HSDPA、WiMAX和LTE關(guān)鍵技術(shù)比較與分析

摘要　HSDPA，WiMAX和LTE是目前的技術(shù)熱點(diǎn)，本文從調制、重傳、組網(wǎng)方式以及技術(shù)成熟度等幾個(gè)方面對三者進(jìn)行分析和比較，并給出相應的結論。

隨著(zhù)移動(dòng)通信與因特網(wǎng)的快速發(fā)展，通信市場(chǎng)正在呈現出話(huà)音業(yè)務(wù)移動(dòng)化，數據業(yè)務(wù)寬帶化的發(fā)展趨勢。到2007年底，中國移動(dòng)通信用戶(hù)數已經(jīng)接近5億，互聯(lián)網(wǎng)寬帶用戶(hù)數已經(jīng)超過(guò)1億。在新增的因特網(wǎng)用戶(hù)中，63%為寬帶用戶(hù)。同時(shí)，WiFi，GPRS，EDGE，cdma1x等技術(shù)的發(fā)展使得無(wú)線(xiàn)數據業(yè)務(wù)應用日益廣泛。

HSDPA與WiMAX作為能夠提供高速移動(dòng)數據業(yè)務(wù)的兩種技術(shù)，正在引起越來(lái)越多的重視。而LTE作為3G長(cháng)期演進(jìn)方案，也引起了大家廣泛的關(guān)注。LTE雖然是3G下一步的演進(jìn)方向，但其采用了多種新技術(shù)，尤其是在物理層有革命性的變化，在網(wǎng)絡(luò )結構上也有很大改變，其向扁平化方向有了很大的發(fā)展。

從市場(chǎng)定位上，WiMAX與HSDPA都是提供高速數據業(yè)務(wù)，同時(shí)也都支持移動(dòng)性，因此兩者存在一定的競爭關(guān)系。但兩者又有其各自的技術(shù)特點(diǎn)，所以還在一定程度上可以互為補充。而LTE雖然目前還處于標準研究階段，但作為未來(lái)3G的發(fā)展方向，需要運營(yíng)商給予足夠的重視。本文從調制、重傳、組網(wǎng)方式以及技術(shù)成熟度等幾個(gè)方面對三者進(jìn)行分析和比較，為下一步在網(wǎng)絡(luò )演進(jìn)和技術(shù)方案選擇提供參考。

1、調制技術(shù)

為了適應不斷變化的無(wú)線(xiàn)信道，HSDPA、WiMAX和LTE都采用了多種調制方式，同時(shí)都可以根據無(wú)線(xiàn)信道質(zhì)量的變化，動(dòng)態(tài)改變調制方式，以使得傳輸的性能最優(yōu)。WiMAX采用了BPSK、QPSK、16QAM和64QAM四種調整方式，而HSDPA采用了QPSK和16QAM兩種調制方式。802.16系列標準規定了在不同的信道帶寬下，系統中為了達到10-6的誤碼率要求，各種調制和編碼方式所需要的最低信號強度。對于HSDPA系統，3GPP規范定義了12類(lèi)能力不同的終端。針對每種終端統一規定了30種CQI類(lèi)別。而這不同CQI級別反映了不同的信道質(zhì)量條件，同時(shí)也對應著(zhù)一種傳輸格式，并且分別規定了所使用的傳輸塊大小、編碼速率、調制方式、碼道數等。LTE支持最高到64QAM的調制方式，同時(shí)也采用CQI方式，利用終端報告無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò )根據其報告值決定采用相應的網(wǎng)絡(luò )參數，進(jìn)而決定最終的數據傳輸速率。

在物理層技術(shù)中，HSDPA采用單載波CDMA方式接入。而WiMAX采用多載波的方式，數據經(jīng)過(guò)交織和星座映射后根據頻偏序號按遞增順序調制到分配數據的子載波上。從數據星座映射器中送出的第一個(gè)符號應該被調制到具有最低頻偏序號的子載波上。同時(shí)WiMAX還允許使用OFDMA進(jìn)行接入，這些都在一定程度上提高了WiMAX系統的頻率利用率。LTE標準下行方案包括OFDMA和MC-WCDMA。OFDMA目前是最有可能采用的物理層技術(shù)。而上行包括SC-FDMA和OFDMA兩種接入方式。LTE已確定采用了多天線(xiàn)技術(shù)，其中MIMO天線(xiàn)個(gè)數的基本配置是下行2×2、上行1×2，但也在考慮4×4的高階天線(xiàn)配置。

2、ARQ機制

由于無(wú)線(xiàn)移動(dòng)信道具有時(shí)變和多徑導致的衰落特點(diǎn)，常有較高的誤碼率。因此為了減小高層重傳，提高正確接收的概率，降低時(shí)延，WiMAX、HSDPA和LTE都采用前向糾錯（FEC）和自動(dòng)重傳請求（ARQ）兩種差錯控制方法以確保服務(wù)質(zhì)量（QoS），HSDPA和LTE更進(jìn)一步采用了HARQ機制。

ARQ機制中，在發(fā)送方一個(gè)ARQ塊有4種狀態(tài)：未發(fā)送、未完成、等待重傳和丟棄。這4種狀態(tài)之間的轉換如圖1所示。

圖1　ARQ狀態(tài)轉換圖

3個(gè)標準ARQ協(xié)議是SAW停等協(xié)議，GBN回退N步協(xié)議和SR選擇性重傳協(xié)議，3種ARQ基本機制中，SAW停等協(xié)議最簡(jiǎn)單，也是對信頭要求最少的協(xié)議。它的特點(diǎn)是發(fā)端一直對當前數據分組進(jìn)行處理直到它被成功接收。協(xié)議的正確性由一比特（用來(lái)表示當前和下一個(gè)數據分組）信息就可以表述。所以，它的控制頭很小，確認頭也很小。而且由于一次只能傳送一個(gè)數據分組，所以對用戶(hù)端存儲容量的要求就很小。GBN方式在發(fā)端可連續發(fā)送多個(gè)數據分組。發(fā)端發(fā)送第一個(gè)分組后不必等待回執，經(jīng)過(guò)一個(gè)往返延遲后，該分組的回執才到達發(fā)端。往返延遲定義為送出一個(gè)分組到收到其回執之間的時(shí)間間隔。在此時(shí)間間隔內，另外N-1個(gè)分組已被傳送。當接收端反饋回來(lái)的是NAK時(shí)，發(fā)端退到此NAK對應的分組，重發(fā)該分組及其后的N-1個(gè)分組。GBN方式因為采用連續的發(fā)送和重傳，提高了停等式的效率，并且接收端只需儲存當前分組即可。但當往返延遲較大、數據傳輸速率較高時(shí)，由于要重傳許多無(wú)錯分組，GBN方式就不太有效了。SR協(xié)議相比之下，效率最高，但要求存儲容量很大而且實(shí)現起來(lái)復雜。它的特點(diǎn)是只傳送錯誤數據分組，要求用序列號識別數據分組。而且，在等待響應的時(shí)候，為了充分利用信道容量發(fā)端要發(fā)送大量數據分組。另外，收端在組合那些分隔重傳的信息前必須知道序列號，因此，序列號要和數據分別編碼，而且序列號需要更可靠的編碼以克服任何時(shí)候出現在數據里的錯誤，這樣就增加了對信令要求的帶寬。

HARQ技術(shù)綜合了FEC和ARQ兩種差錯控制方式的優(yōu)點(diǎn)而克服了各自的缺點(diǎn)，將二者進(jìn)行適當的組合，使SW-ARQ，GBN-ARQ或者SR-ARQ系統嵌入一個(gè)FEC子系統，便構成了HARQ系統。目前HARQ技術(shù)分為type-I和type-II。而HSDPA系統主要采用基于RCPT碼的Chase合并方法和遞增冗余方法實(shí)現type-II HARQ技術(shù)。

3、資源調度機制

為了能夠高效的利用無(wú)線(xiàn)資源，HSDPA、WiMAX和LTE都采用了有效資源調度機制。

WiMAX的MAC層支持點(diǎn)對多點(diǎn)的寬帶無(wú)線(xiàn)接入應用，主要是在上行和下行鏈路上進(jìn)行高速傳輸。為了讓多個(gè)用戶(hù)共享一個(gè)物理信道，MAC層必須要有有效的接入和帶寬分配算法以支持各種業(yè)務(wù)的QoS保證。每個(gè)連接與單個(gè)數據業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)，每個(gè)數據業(yè)務(wù)與一系列的QoS參數關(guān)聯(lián)，這些QoS參數量化了數據業(yè)務(wù)的行為。這些參數通過(guò)DSA和DCS消息對話(huà)管理。標準支持4種不同的業(yè)務(wù)類(lèi)型，它們分別為主動(dòng)授予服務(wù)（UGS）、實(shí)時(shí)輪詢(xún)業(yè)務(wù)（rtPS）、非實(shí)時(shí)輪詢(xún)業(yè)務(wù)（nrlPS）、盡力傳輸業(yè)務(wù)（BE）。WiMAX可以根據不同的QoS動(dòng)態(tài)分配帶寬，具有較大的靈活性。WiMAX的MAC層是基于連接的，為了映射各個(gè)用戶(hù)站（SS）的服務(wù)，提供不同級別的QoS，所有的數據通信都是建立在連接的基礎之上的。因此，業(yè)務(wù)流實(shí)際上提供了上下行QoS管理的機制，并且和帶寬分配的進(jìn)程緊密聯(lián)系。一個(gè)SS以基于每個(gè)連接的方式請求上行帶寬。BS在某個(gè)時(shí)間調度間隔內，或者對一個(gè)SS的所有請求總地授予一個(gè)帶寬，或者按每個(gè)連接來(lái)授予帶寬。因此從以上的分析可以看出，WiMAX可以在無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)部分為不同業(yè)務(wù)提供不同質(zhì)量的服務(wù)。

HSDPA可以采用多種資源調度算法，每種算法在服務(wù)效率和服務(wù)公平性上有不同的特點(diǎn)。這些算法包括輪詢(xún)式調度算法、公平吞吐量調度算法、平均C/I調度算法、最大C/I調度算法、部分公平性調度算法以及快速公平吞吐量調度算法，其中前3種算法不考慮信道質(zhì)量的變化，而后3種變化考慮信道環(huán)境的變化，同時(shí)根據這些變化調整分配策略。

輪詢(xún)式調度算法對所有激活用戶(hù)公平服務(wù)，處于小區不同位置的用戶(hù)都將等概率的獲得無(wú)線(xiàn)資源。公平吞吐量調度算法優(yōu)先選擇當前吞吐量最低的用戶(hù)。平均C/I調度算法選擇在一個(gè)調度周期內平均C/I值最大的用戶(hù)進(jìn)行服務(wù)。最大C/I式調度算法選擇在一個(gè)TTI間隔內無(wú)線(xiàn)環(huán)境最好的用戶(hù)進(jìn)行服務(wù)，這種方法對無(wú)線(xiàn)信道變化相應快，能夠獲得最大的小區吞吐量性能，但公平性較差。部分公平性調度算法進(jìn)行折衷，綜合考慮用戶(hù)當前所處無(wú)線(xiàn)環(huán)境質(zhì)量以及歷史吞吐量情況，選擇相對質(zhì)量較好的用戶(hù)進(jìn)行服務(wù)?？焖俟酵掏铝空{度算法結合考慮信道的快速變化特性的同時(shí)盡量為小區內的所有用戶(hù)提供公平的吞吐量分布。

LTE采用多種資源調度方式來(lái)保障網(wǎng)絡(luò )的高效運行，主要包括以下方面。

（1）無(wú)線(xiàn)承載控制（RBC）；

（2）無(wú)線(xiàn)接納控制，（RAC）；

（3）連接移動(dòng)性控制（CMC）；

（4）分組調度（PSC）；

（5）小區間干擾協(xié)調（ICIC）；

（6）負荷均衡（LB）。

4、網(wǎng)絡(luò )結構

WiMAX的網(wǎng)絡(luò )結構如圖2所示，其中包括接入網(wǎng)絡(luò )（ASN）和連接服務(wù)網(wǎng)絡(luò )（CSN）。ASN的功能是管理空中接口。主要功能包括發(fā)現網(wǎng)絡(luò )并選擇合適的CSN；在基站和移動(dòng)用戶(hù)臺（MSS）之間建立層2連接；協(xié)助完成鑒權、業(yè)務(wù)授權和計費；協(xié)助高層與MSS建立層3連接，分配IP地址；無(wú)線(xiàn)資源管理；根據分級結構進(jìn)行ASN內移動(dòng)性管理；ASN內尋呼和位置管理；ASN和CSN之間隧道建立和管理；存儲臨時(shí)用戶(hù)信息。一個(gè)ASN由基站（BS）和接入網(wǎng)關(guān)（ASN GW）組成，可以連接到多個(gè)CSN，為不同NSP的CSN提供服務(wù)。

CSN為WiMAX用戶(hù)提供IP連接，為一套網(wǎng)絡(luò )功能的組合，主要包括Internet接入；為用戶(hù)提供會(huì )話(huà)連接；基于用戶(hù)參數的QoS和許可控制；ASN與CSN之間隧道的建立和管理；用戶(hù)計費和結算；ASN之間的移動(dòng)性管理；WiMAX服務(wù)等。CSN可以由路由器、AAA代理或服務(wù)器、用戶(hù)數據庫、Internet網(wǎng)關(guān)設備等組成。CSN可以作為全新的WiMAX系統的一個(gè)新建網(wǎng)絡(luò )實(shí)體，也可利用部分現有網(wǎng)絡(luò )設備實(shí)現CSN功能。

圖2　WiMAX網(wǎng)絡(luò )結構示意圖

UMTS基本構成如圖3所示，核心網(wǎng)分為電路域（CS）和分組域（PS）。網(wǎng)絡(luò )單元包括移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心（MSC）、訪(fǎng)問(wèn)位置寄存器（VLR）、網(wǎng)關(guān)移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心（GMSC），HSDPA使用的分組域網(wǎng)絡(luò )單元包括業(yè)務(wù)GPRS支持節點(diǎn)（SGSN）、網(wǎng)關(guān)GPRS支持節點(diǎn)（GGSN），歸屬位置寄存器（HLR）、鑒權中心（AuC）和設備標識寄存器（EIR）為電路域和分組域共用網(wǎng)元。無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)絡(luò )單元包括無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制中心（RNC）和WCDMA的收發(fā)信基站（Node B）兩部分。此外核心網(wǎng)PS域通過(guò)Gi、Gp接口接入其它PLMN網(wǎng)絡(luò )或PDN網(wǎng)絡(luò )，CS域通過(guò)PSTN接入固定網(wǎng)絡(luò )或其它PLMN。RNS（無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )子系統）通過(guò)無(wú)線(xiàn)接口（Uu）直接與移動(dòng)臺相接，負責無(wú)線(xiàn)信號的發(fā)送接收和無(wú)線(xiàn)資源管理。另一方面，RNS與MSC、SGSN相連，實(shí)現移動(dòng)用戶(hù)之間或移動(dòng)用戶(hù)與固定網(wǎng)用戶(hù)之間的通信連接，傳送系統信號和用戶(hù)信息等。RNS子系統包括RNC和Node B兩部分。

圖3　UMTS網(wǎng)絡(luò )結構示意圖

LTE相比WCDMA（HSDPA）網(wǎng)絡(luò )采用了更為扁平化的網(wǎng)絡(luò )架構，這一方面減少了設備的數量，同時(shí)也大大的降低了業(yè)務(wù)時(shí)延。LTE網(wǎng)絡(luò )架構如圖4所示。

圖4　LTE網(wǎng)絡(luò )結構示意圖

其中：eNode B主要功能包括無(wú)線(xiàn)資源管理、無(wú)線(xiàn)承載控制、無(wú)線(xiàn)接納控制、連接移動(dòng)性控制和動(dòng)態(tài)資源分配（調度）。

而aGW包括原來(lái)3G網(wǎng)絡(luò )中GGSN和SGSN中的所有功能和RNC中的一部分功能。其中新增加的MME功能主要用于向eNode B的尋呼消息的分發(fā)，而UPE功能用于IP頭壓縮和用戶(hù)數據加密，用戶(hù)面數據包的終結和支持UE移動(dòng)性的用戶(hù)面數據的交換。關(guān)于RNC功能在aGW和eNode B中功能的劃分，一直存在很大的爭論，截至到2007年，最新的LTE標準進(jìn)展為未來(lái)的3GPP系統采用兩層網(wǎng)絡(luò )架構，原來(lái)位于RNC的頭壓縮和加密功能上移到接入網(wǎng)關(guān)，Outer ARQ和RRC功能則下移到eNodeB，具體如圖5所示。

圖5　RNC功能在未來(lái)eNodeB和接入網(wǎng)關(guān)（AGW）設備中的分配

5、結束語(yǔ)

本文從多種關(guān)鍵技術(shù)對HSDPA，WiMAX和LTE進(jìn)行了對比和分析。為了在移動(dòng)的環(huán)境下提供高速數據業(yè)務(wù)，三者都采用了一些關(guān)鍵技術(shù)，使用了多種調制方式，同時(shí)可以根據無(wú)線(xiàn)信道質(zhì)量的變化來(lái)調整調制方式。相比HSDPA的160AM，WiMAX和LTE最高可以支持64QAM，還支持OFDM。在網(wǎng)絡(luò )結構上，WiMAX的組網(wǎng)方式顯得更為靈活，每個(gè)ASN可以同時(shí)為屬于不同NSP的CSN服務(wù)。而HSDPA在具體的技術(shù)上定義的更加細致，例如在重選機制上使用HARQ來(lái)提高傳輸的效率，同時(shí)移動(dòng)性管理做的更好。LTE則采用了更為扁平化的網(wǎng)絡(luò )架構，在減少系統設備降低業(yè)務(wù)時(shí)延方面有很大的提高。在系統性能上，在5Mbit/s的帶寬情況下，HSDPA最高可達到15Mbit/s左右的速率，而WiMAX和LTE允許使用更大的帶寬，同時(shí)由于采用了OFDM技術(shù)，兩者的頻譜利用率更高。

在產(chǎn)品成熟度方面，HSDPA技術(shù)成熟度最高，已經(jīng)有超過(guò)100個(gè)商用網(wǎng)絡(luò )。WiMAX中802.16D的設備已經(jīng)可以實(shí)現商用，802.16E設備08年基本可以實(shí)現商用，截止到2006年6月，進(jìn)行WiMAX試驗和提供商用的運營(yíng)商全球已超過(guò)150個(gè)，進(jìn)入商用的網(wǎng)絡(luò )超過(guò)20個(gè)。而LTE距離商用還需要一段時(shí)間。目前WiMAX已經(jīng)被納入3G標準，同時(shí)高速無(wú)線(xiàn)接入方面有一定的優(yōu)勢，但HSDPA基于現有的3G網(wǎng)絡(luò )架構，在移動(dòng)性、用戶(hù)管理和網(wǎng)絡(luò )管理等考慮更加全面。綜上所述，HSDPA與WiMAX均采用了多種先進(jìn)技術(shù)，大幅度提高了移動(dòng)通信數據業(yè)務(wù)的接入速率，而LTE吸取了HSDPA和WiMAX的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)符合3GPP標準，是未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )發(fā)展的方向，所以應當積極跟蹤LTE標準的發(fā)展，為未來(lái)網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展打下良好基礎。