HSDPA技術(shù)詳解

1、HSDPA簡介
　　對高速移動分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持能力是 3G系統(tǒng)最重要的特點之一。 WCDMA R99版本可以提供384 kbit/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(wù)而言基本夠用。然而，對于許多對流量和遲延要求較高的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)如視頻、流媒體和下載等業(yè)務(wù)，需要系統(tǒng)提供更高的傳輸速率和更短的時延。為了更好地發(fā)展數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，3GPP從這兩方面對空中接口作了改進，在R5版本中引入高速下行分組接入（HSDPA）技術(shù)。HSDPA在大大增加網(wǎng)絡(luò)容量的同時還能使運營商投入成本最小化，被譽為后3G時代的主要解決方案之一，為UMTS向更高數(shù)據(jù)傳輸速率和更高容量演進提供了一條平穩(wěn)途徑，就如在GSM網(wǎng)絡(luò)中引入EDGE一樣。
　　根據(jù)3GPP的定義，HSDPA的發(fā)展將主要分為3個階段：在HSDPA Phase 1（基本HSDPA階段），通過使用鏈路自適應(yīng)和適應(yīng)性調(diào)制（QPSK/16QAM）、HARQ及快速調(diào)度等技術(shù)，將峰值速率提高到10.8-14.4 Mbit/s；在HSDPA Phase 2（增強HSDPA階段），通過引入一系列天線陣列處理技術(shù)，峰值速率可提高到30 Mbit/s；在 HSDPA Phase 3（HSDPA進一步演進階段），通過引入OFDM空中接口技術(shù)和64QAM等，將峰值速率提高到100 Mbit/s以上。

2、HSDPA基本原理
　　HSDPA是一個非對稱解決方案，允許下行吞吐能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過上行吞吐能力，從而有效提高頻譜效率。HSDPA技術(shù)的理論數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達14.4 Mbit/s（HSDPA Phase 1），平均可提供2-3 Mbit/s的下行速率。該技術(shù)允許充分覆蓋地區(qū)內(nèi)的用戶共享帶寬，從而為每位用戶提供300 kbit/s-1 Mbit/s的下行鏈路，足以媲美當(dāng)前的無線局域網(wǎng)和國內(nèi)固定寬帶線路。
　　在WCDMA網(wǎng)絡(luò)中，基站扮演著傳輸及接收站的角色，其作用是提供用戶到網(wǎng)絡(luò)的接入點，同時負(fù)責(zé)處理網(wǎng)絡(luò)流量；無線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）負(fù)責(zé)總體控制基站的資源，同時負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中的切換；服務(wù)GPRS支撐節(jié)點（SGSN）負(fù)責(zé)分組交換數(shù)據(jù)流量的處理和選路；而移動交換中心（MSC）則負(fù)責(zé)電路交換流量（即語音或視頻會議）的處理。HSDPA技術(shù)主要在基站和RNC兩地實施，通過將主要處理過程留在基站，從距離上更接近無線接口和最終用戶，確保了傳輸延遲的最小化。
　　HSDPA在設(shè)計時參考了cdma2000 1x EV-DO的設(shè)計思想與經(jīng)驗，新增加了一條高速共享信道（HS-DSCH）。與現(xiàn)有的WCDMA相比，HS-DSCH允許若干用戶共享整個下行鏈路信道，因而可以大幅度提高網(wǎng)絡(luò)的性能，同時還采用了一些更高效的自適應(yīng)鏈路層技術(shù)。共享信道使得傳輸功率、PN碼等資源可以統(tǒng)一利用，根據(jù)用戶實際情況動態(tài)分配，從而提高了資源的利用率。自適應(yīng)鏈路層技術(shù)根據(jù)當(dāng)前信道的狀況對傳輸參數(shù)進行調(diào)整，如快速鏈路調(diào)整技術(shù)、結(jié)合軟合并的快速混合重傳技術(shù)、集中調(diào)度技術(shù)等，從而盡可能地提高系統(tǒng)的吞吐率。
　　基于演進考慮，HSDPA設(shè)計遵循的準(zhǔn)則之一是盡可能地兼容R99版本中定義的功能實體與邏輯層間的功能劃分。在保持R99版本結(jié)構(gòu)的同時，在基站增加了新的媒體接入控制（ MAC）實體MAC-hs，負(fù)責(zé)調(diào)度、鏈路調(diào)整以及混合ARQ控制等功能。這樣使得系統(tǒng)可以在RNC統(tǒng)一對用戶在HS-DSCH信道與專用數(shù)據(jù)信道DCH之間的切換進行管理。HSDPA功能主要是對基站修改比較大，對RNC主要是修改算法協(xié)議軟件，硬件影響很小。如果在原有設(shè)備中考慮了HSDPA功能升級要求，一般來講實現(xiàn)HSDPA功能不需要硬件升級，只要軟件升級即可。

3、HSDPA關(guān)鍵技術(shù)
　　數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與語音業(yè)務(wù)具有不同的特性。語音業(yè)務(wù)通常對延時敏感。對速率恒定性要求較高，而對誤碼率要求則相對較弱；數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)則相反，通?？梢匀萑潭虝r延時，但對誤碼率要求高。作為WCDMA體系的后續(xù)演進技術(shù)，HSDPA中的許多關(guān)鍵技術(shù)充分考慮到了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的特點。在HSDPA Phase 1技術(shù)方案中，涉及到的關(guān)鍵技術(shù)主要包括自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC）、混合重傳（HARQ）和集中調(diào)度技術(shù)。
3.1　自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC）技術(shù)
　　AMC屬于鏈路自適應(yīng)的范疇。AMC的基本原理是通過改變調(diào)制和編碼的格式使它在系統(tǒng)限制范圍內(nèi)和信道條件相適應(yīng)，而信道條件則可以通過發(fā)送反饋來估計。通過使用AMC技術(shù)，用戶可以在理想信道條件下使用較高階的調(diào)制編碼方式和較高的編碼速率，而在不太理想的信道條件下則使用較低階的調(diào)制編碼方式和較低的編碼速率。
　　由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與語音業(yè)務(wù)具有不同的特性，語音通信系統(tǒng)通常采用功率控制技術(shù)以抵消信道衰落對于系統(tǒng)的影響，以獲得相對穩(wěn)定的速率，而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)相對可以容忍延時，可以容忍速率的短時變化。因此，HSDPA不是試圖去對信道狀況進行改善，而是根據(jù)信道情況采用相應(yīng)的速率。由于HS-DSCH每隔2 ms就更新一次信道狀況信息，因此，鏈路層調(diào)整單元可以快速跟蹤信道變化情況，并通過采用不同的編碼調(diào)制方案來實現(xiàn)速率的調(diào)整。
　　當(dāng)信道條件較好時，HS-DSCH采用更高效的調(diào)制方法，即16QAM，以獲得更高的頻帶利用率。理論上，xQAM調(diào)制方法雖然能提高信道利用率，但由于調(diào)制信號間的差異性變小，因此需要更高的碼片功率，以提高解調(diào)能力。因此，xQAM調(diào)制方法通常用于帶寬受限而非功率受限的場合。在HSDPA中，通?？拷镜挠脩艚邮招盘柟β氏鄬^強。可以得到xQAM調(diào)制方法帶來的好處。 3.2　混合重傳（HARQ）技術(shù)
　　HARQ也是一種鏈路自適應(yīng)的技術(shù)。在AMC中，采用顯式的C/I測量來設(shè)定調(diào)制編碼的格式，而在HARQ中，鏈路層的信息用于進行重傳判決。
　　終端通過HARQ機制快速請求基站重傳錯誤的數(shù)據(jù)塊，以減輕鏈路層快速調(diào)整導(dǎo)致的數(shù)據(jù)錯誤帶來的影響。終端在收到數(shù)據(jù)塊后5 ms內(nèi)向基站報告數(shù)據(jù)正確解碼或出現(xiàn)錯誤。終端在收到基站重傳數(shù)據(jù)后，在進行解碼時，結(jié)合前次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊以及重傳的數(shù)據(jù)塊，充分利用它們攜帶的相關(guān)信息。以提高譯碼概率?；驹谑盏浇K端的重傳請求時，根據(jù)錯誤情況以及終端的存儲空間，控制重傳相同的編碼數(shù)據(jù)或不同的編碼數(shù)據(jù)（進一步增加信息冗余度），以幫助提高終端糾錯能力。
　　有很多方法可以實現(xiàn)HARQ：軟合并和增量冗余。軟合并的策略是發(fā)送有相同編碼的數(shù)據(jù)組，然后在接收端可以將這些多個重發(fā)信息進行SNR（Signal to Noise Ratio）加權(quán)合并來獲得分集接收再進行譯碼，使用軟合并的HARQ過程如圖1所示。增量冗余是實現(xiàn)HARQ的另一種方式，這種策略是在第一次譯碼失敗時另外再傳送附加冗余信息而不是再將整個數(shù)據(jù)碼組重發(fā)一次。