摘要　HSUPA是WCDMA上行鏈路的演進標準，在此標準中采用了基于軟合并的物理層混合重傳、基于Node B的快速調度及傳輸時間間隔短幀傳輸等技術，大大提高了WCDMA上行數據速率。在簡要介紹HSUPA的基礎上，對其采用的三種關鍵技術作了較全面的分析，并探討了HSUPA的引入對UTRAN系統結構的影響。最后，還對HSUPA的全球商業化進展作了詳細介紹。

　　隨著全球移動業務的發展，移動寬帶成為目前移動業務開展和移動用戶需求的焦點。高速下行鏈路分組接入技術（HSDPA）為3G/WCDMA網絡實現高速下行接入業務提供了可能[1]。HSDPA的日益成熟使得移動通信系統在下行能夠提供更高的傳輸速率和更短的時延，這樣對流量和遲延要求較高的數據業務（如視頻、流媒體及大文件下載等下行業務）得以順利開展。目前HSDPA商用準備已在全球各大移動市場（例如日本、北美和歐洲等）陸續展開。與此同時，交互式移動寬帶數據業務、移動VoIP服務、互動性移動游戲、視頻網絡日志發布以及功能更為強大的交互視頻業務等基于流媒體的交換視頻業務的出現，迫切需要提高上行數據傳輸速率來滿足多媒體應用服務的需要。為了迎合用戶對上行數據速率的要求，高速上行鏈路分組接入技術（HSUPA）作為3G演進過程的關鍵技術在3GPP的Release 6中被加入。在本文中，筆者在對HSUPA作簡要介紹的基礎上，全面分析了HSUPA采用的關鍵技術，同時對HSUPA的商業化進展情況進行總結。

　　一、HSUPA介紹

　　多媒體應用的寬帶特性和用戶個性化移動業務的極大需求，以及新興的WiMAX和cdma2000 1x EV-DV等技術的不斷涌現，使得以最高2 Mbit/s數據速率為設計目標的IMT-2000 WCDMA系統面臨著技術和業務的雙重挑戰。為此，WCDMA設備主導廠商作出了迅速的反應，極力推動著WCDMA系統地不斷演進。圖1即給出了WCDMA的演進之路。?

圖1　WCDMA演進之路

　　HSDPA的提出和部署大大緩解了運營商在給用戶提供高速下行數據業務方面的窘境，并取得了初步的成功。而交互式多媒體業務的增長對上行業務的帶寬提供能力也提出了進一步的要求，為此，HSUPA作為WCDMA系統的高速下行解決方案被提出和采用。圖2給出了HSUPA技術同其他技術的比較。我們可以看到，當引入HSUPA后，典型的用戶上行數據速率可達800 kbit/s，比成熟的有線ADSL接入的上行速率（384 kbit/s）都高。?

圖2　HSUPA技術同其他技術的比較

　　HSUPA技術大大提高了上行鏈路傳輸速率[2]，為運營商運營帶來雙向的容量。同時，通過HSUPA可提供音樂、電子郵件、互動移動游戲、視頻共享等多媒體應用服務，運營商也將獲得巨大收益。對于試驗HSUPA，由于其標準制定和釋放的時間晚于規范的HSDPA，因此各大運營商對HSUPA的商用計劃也晚于HSDPA。

　　二、HSUPA關鍵技術

　　HSUPA采用了三種主要的技術[3][4][5]：基于軟合并的物理層混合重傳[L1（Fast）HARQ]、基于Node B的快速調度及傳輸時間間隔（TTI）短幀傳輸。同時還新增了一個專用信道以支持HSUPA的傳輸。新增的專用傳輸信道E-DCH：在HSUPA中，新增了一個專用傳輸信道E-DCH來傳輸HSUPA業務。R99版本中DCH和E-DCH可以共存，因此用戶可以享受在DCH上傳統的R99語音服務的同時，利用HSU-PA在E-DCH進行突發的數據傳輸。

　　1.基于軟合并的物理層混合重傳

　　這種技術允許基站能夠在發現錯誤的接收數據后，迅速發出重傳請求，大大降低了時延。數據包的重傳在移動終端和基站直接進行。如果接收到的數據包正確則發送ACK信號，如果接收到的數據包錯誤就發送NACK信號，移動終端通過ACK/NACK的指示，可以迅速重新發送傳輸錯誤的數據包。在信道譯碼前，基站把前一次和重傳后的信息進行合并。這就是軟合并原理，它可以在給定信息速率條件下提高系統容量和擴大覆蓋面積。由于繞開了Iub接口傳輸，在10 ms TTI下，重傳延時縮短為40 ms，提高了重傳數據包的傳輸正確率。

　　2.基于基站的快速調度

　　基于基站的快速調度（Node-B Scheduling）的核心思想是由基站來控制移動終端的傳輸數據速率和傳輸時間。快速調度使得無線資源在UE間快速重新分配，充分適應分組數據傳輸的突發性。這一機制使得系統可以接納高數據速率的用戶和快速適應系統干擾的變化，因此它提高了系統容量，也提高了用戶使用高速率業務的概率。當移動終端希望用更高的數據速率發送時，移動終端向基站發送請求信號，基站根據小區的負載情況和調度策略決定是否同意移動終端請求。如果基站同意移動終端的請求，基站將發送信令提高移動終端的最高可用傳輸速率。當移動終端一段時間內沒有數據發送時，基站將自動降低移動終端的最高可用傳輸速率。由于這些調度信令是在基站和移動終端間直接傳輸的，所以基于基站的快速調度機制可以使基站靈活快速地控制小區內各移動終端的傳輸速率，使無線網絡資源更有效地服務于訪問突發性數據的用戶，從而達到增加小區吞吐量的效果。

　　3.短傳輸時間間隔

　　WCDMA R99上行DCH的傳輸時間間隔為10 ms、20 ms、40 ms和80 ms。在HSUPA中，采用了10 ms TTI以降低傳輸延遲。雖然HSUPA也引入了2 ms TTI的傳輸方式，進一步降低傳輸延遲，但是基于2 msTTI的短幀傳輸不適合工作于小區的邊緣。圖3給出了不同3GPP版本下的時延情況。可以看出，隨著3GPP的演進，傳輸時延越來越低，這也使得其他的系統特性有充足時間進行自適應。?

圖3　不同3GPP協議版本下的系統時延比較

　　三、HSUPA的引入對UTRAN結構的影響

　　圖4（a）是目前UTRAN的架構體系[1]。多個RNC連接到一個核心網，每個無線網絡控制器控制一個或多個基站。基站同多個用戶設備進行通信，調度和重傳由RNC來控制。為了滿足HSUPA對低時延和快速資源分配的要求，傳統的調度和混合ARQ必須更接近于空口。這一特性由一個新的媒體接入控制實體（MAC-e）的引入來實現，見圖4（b）。MAC-e位于基站，這一點同HSDPA類似，它主要負責資源調度和混合ARQ。物理層也必須能夠支持軟合并所需的功能實體。?

圖4　HSUPA的引入對UTRAN架構的影響

　　無線網絡控制器中加入了一個新的MAC-e實體，以支持資源調度、混合ARQ以及分集合并等功能。無線網絡控制器里的無線鏈路控制和媒體接入控制實體同WCDMA以前的版本相比都保持不變。

　　四、HSUPA性能分析

　　考慮到上行鏈路自身的特點，如上行軟切換、功率控制和用戶設備的峰均比問題，HSUPA主要采用物理層快速重傳和快速調度等技術來提高上行鏈路的數據速率和小區容量。

　　在WCDMA R99中，數據包重傳是由無線網絡控制器控制下的無線鏈路控制重傳完成的。在透明模式（AM）下，無線鏈路控制的重傳涉及無線鏈路控制信令和Iub接口傳輸，重傳延時超過100 ms；HSUPA使用增量冗余重傳機制，使得數據包的重傳可以在移動終端和基站間直接進行，繞開了Iub接口傳輸，大大降低了時延，快速重發還允許上行鏈路以更高的誤塊率運行，允許在給定的數據速率下以更低的功率級開始傳輸，最終使得小區的覆蓋面擴大。

　　在WCDMA R99中，移動終端傳輸速率的調度由無線網絡控制器控制，移動終端可用的最高傳輸速率在DCH建立時由無線網絡控制器確定，無線網絡控制器不能夠根據小區負載和移動終端的信道狀況變化靈活控制移動終端的傳輸速率；HSUPA通過在上行鏈路中使用快速調度可以對網絡業務負載和數據做出快速反應，減少了上行鏈路噪聲增長的變化率，有可能減少上行鏈路為了保護超負荷預留的峰值儲備，充分利用了R99解決方案里保留的容量，這樣一來就實現了更高的用戶數據速率和小區容量。

　　HSUPA向后充分兼容于3GPP的WCDMA R99，可以逐步引入到網絡中，其終端可以和R99的終端共享同一無線載體。HSUPA不依賴HSDPA，也就是說沒有升級到HSDPA的網絡也可以引入HSUPA。雖然WCDMA引入HSUPA需要對現有的無線接入系統做一定程度的升級，但是由于HSUPA極大地提高了上行傳輸速率，無論對于發送電子郵件，文件上傳還是交互式游戲這樣的應用，用戶都將體會到HSUPA提供的高速率和短延遲。

　　五、HSUPA商業化的進展

　　截至2006年2月在西班牙巴塞羅那舉行3GSM世界大會，已經有諸多的WCDMA設備廠商演示了HSUPA產品和其強大的上行數據傳送能力。雖然全球尚未有商用的HSUPA網絡，設備廠商宣稱能達到的HSUPA性能還有待驗證，但這充分顯示了各大廠商如摩托羅拉、阿爾卡特、朗訊、愛立信、諾基亞、北電、NEC等對于HSUPA的重視程度。

　　摩托羅拉在近日于西班牙巴塞羅那舉行的3GSM世界大會上向人們展示了超過4 Mbit/s的HSUPA速率所帶來的移動寬帶體驗。通過該系統，用戶不僅能在數秒內下載完成音樂或視頻，而且也能以相同高速度發送和共享這些內容。

　　同樣是在最近的3GSM大會上，阿爾卡特展示了他們在HSUPA領域的突出成就。采用三星手機和諾華達與Option公司生產的PC卡，HSUPA不僅可實現點對點的互動，而且用戶僅用16 s就可以上傳采用MPEG-4編碼技術的（每秒24幅圖像，600×400類似TV的模擬分辨率）60 s長度的視頻文件。

　　朗訊科技也在本次展覽會上，基于商用的WCDMA/HSDPA網絡，進行了商用級別的HSUPA演示。實現高達1.4 Mbit/s的逆向鏈路數據傳輸，較當前的UMTS速率快四倍以上。HSUPA支持的更高逆向鏈路數據傳輸速度能夠緩解數據延遲，并為運營商未來通過UMTS/HSDPA網絡提供VoIP及視頻會議等實時多媒體業務鋪平了道路。目前的網絡無需增加硬件，只需對基站進行軟件升級即可支持HSUPA。

　　愛立信在2005年5月，聯手斯堪的納維亞移動運營商3Scandinavia公司完成了HSUPA的現場演示，數據傳輸速1.5 Mbit/s。這是世界上首次基于商用WCDMA系統的HSUPA現場演示。同樣在2005年5月，在廣東舉行的2005展覽會上，愛立信成功演示了傳輸速率達1.7 Mbit/s的HSUPA移動寬帶應用。這是HSUPA基于商用的首次在中國以無線方式WCDMA系統進行的演示。在2005年10月中國際通信設備技術展覽會上，在HSUPA方面，愛立信通過FTP上傳等應用進行基于商用網絡產品的HSUPA現場演示，展現高速上行業務，并且通過HSDPA/HSUPA系統進行VoIP的第一次基于的業務演示。此舉進一步證明了愛立信在移動寬帶和通話的公眾WCDMA領導地位。愛立信HSUPA解決方案的首個商用版本支持1.5 Mbit/s的傳輸速率，并將與終端同步推向市場。第一批終端和PC卡產品將會在2006年下半年投放市場，而手機則會在2007年早些時候面世。

　　諾基亞是全球首個公開演示HSUPA技術的廠家，在2005年2月法國戛納舉行的3GSM大會和美國新奧爾良舉行的CTIA無線峰會上就率先成功完成了HSUPA技術演示。在實際演示中，HSUPA演示系統通過上行鏈路同時進行DVD質量的視頻傳送和FTP文件上傳，上行的峰值速率達到1.4 Mbit/s，平均為900 kbit/s。

　　北電在這次3GSM世界大會上展示了業界首次同時支持HSUPA和HSDPA的無線呼叫，此次演示中主要采用北電的商用UMTS基站收發信臺和Aeroflex公司的TM500手機模擬器，尤為突出的是在該演示中，傳輸VoIP、視頻和文件的上行速率達到1.4 Mbit/s。而在此前，北電在巴黎的實驗室就已成功實現在兩個移動終端設備之間實現高速上下行接入的無線呼叫。這一演示成為業界首次，并且上行速率達到現有UMTS業務速率的四倍北電的HSUPA技術預計將于2007年年初推出，它只需對現有商用網絡進行一次軟件升級就能提高上行吞吐量、縮短時延并增加容量。

　　NEC計劃于2006年4月左右推出世界第一個HSDPA商用業務。HSUPA下一步的相關技術研發已經在進行當中，預計將于2006年底在日本進行外場測試。

　　六、結束語

　　本文通過對HSUPA引入的背景，支撐技術以及商用化進程的討論，分析了HSUPA技術的特點和市場前景。HSUPA的引入適應了移動市場競爭發展的需要，同時與其他移動寬帶技術相比更具有市場競爭力。適時地將3G/WCDMA系統升級為具有HSUPA功能的網絡，將有利于保持網絡運營商的競爭優勢，具有現實意義。

　　參考文獻
　　1　Harri Holma，Antti Toskala.WCDMA for UMTS Radio Access for Third Generation Mobile Communications （Third Edition）.機械工業出版社.March 2005
　　2　Sharma，G.；Kumar，G.S.，Moving towards HSUPA （high speed uplink packet access）：a complete 3.5G wireless system ICPWC 2005：174～177，January 2005
　　3　3GPP TR 25.896 Feasibility study for enhanced uplink for UTRA FDD March 2004
　　4　3GPP TS 25.309　FDD Enhanced Uplink；0verall description；Stage 2，June 2005
　　5　3GPP TS 25.321 Medium Access Control（MAC）protocol specification June 2005