HSDPA中的高速傳輸技術(shù)

1、引言

HSDPA的標(biāo)準(zhǔn)主要是由3GPP組織制定的，用于在WCDMA系統(tǒng)的下行鏈路中提供基于分組的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，其數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10 Mbit/s，使用的是5 MHz的信道帶寬。它引入了一種全新的信道類型（高速下行鏈路共享信道），這種信道能夠有效利用無線頻率資源，并充分考慮到猝發(fā)分組數(shù)據(jù)的傳輸需求。

這種傳輸信道在若干個(gè)用戶之間共享多址碼、傳輸功率和基礎(chǔ)設(shè)施硬件。無線網(wǎng)絡(luò)資源能夠被有效利用來為用戶訪問猝發(fā)數(shù)據(jù)提供服務(wù)。用戶可以通過時(shí)分復(fù)用的方式，來使得空閑時(shí)隙的資源能夠?yàn)槠渌�用戶所用。例如，一旦某個(gè)用戶通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)包，其他用戶就能夠訪問這些資源。

為達(dá)到在下行鏈路中高速傳輸數(shù)據(jù)的目的，HSDPA采用了自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC）、混合自動(dòng)請求重傳（HARQ）和快速蜂窩選擇（FCS）等技術(shù)。cdma2000系統(tǒng)也引入了類似的技術(shù)。表1將HSDPA與cdma2000 1x EV-DV進(jìn)行對比。

表1　HSDPA與cdma2000 1x EV-DV

2、自適應(yīng)調(diào)制編碼

HSDPA中的鏈路自適應(yīng)是指系統(tǒng)依據(jù)無線鏈路狀況動(dòng)態(tài)改變采用調(diào)制方案和編碼速率的能力。圖1給出了自適應(yīng)調(diào)制編碼的基本原理。AMC能夠根據(jù)用戶鏈路狀況，自動(dòng)改變擴(kuò)展因子、復(fù)用擴(kuò)展碼的數(shù)量、糾錯(cuò)碼的編碼速率以及達(dá)成高速傳輸?shù)恼{(diào)制等級。

圖1　自適應(yīng)調(diào)制和信道編碼

移動(dòng)臺首先估計(jì)下行鏈路的傳輸狀況，然后將傳輸狀況周期性地向基站報(bào)告，收到信道質(zhì)量指示信號后，基站依據(jù)當(dāng)時(shí)的信道狀況，恰當(dāng)?shù)剡x擇調(diào)制方式、編碼速率以及碼長。無論是對于那些信號質(zhì)量好（尤其當(dāng)靠近基站時(shí)）和編碼速率高的用戶，還是對于那些信號質(zhì)量差（尤其當(dāng)遠(yuǎn)離基站靠近小區(qū)邊緣）和編碼速率低的用戶，鏈路自適應(yīng)都能夠保證數(shù)據(jù)速率在任何時(shí)候都能達(dá)到最高。

圖2給出了使用不同調(diào)制方案的一般誤比特率（BER）性能。例如，考慮QPSK和QAM方案的BER。不難發(fā)現(xiàn)，在兩種方案中，為達(dá)到同樣的BER，16QAM方案的Eb/No（每比特信號能量與環(huán)境噪聲功率譜密度之比）要高于QPSK方案，但是，16QAM符號中信息位的數(shù)目是QPSK符號的兩倍。因此，使用16QAM方案可以獲取比QPSK更高的頻譜效率。使用編碼速率大的高級調(diào)制方法可以得到比較高的數(shù)據(jù)速率，但它提高了信干比（SIR）。在直擴(kuò)碼分多址（DS-CDMA）系統(tǒng)中，多徑干擾（MPI）的結(jié)果可降低至1/SF。

圖2　使用不同調(diào)制方案的平均BER性能

然而，在使用5MHz信道的WCDMA系統(tǒng)中，多徑傳輸會導(dǎo)致嚴(yán)重的頻率選擇性衰落。在碼速為3.84 chip/s的WCDMA系統(tǒng)中，為使得吞吐量達(dá)到2 Mbit/s，擴(kuò)展因子（SF）接近于1，由于多徑干擾（MPI）的存在，使得信干比（SIR）大大降低。這意味著高速通信僅限于基站（BS）附近的區(qū)域，在該區(qū)域中不存在多徑干擾（MPI）問題，且系統(tǒng)的平均吞吐量不會提高。多徑干擾消除（MPIC）的提出主要就是用于解決這個(gè)問題的。

MPIC由多級信道估計(jì)與干擾生成單元（Channel Estimation and Interference Generation Unit CEIGU組成。信道估計(jì)與干擾生成單元（CEIGU）的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　CEIGU的結(jié)構(gòu)

在每個(gè)信道估計(jì)與干擾生成單元（CEIGU）中，每根天線輸入的抽樣序列由匹配濾波器（MF）進(jìn)行解擴(kuò)展，并傳送到分解后的多徑構(gòu)件中。通常使用相同分組的導(dǎo)頻符號和決策反饋數(shù)據(jù)符號對信道變化進(jìn)行評估，信道的變化主要是由分解后的每條路徑衰落造成的，然后補(bǔ)償每條路徑的相位變化，并使用聯(lián)合Rake接收機(jī)接收該信息。聯(lián)合Rake接收機(jī)的輸出數(shù)據(jù)序列需要進(jìn)行解交織和軟決策Viterbi解碼。多徑干擾補(bǔ)償器（MPIC）復(fù)制品通常使用決策數(shù)據(jù)序列、信道評估結(jié)果以及每條路徑的接收功率來生成。在該方案中，由于信道評估的改進(jìn)、數(shù)據(jù)判決誤差的減小以及信道評估結(jié)果和數(shù)據(jù)判決在每級都進(jìn)行更新，因而使得多徑干擾（MPI）復(fù)制品的精確性提高。通過將多徑干擾補(bǔ)償器（MPIC）與正交碼復(fù)用結(jié)合起來，當(dāng)數(shù)據(jù)判決誤差在某個(gè)特定代碼信道發(fā)生時(shí)，由于信干比（SIR）的改善，這種決策誤差能夠在下一級被糾正。已經(jīng)證明，使用多徑干擾補(bǔ)償器（MPIC），可以大大地提高吞吐量性能。

3、混合自動(dòng)請求重傳

當(dāng)鏈路誤差（如由干擾造成的誤差）發(fā)生時(shí)，移動(dòng)臺迅速請求數(shù)據(jù)分組重發(fā)。有3種基本的自動(dòng)請求重傳方案：停止等待（SW）、返回到N（BTN）和選擇重傳（SR）。

表2對這些方案進(jìn)行了比較。

表2　自動(dòng)請求重傳方案的基本類型比較

SR具有最好的吞吐量性能，但需要的緩沖區(qū)比較大，開銷也大。相比之下，SW具有最小的緩沖區(qū)和開銷。將這些基本方案與轉(zhuǎn)發(fā)誤差糾正組合起來，提出了Ⅰ類和Ⅱ類混合自動(dòng)請求重傳方案（HARQ）。

●在Ⅰ類混合自動(dòng)請求重傳方案（HARQ）中，首先傳輸經(jīng)信道編碼的分組。如果分組接收后誤差完全無法糾正，則接收方將分組丟棄，并發(fā)送一條重傳請求給發(fā)送方。

●在Ⅱ類混合自動(dòng)請求重傳方案（HARQ）中，發(fā)送方只在第一次傳輸具有誤差檢測碼的分組，如果分組接收后存在誤差，則接收方將分組存儲在緩沖區(qū)中，并發(fā)送一條重傳請求。如果重傳的分組被正確接收，則接受該分組并丟棄緩沖區(qū)中的錯(cuò)誤分組。另外，兩個(gè)錯(cuò)誤分組也可以通過解碼算法進(jìn)行糾正。

兩種方案不斷地重復(fù)這個(gè)過程直到分組被接收。前期的研究表明Ⅱ類混合自動(dòng)請求重傳方案（HARQ）具有較好的吞吐性能，但需要的緩沖區(qū)比較大。

圖4和圖5給出了針對HSDPA提出的Ⅰ類和Ⅱ類混合自動(dòng)請求重傳方案（HARQ）的工作原理。

圖4　HARQ方案——使用Chase合并的Ⅰ類HARQ

圖5　HARQ方案——使用增量冗余組合的Ⅱ類HARQ

HSDPA接受的重傳方案是具有分組組合功能的、基于SW的N信道Ⅰ類混合自動(dòng)請求重傳（HARQ）方案。一個(gè)數(shù)據(jù)分組被分為N個(gè)部分，并在N個(gè)信道上進(jìn)行獨(dú)立傳輸和處理。此過程可以提高時(shí)延性能，同時(shí)也具有開銷小的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的Ⅰ類混合自動(dòng)請求重傳方案（基本的Ⅰ類HARQ）通常丟棄錯(cuò)誤分組，與之相比，新方案在對分組進(jìn)行解碼時(shí)，通常存儲軟決策結(jié)果。當(dāng)重傳分組仍包含無法糾正的錯(cuò)誤時(shí)，接收機(jī)將使用Chase合并算法將兩個(gè)錯(cuò)誤的分組組合起來，以提高SIR。

在提出的Ⅱ類混合自動(dòng)請求重傳（HARQ）方案中，接收機(jī)端首先對信息數(shù)據(jù)序列進(jìn)行編碼，編碼速率為R1。接著，具有收縮碼的分組被傳輸，該分組的編碼速率為R，此處R＞R1。如果分組沒有被接受，則分組需要使用另外的收縮碼進(jìn)行重傳。將新收到的分組與所存儲的分組進(jìn)行組合，接收機(jī)將能夠?qū)�組合序列進(jìn)行解碼，解碼速率為R1。因此，Ⅱ類混合自動(dòng)請求重傳（HARQ）方案能夠提高系統(tǒng)性能，既具有時(shí)間分集的效果，又能夠提高編碼增益。

圖6舉出了兩個(gè)實(shí)例來對混合自動(dòng)請求重傳（HARQ）方案的吞吐性能進(jìn)行對比。

圖6　HARQ方案的吞吐量性能

顯而易見，與基本類型Ⅰ相比，前面提出的兩種混合自動(dòng)請求重傳（HARQ）方案都做了較大的改進(jìn)。同時(shí)，在Ec/No值較低的范圍內(nèi)，類型Ⅱ混合自動(dòng)請求重傳（HARQ）方案的性能要比使用PC的類型Ⅰ混合自動(dòng)請求重傳（HARQ）方案好。但是，由于在HSDPA系統(tǒng)中，混合自動(dòng)請求重傳（HARQ）需要與自適應(yīng)調(diào)制和編碼（AMC）一起使用，因而在Ec/No值較低的范圍內(nèi)使用一種調(diào)制方式（QPSK），而在Ec/No值較高范圍內(nèi)使用另一種調(diào)制方式（64QAM）。類型Ⅱ混合自動(dòng)請求重傳（HARQ）方案的優(yōu)勢不夠明顯，且它必須存儲所有的解擴(kuò)展序列壓縮圖案，來進(jìn)行碼字組合。這意味著使用類型Ⅱ混合自動(dòng)請求重傳（HARQ）需要一個(gè)比使用PC的類型Ⅰ混合自動(dòng)請求重傳（HARQ）復(fù)雜的處理機(jī)制。由于這個(gè)原因，HSDPA系統(tǒng)選擇使用PC的類型Ⅰ混合自動(dòng)請求重傳（HARQ）作為快速重傳方案。

在目前的WCDMA網(wǎng)絡(luò)中，采用了一種基于選擇性重復(fù)的類型Ⅰ混合自動(dòng)請求重傳（HARQ），重傳請求通常由無線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）進(jìn)行處理。長的處理延遲導(dǎo)致應(yīng)用具有很大的時(shí)延。在HSDPA系統(tǒng)中，上述使用PC的類型Ⅰ混合自動(dòng)請求重傳（HARQ）方案被引入，并由基站對重傳請求進(jìn)行處理，從而提供了盡可能快的響應(yīng)。

4、快速蜂窩選擇

快速蜂窩選擇（FCS）主要與適當(dāng)?shù)恼{(diào)度算法結(jié)合用于部門間分集，以減小高速下行共享信道（HS-DSCH）的傳輸功率。HSDPA使用快速蜂窩選擇用于站點(diǎn)選擇分集發(fā)射（SSDT）功率控制。在此項(xiàng)選擇中，需要考慮以下兩大問題。

●快速蜂窩選擇（FCS）的效果取決于調(diào)度算法，該算法主要用于分配下行共享信道（DSCH）。調(diào)度算法主要有3種：最大載波/干擾（C/I）算法、輪詢算法和比例公平算法。每種算法都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。

●自動(dòng)請求重傳（ARQ）的引入增大時(shí)延，提高了復(fù)雜性。

在HSDPA系統(tǒng)的5 MHz信道中，能夠提供的峰值速率為10 Mbit/s。但是，比峰值速率更重要的是分組數(shù)據(jù)吞吐量能力大大提高，從而增加了系統(tǒng)用戶的數(shù)目，系統(tǒng)能夠通過單個(gè)無線載波以較高數(shù)據(jù)速率為用戶提供支持。在HSDPA系統(tǒng)的共享分組信道上，高數(shù)據(jù)速率也能夠提高流應(yīng)用的質(zhì)量，且縮短了回程時(shí)間使得Web瀏覽業(yè)務(wù)從中受益。

HSDPA系統(tǒng)的另一個(gè)重要特性是減小了下行鏈路傳輸時(shí)延。對于諸多應(yīng)用（如交互式游戲）來說，能夠保證足夠小的時(shí)延是非常重要的�？偠�言之，HSDPA系統(tǒng)功能的增強(qiáng)，能夠有效地實(shí)現(xiàn)3GPP制定的交互式和環(huán)境QoS等級。

5、結(jié)論

HSDPA是無線接口基于WCDMA的演進(jìn)，能提高系統(tǒng)容量和分組數(shù)據(jù)的吞吐量，還可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，能夠提供高速下行分組接入。該技術(shù)是WCDMA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)后期提高下行容量和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率的一種重要技術(shù)。HSDPA技術(shù)的應(yīng)用可以充分滿足運(yùn)營商在3G網(wǎng)絡(luò)成熟期面臨容量需求特別大時(shí)進(jìn)行擴(kuò)容的實(shí)施。

注：本文得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.60572049）資助。