有关N频点小区标准工作。N频点小区是在一个扇区中从分配到的N个频点中确定一个作为主载频，仅在主载频上发送DwPTS和广播信息，多个载频共同使用一个广播，这样就增大了TD-SCDMA小区的系统容量，减少了系统之间的干扰。多载波的HSDPA是在N频点的基础上，小区内的多个载波共同使用一个MAC-hs实体，不同载波的所有用户的数据调度都在这一个MAC-hs内完成。同时多载波数据在MAC层进行分流； 多载波仅针对HSDPA信道，即一个给定的UE将在一个或者多个载波上接收和发送信息(多载波发送仅限于支持多-多方式的UE)。 物理信道HS-SCCH和HS-SICH物理信道结构不变。

在HSDPA中，快速分组调度由RNC侧移到了NodeB侧，所以来自RNC的数据将在NodeB进行缓存。但NodeB MAC-hs调度算法受到无线信道的影响，对数据在NodeB侧的缓存有很大的影响，进而影响到数据在Iub接口上的传输，为了保证Iub接口上的数据不会丢失和延迟过大，在NodeB侧引入了流控算法(flow control)来动态的实时的调整Iub接口上的用户数据的传输流量。

目前，对HSDPA Iub接口的流控算法主要集中在RNC侧的固网的流控算法，主要涉及的是IP骨干网上的流控算法以及在ATM层的CBR、VBR和UBR之间的流控算法，针对Iub接口的高层流控算法较少。由于Iub接口上的流控算法和数据在NodeB侧的存储memory大小有关，所以通常的算法是根据用户数据存储memory的占用情况来实时的动态的调整Iub接口上的数据流量。

本论文将从实际产品开发的角度，结合实际产品开发的具体要求和标准中对有关技术的描述对多载波的HSDPA进行模块的划分并设计整个软件结构。在此基础上，对MAC-hs实体中有关Iub接口的流控算法进行分析和设计。

2 多载波HSDPA结构分析

多载波的HSDPA技术是由 CCSA在2005年8月TC5 WG9 #1会议上提出来的，该技术以N频点行标和HSDPA技术为基础，引入多载波特性，从而完善和提高TD-SCDMA HSDPA技术，以更好的支持分组业务，满足运营商对高速分组数据业务的需求。

多载波的技术就是当使用HSDPA技术时，一个小区内的多个载波上的信道资源可以为同一个用户服务，即该用户可以同时接收本小区内多个载波发送的信息。这样，如果采用N个载波同时为一个用户发送，理论上用户可以获得原来N倍的数据速率。在多载波HSDPA方案中，HS-DSCH所使用的物理资源包括载波、时隙和码道，由MAC-hs统一调度和分配。当一个用户的数据在多个载波上同时传输时，由MAC-hs对数据进行分流，即将数据流分配到不同的载波，各载波独立进行编码映射、调制发送，对于UE，则需要有同时接收多个载波数据的能力，各个载波独立进行译码处理后，由在MAC-hs进行合并。

在多载波HSDPA方案中，MAC层原有结构和机制没有变化。但在MAC-hs的具体调度控制和处理能力上需要有所改变和提高。主要变化是：在NodeB侧， MAC-hs的调度实体需要对数据在各个载波上统一分配，即将数据流分配到不同的载波上；在UE侧，MAC-hs需要把来自不同载波的数据进行统一处理，将来自不同载波的数据进行合并和重排后上报高层。

根据多载波的HSDPA技术描述，一个小区内的所有HSDPA资源，包括载波，时隙和码道以及功率，由MAC-hs统一调度和分配。即MAC-hs根据高层的配置，把同一用户的数据分别配置给不同的载波，并根据载波当前的信道条件，分配相应的无线资源并且指定相应的HARQ机制和编码调制机制等。也就是说，在MAC-hs层进行数据的分流，而在物理层的处理多载波和单载波是一样的。多载波的HSDPA的结构如下：

3 Iub接口流控算法分析

由于HSDPA提供了高速的下行数据且把数据的调度放在了NodeB侧，所以从RNC发过来的MAC-d PDUs 需要在NodeB侧进行缓存，等待MAC-hs的调度。由于空中接口的复杂和移动信道的不确定性，用户在空口的实际速率受到调度算法的性能影响，同时也直接影响到用户数据在NodeB侧的缓存，即MAC-d PDUs在Iub 接口上的传输。本部分主要描述在Iub接口上的MAC-d PDUs的传输算法，即流控算法。

RNC侧的逻辑信道把数据映射称MAC-d PDU通过HS-DSCH FP帧传输到NodeB， 由NodeB侧的 MAC-hs实体进行封装通过空口发送到UE。MAC-d PDU在Iub 接口上的传输控制，即流控，由HS-DSCH FP控制帧负责。

流控算法的主要功能是根据用户在空口的实际传输能力采用一种动态的方式控制HS-DSCH FP 即MAC-d PDUs在Iub 接口上的传输。流控算法独立于HS-DSCH FP帧，主要通过HS-DSCH的控制帧HS-DSCH Capacity Request 和HS-DSCH Capacity Allocation之间的交互来控制HS-DSCH FP数据在Iub 接口上的传输。有关HSDPA数据帧和控制帧详细内容参见文献【17】。

在整个流控算法中，NodeB是主要的发起方。因为对用户而言，用户空口的信道状况随时发生变化，而快速调度算法主要是根据用户的空口信道条件来进行调度的，所以空口信道条件的变化直接影响到了用户数据缓存buffer的占用情况。因此通过调整Iub接口上的数据流量来达到一种平衡，使NodeB侧用户的存储buffer不至于过满也不至于过空，保证数据在RNC和NodeB之间不会丢失，同时保证用户在空口的数据吞吐量达到最大。因此，流控算法主要有以下目标：

1．   如果NodeB MAC-hs的调度算法能够实时的进行调度，为了减少数据的延迟，RNC应尽可能的把数据发送给NodeB,以减少数据在Iub接口上的延迟。

2．   当UE在进行小区间切换或者小区内切换的时候，要保证数据尽量不会丢失，即在UE切换时，使NodeB内的MAC-d PDU的缓存尽量减少。对RLC的AM模式，利用RLC的重传模式可以恢复；但对UM模式，丢失的数据是无法恢复的。

3．   使在Iub 接口上的流控信令尽量减少，保证数据的传输的带宽和效率。

4．   NodeB内部每个用户数据队列memory的合理分配。

由于HSDPA数据的调度主要由NodeB控制和管理，MAC-d PDUs将在NodeB侧进行缓存，且数据的缓存受到NodeB侧memory 的影响，所以需要协调MAC-d PDUs在Iub 接口上的传输，确保数据不会丢失。

由于在TD-SCDMA系统中，对HSDPA来说，一个最小的TTI是5ms，即一个子帧。在一个子帧内部，所有的资源包括码道， 时隙和功率。在一个时隙内的所有用户，可以共享所有的资源，即在一个子帧内，MAC-hs的调度算法可以调度多个用户。对每个调度的用户来说，它在NodeB内部的数据缓存buffer会随时变化，那么就直接影响到了MAC-d PDU在Iub接口上的传输。而流控算法是针对每个用户的所有数据流而言的，即用户数据的消息队列，也就是说每个消息队列都有自己独立的流控进程。

对HSDPA用户来说，在一定条件下，目标是使用户数据在下行链路上的达到最大吞吐量，同时也要保证一定的公平性。而在一定条件下的用户最大吞吐量直接受到当前信道质量的影响，最终反映到在Iub接口上的数据流量。所以，反过来说，在Iub接口上的流控也反映了当前的无线信道的质量。由于MAC-d PDU将在NodeB进行缓存，如果信道条件变坏，在一段时间内，所传输的数据量就会下降，那么就有可能使MAC-d PDU在NodeB侧缓存时间过长而得不到调度，如果时间超过了RNC配置下来的Discard timer， 这些MAC-d PDU就会被丢弃。所以在这种情况下，调度算法将会保证一定的公平性，对流控算法而言，需要很及时在Iub接口数据传输上反映出这种变化，使到达NodeB 的MAC-d PDU减少甚至停止。

尽管HSDPA主要传输一些对延迟不是十分敏感的数据业务，但是对整个网络而言，在NodeB侧的延迟也是有一定约束的。此参数也就是上面提到的RNC配置下来的Discard timer。所以尽量保证MAC-d PDU在NodeB侧的缓存不要超过此参数所规定的值。

当NodeB发送一个HS-DSCH Capacity Allocation给RNC时，需要在一定时间内才能起作用，也就是说从NodeB发送数据到RNC和NodeB接收到RNC的回应这段时间我们称之为Round trip time(RTT)。对优先级队列来说，这是一个很重要的参数。

由于移动信道的时变性，用户的实际空口速率也是变化的。为了描述用户的在一段时间内的

平均吞吐量，我们采用时间窗平滑的方法来计算用户的平均吞吐量。时间平滑窗方法是利用了过去的信息

加上当前的信息采用平滑因子来进行平滑。

    是用户空口速率的统计平均， 指用户在某一个TTI的实际速率。 是一个常数， 的取值应能反映出用户的快速信道衰落或者阴影衰落，此等式每个TTI都将被更新一次，如果在某个TTI内，用户没有被调度，那么 的值将取0。只有当用户实际接收到所发送包的ACK/NACK时，才进行更新。以上主要分析了影响流控算法的一些主要因素，主要包括用户在空口的实际吞吐量，相应MAC-d PDU的Discard timer,以及RTT.下面将主要分析流控的机制和算法。

    流控算法是对每一个具体的优先级队列， 在NodeB侧，优先级队列表现为一个具体的buffer。 当用户NBAP 收到radio link setup 或者收到RNC发下来的Capacity Request时，流控算法才被激活。对每一个Capacity Request， NodeB必须回应一个Capacity Allocation。在Capacity Allocation中，将包含Credits， Interval 和Rep.period等参数。

对每一个优先级队列，NodeB在以下条件下将产生Capacity Allocation 消息：

1．   收到RNC侧发送的Capacity Request。

2．   收到NodeB底层发送上来的用户的统计平均SIR值.（此值主要用于UE切换时）。

3．   触发了相应的用户buffer的临界门限值。

4．   为了实时跟踪用户的空口吞吐量，在一定条件下，我们将周期性发送Capacity Allocation给RNC.

5．   收到来自UE的CQI指示。

    由于流控算法是针对NodeB侧每个用户的优先级队列的。所以，每个优先级队列buffer内的MAC-d PDU数量的变化直接反映到buffer的filling level。也就是说当某个优先级队列buffer将要满的时候，就表示Iub 接口的速率较大，空口速率较小，NodeB将通知RNC停止发送MAC-d PDU。如果buffer将要空的时候，就表示空口速率较大，Iub 接口的速率较小，NodeB将通知RNC提高Iub接口的发送速率。所以，流控的主要目的就是维持优先级队列buffer在一个合适的水平，既能满足MAC-d PDU的Discard timer的要求，也能满足用户在空口的最大的数据吞吐量。在整个用户数据传输的过程中，NodeB一直将检测对应的HS-SICH的SIR 或者 RSCP值，并进行统计平均。一般情况下，快速衰落或者阴影衰落持续的时间是3～4 (波长),相应的大约是620ms的衰落周期， 所以SIR或者RSCP值应能避免由于快速衰落所引起的大的波动。如果检测到一段时间内用户的SIR或者RSCP值一直低于门限制，NodeB将立刻向RNC发送Capacity Allocation 停止向NodeB发送数据报。在这种情况下，MAC-hs将把对应的用户列为最高优先级将由先进行调度，尽量在真正的切换发生时，使原小区内的用户数据发送完毕。

    设NodeB发送Capacity Allocation 的周期为T1。

    用户的优先级队列buffer大小可以用MAC-d 流对应的Discard timer来决定。Discard timer由RNC通过NBAP消息进行配置，由于Discard timer 是一个可选的参数，可能很小，所以不一定能满足我们系统的需求。考虑到用户的RTT，我们可以用Discard timer， RTT和T1来确定用户的某个优先级队列的大小。

由于Capacity Allocation 是不定时发送的且有一定的延迟，所以用户的优先级队列buffer应比Que_Discard_timer稍大一些。因此，引入了一个buffer动态改变系数w，具体用户的buffer大小如下图所示。

为了实时的反映用户在空口的信道变化，当用户buffer在lower_Limit和Upper_Limit 之间时，我们引入了一个可变参数factor实时反映用户在空口的实际吞吐量。

如图所示：

考虑到在流控开始时， =0，所以在流控算法被激活之前，不能使用上面的公式。在开始时，NodeB可以根据RNC配置下来的UE capability， MAC-d PDU size 和GBR(保证的空口速率) 来配置Credits/Interval的值。

如果 =0， Credits/Interval=UEcapability/MAC-d PDUsize ………(3)

在一个Capacity Allocation周期内，一旦Credits/Interval被确定下来，如果没有外部条件的触发，此值在Capacity Allocation周期内将不会变化，直到一个新的Credits/Interval值被确定或者外部条件触发Credits/Interval重新计算。

计算流程：

1)         NodeB检测所有用户的HS-SICH SIR或者RSCP统计平均值

2)         计算所有用户的CQI

3)         根据调度算法的结果计算被调度用户的

4)         根据调度算法的结果计算被调度用户的

5)         计算用户优先级队列buffer level

6)         和buffer的上下限进行比较

a)          Lower_limit=RTT

b)         Upper_limit= Que_Discard_Timer  -  RTT

7)         NodeB发送Capacity Allocotion给NodeB, Interval的值固定为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

具体的流程图如下：

图7流控算法开发流程图

对多载波HSDPA而言，由于所有载波的调度都在MAC-hs完成，所以对整个流控算法没有影响。在整个算法设计中，相关的主要参数的确定需要通过系统仿真来完成。限于篇幅，本文没有涉及到仿真这方面的工作。

4 结论

目前有关多载波的HSDPA的标准化工作已经完成，具体的有关多载波HSDPA的产品开发工作正在进行中。HSDPA技术不仅涉及到物理层也涉及到层2协议，其结构比较复杂，如何从软件模块开发的角度来分析HSDPA系统也是一个难点。HSDPA的性能主要受到MAC-hs层的算法即快速调度算法和Iub接口的流控算法的影响。其算法设计和性能分析是整个HSDPA系统中的难点。

本论文从产品开发的角度, 对多载波的HSDPA的性能进行了分析，提出了多载波HSDPA的软件结构，进行了软件模块的划分，同时对Iub接口的流控算法进行了分析，根据用户buffer的filling level提出了一个Iub接口的流控算法,并给出了相应的流程图，仅供参考。随着TD-SCDMA系统在实际环境中的大规模测试，根据测试的结果，我们可以对原有的算法进行修正，进一步提高算法的性能。

5 致谢

    在本论文发表过程中，得到了导师清华大学电子工程系姚彦教授的悉心指导，对本文提出了很好的修改建议。同时也得到了作者所在公司鼎桥通信技术有限公司的系统部门经理佟学俭博士的大力支持和帮助，使本论文能够及时的完成和发表，在此对两位表示深深的感谢。

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