HSDPA技術(shù)及其應用

HSDPA是3GPP在R5協(xié)議中引入的一種能夠提高下行容量和數據業(yè)務(wù)速率的增強技術(shù)。本文介紹了HSDPA技術(shù)的基本原理、性能和應用情況，對HSDPA所采用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細分析。最后，對HSDPA的引入策略提出了一些建議。

HSDPA(高速下行分組接入，HighSpeedDownlinkPackages Access)技術(shù)，是3GPP在R5協(xié)議中引入的，它可以在不改變WCDMA系統網(wǎng)絡(luò )結構的基礎上，大大提高用戶(hù)下行數據業(yè)務(wù)速率(理論峰值可達14.4Mbit/s)，極大地改善了WCDMA不支持數據密集型應用的缺陷，是WCDMA網(wǎng)絡(luò )建設中提高下行容量和數據業(yè)務(wù)速率的一種重要技術(shù)。

1、WCDMA標準演進(jìn)

WCDMA標準在發(fā)展過(guò)程中形成了R99、R4、R5、R6、R7等版本，其中R99、R4、R5版本分別于2000年3月、2001年3月和2002年6月推出，R6版本預計2006年內推出，R7版本仍在討論中。R99版本比較成熟，核心網(wǎng)仍然沿用了GSMMAP標準，充分考慮了對現有GSM網(wǎng)絡(luò )的向下兼容和投資保護，目前的商業(yè)部署幾乎全部采用了R99版本。相比R99版本，R4版本的無(wú)線(xiàn)接入部分只改動(dòng)了一些接口協(xié)議的特征，相應功能得到增強，網(wǎng)絡(luò )結構沒(méi)有變化。R4版本核心網(wǎng)部分改動(dòng)比較大：由TDM的中心節點(diǎn)交換型結構演進(jìn)為典型的ATM分組語(yǔ)音分布式體系結構;網(wǎng)絡(luò )采用開(kāi)放式結構，業(yè)務(wù)邏輯和底層承載相分離;UTRAN與核心網(wǎng)語(yǔ)音承載方式均由分組方式實(shí)現;語(yǔ)音采用統計復用方式傳遞，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )帶寬動(dòng)態(tài)分配，避免TDM擴容時(shí)需反復調配2Mbit/s電路的繁瑣程序。R5版本是全IP的第一個(gè)版本，引入IP傳輸作為ATM外的第二種可選傳輸機制;并在無(wú)線(xiàn)部分引入了HSDPA的概念，使下行鏈路可以支持高達10Mbit/s(理論峰值14.4Mbit/s)的傳輸速率;另外，其核心網(wǎng)增加了IMS(IP多媒體子系統)。R6版本正在討論中，無(wú)線(xiàn)接入部分主要引入了HSUPA。R7版本將主要引入正交頻分復用(OFDM)和多入多出(MIMO)技術(shù)。

對高速移動(dòng)分組數據業(yè)務(wù)的支持能力是3G系統最重要的特點(diǎn)之一。WCDMAR99版本可以提供384kbit/s的數據速率，這個(gè)速率對于大部分現有的分組業(yè)務(wù)而言基本夠用。然而，對于許多對流量和時(shí)延要求較高的數據業(yè)務(wù)如視頻、流媒體和下載等，需要系統提供更高的傳輸速率和更短的時(shí)延。同時(shí)，cdma20001xEV-DO、WLAN和WiMAX等技術(shù)的快速發(fā)展，也對WCDMA R99構成威脅，使得WCDMA R99/R4版本面臨著(zhù)一旦商用，就會(huì )在技術(shù)上落伍的尷尬境地。為了更好地發(fā)展數據業(yè)務(wù)，3GPP從提高傳輸速率和縮短傳輸時(shí)延這兩方面對空中接口作了改進(jìn)，引入了HSDPA技術(shù)。HSDPA不但支持高速不對稱(chēng)數據服務(wù)，而且在大大增加網(wǎng)絡(luò )容量的同時(shí)還能使運營(yíng)商投入成本最小化。它為UMTS更高數據傳輸速率和更高容量提供了一條平穩的演進(jìn)途徑，類(lèi)似于在GSM網(wǎng)絡(luò )中引入EDGE。

2、HSDPA的基本原理

在R99的空中接口體系中，數據重傳方式是由RNC來(lái)負責完成的，數據重傳需要繞經(jīng)Iub接口，數據重傳的周期較長(cháng);NodeB僅僅起到一個(gè)根據RNC的指令完成物理層編碼、傳輸的功能，NodeB本身基本不具有對物理資源的控制和調度能力。而在HSDPA中，為了在空中接口上實(shí)現更大的吞吐能力，對NodeB的功能進(jìn)行了增強，在Node B的層面引入了物理層重傳和快速資源調度的概念。通過(guò)在更靠近空中接口的Node B上引入這些原本只有RNC才具有的功能，加快了重傳以及對空中資源調度的效率。同時(shí)，結合AMC(Adaptive Modulation and Coding，自適應調制編碼)、HARQ(Hybrid Automatic Repeat reQuest)等新技術(shù)，采用了更短的TTI(Transmit Time Interval)長(cháng)度(2ms)、固定擴頻因子的多碼道傳輸，從而在下行方向上實(shí)現了遠高于R99的高速的分組數據傳輸能力。

為了實(shí)現HSDPA的功能特性，在物理層規范中引入了三種新的物理信道。

(1)高速下行鏈路共享信道(HS-DSCH)：在下行鏈路上，傳輸用戶(hù)的業(yè)務(wù)數據。采用固定的擴頻因子SF=16，由于需要給公共信道、HS-SCCH及相關(guān)的DCH預留可用的信道碼，所以最大可用信道數為15。傳輸時(shí)間間隔定義為2ms(3個(gè)時(shí)隙)，遠小于R99中規定的10ms、20ms等長(cháng)度，從而大大縮短了數據重傳時(shí)終端和NodeB之間的往返時(shí)延。

(2)高速下行共享控制信道(HS-SCCH)：在下行鏈路上，傳送HSDPA的專(zhuān)用信令，如傳輸格式和系統資源指示等;采用固定的擴頻因子SF=128，每個(gè)終端最多可以同時(shí)監測4個(gè)HS-SCCH。

(3)高速專(zhuān)用物理控制信道(HS-DPCCH)：在上行鏈路上，發(fā)送反饋信道信息(如信道質(zhì)量指示CQI)和傳輸塊發(fā)送確認信息(承載HARQ進(jìn)程需要的ACK/NACK信息)。用戶(hù)終端通過(guò)測量CPICH得到CQI信息，CQI的上報周期和映射可由網(wǎng)絡(luò )定義。

NodeB通過(guò)用戶(hù)從上行專(zhuān)用控制信道HS-DPCCH中反饋的信息得到用戶(hù)的下行信道情況，然后NodeB根據所收集的所有用戶(hù)的信道情況，通過(guò)一定的調度策略，為當前用戶(hù)分配HSDPA的下行數據傳輸的物理資源(HS-DSCH、HS-SCCH)，同時(shí)選擇相應的最合適的AMC方案，以此來(lái)實(shí)現系統吞吐量最大化、用戶(hù)吞吐量最大化、用戶(hù)QoS保證等資源調度目標。

3、HSDPA的關(guān)鍵技術(shù)

HSDPA技術(shù)的思路和目標是提高網(wǎng)絡(luò )的傳輸效率和頻譜效率，以滿(mǎn)足3G中對高速數據傳輸的業(yè)務(wù)需求。目前，常用的提高頻譜效率的手段主要是根據信道條件的變化對網(wǎng)絡(luò )參數和調制算法進(jìn)行自適應的調整。

HSDPA的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下方面。

3.1自適應調制編碼(AMC)

AMC技術(shù)的基本原理是根據信道的情況來(lái)確定合適的調制編碼方式，以最大限度的發(fā)送數據信息，實(shí)現高的傳輸速率。同時(shí)，根據用戶(hù)信道質(zhì)量的反饋，動(dòng)態(tài)地調整調制編碼方案，從而獲得較高的傳輸速率和頻譜利用率。除了WCDMAR99中的QPSK調制以外，HSDPA還引入了16QAM調制。與QPSK相比，16QAM的峰值速率是QPSK的兩倍。

基于A(yíng)MC技術(shù)，當用戶(hù)處于有利的通信環(huán)境時(shí)(如終端靠近基站或者終端和基站之間存在良好的視距鏈路時(shí))，可以采用高階調制和高速率的信道編碼方式，如：采用16QAM和3/4編碼速率，從而得到較高的數據速率;當用戶(hù)處于不利的信道環(huán)境時(shí)(如終端位于小區邊緣或者無(wú)線(xiàn)信道衰落較深時(shí))，可以選擇低階調制方式和低速率的信道編碼方案，如：采用QPSK和1/4編碼速率，降低數據速率，以保證通信質(zhì)量。

3.2快速混合自動(dòng)重傳(FastHARQ)

重傳技術(shù)是為了在復雜多變的無(wú)線(xiàn)環(huán)境中提高數據的正確接收率而提出的。HARQ是指接收方先對接收到的數據包進(jìn)行自我檢錯糾錯，如果錯誤可以進(jìn)行自我糾正，就正確接收;否則保存本次接收的數據包，并請求發(fā)送方重傳。接收方將重傳的數據包和先前接收到的數據包在解碼前進(jìn)行合并，充分利用它們攜帶的相關(guān)信息，以提高正確譯碼的概率。

HARQ是將ARQ和FEC相結合的一種差錯控制方案。ARQ具有高可靠性、低復雜度的特點(diǎn)，但它的效率低、時(shí)延大;FEC則有效性較高，但可靠性比ARQ低，而且復雜度也較高;將二者結合起來(lái)，優(yōu)勢互補，就產(chǎn)生了混合型ARQ，即HARQ技術(shù)。HARQ的類(lèi)型主要包括以下兩種：軟合并(SoftCombining)和增量冗余(IncrementalRedundancy)。

HARQ遵循“SAW(StopAndWait)”策略，發(fā)送完一個(gè)數據包后，只有收到“確認(ACK)”信息后才能繼續發(fā)送數據;如果返回NACK信息，則要根據HARQ類(lèi)型選擇重發(fā)數據。這種機制簡(jiǎn)單可靠，但是信道利用率較低。通常，HSDPA采用Nchannel-SAW協(xié)議：N個(gè)用戶(hù)可以并行發(fā)送數據，當一個(gè)用戶(hù)等待ACK信息時(shí)，其他用戶(hù)可以利用信道間隙發(fā)送數據，從而提高了信道利用率。

3.3基站包調度(NodeBScheduling)

調度是對系統有限共享資源進(jìn)行合理分配，使資源利用率達到滿(mǎn)足合理前提的最大化。調度算法控制著(zhù)共享資源的分配，在很大程度上決定著(zhù)整個(gè)系統的行為。系統根據所有用戶(hù)的情況，采用一定的調度策略決定哪個(gè)用戶(hù)可以使用信道，以及以何種速度使用信道?；景{度為信道條件好的用戶(hù)分配高的數據速率，從系統的角度來(lái)講，提供了多用戶(hù)分集增益，增加了系統吞吐量。

不同的調度算法對系統性能影響很大，常用的調度算法主要包括：資源公平(FairResource，FR)算法、最大C/I算法(M-C/I)、正比公平(ProportionalFairResource，P-FR)算法等。

圖1為某廠(chǎng)商提供的仿真結果，從圖上可以看到，采用不同的調度算法，小區中用戶(hù)的平均吞吐量的差別較大。在考慮系統吞吐量最大化的同時(shí)，也需要兼顧公平性原則。

圖1 采用不同調度算法下的小區吞吐量比較

3.42ms短幀

HSDPA中引入了2msTTI，相比10msTTI，大大減少了空中接口的傳輸時(shí)延，并且UE和NodeB相應的處理時(shí)延也大大降低，可以更好地配合HARQ和基站快速調度的實(shí)施，提高系統的吞吐量。另外，采用2msTTI帶來(lái)的快速反應可以顯著(zhù)提高響應速度，從而大大提高用戶(hù)終端的服務(wù)質(zhì)量，使系統提供類(lèi)似于實(shí)時(shí)視頻、流媒體等多媒體服務(wù)成為可能。

4、HSDPA的性能

圖2給出了宏蜂窩和微蜂窩兩種環(huán)境下HSDPA和R99的性能比較。從圖中可以看出，在宏蜂窩(Macrocell)環(huán)境下，相比R99，HSDPA可以把小區吞吐量提高100%;在微蜂窩(MicroCell)下，由于信道條件相對較好，HSDPA可以采用高速率的數據調制和編碼方案，極大地提高用戶(hù)的下行數據速率，從而使HSDPA帶來(lái)的小區吞吐量增益超過(guò)200%。另外，從圖2中，我們可以看到在不同的調度算法下，小區吞吐量的差別：資源公平算法(FairResource)下各個(gè)用戶(hù)得到相等的資源分配，小區吞吐量依賴(lài)于用戶(hù)所處的實(shí)際環(huán)境，系統資源利用率不高，總的系統吞吐量相對較小;而正比公平(Proportional Fair Resource)算法基于用戶(hù)優(yōu)先權進(jìn)行資源分配，選擇相對信道條件較好的用戶(hù)進(jìn)行優(yōu)先調度和資源分配，系統總的吞吐量有較大提升。

圖2 HSDPA和R99的性能比較

另外，對同一類(lèi)HSDPA終端，在不同的移動(dòng)速度、不同的多徑信道中，數據吞吐量也有所不同。如圖3顯示了終端類(lèi)別6UE在VehA120、VehA50、Veh A3、Ped A50、Ped A3和LOS 6種不同的無(wú)線(xiàn)環(huán)境中，HSDPA用戶(hù)數據吞吐量的比較。在無(wú)線(xiàn)環(huán)境較好的情況下，如視距(LOS)情況下，由于多徑干擾較少，終端可以采用高階調制和高速率的信道編碼方式，如：采用16QAM和3/4編碼速率，從而得到較高的數據速率。在同一種移動(dòng)環(huán)境下，用戶(hù)在小區中移動(dòng)過(guò)程中，當用戶(hù)距離基站較近時(shí)，對應的載干比C/I較高，對應的信道條件也越好，同樣，終端也會(huì )采用高階調制和高速率的信道編碼方式，從而得到較高的數據速率。

圖3 不同無(wú)線(xiàn)環(huán)境下HSDPA用戶(hù)終端的數據吞吐量比較

5、HSDPA的應用

目前，HSDPA標準已經(jīng)穩定，技術(shù)也日益成熟，產(chǎn)品性能通過(guò)測試得到驗證，終端產(chǎn)品在市場(chǎng)上也已陸續推出。隨著(zhù)HSDPA技術(shù)不斷發(fā)展和設備不斷成熟，其良好的應用前景和平滑的演進(jìn)能力正在引起業(yè)界越來(lái)越多的關(guān)注，HSDPA幾乎得到了所有WCDMA設備廠(chǎng)商的支持，在世界范圍內，各主要運營(yíng)商也已開(kāi)始計劃部署或已經(jīng)部署HSDPA。

5.1問(wèn)題分析

引入HSDPA組網(wǎng)時(shí)，需要考慮兩個(gè)問(wèn)題：

第一，采用連續覆蓋還是熱點(diǎn)覆蓋?

連續覆蓋可以提高用戶(hù)的滿(mǎn)意度，但成本較高，另外考慮初期用戶(hù)可能是采用筆記本電腦用HSDPA高速接入的方式會(huì )比較多，對移動(dòng)性要求不高，所以網(wǎng)絡(luò )部署初期可以是熱點(diǎn)覆蓋。隨著(zhù)高速數據用戶(hù)的增加以及引入HSDPA的智能終端的普及，可以發(fā)展連續覆蓋。

第二，單獨使用載波還是與R99共享載波?

單獨使用載波：優(yōu)點(diǎn)是HSDPA和R99可同時(shí)獲得最高的容量;缺點(diǎn)是相比共享載波方式，網(wǎng)絡(luò )部署成本較高。共享載波：優(yōu)點(diǎn)是可以以低成本進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )部署，無(wú)需增加新的頻率和系統硬件，相比R99有更好的性能表現，更高的系統吞吐量;缺點(diǎn)是相比單獨載波方式，頻率利用率較低。

當HSDPA和R99共享同一個(gè)載頻時(shí)，為實(shí)現HSDPA的最大傳輸速率，需消耗近乎所有的信道碼資源。為支持同一載波下HSDPA+R99方式的正常運營(yíng)，必須為R99的業(yè)務(wù)預留一些信道碼資源，這意味著(zhù)HSDPA可獲得的碼資源減少，導致HSDPA的吞吐量和容量在碼資源上受限。還需注意的是HSDPA對下行功率使用的突發(fā)特性會(huì )對R99業(yè)務(wù)造成影響，在功率資源的分配上也應給R99業(yè)務(wù)保留適當的余量以減輕這種影響，但這又會(huì )影響HSDPA吞吐量?？傊?，需要在二者間進(jìn)行功率資源和碼資源的權衡。

5.2引入策略

在建網(wǎng)初期，在頻率資源緊張且HSDPA用戶(hù)及業(yè)務(wù)量不高時(shí)，可以考慮HSDPA與R99共享載波組網(wǎng)，這樣既可以滿(mǎn)足高端用戶(hù)對高速業(yè)務(wù)的需求，又可以節約寶貴的頻率資源。初期采用HSDPA與R99共享載波，可以有效地保護了運營(yíng)商的投資成本，使運營(yíng)商投入成本最小化，還大大增加了運營(yíng)商的業(yè)務(wù)范圍，為提高ARPU值創(chuàng )造了可能。在基站近點(diǎn)處，用戶(hù)使用HSDPA提高用戶(hù)數據流量;當用戶(hù)移動(dòng)到該基站覆蓋的遠點(diǎn)處，HSDPA用戶(hù)轉換為DCHPS業(yè)務(wù);當用戶(hù)移到另一個(gè)基站的HSDPA覆蓋區時(shí)，可以將DCHPS業(yè)務(wù)切換到HS-DSCH信道，重新轉化為HSDPA業(yè)務(wù)，實(shí)現HS-DSCH與DCH的雙向切換。

當HSDPA用戶(hù)及業(yè)務(wù)量增高后，下行負載升高，下行干擾也相應升高。當升高的水平達到R99的設計負載門(mén)限時(shí)，就應考慮部署新載頻，如果HSDPA用戶(hù)及業(yè)務(wù)量較高，就應考慮把原先共享同一個(gè)載頻的部署方式改為單獨載頻方式，即HSDPA、R99分別使用其專(zhuān)用載頻，這樣即避免了載頻共享時(shí)對R99業(yè)務(wù)的影響，又能滿(mǎn)足HSDPA的高業(yè)務(wù)量要求。

在HSDPA引入初期，密集市區、商務(wù)區和部分數據熱點(diǎn)區域是需要重點(diǎn)考慮的地區，這些區域的數據業(yè)務(wù)量比較大，可以充分發(fā)揮HSDPA承載數據業(yè)務(wù)的高效優(yōu)勢。對于普通市區、郊區和農村，HSDPA的需求基本上可以認為沒(méi)有或者很少，暫時(shí)可以不引入HSDPA，而是采用R99/R4無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )覆蓋，或者根據需要，只在局部熱點(diǎn)區域引入HSDPA?？傊?，HSDPA的引入可以根據數據業(yè)務(wù)的發(fā)展需求，分階段逐步擴展實(shí)施。

5.3HSDPA的商用狀況

目前，在世界范圍內，多家大型移動(dòng)通信運營(yíng)商已將HSDPA納入日程，紛紛表示將大力支持設備和終端廠(chǎng)商對HSDPA的研發(fā)，并積極組織外場(chǎng)測試，組建實(shí)驗網(wǎng)驗證HSDPA的性能。部分運營(yíng)商首先在幾個(gè)重要城市進(jìn)行試商用，成功后再大范圍推廣。

在美國，第一大無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商VerizonWireless的cdma20001xEV-DO網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)覆蓋了32個(gè)區域市場(chǎng)，人口覆蓋率超過(guò)30%，計劃到2006年初使其cdma20001x EV-DO網(wǎng)絡(luò )的人口覆蓋率超過(guò)40%。為了應對競爭，美國第二大移動(dòng)運營(yíng)商Cingular正在計劃成為美國的首家HSDPA服務(wù)運營(yíng)商，推出時(shí)間定在2006年。

在日本，NTTDoCoMo是日本最大的移動(dòng)通信運營(yíng)商，擁有PHS、PDC(2G)、FOMA(基于WCDMA)移動(dòng)通信業(yè)務(wù)。但與其競爭對手網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商KDDI相比，NTTDoCoMo在3G用戶(hù)數及其增長(cháng)速度兩方面都不具備明顯優(yōu)勢。于是NTTDoCoMo宣布上馬HSDPA，以對抗KDDI的以cdma2000 1x EV-DO為基礎的無(wú)線(xiàn)高速數據業(yè)務(wù)。

在中國，3G牌照遲遲沒(méi)有發(fā)放，業(yè)界普遍預測牌照發(fā)放時(shí)間為2006年，屆時(shí)，HSDPA的系統設備和終端將達到全部商用能力。因此，國內多家運營(yíng)商都對HSDPA技術(shù)表示出極大的關(guān)注，計劃在WCDMA網(wǎng)絡(luò )建設初期就引入HSDPA。

6、小結

通過(guò)以上對HSDPA技術(shù)的綜合分析，我們可以看到：HSDPA通過(guò)采用一系列新的技術(shù)大大提高了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的效率和數據傳輸的速率，顯著(zhù)降低了數據傳輸時(shí)延和每比特傳輸成本，提供了更高的網(wǎng)絡(luò )可用性。HSDPA基于R99/R4的網(wǎng)絡(luò )架構，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )的平滑過(guò)渡，通過(guò)軟件升級實(shí)現HSDPA，從而提高了RAN的硬件利用率，極大降低了運營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò )建設成本。對用戶(hù)而言，HSDPA帶來(lái)了下行高速的數據傳送、更短的服務(wù)反應時(shí)間和更加可靠的服務(wù)，大大提高了客戶(hù)體驗。

HSDPA可以提供更大的移動(dòng)帶寬、更好的數據服務(wù)，但其要想真正投入大規模商用，并獲得成功，還需要實(shí)際應用來(lái)檢驗。從全世界來(lái)看，已經(jīng)商用的3G系統，面臨的首要問(wèn)題不是網(wǎng)絡(luò )的帶寬不夠，而是網(wǎng)絡(luò )中數據業(yè)務(wù)的流量不足。如何擴大數據業(yè)務(wù)的市場(chǎng)規模，找到可以盈利的3G運營(yíng)模式，才是問(wèn)題的關(guān)鍵。只有當巨大的數據業(yè)務(wù)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)出來(lái)，HSDPA技術(shù)本身的承載能力才能得到充分的發(fā)揮。