HSDPA技術及其應用

HSDPA是3GPP在R5協(xié)議中引入的一種能夠提高下行容量和數(shù)據(jù)業(yè)務速率的增強技術。本文介紹了HSDPA技術的基本原理、性能和應用情況，對HSDPA所采用的關鍵技術進行了詳細分析。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，是3GPP在R5協(xié)議中引入的，它可以在不改變WCDMA系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構的基礎上，大大提高用戶下行數(shù)據(jù)業(yè)務速率(理論峰值可達14.4Mbit/s)，極大地改善了WCDMA不支持數(shù)據(jù)密集型應用的缺陷，是WCDMA網(wǎng)絡建設中提高下行容量和數(shù)據(jù)業(yè)務速率的一種重要技術。

1、WCDMA標準演進

WCDMA標準在發(fā)展過程中形成了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(nèi)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(xiàn)有GSM網(wǎng)絡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版本的無線接入部分只改動了一些接口協(xié)議的特征，相應功能得到增強，網(wǎng)絡結(jié)構沒有變化。R4版本核心網(wǎng)部分改動比較大：由TDM的中心節(jié)點交換型結(jié)構演進為典型的ATM分組語音分布式體系結(jié)構;網(wǎng)絡采用開放式結(jié)構，業(yè)務邏輯和底層承載相分離;UTRAN與核心網(wǎng)語音承載方式均由分組方式實現(xiàn);語音采用統(tǒng)計復用方式傳遞，實現(xiàn)網(wǎng)絡帶寬動態(tài)分配，避免TDM擴容時需反復調(diào)配2Mbit/s電路的繁瑣程序。R5版本是全IP的第一個版本，引入IP傳輸作為ATM外的第二種可選傳輸機制;并在無線部分引入了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(tǒng))。R6版本正在討論中，無線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。

對高速移動分組數(shù)據(jù)業(yè)務的支持能力是3G系統(tǒng)最重要的特點之一。WCDMAR99版本可以提供384kbit/s的數(shù)據(jù)速率，這個速率對于大部分現(xiàn)有的分組業(yè)務而言基本夠用。然而，對于許多對流量和時延要求較高的數(shù)據(jù)業(yè)務如視頻、流媒體和下載等，需要系統(tǒng)提供更高的傳輸速率和更短的時延。同時，cdma20001xEV-DO、WLAN和WiMAX等技術的快速發(fā)展，也對WCDMA R99構成威脅，使得WCDMA R99/R4版本面臨著一旦商用，就會在技術上落伍的尷尬境地。為了更好地發(fā)展數(shù)據(jù)業(yè)務，3GPP從提高傳輸速率和縮短傳輸時延這兩方面對空中接口作了改進，引入了HSDPA技術。HSDPA不但支持高速不對稱數(shù)據(jù)服務，而且在大大增加網(wǎng)絡容量的同時還能使運營商投入成本最小化。它為UMTS更高數(shù)據(jù)傳輸速率和更高容量提供了一條平穩(wěn)的演進途徑，類似于在GSM網(wǎng)絡中引入EDGE。

2、HSDPA的基本原理

在R99的空中接口體系中，數(shù)據(jù)重傳方式是由RNC來負責完成的，數(shù)據(jù)重傳需要繞經(jīng)Iub接口，數(shù)據(jù)重傳的周期較長;NodeB僅僅起到一個根據(jù)RNC的指令完成物理層編碼、傳輸?shù)墓δ?，NodeB本身基本不具有對物理資源的控制和調(diào)度能力。而在HSDPA中，為了在空中接口上實現(xiàn)更大的吞吐能力，對NodeB的功能進行了增強，在Node B的層面引入了物理層重傳和快速資源調(diào)度的概念。通過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(diào)度的效率。同時，結(jié)合AMC(Adaptive Modulation and Coding，自適應調(diào)制編碼)、HARQ(Hybrid Automatic Repeat reQuest)等新技術，采用了更短的TTI(Transmit Time Interval)長度(2ms)、固定擴頻因子的多碼道傳輸，從而在下行方向上實現(xiàn)了遠高于R99的高速的分組數(shù)據(jù)傳輸能力。

為了實現(xiàn)HSDPA的功能特性，在物理層規(guī)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，傳輸用戶的業(yè)務數(shù)據(jù)。采用固定的擴頻因子SF=16，由于需要給公共信道、HS-SCCH及相關的DCH預留可用的信道碼，所以最大可用信道數(shù)為15。傳輸時間間隔定義為2ms(3個時隙)，遠小于R99中規(guī)定的10ms、20ms等長度，從而大大縮短了數(shù)據(jù)重傳時終端和NodeB之間的往返時延。

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

(3)高速專用物理控制信道(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進程需要的ACK/NACK信息)。用戶終端通過測量CPICH得到CQI信息，CQI的上報周期和映射可由網(wǎng)絡定義。

NodeB通過用戶從上行專用控制信道HS-DPCCH中反饋的信息得到用戶的下行信道情況，然后NodeB根據(jù)所收集的所有用戶的信道情況，通過一定的調(diào)度策略，為當前用戶分配HSDPA的下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢碣Y源(HS-DSCH、HS-SCCH)，同時選擇相應的最合適的AMC方案，以此來實現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量最大化、用戶吞吐量最大化、用戶QoS保證等資源調(diào)度目標。

3、HSDPA的關鍵技術

HSDPA技術的思路和目標是提高網(wǎng)絡的傳輸效率和頻譜效率，以滿足3G中對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉I(yè)務需求。目前，常用的提高頻譜效率的手段主要是根據(jù)信道條件的變化對網(wǎng)絡參數(shù)和調(diào)制算法進行自適應的調(diào)整。

HSDPA的關鍵技術主要包括以下方面。

3.1自適應調(diào)制編碼(AMC)

AMC技術的基本原理是根據(jù)信道的情況來確定合適的調(diào)制編碼方式，以最大限度的發(fā)送數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)高的傳輸速率。同時，根據(jù)用戶信道質(zhì)量的反饋，動態(tài)地調(diào)整調(diào)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(diào)制以外，HSDPA還引入了16QAM調(diào)制。與QPSK相比，16QAM的峰值速率是QPSK的兩倍。

基于AMC技術，當用戶處于有利的通信環(huán)境時(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)，可以采用高階調(diào)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(shù)據(jù)速率;當用戶處于不利的信道環(huán)境時(如終端位于小區(qū)邊緣或者無線信道衰落較深時)，可以選擇低階調(diào)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(shù)據(jù)速率，以保證通信質(zhì)量。

3.2快速混合自動重傳(FastHARQ)

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

HARQ是將ARQ和FEC相結(jié)合的一種差錯控制方案。ARQ具有高可靠性、低復雜度的特點，但它的效率低、時延大;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(jié)合起來，優(yōu)勢互補，就產(chǎn)生了混合型ARQ，即HARQ技術。HARQ的類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)送完一個數(shù)據(jù)包后，只有收到“確認(ACK)”信息后才能繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù);如果返回NACK信息，則要根據(jù)HARQ類型選擇重發(fā)數(shù)據(jù)。這種機制簡單可靠，但是信道利用率較低。通常，HSDPA采用Nchannel-SAW協(xié)議：N個用戶可以并行發(fā)送數(shù)據(jù)，當一個用戶等待ACK信息時，其他用戶可以利用信道間隙發(fā)送數(shù)據(jù)，從而提高了信道利用率。

3.3基站包調(diào)度(NodeBScheduling)

調(diào)度是對系統(tǒng)有限共享資源進行合理分配，使資源利用率達到滿足合理前提的最大化。調(diào)度算法控制著共享資源的分配，在很大程度上決定著整個系統(tǒng)的行為。系統(tǒng)根據(jù)所有用戶的情況，采用一定的調(diào)度策略決定哪個用戶可以使用信道，以及以何種速度使用信道?；景{(diào)度為信道條件好的用戶分配高的數(shù)據(jù)速率，從系統(tǒng)的角度來講，提供了多用戶分集增益，增加了系統(tǒng)吞吐量。

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

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

圖1 采用不同調(diào)度算法下的小區(qū)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延，并且UE和NodeB相應的處理時延也大大降低，可以更好地配合HARQ和基站快速調(diào)度的實施，提高系統(tǒng)的吞吐量。另外，采用2msTTI帶來的快速反應可以顯著提高響應速度，從而大大提高用戶終端的服務質(zhì)量，使系統(tǒng)提供類似于實時視頻、流媒體等多媒體服務成為可能。

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(qū)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(shù)據(jù)調(diào)制和編碼方案，極大地提高用戶的下行數(shù)據(jù)速率，從而使HSDPA帶來的小區(qū)吞吐量增益超過200%。另外，從圖2中，我們可以看到在不同的調(diào)度算法下，小區(qū)吞吐量的差別：資源公平算法(FairResource)下各個用戶得到相等的資源分配，小區(qū)吞吐量依賴于用戶所處的實際環(huán)境，系統(tǒng)資源利用率不高，總的系統(tǒng)吞吐量相對較小;而正比公平(Proportional Fair Resource)算法基于用戶優(yōu)先權進行資源分配，選擇相對信道條件較好的用戶進行優(yōu)先調(diào)度和資源分配，系統(tǒng)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HSDPA終端，在不同的移動速度、不同的多徑信道中，數(shù)據(jù)吞吐量也有所不同。如圖3顯示了終端類別6UE在VehA120、VehA50、Veh A3、Ped A50、Ped A3和LOS 6種不同的無線環(huán)境中，HSDPA用戶數(shù)據(jù)吞吐量的比較。在無線環(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(diào)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(shù)據(jù)速率。在同一種移動環(huán)境下，用戶在小區(qū)中移動過程中，當用戶距離基站較近時，對應的載干比C/I較高，對應的信道條件也越好，同樣，終端也會采用高階調(diào)制和高速率的信道編碼方式，從而得到較高的數(shù)據(jù)速率。

圖3 不同無線環(huán)境下HSDPA用戶終端的數(shù)據(jù)吞吐量比較

5、HSDPA的應用

目前，HSDPA標準已經(jīng)穩(wěn)定，技術也日益成熟，產(chǎn)品性能通過測試得到驗證，終端產(chǎn)品在市場上也已陸續(xù)推出。隨著HSDPA技術不斷發(fā)展和設備不斷成熟，其良好的應用前景和平滑的演進能力正在引起業(yè)界越來越多的關注，HSDPA幾乎得到了所有WCDMA設備廠商的支持，在世界范圍內(nèi)，各主要運營商也已開始計劃部署或已經(jīng)部署HSDPA。

5.1問題分析

引入HSDPA組網(wǎng)時，需要考慮兩個問題：

第一，采用連續(xù)覆蓋還是熱點覆蓋?

連續(xù)覆蓋可以提高用戶的滿意度，但成本較高，另外考慮初期用戶可能是采用筆記本電腦用HSDPA高速接入的方式會比較多，對移動性要求不高，所以網(wǎng)絡部署初期可以是熱點覆蓋。隨著高速數(shù)據(jù)用戶的增加以及引入HSDPA的智能終端的普及，可以發(fā)展連續(xù)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)點是HSDPA和R99可同時獲得最高的容量;缺點是相比共享載波方式，網(wǎng)絡部署成本較高。共享載波：優(yōu)點是可以以低成本進行網(wǎng)絡部署，無需增加新的頻率和系統(tǒng)硬件，相比R99有更好的性能表現(xiàn)，更高的系統(tǒng)吞吐量;缺點是相比單獨載波方式，頻率利用率較低。

當HSDPA和R99共享同一個載頻時，為實現(xiàn)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，必須為R99的業(yè)務預留一些信道碼資源，這意味著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)特性會對R99業(yè)務造成影響，在功率資源的分配上也應給R99業(yè)務保留適當?shù)挠嗔恳詼p輕這種影響，但這又會影響HSDPA吞吐量?？傊?，需要在二者間進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用戶及業(yè)務量不高時，可以考慮HSDPA與R99共享載波組網(wǎng)，這樣既可以滿足高端用戶對高速業(yè)務的需求，又可以節(jié)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商的投資成本，使運營商投入成本最小化，還大大增加了運營商的業(yè)務范圍，為提高ARPU值創(chuàng)造了可能。在基站近點處，用戶使用HSDPA提高用戶數(shù)據(jù)流量;當用戶移動到該基站覆蓋的遠點處，HSDPA用戶轉(zhuǎn)換為DCHPS業(yè)務;當用戶移到另一個基站的HSDPA覆蓋區(qū)時，可以將DCHPS業(yè)務切換到HS-DSCH信道，重新轉(zhuǎn)化為HSDPA業(yè)務，實現(xiàn)HS-DSCH與DCH的雙向切換。

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

在HSDPA引入初期，密集市區(qū)、商務區(qū)和部分數(shù)據(jù)熱點區(qū)域是需要重點考慮的地區(qū)，這些區(qū)域的數(shù)據(jù)業(yè)務量比較大，可以充分發(fā)揮HSDPA承載數(shù)據(jù)業(yè)務的高效優(yōu)勢。對于普通市區(qū)、郊區(qū)和農(nóng)村，HSDPA的需求基本上可以認為沒有或者很少，暫時可以不引入HSDPA，而是采用R99/R4無線網(wǎng)絡覆蓋，或者根據(jù)需要，只在局部熱點區(qū)域引入HSDPA?？傊琀SDPA的引入可以根據(jù)數(shù)據(jù)業(yè)務的發(fā)展需求，分階段逐步擴展實施。

5.3HSDPA的商用狀況

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

在美國，第一大無線運營商VerizonWireless的cdma20001xEV-DO網(wǎng)絡已經(jīng)覆蓋了32個區(qū)域市場，人口覆蓋率超過30%，計劃到2006年初使其cdma20001x EV-DO網(wǎng)絡的人口覆蓋率超過40%。為了應對競爭，美國第二大移動運營商Cingular正在計劃成為美國的首家HSDPA服務運營商，推出時間定在2006年。

在日本，NTTDoCoMo是日本最大的移動通信運營商，擁有PHS、PDC(2G)、FOMA(基于WCDMA)移動通信業(yè)務。但與其競爭對手網(wǎng)絡運營商KDDI相比，NTTDoCoMo在3G用戶數(shù)及其增長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為基礎的無線高速數(shù)據(jù)業(yè)務。

在中國，3G牌照遲遲沒有發(fā)放，業(yè)界普遍預測牌照發(fā)放時間為2006年，屆時，HSDPA的系統(tǒng)設備和終端將達到全部商用能力。因此，國內(nèi)多家運營商都對HSDPA技術表示出極大的關注，計劃在WCDMA網(wǎng)絡建設初期就引入HSDPA。

6、小結(jié)

通過以上對HSDPA技術的綜合分析，我們可以看到：HSDPA通過采用一系列新的技術大大提高了無線網(wǎng)絡的效率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，顯著降低了數(shù)據(jù)傳輸時延和每比特傳輸成本，提供了更高的網(wǎng)絡可用性。HSDPA基于R99/R4的網(wǎng)絡架構，實現(xiàn)網(wǎng)絡的平滑過渡，通過軟件升級實現(xiàn)HSDPA，從而提高了RAN的硬件利用率，極大降低了運營商的網(wǎng)絡建設成本。對用戶而言，HSDPA帶來了下行高速的數(shù)據(jù)傳送、更短的服務反應時間和更加可靠的服務，大大提高了客戶體驗。

HSDPA可以提供更大的移動帶寬、更好的數(shù)據(jù)服務，但其要想真正投入大規(guī)模商用，并獲得成功，還需要實際應用來檢驗。從全世界來看，已經(jīng)商用的3G系統(tǒng)，面臨的首要問題不是網(wǎng)絡的帶寬不夠，而是網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)業(yè)務的流量不足。如何擴大數(shù)據(jù)業(yè)務的市場規(guī)模，找到可以盈利的3G運營模式，才是問題的關鍵。只有當巨大的數(shù)據(jù)業(yè)務市場開發(fā)出來，HSDPA技術本身的承載能力才能得到充分的發(fā)揮。