WCDMA-HSDPA技術(shù)研究及改進(jìn)方案

HSDPA（高速下行分組接入）作為WCDMA標準的一個(gè)重要演進(jìn)方式已引起相關(guān)技術(shù)人員的高度關(guān)注。2.5代的GPRS（通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)）可以給用戶(hù)提供的標稱(chēng)最高速率達171.2kbit/s，但實(shí)際可供用戶(hù)使用的上、下行速率分別為10～20kbit/s和30～40kbit/s，很難滿(mǎn)足移動(dòng)因特網(wǎng)的需求。EDGE（用于GSM演進(jìn)的數據速率增強型）標準給出的用戶(hù)標稱(chēng)最高速率達473.6kbit/s，實(shí)際可達到的下行速率據估計為50～60kbit/s，可基本滿(mǎn)足移動(dòng)因特網(wǎng)的需求，可達到的上行速率估計和GPRS類(lèi)似，它主要受到手機發(fā)功率的限制，而且從因特網(wǎng)的應用特點(diǎn)考慮，也沒(méi)有必要提供過(guò)高的上行速率。3G標準聲稱(chēng)在車(chē)載、步行和靜止環(huán)境分別能達到144kbit/s、384bit/s和2Mbit/s的用戶(hù)速率，甚至未區分上下行信道。根據FDD-WCDMA標準原設計SF的變化范圍和上下行發(fā)信機結構，用戶(hù)上下行速率均可達1Mbit/s，理論上已完全可以滿(mǎn)足用戶(hù)需求。然而由于WCDMA標準的技術(shù)設計缺陷，這些理論設計指標在實(shí)際應用中根本無(wú)法實(shí)現，差距極大。多用戶(hù)情況下，基站實(shí)際的下行容

本文提出的CDMA/TDMA方案，將利用一個(gè)載頻同時(shí)給多個(gè)用戶(hù)提供語(yǔ)音和高速數據業(yè)務(wù)，可以達到HSDPA的設計目標。

2、HSDPA簡(jiǎn)介

HSDPA采用和WCDMA Release 99中語(yǔ)音或低速數據信號共享載波的方式引入HS-DSCH信道在下行鏈路方向承載用戶(hù)數據，傳輸時(shí)間間隔（TTI）為2ms，擴頻因子固定為16，因此在使用小區獨立擾碼時(shí)，最大可用地址碼數為15，此時(shí)各碼道的數據速率相等。數據調制方法為QPSK或16QAM，信道編碼為1/3碼率的Turbo編碼，并通過(guò)各種編碼率匹配參數得到不同的有效碼率Rco Rc的變化范圍較大，其最大值為0.751，此時(shí)的糾錯能力將急劇下降，編碼功率增益也會(huì )下降，要求的發(fā)信功率增加，導致系統自干擾上升。HS-DSCH的基本參數見(jiàn)表1。

表1　HS-DSCH信道主要參數

表1中的Rb為基站HSDPA下行信道能給出的總速率，表1中第一行給出的Rb為68.5～230.5kbit/s，假定系統中有5個(gè)HSDPA用戶(hù)時(shí)，平均每用戶(hù)的速率為13.7～46.1kbit/s，這個(gè)速率完全應該由WCDMA的普通CDMA信道承擔，是沒(méi)有太大實(shí)用意義的。當信道質(zhì)量理想且15個(gè)碼道捆綁時(shí)HSDPA信道可達到的最高總速率約為10Mbit/s，見(jiàn)表1中最后一行。HS-DSCH信道在一個(gè)TTI內，可以由多個(gè)用戶(hù)進(jìn)行碼分多址（CDM），在不同的TTI也可以分配不同的用戶(hù)進(jìn)行時(shí)分多址（TDM），因此，HSDPA在下行鏈路中將使用碼分多址和時(shí)分多址相結合的方式。HSDPA容量的大幅提升計劃通過(guò)碼道捆綁、高頻譜效率的調制方式和較高的糾錯編碼率來(lái)實(shí)現的，后面將證明HSDPA使用的這些設計方法是達不到其宣稱(chēng)的Rb標稱(chēng)值的。

CDMA系統中曾使用過(guò)多種用戶(hù)速率調整方案。在IS-95系統中，考慮到上、下行信道的不對稱(chēng)性，上行采用截短發(fā)信時(shí)間的方法調整用戶(hù)數據速率，下行則采用重復發(fā)送的方法，這兩種方法都能保持擴頻系數（SF）不變，以避免收端出現強信號淹沒(méi)弱信號的不利現象。也曾使用碼道捆綁的方法提高用戶(hù)速率，但此種方法極不合理，因為在一個(gè)用戶(hù)的收信CDMA子信道間也會(huì )產(chǎn)生CDMA自干擾，導致系統容量下降。在3G中，引入可變SF（VSF）的方法調整碼速，此方法雖可避免用戶(hù)子信道間的自干擾，但可能會(huì )產(chǎn)生SF值較大信號的淹沒(méi)現象。所以在CDMA方式中很難找到一種合理的用戶(hù)數據速率調整方案。下面還將證明CDMA系統下行信道容量很小，無(wú)法滿(mǎn)足移動(dòng)因特網(wǎng)的需求。

3、CDMA多速率系統中Pr與Rb的關(guān)系和下行容量

可證明在碼分多址條件下，當數據用戶(hù)數較多，例如M=8時(shí)，當數據信道和語(yǔ)音信道的速率比K=Rbd/Rbv≤6的情況下，BER一定時(shí)，用戶(hù)數據速率比與語(yǔ)音收信功率比K≈Kˊ，這表明數據用戶(hù)的收功率比值正比于它們的數據速率比，或反比于它們的擴頻系數比，用戶(hù)數據速率上升時(shí)占用的容量上升，要求的發(fā)功率增大。但當數據用戶(hù)與語(yǔ)音用戶(hù)的速率比K=48且只有一個(gè)數據用戶(hù)時(shí)，K/Kˊ=1.86。此時(shí)的數據速率相當于48個(gè)語(yǔ)音用戶(hù)數據速率的捆綁，所需的發(fā)功率才相當于25.8個(gè)語(yǔ)音用戶(hù)，約可節省一半的發(fā)功率，同時(shí)使自干擾大幅下降，系統容量上升?，F在由于兩路信道的收信功率要求值差別很大，極可能產(chǎn)生弱信號的淹沒(méi)現象。

上述結論可用于VSF CDMA系統。改變SF時(shí)，Rb改變，所以當兩個(gè)碼道的SF比小于6時(shí)，低SF碼道所占的容量正比于多個(gè)碼道的捆綁。然而在CDMA/TDMA系統中，TDMA碼道的數據速率極高，可以大幅度提高功率利用率，提升系統容量。

通過(guò)我們的推導和計算，基站單載波下行最大用戶(hù)數Nmax列于表2。

表2　小區下行最大用戶(hù)數

表2為WCDMA和cdma2000標準的小區下行語(yǔ)音最大用戶(hù)數Nmax。由于cdma2000傳語(yǔ)音時(shí)的配置和IS-95相同，為便于與實(shí)用系統比較，在表2中只列出IS-95的計算結果。表2中Nmax一欄同時(shí)給出相鄰小區干擾因子n分別取0.04/0.6/1.778時(shí)的Nmax值。此處求得的Nmax是不能作為小區的實(shí)際用戶(hù)數考慮的，一般而言，只能取它的60%作為可用值。參考文獻中給出的cdma2000 1x小區的實(shí)際用戶(hù)數為13。小區的最大用戶(hù)數Nmax，即容量由CDMA系統的自干擾決定，此時(shí)即使增大基站發(fā)信總功率，亦無(wú)法增大小區容量。表2中還給出經(jīng)碼道捆綁后小區的最大無(wú)線(xiàn)接入Rbmax，可用于估算小區可能達到的最大數據速率。由于3G系統是一個(gè)公共多用戶(hù)系統，所以該Rbmax是不可能只提供給1或2個(gè)用戶(hù)使用的。

在下行鏈路中也可以采用改變SF的方法改變用戶(hù)無(wú)線(xiàn)接入速率，改變SF等效于Rb的改變。根據前面導出的Pr與Rb的關(guān)系，說(shuō)明改變SF等效于碼道的捆綁，也無(wú)法提升系統容量，還可能招致收信端強信號淹沒(méi)弱信號的問(wèn)題。因此CDMA的3G主流標準幾乎不可能提供它所聲稱(chēng)的步行環(huán)境384kbit/s，靜止環(huán)境2Mbit/s的用戶(hù)無(wú)線(xiàn)接入速率。

4、HSDPA技術(shù)缺陷研究

從第2節可知，HSDPA采用將碼道捆綁后再使用TDMA這兩種方法和改變調制方式來(lái)增加Rb。首先使用碼道捆綁的方法將導致用戶(hù)收信號子信道間的自干擾，很不合理。其次HSDPA多個(gè)捆綁碼道的數據速率相等，根據前面導得的系統容量和信道功率比關(guān)系式可以推定利用碼道捆綁的TDMA方式不可能大幅增加系統容量。HSDPA方式選用的SF=16，是語(yǔ)音信號的1/8，可能導致語(yǔ)音信號被淹沒(méi)，或收信質(zhì)量下降。

在表1最后一行的情況下，小區內至少使用兩個(gè)擾碼分別作為HS-DSCH和語(yǔ)音信道的信道地址碼，此時(shí)小區內會(huì )引入異步地址碼干擾，和使用一個(gè)擾碼的同步地址碼小區容量相比，使用2個(gè)擾碼的小區容量將下降。小區內使用多個(gè)擾碼時(shí)，可用地址碼數可以成倍上升，但是會(huì )導致小區容量下降。所以WCDMA在一個(gè)小區中可安排16個(gè)擾碼作為信道地址碼的做法也是不合理的。此時(shí)HS-DSCH的碼道數為15，單碼道的速率Rbˊ=10877/15=725kbit/s，取m=O.76，經(jīng)過(guò)糾錯編碼取d=5dB（此時(shí)并未考慮調制方式對門(mén)限值的影響），利用小區下行容量公式計算Nmax時(shí)，得到的Nmax≈1.8，即不可能使用15個(gè)碼道，而且此時(shí)已占用該載波的全部容量，因此必須使用一個(gè)獨立載波。當語(yǔ)音用戶(hù)同時(shí)存在時(shí)，假設基站分配30%的功率用于語(yǔ)音業(yè)務(wù)，那么此時(shí)基站僅能夠支持一條速率為725kbit/s的碼道，由于HS-DSCH碼道的數據速率較高，還可能淹沒(méi)語(yǔ)音信道的信號。

另一方面在CDMA系統中一般也不易使用高頻譜效率的16QAM調制方式，因為這些調制方式的功率利用率較低，將會(huì )使要求的門(mén)限值d上升，使自干擾上升，系統容量下降。因此，在HSDPA系統中想通過(guò)改變調制方式提高Rb，其作用不大。

從上面的分析可以看出HSDPA缺少技術(shù)理論基礎，利用現有的CDMA基本原理無(wú)法實(shí)現HSDPA應該給多個(gè)用戶(hù)同時(shí)提供高速數據、語(yǔ)音或低速數據的應用要求。

5、用干擾抵消器和碼分多址／時(shí)分多址實(shí)現多速率兼容的方法

此處提出一種可行的CDMA/TDMA方案。這種方法的基本特點(diǎn)是從WCDMA分配給一個(gè)小區的16個(gè)擾碼中選用兩個(gè)擾碼分別用于CDMA或TDMA方式的信道地址碼，也就是說(shuō)一個(gè)小區內只使用一個(gè)頻點(diǎn)，TDMA的高速數據用戶(hù)信道和CDMA的語(yǔ)音或低速數據用戶(hù)信道各使用一個(gè)短PN序列地址碼。顯然TDMA信道的信號將嚴重干擾語(yǔ)音或低速數據用戶(hù)的接收，因此它們的接收機中必須使用最易實(shí)現的干擾抵消器，只用于消除一條TDMA高速數據信道產(chǎn)生的自干擾即可；為了提高高速數據用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量，對于高速數據用戶(hù)也可使用干擾抵消器，用于消除采用另一短PN序列地址碼的語(yǔ)音用戶(hù)信道的集總干擾。當考慮相鄰小區干擾時(shí)，干擾抵消器的復雜度將略有上升。但是和多用戶(hù)接收機相比，干擾抵消器的實(shí)現難度不大。由于上行鏈路的容量要求較低可繼續采用WCDMA技術(shù)。此時(shí)由于TDMA碼道和語(yǔ)音碼道的速率比極大，可以大幅度減少TDMA碼道的發(fā)信功率，減少系統自干擾，提升發(fā)功率效率。而且所需的關(guān)鍵技術(shù)與現有的B3G技術(shù)相比，極為簡(jiǎn)單。

這種方法的基站發(fā)信端電路結構見(jiàn)圖1。

圖1　基站端發(fā)信框圖

圖1上部給出語(yǔ)音或低速數據用戶(hù)在WCDMA系統中的數據

假定SD選用的糾錯編碼和調制方法與語(yǔ)音數據類(lèi)似，在要求的誤比特率（BER）相同時(shí)，移動(dòng)臺所需的收信門(mén)限信噪比d相等。取高速數據信道SD輸出的碼元速率為3.84Mbit/s，糾錯編碼率Rc=1/2.5，暫不考慮DCCH和DPCCH的速率要求時(shí)假定有M=16個(gè)高速數據用戶(hù)時(shí)，則每一用戶(hù)的數據速率可達3840/（2.5