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摘要 HSPA+作为3GPP HSPA（包括HSDPA和HSUPA）的增强技术，为HSPA运营商提供低复杂度、低成本的从HSPA向LTE（长期演进）平滑演进的途径，同时保持对R6版本的后向兼容性。本文对HSPA+的关键技术进行了综述和研究分析。
HSPA（包括HSDPA和HSUPA）的进一步演进和增强是3GPP RAN 2006年启动一个研究项目，称为“HSPA+”。此项目目前仅针对FDD系统，并已基本接近完成。HSPA+技术的宗旨是要保持和UMTS第6版本（Release 6）的后向兼容性，同时提供低复杂度、低成本的从HSPA向SAE/LTE平滑演进的路径，以满足在近期内以较小的代价改进系统、提高系统性能的HSPA运营商的升级需求。
HSPA+的研究内容包括高阶调制、多天线技术（MIMO）、连续分组数据连接（CPC）、增强FDD小区FACH等，接入网架构优化等。
1、HSPA+技术目标
HSPA+技术目标主要是降低控制面和用户面的延迟、简化网络节点、提高频谱效率以及后向兼容性。例如，控制面和用户面的延迟要求见表1。
表1 HSPA+控制面和用户面的延迟指标
2、HSPA+关键技术
2.1 MIMO技术
HSPA+引入的物理层技术为下行64QAM、上行16QAM和MIMO技术。MIMO技术可以改善系统容量和提高频谱利用率。3GPP自R5就开始MIMO技术的标准化研究，征集了大量的提案，最后经过广泛地讨论，HSPA+将方案确定为两个：TDD PARC和FDD基于双码流发射天线阵（Dual-Stream TxAA）的双码字MIMO。
FDD的MIMO模式可由图1所示的下行发送框架描述。MIMO模式下的信道编码、交织和扩频同以前相比没有改变。NodeB调度器将决定在一个TTI内为被调度用户发送一个还是两个传输块（TB）。扩频后的信号经过预编码（w1，w2，w3，w4）加权后同时发送给每个发射天线。预编码权重定义如下：
如果一个TTI只调度一个TB，仅使用加权向量（w1，w2）。如果一个TTI调度两个TB，则使用两个正交的加权向量。
图1 FDD HS-PDSCH信道的下行MIMO通用发射机框图
UE使用导频信号CPICH分别为每个天线进行信道估计，每个发射天线可以使用相同的导频信号也可以使用不同的导频信号，导频信号由高层配置。UE根据接收信号的质量决定推荐预编码权重（W1pref，W2pref），推荐预编码权重（PCI）和信道质量指示（CQI）一起反馈给NodeB。NodeB再根据反馈的PCI/CQI进行调度，并决定传输块的个数、大小和调制方式；NodeB通过HS-SCCH通知UE网络侧所选取的预编码权重w2，该权重可以每个HS-PDSCH子帧变化一次。
在上述MIMO技术的应用中，NodeB决定MIMO的工作模式是闭环发射分集还是空间复用。当用户处于较低或中等的信干比环境时，选取单码流数据的发射分集，提高用户信号的接收质量；当用户处于较高的信干比环境时，则发送双码流数据进行空间分集，以提高吞吐量。研究表明在高信干比下双码流TxAA比单码流发射分集提高接近一倍的峰值传输速率。同时双码流TxAA可以带来平均6%的系统容量增益。
2.2 CPC技术
连续性分组连接（Continuous Packet Connectivity）意为分组用户的“永远在线”。CPC通过改进R5/R6的HSPA功能，使得有连续连接需求的分组用户能够避免频繁的重建而由此带来的开销和时延，以达到提高CELL-DCH态分组用户数量、提高VoIP用户容量和系统效率的目的。
CPC主要包含3部分：新的UL DPCCH时隙格式、UE侧不连续发送和接收（DTX/DRX）、HS-SCCH-less操作。这3个功能既可以独立配置、也可以为UE组合配置，但新时隙格式必须与DTX/DRX同时使用。
（1）新的UL DPCCH时隙格式
DPCCH为专有物理控制信道。其主要目的是携带专有物理数据信道的同步和功控信息。R6以前的DPCCH时隙格式主要适合有数据传输的情况。在无数据传输时则需要进行优化，以减少控制信道的开销。新时隙格式设计主要在于减少导频比特位、和扩大功控命令（TPC）的比特位，从而达到降低DPCCH目标信干比和发射功率的目的。新的UL DPCCH时隙格式采用导频比特位为6、TPC为4的时隙格式，由SRNC为UE配置/重配置。
（2）UE侧DTX/DRX
UE侧的DTX是指上行DPCCH的不连续发送。在既没有E-DCH传输、也没有HS-DPCCH（即TDD中的HS-SICH）传输的时候，UE将自动停止DPCCH发射，并使用一个预定义的DPCCH活动图样。一旦E-DCH和HS-DPCCH开始发射，立即恢复正常的DPCCH发射。为了在非活跃期间维持必要的上行同步，预定义的DPCCH活动图样必须保持一定的发送周期。UL DTX使用两种不连续DPCCH发送周期：UE_DTX_cycle_2和UE_DTX_cycle_1，前者是后者的整数倍。为了进一步降低上行干扰，将不同的用户的功率在时域上呈现均匀分布，可以为每个UE配置一个特定的时间偏移。
例如，如图2所示，在Web浏览业务中DPCCH的活动图样可以在阅读期间应用；对于VoIP业务，利用其数据活跃期间固有的传输时序关系，DPCCH的发送周期可以和数据发射保持一致；在数据非活跃期间，则采用更长的发送周期。
图2 Web浏览业务的DPCCH的活动图样示意图
UE侧的DRX是指下行HS-SCCH的不连续接收。下行DRX是对上行DTX方案的补充，两个方案相结合（DTX、DRX周期对准）可以使UE在没有上、下行数据活动时能真正进入休眠状态，延长电池使用时间。下行DRX使用预定义的HS-SCCH接收图样，UE必须每经过一个周期侦听一次HS-SCCH子帧，HS-SCCH接收图样也可以为每个用户配置一个时间偏移值。为了进一步减少UE活动，对上行CQI报告、下行E-AGCH/E-RGCH的接收也进行了一些限制。
上行DTX可以独立应用，但下行DRX必须在上行DTX应用的情况下应用。在一些特殊情况下如UE有掉话的危险，UTRAN能够立即通过L1信令机制取消UE的DTX/DRX功能，使UE快速回到正常状态。当UE工作在DRX模式，下行调度器将受限于该活动图样的约束，潜在造成调度器性能的下降。NodeB应能权衡利弊，适当终止UE的DTX/DRX。
（3）HS-SCCH-less操作
HS-SCCH是HS-DSCH传输中的物理控制信道。这一开销相对大的数据分组传输来说比较小，但是当传输像VoIP和gaming这样低时延、小分组业务时，HS-SCCH的开销就显得比较大。HS-SCCH-less提供了一种HS-DSCH传输省略HS-SCCH的方法。为区别R5/R6中的HS-SCCH，本方案称为HS-SCCH type 2格式。
HS-SCCH和HS-PDSCH之间的定时关系和R5/6保持一致。第一次传输省略HS-SCCH，由UE进行盲检测。如果UE在第一次传输时能够正确解码，它将反馈ACK；如果第一次传输解码失败，UE会暂存数据，但是不会反馈NACK。重传需要HS-SCCH，不再依赖UE进行盲检测。但重传次数不会超过两次。HS-SCCH-less操作首次传输时由SRNC预分配1-2条HS-PDSCH码道，和最多4种MAC-hs传输块长度以便UE进行盲检测。UE维护一个能存储13TTI数据的软缓冲区。当第一次传输解码不正确时，将接收数据保存在该软缓冲区中。当接收到伴随HS-SCCH的HS-PDSCH时，利用HS-SCCH提供的时间指针从软缓冲区中找到以前的接收数据，进行合并和解码，反馈ACK/NACK。
HS-SCCH-less主要针对VoIP业务等小分组数据业务，减少物理控制信道开销，提高下行VoIP用户容量。如果HS-SCCH-less与UL DTX或DTX/DRX一起组合使用，那么需要统一考虑下行HS-SCCH、HS-PDSCH、F-DPCH及上行DPCCH、HS-DPCCH之间的时序关系，使各个方案能够协调工作，优化无线网络性能。
总而言之，CPC通过设计新的时隙格式、UE侧DTX/DRX、和HS-SCCH-less操作3个方面来提升系统容量。研究表明运用CPC后上行支持不活跃用户的系统消耗下降为R6的三分之一。与此同时VoIP的容量获得了50%的增长。
2.3 层2增强技术
HSPA+层2增强技术主要包括RLC AM增加支持灵活的PDU SIZE和MAC-hs支持RLC PDU分段功能。HSPA+采用MIMO和64QAM等物理层技术会使空口速率进一步提高并超过14 Mbit/s。但是现有的UTRA层2技术已不能适应这个速率。主要问题在于：AM RLC使用固定大小的RLC PDU。为了提高空口的峰值速率，可以采取增加RLC窗口、PDU大小、或降低环回时间等方法。在PDU帧头不改变（SN为0～4095）的情况下，提高峰值速率只能靠加大PDU size。虽然增加RLC PDU大小可以避免RLC窗口停滞，但同时也会引起过多的补零（padding），降低了系统效率。同时固定RLC PDU大小在链路自适应和小区覆盖上也显得非常不灵活。
因此，从优化的角度出发，在保留原来的固定大小的RLC PDU配置的同时，引入可变长的PDU size的配置，将主要的SDU分段功能移至MAC-hs。可变长的PDU size不仅可以避免过多的补零，保证系统效率，又可以灵活地支持各种空口速率。但是可变长的PDU size不能超过一个预定义的最大RLC PDU size。当SDU长度超过最大RLC PDU size时，也需要执行RLC的分段。在MAC-hs移入MAC-d PDU分段功能可以使NodeB能够快速跟踪无线链路的空口质量，自适应地选择合适的传输块大小，提供足够细的调度粒度，以保证小区的业务覆盖。
HSPA+在MAC层增加了MAC-ehs实体。MAC-ehs支持SDU分段和级联以及可变长的RLC PDU SIZE。允许每个TTI可调度的优先队列的个数大于1，以提高空口传输效率。但从减少UE复杂度的角度出发，将最大个数限制为3。
2.4 增强CELL-FACH和CELL/URA-PCH
增强CELL-FACH允许CELL-FACH和CELL/URA-PCH态的UE使用HSDPA技术，即CELL-FACH和CELL/URA-PCH态UE使用HS-DSCH传输专有信令数据，而不是SCCPCH和FACH/PCH。其目的是提高CELL-FACH态的峰值速率、减少CELL-FACH、CELL_PCH and URA_PCH用户面和控制面时延、减少URA/CELL_PCH or CELL_FACH to CELL_DCH的状态迁移时延、和减少UE的电池消耗。
当系统广播配置了HS-DSCH公共系统信息时，CELL-FACH态的UE在没有C-RNTI或专有H-RNTI的情况下，监听HS-SCCH信道上的common H-RNTI。如果UE检测到common H-RNTI，则接收相应的HS-DSCH TTI的数据；当CELL-FACH态的UE有C-RNTI和专有H-RNTI，UE应该监听HS-SCCH信道上的专有H-RNTI。UE不需要发送ACK/NACK或CQI信息。
E-CELL-FACH上行仍然使用RACH信道。可利用层2增强技术，即可变长的RLC PDU大小和MAC-ehs segmentation。支持BCCH映射到HS-DSCH，BCCH只承载系统消息的变化信息。根据SIB11/SIB12的配置参数，CELL-FACH态UE在小区更新过程中通过RACH的上行RRC信令上报测量报告给RNC。然后由RNC折算成功率水平，并在HS-DSCH的FP帧中用功率水平的方式通知给NodeB。NodeB依据该功率水平决定传输块大小和下行发射功率。
同样地，如果系统广播配置了HS-DSCH寻呼系统信息，当CELL_PCH状态的UE没有保存C-RNTI和专有H-RNTI时或UE为URA-PCH态，在UE监听到PICH后，需要接收HS-DSCH上的PCCH。当接收HS-DSCH上的PCCH时，不使用HS-SCCH，即采用HS-SCCH less进行盲检。PCCH使用一个HS-PDSCH信道化码和最多2个传输块大小；当CELL-PCH态的UE保存有C-RNTI和专有H-RNTI时，网络侧使用专有H-RNTI传输DCCH和DTCH。如果UE检测到HS-SCCH上的专有H-RNTI，UE立即启动测量报告，进入CELL-FACH态。这样UE可以不用先执行小区更新过程而直接使用C-RNTI接收DTCH和DCCH。当接收HS-DSCH上的DTCH和DCCH时，使用HS-SCCH信道，机制同R5。
允许CELL-PCH态UE接收DTCH/DCCH数据可以节省UE小区更新的过程。UTRAN直接将专有寻呼信息PAGING TYPE2下发给CELL-PCH态UE。减少UE呼叫建立的时延。PCCH接收采用HS-SCCH less操作，可以减少物理信令的开销，减少UE呼叫建立的时延。
CELL/URA-PCH态的HS-DSCH接收使用两个循环周期的DRX。URA_PCH状态不支持DCCH/DTCH映射到HS-DSCH上，没有直接的下行数据传输。
2.5 接入网架构优化
HSPA+采取扁平化的无线接入网架构，RNC功能位于Node B，该Node B称为eHSPA NodeB。eHSPA NodeB与分组域CN有Iu-PS接口。Iu-PS用户面可终结至SGSN或者至GGSN（使用单隧道技术），以降低网络时延。eHSPA NodeB间为Iur接口。
eHSPA NodeB有两种应用场景：独立的eHSPA NodeB和载波共享eHSPA NodeB（如图3所示）。由于HSPA技术是针对PS域的优化，所以独立的eHSPA NodeB的应用只考虑PS业务，不需要RNC节点。在载波共享eHSPA NodeB应用中需要RNC支持CS业务，因此CS域没有受到影响。载波共享eHSPA NodeB与传统RNC通过Iur口相连。在载波共享eHSPA NodeB下的UE，如果指派了CS业务，则需要触发重定位的过程，把控制权交给传统的RNC。
图3 eHSPA NodeB的应用场景
3、结束语
HSPA+作为3GPP HSPA（包括HSDPA和HSUPA）的增强技术，覆盖了多方面的内容和性能的提升。其主要包括高阶调制、MIMO、CPC、增强FDD CELL-FACH等，接入网架构优化等。高阶调制、MIMO和层2增强可以提高HSPA的频谱利用率和空口传输速率；CPC技术可以提高保持长时连接的分组数据用户数量及VoIP用户容量；增强CELL-FACH和接入网架构优化可以大幅降低分组域的传输时延。通过这些技术，HSPA+可以使运营商在引入HSPA后还可以继续向前演进。在LTE技术完全成熟和商用前，在现有2×5MHz频谱资源的基础上以较小的代价获得近似LTE的性能，充分保护运营商的投资，同时也为不同运营商提供不同的演进策略。
TD-SCDMA的HSPA+技术研究才刚刚拉开序幕，TD可以借鉴FDD HSPA+的大部分内容，但也呈现出不同的特点，主要区别在于TDD的上行码资源的缺乏。WCDMA的上行码资源不受限制，为其技术优化提供了许多优势。TD的HSPA+技术必须解决上行码资源的瓶颈。
