TD-SCDMA HSDPA关键技术和标准化进展

引言

随着多种无线技术标准在便携无线设备中走向融合，客观上要求在便携式无线设备中集成更多的天线，因此，对于电子系统设计工程师和技术管理人员来说，掌握天线技术发展的趋势，了解它对电子设计、制造和测试的潜在影响有着重要的现实意义。

随着多种无线技术标准在便携无线设备中获得应用，客观上要求便携式无线设备以有成本效益的方式支持多个频段以及多种不同的调制方式。业内专家认为[1]，目前多种无线标准在便携式无线设备中的聚合将遵循入门级、中档和高档三种技术方案(图1)，采用CMOS数字无线电技术和可配置无线电技术是将来最终的解决方案。

图1 多种无线标准在便携式无线设备中的聚合方案
图片来源：ST公司

iSuppli的专家认为，提高RF部分的集成度将成为发展的关键。天线作为无线系统设计的一个关键组成部分，它的最新发展趋势无疑对电子系统设计将产生深刻的影响，本文试图说明，一些新兴的技术趋势有可能颠覆传统的天线设计方式、方法和流程。

新型屏蔽材料—颠覆传统的天线设计流程

莱尔德科技公司(Laird Technology)是无线天线、电磁(EMI)屏蔽材料、汽车天线和热管理解决方案等领域的设计公司和制造商。该公司的专家认为，在把天线设计到系统之中的过程中，最为重要的问题之一是解决对电磁干扰(EMI)的屏蔽问题，如图2所示红色部分的设计均与电磁干扰的屏蔽有关。

图2 随着天线的增加，EMI屏蔽问题的重要性与日俱增
图片来源：LairdTech公司

以手机为例，这包括三个主要的方面：
莱尔德科技公司针对上述三个方面的问题提出了独特的解决思路，即在天线设计的过程中综合考虑EMI屏蔽和热管理问题。例如，最近该公司推出的散热型电路板屏蔽产品T-BLS系列产品就结合电磁干扰防护和热管理技术。该全球产品总监 Steve Ulm就表示，随着各种应用系统使用了更多的功率元件以及封装密度的不断提高，先进的冷却技术变得更加重要，为此，需要用独特的方法把热界面材料和屏蔽产品结合起来，满足电路板对屏蔽和热管理的要求。据称，T-BLS系列产品使用了莱尔德科技的T-flex 600系列导热填隙材料。

除了把热界面材料和屏蔽产品结合起来之外，近来国际上出现了利用有机屏蔽材料(OSM)来抑制电磁波干扰的发展趋势。这种采用富勒烯形式的纯有机材料在特殊变性处理后形成导电的塑料，在特殊的电磁波屏蔽方面—尤其在高频、微波频段—具有吸收和屏蔽作用，因此，正在保形天线设计中获得日益广泛的应用。

在材料的研究和应用方面，一些发达国家，特别是美国、英国、日本，进行了大量的有关电磁屏蔽材料的理论和应用的研究，已经形成了生产各种类别和系列规格的电磁屏蔽材料产业。目前，已有单层Ag及Ag包覆层的涂料、Ni涂料、Cu涂料，Ni-P合金镀层及Al溅射层，泡沫金属，各种衬垫、导电胶、屏蔽窗以及各种金属纤维(或粉末)或碳黑和磁性铁氧体粉填充塑料等系列电磁屏蔽材料产品。其中，以涂料为主导产品，其屏蔽效能达到40dB以上。

目前，国外的发展趋势是开发多组元整体或多层复合屏蔽材料。随着便携无线设备的普及应用，基于新型电磁屏蔽材料所开发的一系列板材及产品的市场有望高速成长。

人工磁导体(AMC)—孕育天线设计技术革命

在软件无线电技术中要采用直接变频技术，它的三个关键技术是天线、基带处理和RF下行变换技术。在直接变频方案中，接收和发射机彼此之间非常敏感，因此，对隔离度要求很高。

为此，美国的若干企业研究了一种基于磁场隔离和RF MEMS的天线可重配置技术，其核心技术是一种采用MEMS技术制造的人工磁导体AMC(artifical magnetic conductor)，其特点在于磁场在导体的边界为零，因而，很容易将线天线直接做在AMC表面的顶层，从而在获得高效辐射的同时使天线和电路板、手机和用户头部及手臂之间的隔离度非常高。

此外，高隔离度的最重大意义在于：在用AMC制成的接地板上能将两付线天线背靠背安装在非常小的空间内，彼此之间几乎不存在干扰，从而有可能将收发天线单独制作并放在一个器件之内并消除收发天线之间的相互干扰，收发天线的匹配也更为容易。此外，开关到前端之间的多工器、滤波器等也因实现了收发天线的相互独立工作而可以省略。 结合相应的自动调谐电路，可配置天线技术可以实现很宽的工作频率。

例如，Thomson硅器件公司就展示了这么一种直接嵌入到PCB夹层中的天线，电子线路部分则做在同一块电路板上。据其技术人员表示，其中，就集成了两副不同频率的天线。由此可见，天线设计领域已经悄然发生的变化。

除此之外，传统的天线设计过程中，设计工程师必须等待电子系统内部的其它元件位置固定下来，才能开展天线设计。据报道，基于AMC技术的天线具有控制RF信号传播路径的独特能力，因而，允许电子系统设计人员根据产品的大小、外形和内部元件进行定制天线设计。正如e-tenna公司的专家所表示，这是天线设计中的真正突破所在。

AMC技术近两年来受到越来越多的关注，国外企业已经在相关设计、制造和测试技术上展开了专利布局。另外，从半导体厂家提供的MIMO(多输入多输出)收发器来看，RF前端的电路部分正在走向成熟，因此，将为嵌入式可重配置天线技术的应用提供广阔的发展空间，基于人工磁导体(AMC)的天线设计有望成为重要的设计趋势，并将对整个电子设计、制造和测试行业产生重要的影响。

多天线集成能力—天线设计领域的颠覆性变化

如图3所示是未来两年多种无线技术标准在手机上聚合的概念图，从图中可见聚合的发展方向很多，这种多样化应用的需求对多天线集成设计提出了要求。

图3 未来便携无线设备将是多种技术融合的平台

在此，值得关注的是Ethertronics公司的独特的隔离磁偶极子天线(Isolated Magnetic Dipole, IMD)。据该公司市场营销副总裁Rick Segil介绍，利用其创新的IMD技术，系统制造商能够把越来越多的功能集成到它们的设备之中，并持续缩小整个手机和其它便携无线设备的外形尺寸。

采用IMD技术设计的天线的主要特色在于：
*限制天线单元上的电流；
*优化天线的隔离以提供更多的天线集成能力；
*以更紧凑的形状因子实现最小化SAR(辐射吸收率)；
*容许RF工程师独立地调节天线和天线的馈线；

据该公司介绍，利用IMD技术可以把蜂窝电话、移动电视接收机、GPS、蓝牙、WiFi和WiMAX的多种天线都可以集成在一起，从而为便携无线设备提供更为强大的功能，这毫无疑问是便携无线设备天线设计领域最具有颠覆性意义的趋势。

图4 IMD天线与传统的PiFA的比较

Rick Segil表示，今后天线设计的发展趋势是“5个频段(850/900/1800/1900/2100)的集成构成主蜂窝电话天线，并结合多个二级天线，包括GPS和蓝牙天线等等。”他强调说， Ethertronics公司的IMD技术与其它技术的差异在于：具有更好的选择性和较高的隔离性能，能够降低整体的耦合效应。

结语

随着多种天线在便携无线设备上的聚合可见，传统的“各自为政”式的天线设计方法将难以适应发展的需要。在多天线便携无线设备的设计中，天线设计、电磁屏蔽和热管理的协同设计将对过去的设计方法和流程产生冲击，值得设计行业关注。随着新材料和天线设计新技术的发展，多天线集成能力将为电子系统制造商进行设计创新提供更多的选择。

需要注意的是：随着多天线集成技术的发展，天线设计将比以往任何时候都要复杂，需要从事信号处理与天线设计的企业开展合作，才能发挥多天线集成所带来的好处，例如，TI与ArrayComm携手开发无线局端应用的智能天线技术，标志着多种天线聚合起来之后，最为关键的是信号处理，它对于提高网络覆盖的质量有着举足轻重的作用，与此同时，也将对整个设计链产生深远的影响和变革。

参考文献：
1. Trends of the wireless semiconductor industry， Minatec CrossRoads 2006 E. Filippi – Advanced System Technology, STMicroelectronics
2. www.lairdtech.com
3. http://www.prnewswire.com/cgi-bin/stories.pl?ACCT=104&STORY=/www/story/03-18-2002/0001688482&EDATE=，e-tenna Corporation Unveils ClearLink 2400 Antenna, Reducing Size, Cost and Design Cycle of Bluetooth, Wi-Fi Devices
4. http://www.ethertronics.com/

一、概述

移动分组数据业务的支持能力是3G系统最重要的特点之一。随着移动通信和Internet网络的迅速发展，许多对流量和迟延要求较高的数据业务如视频、流媒体和下载等不断涌现。这些业务对移动通信系统提出了更高的需求，要求系统提供更高的传输速率和更小的传输时延。为了满足日益增长的分组业务需求，特别是下行业务需求，3GPP提出了HSDPA技术并进行了标准化，HSDPA作为3GPP Release 5版本中的最主要特性（包括FDD以及TDD），于2002年完成了标准化。HSDPA通过采用AMC、HARQ以及高阶调制（16QAM）等技术，并在基站侧实现快速调度，从而可以快速自适应的反映用户信道的变化，获得较高的用户峰值速率和小区数据吞吐率。

二、R5 TD-SCDMA HSDPA关键技术

本章将对Release 5中TD-SCDMA系统HSDPA的基本情况做一简单介绍。

为了适应分组数据业务的特点，HSDPA中引入了共享信道的机制，多个用户共享无线资源。同时根据用户所处环境的不同，系统可以自适应的调整用户的调制方式以及编码速率，以提高系统吞吐量及无线资源效率。

R5 TD-SCDMA HSDPA的主要技术特点如下：

（1）共享信道

考虑到分组业务的特性，突发性强，持续时间不确定，系统采用共享信道的方式为分组用户提供服务，用户通过时分或者码分的形式共享无线资源。系统定义了新的共享信道以及相应的上下行控制信道以支持HSDPA特性。

（2）AMC

AMC通过改变调制方式和信道编码率来调整传输速率，目前采用QPSK和16QAM两种调制方式。系统根据自身物理层能力和信道变化情况，建立一个在共享信道HS-DSCH中传输格式的编码调制格式集合（MCS），每个MCS中的传输格式包括传输数据编码速率和调制方式等参数，当信道条件发生变化时，系统会选择与信道条件对应的不同传输格式来适应信道变化并通知UE。

（3）HARQ

HARQ是自动重传请求（ARQ）和前向纠错（FEC）技术相结合的一种纠错方法，通过发送附加冗余信息，改变编码速率来自适应信道条件。采用 HARQ技术的接收方在译码失败的情况下，保存接收到的数据，并要求发送方重传数据，接收方将重传的数据和保存数据进行合并后，再送到译码器进行译码。因为数据在译码前进行了合并，译码数据具有更多的信息量，可以提高译码的成功率，降低错误率。

（4）基站快速调度

通过将数据的调度和重传移到NodeB实现，可以更加快速的适应信道变化。基站根据UE的反馈，依据一定的调度准则选择用户，或者调整UE使用的调制方式编码速率，以优化系统性能。同时，调度以及数据重传在NodeB实现，可以减小数据传输的时延。

为了支持HSDPA技术，TD-SCDMA系统新增加的信道如下：

其中HS-DSCH是新增加的传输信道，用于承载高速下行数据，映射到HS-PDSCH上。为了支持HSDPA相关的信令，系统增加了两个物理信道HS-SCCH/HS-SICH，由NodeB控制，用于传递HS-DSCH的控制信息以及终端的反馈信息。HS-DSCH支持数据的TTI为 5ms，采用AMC以及HARQ等链路自适应技术，为多个用户以时分或者码分的形式共享。下行控制信道，HS-SCCH使用两个SF=16的码道，携带的控制信息包括用户标识，HS-PDSCH使用的码资源，调制方式，TBS块大小，以及HARQ相关信息。上行控制信道HS-SICH，使用一个SF=16 的码道，和HS-SCCH成对使用，用户用于反馈信道质量（CQI）以及下行数据ACK/NACK的信息。

HSDPA过程简单描述如下：基站首先通过HS-SCCH通知UE相应的HS-DSCH信息，包括用户标识、HS-PDSCH码道资源、调制方式等。然后相隔预定的时间后，在HS-DSCH上发送数据。UE则监控HS-SCCH，通过识别用户标识，判断该时刻信息是否是给自己的。如果是，则根据 HS-SCCH携带的信息，接收并解调共享信道HS-DSCH，获得数据。然后根据测量结果和数据接收的情况，在HS-SICH信道，反馈数据块是否正确接收以及信道质量信息。基站根据反馈，可以决定是否重传数据并且可自适应的调整共享信道的调制和编码方式。

由于上述调度和重传以及AMC都是在基站进行，系统可以实现快速自适应的链路调整。采用HSDPA技术，可以获得较高的用户峰值速率和小区数据吞吐率。针对TD-SCDMA系统，在1.6M的带宽上，采用HSDPA技术后，理论上下行峰值速率可以达到2.8Mbit/s。

典型的流程如图1：

图1　HSDPA资源分配过程

资源分配好之后，调度和重传就在基站和终端之间完成，如图2所示：

图2　基站和终端之间的快速调度

可以看出，HSDPA由于采用了AMC、HARQ以及高阶调制（16QAM）等技术，并在基站侧增加了MAC-hs模块，用于实现快速调度，从而可以快速自适应的反映用户信道的变化，获得较高的用户峰值速率和小区数据吞吐率。对于单载波的情况，采用HSDPA技术后，理论上下行峰值速率可以达到 2.8Mbit/s。虽然2.8Mbit/s的峰值速率已经使系统性能得到较大的提升，考虑到TD-SCDMA单载波1.6M的带宽限制，可以提供的下行速率还是有限。

三、TD-SCDMA多载波HSDPA

为了提高对分组业务的支持能力，取得更高的峰值速率，使TD-SCDMA系统与其它系统相比具有相当的竞争优势，在CCSA对TD-SCDMA 标准化过程中，提出了多载波HSDPA技术，通过多载波捆绑提高TD-SCDMA系统中单用户峰值速率。多载波HSDPA也是对已有N频点技术的自然延伸，在N频点小区中，一个小区拥有多个载波资源，为多载波的捆绑提供了便利。使用多个载波进行捆绑来提供HSDPA业务，可以显著提供单用户的峰值速率。而且多载波捆绑方式资源配置灵活，同时后向兼容
单载波。

TD-SCDMA多载波技术，是指在使用HSDPA技术时，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扇区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。同时，由于在HSDPA技术中引入了多载波特性，MAC- hs除了完成共享用户的调度，AMC、HARQ等链路自适应的功能，还增加了多载波分流、数据处理的功能。具体体现：当一个用户的数据同时在多个载波上传输时，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、调制发送以及相应的信道质量反馈，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MAC-hs进行合并。

在标准化的过程中，考虑到对标准的影响以及对设备的复杂度影响，对如何引入多载波形成了以下的一些原则：

（1）多载波HSDPA的技术基础：多载波HSDPA以N频点技术为基础并兼容N频点行标；多载波HSDPA技术中的多个载波是N频点小区中的多个载波；目前设计中考虑终端最多支持6个载波的情况；

（2）多载波HSDPA的资源分配：在多载波小区中的一个或者多个载波上配置高速下行物理共享信道HS-PDSCH资源和一对或者多对HS- SCCH和HS-SICH物理信道资源，多个载波上的HS-PDSCH物理信道为多个用户终端以时分或者码分的方式共享，一个用户终端可被同时分配一个或者多个载波上的HS-PDSCH物理信道资源。考虑到终端的实现，要求分配给一个用户的资源占用的多载波是连续的；

（3）数据分流的位置：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MAC-hs进行合并；

（4）HARQ：在网络侧，每个用户建立一个HARQ实体。HARQ功能实体中，为每个载波建立单独的HARQ进程（1～8个），每个HARQ进程独立进行各自的处理过程，每个进程由载波标识和process Id一起标识；

（5）UE侧资源配置：对多载波UE而言，每个载波各自具有至少一对HS-SCCH/HS-SICH，HS-SCCH/HS-SICH进行该载波HS-DSCH资源的独立控制和反馈。首先对每个载波配置一对或者多对HS-SCCH/HS-SICH，业务过程中选择其中的一对独立控制和反馈该载波上的HS-PDSCH物理信道资源；

（6）资源分配方式：控制信道HS-SCCH/HS-SICH所指示的HS-PDSCH的载波信息通过高层信令配置；HS-PDSCH资源分配过程分为两步进行，第一步：RNC通过NBAP消息申请载波资源，Node B分配载波资源，与每个载波关联的HS-SCCH和HS-SICH信道资源，以及每个载波HARQ相关的资源，并通过NBAP消息反馈给RNC，RNC将载波资源分配结果通过RRC消息发送给UE。第二步：MAC-hs实时分配每个载波上的HS-PDSCH资源，通过载波关联的一对HS-SCCH和HS- SICH进行分配；

（7）控制信道的安排方式：为简化终端实现的复杂性，控制信道HS-SCCH/HS-SICH在载波上有以下两种摆放方式：

●单一单方式：将控制同一个UE的所有控制信道和其伴随的DPCH信道放在一个载波上发送，以便实现UE多载波接收条件下在上行链路的单载波发送；

●多一多方式：HS-SCCH/HS-SICH分别成对放置在所控制HS-PDSCH信道的载波上，控制同一载波的HS-SCCH与HS-SICH相对应，位于一个载波上，另外，伴随的DPCH信道也放在其中的一个载波。

（8）网络根据终端能力进行资源分配：基于终端设备可实现性考虑，多载波无线网络分配给同一多载波HSDPA终端的资源应不超过终端上报能力范围；对不同能力的终端，终端可以向网络上报是否支持多载波HSDPA及支持多载波数目的能力，网络根据终端上报的能力进行相应资源分配和调度；单载波终端能够在支持多载波的网络中正常工作。

由于引入多载波，网络侧和UE侧的结构还是发生了一些变化，包括网络侧增加了数据分流处理，UE侧数据合并处理的过程。而且由于支持多载波，对终端能力要求也有所提高，还有对于共享信道HS-DSCH由于增加了频率信息，对Uu接口以及Iub接口协议也会有一些影响。但是在CCSA标准化过程中，考虑到对R5的兼容，HS-SCCH/HS-SICH结构保持不变。

下面分别列出了网络侧和UE侧引入多载波后的处理框图。

（1）UTRAN侧设计

图3给出了支持多载波HSDPA的UTRAN侧处理框图。

图3　多载波HSDPA技术方案UTRAN侧处理框图

从网络侧来看，MAC-d流数据发送到MAC-hs实体中的相应的优先级队列中。MAC-hs实体的调度模块根据优先级来对各个优先级队列中的数据进行调度，将被调度到的优先级队列中的PDU分发到相应的一个或者多个载波的HARQ进程中。

来自每个载波上的HARQ数据进行HS-DSCH信道编码时，采用和R5 TD-SCDMA HSDPA相同的处理方式，如图4所示。

图4　多载波HSDPA中HS-DSCH编码处理框图

（2）UE侧设计

图5给出了支持多载波HSDPA的UE侧框图。

在UE侧，UE物理层需要将在多个载波上接收的数据进行解码，并发送到HARQ实体中，HARQ实体将接收到的MAC-hs PDU根据队列标识放到相应的队列缓冲器中，并根据TSN进行重排。对按照顺序正确接收的MAC-hs PDU拆分成MAC-d PDU递交到MAC-d实体处理。

多个载波上的HS-PDSCH物理信道资源为多个用户终端以时分或者码分的方式共享，一个用户终端可被同时分配一个或者多个载波上的HS- PDSCH物理信道资源。采用N个载波的多载波HSDPA方案，理论上可以获得N倍2.8Mbit/s的峰值速率，如3载波的HSDPA方案理论的峰值速率可以达到8.4Mbit/s。

图5　多载波HSDPA技术方案UE侧处理框图

四、CCSA TD-SCDMA多载波HSDPA标准概况

为了促进产业发展，CCSA于2005年8月份启动TD-SCDMA多载波HSDPA标准化工作。为了保证产品开发的延续性和兼容性，标准化工作的目标就是制定出兼容单载波和多载波的规范。

为了使讨论能够充分有效，工作组采用了技术报告的办法，由TD小组主席联合起草了《TD-SCDMA多载波HSDPA技术报告》，把有争议的问题列入其中，进行集中讨论。根据前述对HSDPA以及多载波技术的介绍，可以看出，多载波HSDPA的引入主要是物理层技术有了一定的增强，例如增加了 16QAM、HARQ以及多载波技术，而且为了支持链路自适应技术以实现快速调度，在NodeB增加了MAC-hs模块，因此在物理层规范和MAC协议方面有较大的改动。同时由于增加HSDPA特性，对Uu接口RRC以及Iub接口相关协议也有一定的影响。多载波的引入，对于终端能力的要求也有一定程度的增加。在技术报告中，除了明确多载波技术方案，考虑到标准的兼容性和合理性，对Uu接口物理层、MAC、RRC以及Iub接口的影响也进行了深入地分析。

在技术报告研究的基础上，CCSA TC5 WG9开始了TD-SCDMA多载波HSDPA标准的起草和讨论工作，历时一年多的时间，制定了《TD-SCDMA多载波HSDPA Uu接口物理层规范》、《TD-SCDMA多载波HSDPA媒体接入层MAC规范》、《TD-SCDMA多载波HSDPA无线链路层RLC规范》、《TD -SCDMA多载波HSDPA RRC协议规范》以及《TD-SCDMA多载波HSDPA Iub接口系列规范》。目前已经完成了接口技术要求的研究，并形成标准草案报批稿。同时也启动了设备技术规范和测试规范的制定，目前接入网设备征求意见稿正在起草讨论中，终端设备规范和测试规范的起草工作也即将启动，预计明年中完成。随着行业标准的确定，必将加快TD-SCDMA产业链HSDPA产品研发的进展。而且多载波技术的引入，对TD-SCDMA后续技术的走向也会产生积极的影响。