HSDPA實際上是一些無線增強技術的集合，與R4系統相比，HSDPA主要是通過修改空中接口來增強系統性能。空口引入了高速下行共享信道（HS-DSCH）和相應的功能實體，支持高速下行分組數據的傳輸。HSDPA主要操作在UE、Node B的物理層和MAC層，而無線鏈路控制（RLC）和分組數據匯聚協定（PDCP）不做任何改動。從物理層來看，主要是引入自適應調製編碼（AMC）和混合自動重傳請求（HARQ）技術來增加數據吞吐量。從上層結構上來看，主要是增加了Node B的處理功能，在Node B和UE的MAC層引入MAC-hs實體，專門用來完成與HS-DSCH相關的MAC層操作以及與HARQ協定相關的處理。
TD-SCDMA採用了時分雙工（TDD）方式，支持非對稱業務。但是由於下行無線數據業務的急劇增加，僅依靠動態調整上下行時隙不能滿足下行高速數據傳輸的需求，有必要採用HSDPA技術。本章主要介紹TD-SCDMA系統中的HSDPA技術——TD-HSDPA。
基本介紹
- 中文名：TD-HSDPA基本結構
- 外文名：TD-HSDPA basic structure
- 套用學科：通信
物理層結構,1.1物理層模型,1.2物理信道,MAC層結構,2.1NodeB側MAC實體,2.2UE側MAC實體,參考文獻,
物理層結構
1.1物理層模型
圖1表示UE側下行鏈路物理層模型，下行鏈路信令結構基於相關的共享物理控制信道和專用物理信道，圖中的傳輸格式和相關資源指示（TFRI）、HARQ、上行同步和發射功率控制（TPC）等相關下行信令信息均在HS-SCCH中傳輸，此外HS-SCCH還承載UE標識（UE-ID）的傳輸。
圖1UE側下行鏈路物理層模型
（1）UE-ID用於標識當前控制信息所屬的用戶終端（UE），當UE接收到需要接收HS-DSCH數據的高層信息後，開始連續監聽HS-SCCH信道，最多需要監聽4個HS-SCCH信道，尋找屬於自己的控制信息，當獲得此信息後，開始接收HS-PDSCH的數據。
（2）TFRI主要包括碼字和時隙分配信息、調製方案信息和傳輸塊大小。分別用於指示當前給UE分配HS-PDSCH所用的碼字和所處的時隙位置，指明HS-PDSCH下一個TTI數據的調製方案是QPSK還是16QAM以及傳輸塊的大小。碼字分配信息表明HS-PDSCH使用的信道化碼，為了簡單，要求可用的信道化碼是連續分配的，這樣便可定義介於一個起始碼字和一個結束碼字中間的所有碼字。
（3）HARQ相關信息包括HARQ的進程信息（3bit）、冗餘版本（RV）信息（3bit）和新數據指示（1bit）。冗餘版本信息可以指示數據分組的HARQ類型，例如是否採用增量冗餘、分組是否具有自解碼能力。這裡，16QAM調製方案還包括星座信息、指示星座重排的方案。新數據指示用於說明此數據是新數據還是重發數據。
（4）上行同步：2bit的同步偏移（SS）欄位，用於維持相關HS-SICH的同步。
（5）傳輸功率控制：2bit的傳輸功率控制（TPC）欄位，用於控制相關的HS-SICH的功率。
UE接收HS-DSCH信道的數據必須在HS-SCCH控制信息的配合下才能完成。HS-SCCH被所有發起HSDPA業務的UE所共享，但對單個HS-DSCHTTI來說，每個HS-SCCH只為一個UE承載HS-DSCH相關的下行信令。UE通過接收HS-SCCH中的控制信令訊息，可以知道何時接收HS-DSCH。在一個UE上最多可以使用一組4個HS-SCCH控制信道，UE要連續監聽所有這些HS-SCCH。在任何一個指定的TTI，這些HS-SCCH中至多有一個能夠被該UE使用。如果一個UE監測到某個HS-SCCH上有傳輸給它的控制信息，它會在下一個TTI內接收該HS-SCCH控制信息。
圖2給出了UE側上行鏈路的物理層模型，UE使用HS-SICH傳輸ACK/NACK和信道質量指示（CQI）信息。下行鏈路中HS-SCCH和上行鏈路中HS-SICH的關係是在HS-SCCH上預先定義的。
（1）ACK/NACK：用於支持HARQ的反饋信息，信息比特為1bit。如果下行HS-DSCH上傳送的數據塊被UE正確接收，ACK（bit“1”）將被傳送給NodeB，否則UE將NACK（bit“0”）傳送給NodeB。UE可以通過CRC校驗來檢測傳輸塊集中的錯誤。
圖2UE側上行鏈路物理層模型
（2）CQI：用於指示當前信道質量，幫助NodeB根據UE所處的信道條件選擇合適的調製和編碼方式。
（3）TPC：HS-SICH攜帶2個TPC比特，它是UE根據接收到的HS-SCCH的信乾比（SIR）設定的。
1.2物理信道
1．HS-PDSCH
HS-DSCH映射到一個或多個HS-PDSCH。HS-PDSCH的擴頻因子可以採用1或者16。對支持多載波的UE，HS-PDSCH可以在多個載波上同時傳送，高層分給同一用戶的HS-PDSCH所在的多個載波應該是連續的。如果UE只支持單載波，高層僅分配一個載波的HS-PDSCH資源，並且該載波與伴隨的DPCH在同一載波上。
HS-DSCH傳輸信道還具有如下屬性。
①傳輸塊大小：首次傳送自動分配，重傳必須使用相同的傳輸塊大小，不支持盲傳輸格式檢測。
②傳輸塊集大小：每個傳輸塊集只包括一個傳輸塊。
③傳輸時間間隔（TTI）：固定等於5ms。
④編碼參數：1/3碼率的Turbo碼。
⑤調製參數：初始傳輸和重傳時均使用動態分配方式，UE強制支持QPSK，是否支持16QAM取決於UE的能力。
⑥冗餘版本：動態。
⑦CRC大小：固定大小24bit，每個TTI中有一個CRC，也就是每個傳輸塊集有一個CRC。
（1）HS-PDSCH的時隙格式（如表1所示）
表1HS-PDSCH的時隙格式
時隙 格式 | SF | Midamble 長度（chip） | NTFCI碼字 （bit） | NSS&NTPC （bit） | 每時隙 比特數 | Ndata/slot （bit） | Ndata/datafield(1) （bit） | Ndata/datafield(2) （bit） |
0（QPSK） | 16 | 144 | 0 | 0&0 | 88 | 88 | 44 | 44 |
1（16QAM） | 16 | 144 | 0 | 0&0 | 176 | 176 | 88 | 88 |
2（QPSK） | 1 | 144 | 0 | 0&0 | 1408 | 1408 | 704 | 704 |
3（16QAM） | 1 | 144 | 0 | 0&0 | 2816 | 2816 | 1408 | 1408 |
圖3 HS-PDSCH的信道編碼及復用
（2）HS-PDSCH的編碼和復用
由於TD-HSDPA中引入了AMC和HARQ等技術，使得HS-PDSCH信道與原有信道有很大不同，其編碼過程就有差異。HS-PDSCH編碼復用過程如圖3所示。
①加CRC：每個TTI內，傳輸塊都需要計算和附加長度為24bit的CRC校驗比特。
②碼塊分割：需要注意HS-DSCH上只有一個傳輸塊，且對於Turbo編碼，最大的碼塊大小為5114bit。
③信道編碼：使用1/3速率的Turbo碼。
④物理層HARQ功能模組：HARQ功能模組的作用是使編碼後的總比特數和承載HS-DSCH的HS-PDSCH上的總比特數相匹配。HARQ由冗餘版本（RV）參數來控制。詳細介紹見本節後面內容。
⑤交織：過程與R4中時隙相關的第二次交織相同，列數確定為30。圖4給出了HS-DSCH交織器的結構。對於16QAM，第二個獨立的交織器和第一個交織器並行工作。對於這兩個交織器，R2需要選取為滿足R≤60(R2的最小整數，而不再是R≤30(R2的最小整數。從比特加擾操作得到的輸出比特成對分給兩個交織器。比特sk和sk+1被送入第一個交織器，比特sk+2和sk+3被送入第二個交織器，其中kmod4=1。比特從交織器輸出後也成對重組。比特vk和vk+1從第一個交織器得到，比特vk+2和vk+3從第二個交織器得到，其中kmod4=1。
圖4HSDPA的交織器結構
⑥16QAM下的星座重排：星座重排只針對16QAM調製方式，表3-3描述了產生不同重排操作的方式，假設輸入比特為vkvk+1vk+2vk+3，其中kmod4=1。16QAM調製的映射關係如圖5所示。
表216QAM下的星座重排
星座版本參數b | 輸出比特序列 |
0 | vkvk+1vk+2vk+3 |
1 | vk+2vk+3vkvk+1 |
2 | |
3 |
⑦物理信道映射：物理信道映射的輸入比特表示為r1,r2,…,rR，其中R是指這個分配的TTI內物理信道承載的比特數。這些比特映射到物理信道的比特wt,p,j上，其中t=1,2,…,T，p=1,2,…,C，j=1,2,…,Ut，其中t是指時隙編號，T是指分配訊息中的時隙數目，p是指物理信道序號，C是指分配訊息中每個時隙的碼道數目，j是指物理信道比特的序號，Ut是指時隙t中每個物理碼道上的比特數目。
圖5 16QAM調劑程作圖
比特rk映射到物理信道上的規則如下。
定義{yt,k:k=1,2,…,C·Ut}是時隙t中要傳送的比特集合
（3.1）
當物理信道的調製方式為16QAM時，傳輸yt,k的物理信道序號
當物理信道的調製方式為QPSK時，傳輸yt,k的物理信道序號
p=(k−1)modC+1 （3.4）
（3.5）
（3）物理層HARQ功能模組
HARQ功能模組的作用是使編碼後的總比特數和承載HS-DSCH的HS-PDSCH上的總比特數相匹配。HARQ由RV參數來控制，輸出的確定比特集合決定於輸入比特數、輸出比特數，以及RV參數。HARQ功能模組包括兩次速率匹配和一個虛擬快取器，如圖6所示。
圖6HS-DSCH的HARQ功能
第一次速率匹配用來使輸入比特數目匹配於虛擬快取器，相關的信息由高層提供。需要注意的是，如果輸入比特數目不超過虛擬IR快取器的能力，則第一次速率匹配實現為透明。第二次速率匹配用來使第一次速率匹配後的比特數匹配於該TTI上的HS-PDSCH承載的物理碼道比特數目。
①HARQ比特分離。與R4中Turbo編碼的傳輸信道比特分離方式相同。
②HARQ第一次速率匹配。
HS-DSCH傳輸信道的HARQ第一次速率匹配和R4中描述的方法相同，並使用下列特定的參數。虛擬IR快取器中能存儲的軟比特最大數為NIR，並且該數值對每個HARQ進程都由高層通過信令通知。在速率匹配之前一個TTI內的編碼比特數目為NTTI，這個值是由高層傳送的信息以及HS-SCCH承載的關於這個TTI的參數推算出的。需要注意的是，HARQ的處理和物理層的存儲都是針對當前激活的每個HARQ進程獨立進行的。
如果NIR≥NTTI，則表示第一次速率匹配的實現是透明的，這可以通過設定emin=0來實現。需要注意的是，第一次速率匹配不需要進行重複匹配。
如果NIR<NTTI，就可以通過設定速率匹配參數
把校驗比特流打孔，這裡的i和l分別指傳輸信道和傳輸格式。需要注意的是，負值代表速率匹配需要進行打孔的操作。
③HARQ第二次速率匹配。
HS-DSCH傳輸信道的HARQ第二次速率匹配使用下列特定參數。
第二次速率匹配的參數主要由RV參數s和r來決定。參數s可以取值0或者1，用來區分傳輸中系統比特優先（s=1）還是非系統比特優先（s=0）。參數r（取值範圍從0到rmax−1）在打孔處理時可以改變速率匹配參數eini的初始值。重複處理時參數r和s一起改變eini的初始值。參數Xi，eplus和emin的計算如表3所示。
表3HARQ第二次速率匹配參數
Xi | eplus | emin | |
系統比特數 RMS | Nsys | Nsys | |Nsys−Nt,sys| |
校驗比特1 RMP1_2 | Np1 | 2·Np1 | 2·|Np1−Nt,p1| |
校驗比特2 RMP2_2 | Np2 | Np2 | |Np2−Nt,p2| |
第二次速率匹配之前的系統比特數表示為Nsys，校驗比特1的數目為Np1，校驗比特2的數目為Np2。對於HS-DSCH，使用的時隙數目表示為T，每時隙的碼道數目為C，時隙t中可以承載的比特數目為Ut，這樣就有Ut=C´NData/Slot，對於不同的時隙格式，NData/Slot的值是不同的，參見3GPPTS25.221。NData是HS-DSCH一個TTI內承載的比特數，定義為
。
當Ndata≤Nsys+Np1+Np2時，第二次速率匹配執行打孔操作。傳送的系統比特數目為：
當Ndata>Nsys+Np1+Np2時，第二步速率匹配要執行重複操作。
按照配置傳送的系統比特數目為
，傳送的校驗比特1的數目是
，傳送校驗比特2的數目是
。這樣則可以使各個數據流得到近似相同的重複率。
速率匹配參數eini根據RV參數s和r針對每個比特流進行計算：
其中，rmax是r的總的冗餘版本個數，它依據調製方式來變化，對於16QAM，rmax=2，對於QPSK，rmax=4。
2．HS-SCCH
（1）HS-SCCH的編碼復用
HS-SCCH沒有特有的時隙格式，它使用DPCH下行時隙格式中的時隙格式0和時隙格式5。如表4所示。DPCH的所有下行時隙格式見3GPPTS25.221中5A.2.2.4.1.1。
表4下行時隙格式
時隙 格式 | SF | Midamble 長度（chip） | NTFCI碼字 （bit） | NSS&NTPC （bit） | bit/時隙 | NData/Slot （bit） | Ndata/datafield(1) （bit） | Ndata/datafield(2) （bit） |
0 | 16 | 144 | 0 | 0&0 | 88 | 88 | 44 | 44 |
5 | 16 | 144 | 0 | 2&2 | 88 | 84 | 44 | 40 |
HS-SCCH的信息欄位復用形成一個單一的43bit欄位，然後使用1/3速率的卷積編碼器進行編碼，其卷積編碼塊大小為153bit。編碼塊分別映射到兩個突發中，其中一個使用時隙格式5，含有84bit的有效載荷以及HS-DSCH的TPC和SS比特；另一個使用時隙格式0，含有88bit的有效載荷。用速率匹配算法調整編碼塊大小，使其適應實際的時隙載荷。HS-SCCH的信道編碼過程如圖7所示。
圖7HS-SCCH的信道編碼過程
（2）HS-DSCH/HS-SCCH伴隨和定時
HS-DSCH總是伴隨一個下行DPCH和一個HS-SCCH集，一個HS-SCCH集中可以有1到4個HS-SCCH，所有相關的物理層控制信息都在伴隨的HS-SCCH上傳送。
HS-DSCH相應的時隙信息在本子幀或者上一個子幀的HS-SCCH上攜帶，攜帶HS-DSCH相應信息的HS-SCCH和第一個指示的HS-PDSCH之間有一個nHS-SCCH≥3時隙的偏移，如圖8所示。
圖8對一UE不同無線幀配置的HS-SCCH和HS-DSCH定時
3．HS-SICH
（1）HS-SICH的編碼復用
HS-SCCH沒有特有的時隙格式，它使用DPCH上行時隙格式中的時隙格式5。如表5所示。DPCH的所有上行時隙格式見3GPPTS25.221中5A.2.2.4.1.2。
表5上行時隙格式
時隙 格式 | SF | Midamble 長度（chip） | NTFCI碼字 （bit） | NSS&NTPC （bit） | bit/時隙 | NData/Slot （bit） | Ndata/datafield(1) （bit） | Ndata/datafield(2) （bit） |
5 | 16 | 144 | 0 | 2&2 | 88 | 84 | 44 | 40 |
HS-SICH映射到時隙格式5，將HS-SICH的ACK/NACK欄位重複編碼為36bit。使用（32，6）的一階Reed-Muller碼將CQI傳輸塊大小欄位的6bit編碼為32bit，調製格式的1bit也重複編碼為16bit。然後，將編碼復用並插入到時隙載荷中。HS-SICH的編碼過程如圖9。
圖9HS-SICH的信道編碼過程
（2）HS-SCCH/HS-DSCH/HS-SICH伴隨和定時
HS-SCCH總是伴隨一個HS-SICH，HS-SCCH在下行和HS-SICH在上行的伴隨關係需要在高層預定義，並且這種伴隨關係對所有UE是公共的。
HS-PDSCH和承載其ACK/NACK信息的HS-SICH之間有一個nHS-SICH≥9時隙的偏移，因此，HS-SICH傳輸總是在HS-DSCH後隔一個子幀進行，如圖10所示。
圖10對一UE不同無線幀配置的HS-SICH和HS-DSCH定時
MAC層結構
與R4版本TD-SCDMA系統相對比，對高層的修改主要在NodeB和MAC層，而RLC和PDCP沒有做任何改動。TD-HSDPA主要是通過修改空中接口來增強系統的性能，並考慮快速的操作和調度，所以主要操作都在終端UE和NodeB的物理層和MAC層完成。
無論在UE側還是NodeB側，MAC層最重要的變化就是增加了MAC-hs實體，相關HS-DSCH的MAC操作都在這裡完成。除了必要的流控制和優先權處理之外，還包括HARQ協定的相關操作，包括調度、重傳、重排等。
2.1NodeB側MAC實體
在R99的MAC結構基礎上，NodeB添加了一個MAC-hs功能實體。如果一個HS-DSCH被分配給了一個終端UE，那么就要產生MAC-hsPDU，在使用了MAC-c/sh的配置情況下，要傳輸的MAC-hsPDU、MAC-dPDU通過Iub接口從MAC-c/sh傳輸到MAC-hs。在沒有使用MAC-c/sh的配置情況下，傳輸的數據通過Iur/Iub接口從MAC-d傳輸。NodeB側整體MAC結構如圖11所示。
HS-DSCH在NodeB側的復用鏈如圖12所示。
1．MAC-c/sh結構
HS-DSCH的數據會受到SRNC和DRNC之間的流控，因而在MAC-d和MAC-hs之間引入了一個新的流控功能實體MAC-c/sh，用來支持MAC-d和MAC-c/sh間的數據更新。NodeB側的MAC-c/sh結構如圖13所示。
2．MAC-hs結構
NodeB側的MAC-hs結構如圖14所示。
MAC-hs負責處理HS-DSCH上的數據傳輸，管理分配HS-DSCH上的物理資源。MAC-hs通過MAC控制SAP從RRC層得到配置參數。在MAC-hs中處理每個MAC-dPDU時會有優先權操作。
圖11NodeB側的MAC整體結構圖
圖12NodeB側的MAC復用鏈
MAC-hs包括流控制、調度/優先權處理、HARQ、TFRC選擇4個功能實體。
（1）流控制實體：在使用MAC-c/sh的配置情況下，MAC-hs中的流控制是和MAC-c/sh的流控制伴隨在一起的功能實體，它們一起提供數據流的控制。在不使用MAC-c/sh的配置情況下，MAC-hs和MAC-d兩個功能實體一起提供數據流的控制。MAC-c/sh和MAC-d以一種動態方式考慮了空中接口的傳輸能力。流控制的主要目的是減小L2的時延，減少數據丟失和由於HS-DSCH重傳而引起的擁塞。流控制是根據每個HS-DSCH的優先權獨立進行的。
圖13NodeB側的MAC-c/sh實體結構圖
圖14NodeB側的MAC-hs實體結構圖
（2）調度/優先權處理實體：根據HARQ實體和數據流的優先權來管理HS-DSCH的資源。根據相關的上行信令信道的狀態報告決定是傳新的數據還是重傳，並且還要為新數據塊設定優先權標誌和TSN。為了保持適當的傳輸優先權，在任何時候HARQ進程都可以發起一個新的傳輸。在HS-DSCH中，TSN對應於一個唯一的優先權，並且對於每個新的數據塊的優先權都是遞增的。如果在HARQ層發起重傳，那么在同一個TTI內就不允許安排一個新的傳輸，其中包括由RLC層所發起的重傳。
（3）HARQ實體：一個HARQ實體處理一個用戶的HARQ功能。一個HARQ實體可以處理多進程的SAWHARQ協定。每個TTI只能有一個HARQ進程。
（4）TFRC選擇實體：選擇一個數據在HS-DSCH上傳輸的適當的TFC。
2.2UE側MAC實體
UE側MAC整體結構如圖15所示，將HS-DSCH上接收到的數據映射到MAC-hs。RRC通過MAC控制SAP配置MAC-hs實體，設定MAC-hs實體中的參數，就像配置MAC-c/sh和MAC-d實體一樣。MAC-hs相關的下行信令攜帶了支持HS-DSCH的信息，相關的上行信令攜帶相應的反饋信息。
圖15UE側的MAC整體結構圖
1．MAC-d結構
MAC-d實體的結構發生了改變，MAC-d實體可以與MAC-hs實體或者MAC-c/sh實體相連。連線MAC-hs和MAC-c/sh的鏈路不能同時在一個UE中配置。UE側的MAC-d結構如圖16所示。
MAC-d實體中C/T復用實體和MAC-hs實體中重排隊快取之間的映射由上層來配置。每個重排隊快取對應映射到一個C/T復用實體，多個重排隊快取可以映射到同一個C/T復用實體中。圖17是UE側MAC-hs實體之間工作的簡化示意圖。
2．MAC-hs結構
MAC-hs實體處理一些與HS-DSCH相關的功能。UE側的MAC-hs結構如圖18所示。
圖16UE側的MAC-d實體結構圖
圖17UE側MAC-hs實體間工作簡圖
UE側的MAC-hs包含4個實體，具體說明如下。
（1）HARQ實體：負責處理HARQ協定，處理和HARQ相關的任務，例如處理ACK/NACK、HARQ協定的配置細節是RRC通過MAC控制SAP來進行的。每個TTI內，各個HS-DSCH有一個HARQ進程。
（2）重排序佇列分發實體：根據佇列號（Queue-ID）將MACPDU分送到不同的重排序實體中。
圖18UE側的MAC-hs實體結構圖
（3）重排序實體：每個優先權和傳輸信道都有一個重排序實體，它通過接收到的TSN對數據塊排序。將TSN連續的數據塊包上報給高層，對於TSN不連續數據塊通過使用定時機制傳遞給給高層。
（4）拆分實體：該實體負責拆分MACPDU，將MAC-hs包頭和填充比特去掉之後的MAC-dPDU上報給高層。
需要說明的是：
（1）一個MAC-hsPDU只包含來自相同MAC-d流的具有相同優先權的MAC-dPDU。
（2）在一個給定的MAC-hsPDU內可支持不同的MAC-dPDU大小。
參考文獻
1 李世鶴.TD-SCDMA第三代移動通信系統標準.北京：人民郵電出版社，2003
2 關山,張新程，等.HSDPA網路技術.北京：機械工業出版社，2007
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