HSDPA技術(shù)特點及其部署策略

摘要　HSDPA是指高速下行分組接入技術(shù)，它是WCDMA R4的演進技術(shù)。主要采用了自適應(yīng)編碼調(diào)制（AMC）、混合自動重傳機制（HARQ）、快速分組調(diào)度技術(shù)等鏈路自適應(yīng)技術(shù)，使其能夠極大地提高系統(tǒng)容量和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率。在實際部署HSDPA時，主要有兩種組網(wǎng)方式：共載頻組網(wǎng)和獨立載頻　組網(wǎng)，兩者各有優(yōu)缺點，適合網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的不同階段；從部署區(qū)域看，HSDPA主要部署在大中城市的中心區(qū)域，并實現(xiàn)成片覆蓋，同時需要重點加強室內(nèi)覆蓋的建設(shè)。

1、引言

HSDPA（High Speed Download Packet Access）即高速下行分組接入，它是3GPP在R5協(xié)議中為了滿足上/下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)不對稱的需求而提出的一種技術(shù)。HSDPA基本上繼承了3GPP R99定義的許多性能，且又大大地增強了移動數(shù)據(jù)傳輸下行鏈路的峰值速率和吞吐量并降低了傳輸時延，它把下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率提高到10Mbit/s。該技術(shù)是WCDMA R99/R4網(wǎng)絡(luò)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)。

目前，在中國的幾大運營商的3G建設(shè)計劃中均已考慮將HSDPA技術(shù)直接引入到WCDMA或TD-SCDMA的建設(shè)中。HSDPA之所以能引起業(yè)界如此的關(guān)注，主要取決于市場競爭和運營商自身的需求。一來，運營商可以利用HSDPA與cdma2000運營商展開競爭，同時還有WiMAX的競爭；二來，可以滿足客戶對高速移動多媒體業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求，這些在2G時代是不能提供的或者是無QoS保證的；三來，HSDPA技術(shù)能夠提供更高的頻譜資源利用效率、更高的網(wǎng)絡(luò)容量和更低的網(wǎng)絡(luò)投資成本，從而帶來高附加值的業(yè)務(wù)增長點。

2、HSDPA技術(shù)特點

HSDPA作為WCDMA的增強技術(shù)，其未來演進主要分三個階段。

（1）基本HSDPA階段：由3GPP Release 5協(xié)議規(guī)定，下行用戶速率最高可達14.4Mbit/s，主要采用快速鏈路自適應(yīng)（AMC）、16QAM高階調(diào)制、混合自動重傳請求（HARQ）、快速分組調(diào)度算法等先進技術(shù)。這些技術(shù)主要是針對大容量、高速率、高突發(fā)性的分組數(shù)據(jù)傳輸特點發(fā)展起來的。

（2）增強HSDPA階段：由3GPP Release 6協(xié)議規(guī)定，下行用戶速率最高可達30Mbit/s，主要采用MIMO技術(shù)、空間分集、空間辨識、空時編碼、快速小區(qū)選擇（FCS）等先進技術(shù)；另外在上行提出了HSUPA技術(shù)，大大提高了用戶的上行數(shù)據(jù)速率。

（3）HSDPA進一步演進階段：考慮采用OFDM、64QAM等新技術(shù)，以進一步提高用戶上/下行數(shù)據(jù)傳輸速率。目前還正處在研究階段。

目前的系統(tǒng)和終端設(shè)備都是按基本型HSDPA標準進行開發(fā)設(shè)計的。本文也只針對基本HSDPA階段進行研究。

HSDPA在WCDMA R99/R4原有物理信道上，增加了三種物理信道，包括兩種下行信道和一種上行信道。

（1）上行引入了一個專用控制信道（HS-DPCCH），供UE上報H-ARQ要求的ACK/NACK和所測下行信道的質(zhì)量指示（CQI），使用的擴頻因子為SF256。

（2）下行引入了專門用于下行大數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚贁?shù)據(jù)信道（HS-PDSCH），使用戶可以在時域、碼域進行資源共享，使用的擴頻因子為SF16，最多提供15個該類信道。

（3）下行還引入了公用控制信道（HS-SCCH），用以承載業(yè)務(wù)信道的控制信令，使用的擴頻因子為SF128，同一小區(qū)HS-SCCH信道數(shù)最多為4個。HS-SCCH要消耗一定的功率，影響系統(tǒng)的容量，在HSDPA和R99共載頻組網(wǎng)的情況下，該信道的配置數(shù)目及功率變得十分重要。

圖1是HSDPA的協(xié)議框架結(jié)構(gòu)。

圖1　HSDPA協(xié)議框架結(jié)構(gòu)

HSDPA在Node B中增加了MAC-hs模塊，用于實現(xiàn)快速自動重傳、調(diào)度以及自適應(yīng)調(diào)制和編碼等功能。而且為了減小時延和適應(yīng)無線信道的快速變化，HSDPA把部分鏈路調(diào)整功能從RNC搬到了Node B，以減小RNC的工作量，增加系統(tǒng)效率。

在HSDPA中，主要采用了以下幾種關(guān)鍵技術(shù)。

1.自適應(yīng)編碼調(diào)制（AMC）

AMC技術(shù)的基本原理就是根據(jù)當前無線信道的變化情況（信道質(zhì)量指示數(shù)據(jù)由終端進行測量和報告）快速動態(tài)地確定當前的下行鏈路的速率和調(diào)制方式，實現(xiàn)最大限度的傳輸用戶數(shù)據(jù)，改進系統(tǒng)容量，提高系統(tǒng)利用率。在AMC系統(tǒng)中，一般用戶在理想信道條件下用較高階的調(diào)制方式和較高的編碼速率，而在不太理想的信道條件下則用較低階的調(diào)制編碼方式。AMC特別適合于高突發(fā)性的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

采用AMC的好處主要有：處于有利位置的用戶可以具有更高的數(shù)據(jù)速率，從而提高小區(qū)的平均吞吐量；在鏈路自適應(yīng)過程中，通過調(diào)整調(diào)制編碼方案而不是調(diào)整發(fā)射功率的方法實現(xiàn)干擾水平的降低。

目前實現(xiàn)AMC還存在一些問題。首先，AMC對測量誤差和時延比較敏感，為了選擇適合的調(diào)制方式，必須首先知道信道的質(zhì)量，對信道估測的錯誤可能會使系統(tǒng)選擇錯誤的數(shù)據(jù)傳輸速率，使傳輸功率過高，浪費系統(tǒng)容量或者因功率太低而出現(xiàn)誤碼率升高；其次，由于移動信道的時變特性，信道測量報告的延遲降低了信道質(zhì)量估計的可靠性；另外，干擾的變化也增加測量的誤差，此時可以尋求與其他技術(shù)的結(jié)合，比如利用混合判決反饋重傳技術(shù)（HARQ），可以降低MCS的要求識別和對測量誤差與流量波動的敏感性。

2.混合自動重傳請求（HARQ）

標準的自動重傳請求（ARQ）是當一個數(shù)據(jù)包被成功接收時，接收端向發(fā)送端發(fā)送確認（ACK）消息，如果數(shù)據(jù)接收失敗，接收端向發(fā)送端發(fā)送否認（NACK）消息，發(fā)送端會重新傳送出錯的數(shù)據(jù)。HSDPA中在下行鏈路采用了HARQ技術(shù)，HARQ對ARQ進行了功能改進，主要體現(xiàn)在重傳信息的內(nèi)容及數(shù)據(jù)合并的方式上，另外重傳機制由基站的MAC-hs直接控制，有效地降低了處理時延。

3GPP規(guī)范中定義了三種方式的HARQ。其中兩種為新增加的類型，一種是Chase合并（Chase combining）方式的軟合并方式，一種是增量冗余（Incremental Redundancy）方式。

HARQ也是一種鏈路自適應(yīng)技術(shù)，它能夠自動適應(yīng)連續(xù)變化的信道條件。與AMC不同的是，HARQ對測量錯誤以及測量時延不敏感，將HARQ與AMC這兩種鏈路自適應(yīng)技術(shù)結(jié)合使用，可以取得比較理想的效果。即AMC基于信道測量結(jié)果大致決定數(shù)據(jù)傳輸速率，HARQ在此基礎(chǔ)上根據(jù)實時信道條件在對數(shù)據(jù)傳輸速率進行微調(diào)。

3.快速分組調(diào)度技術(shù)

快速調(diào)度機制使系統(tǒng)可以根據(jù)所有用戶的情況決定哪個用戶可以使用信道，以何種速率使用信道。信道總是被與信道狀況相匹配的用戶所使用，這樣在每個瞬間都可以達到最高的用戶數(shù)據(jù)速率和最大的數(shù)據(jù)吞吐量，但同時兼顧每個用戶的等級和公平性。

一般來說，HSDPA的分組調(diào)度有以下幾類：

●基于時間的輪循方式（Round Robin）；

●基于流量的輪循方式；

●最大C/I（Best CQI Scheduler）方式；

●比例公平（Proportional Fair Scheduler）方式。

其中，比例公平方式綜合考慮了公平性和效率性兩方面，既照顧到了大部分用戶的滿意度，也能從一定程度上保證系統(tǒng)有比較高的吞吐量，是目前廠家比較推薦的一種調(diào)度方法。

為了能更好地適應(yīng)信道的快速變化，HSDPA將調(diào)度功能單元放在Node B而不是RNC，同時也將時間間隔TTI縮短到2ms。而WCDMA R99版本中的TFI為10ms或20ms。

最后，對HSDPA和R99/R4的簡單比較如表1。

表1　HSDPA和WCDMA R99/R4的簡單比較

　　3、HSDPA部署策略

隨著HSDPA技術(shù)的成熟和市場競爭的推動，僅僅基于R99/R4的網(wǎng)絡(luò)承載能力已不能滿足業(yè)務(wù)發(fā)展需要，因此對未來的WCDMA無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和建設(shè)必須考慮HSDPA的引入。HSDPA主要承載非實時分組業(yè)務(wù)，包括背景類業(yè)務(wù)和交互類業(yè)務(wù)，它不是對R99/R4的替代，而應(yīng)該是疊加在R99之上的。HSDPA的部署策略應(yīng)該從組網(wǎng)方式以及部署區(qū)域兩方面考慮。

3.1　組網(wǎng)方式

HSDPA組網(wǎng)方式是指HSDPA與R99/R4關(guān)于載頻使用的方式。具體來說，共有兩種：HSDPA與WCDMA R99/R4使用同一個載頻組網(wǎng)；HSDPA與WCDMA R99/R4使用不同的載頻獨立建網(wǎng)。

1.HSDPA與R99/R4共載頻

在此方式下，HSDPA與WCDMA工作在同一個頻點，共同使用頻率、基站功率、信道化碼等資源，在系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度下發(fā)揮各自優(yōu)勢，讓用戶輕松享受全面的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。它的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在：

●WCDMA支持的CS、PS業(yè)務(wù)與HSDPA支持的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)共享頻率及功率，做到資源利用最大化；

●業(yè)務(wù)選擇靈活，可以避免不同頻帶來的UE小區(qū)選擇、駐留等問題；

●支持CS/PS并發(fā)業(yè)務(wù)；

●升級快速方便，節(jié)省投資；

●節(jié)約頻譜資源；

●可以保證與WCDMA的低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)基本同覆蓋；

●從WCDMA網(wǎng)絡(luò)升級快速方便，節(jié)省投資。

共載頻方式下還需要解決以下問題：

●如何對WCDMA與HSDPA各自的業(yè)務(wù)進行合適的功率分配；

●采用何種碼資源分配及調(diào)度策略；

●處于小區(qū)邊緣的HSDPA用戶，可以使用硬切換或者使用CELL_DCH（HS-PDSCH）到CELL_DCH（DCH）狀態(tài)遷移的方式進行小區(qū)切換，采用何種切換策略來保證不同切換條件下的切換成功率；

●同頻干擾問題；

●如何使網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃簡化。

2.HSDPA與R99/R4異載頻

HSDPA采用與WCDMA R99/R4不同的載頻進行組網(wǎng)，組成另外一層網(wǎng)絡(luò)。二者之間的功率和碼資源是獨享的。同時為了避免在不同頻點之間的切換，HSDPA網(wǎng)僅提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)，一般來說可以僅為WCDMA數(shù)據(jù)卡用戶提供PS域服務(wù)，不支持CS域業(yè)務(wù)的接入。

HSDPA與R99/R4異載頻方案的優(yōu)勢在于：

●對WCDMA承載的業(yè)務(wù)的影響�。槐苊饬藦碗s的碼資源、功率規(guī)劃；

●在資源調(diào)度上可以最大化地滿足HSDPA的需求，資源調(diào)度效率更高；

●網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方便，可免于話音和數(shù)據(jù)資源競爭的問題。

但是，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期采用HSDPA與R99/R4異載頻方案，存在以下問題：

●HSDPA需要單獨分配一個載波，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本高，需要比較昂貴的MCPA；

●無法支持話音和HSDPA的并發(fā)業(yè)務(wù)（終端不支持）；

●初期用戶數(shù)量有限，R99/R4與HSDPA各自占用一個載頻，共享程度低，網(wǎng)絡(luò)整體性能下降；

●系統(tǒng)需要考慮用戶不同頻段駐留和切換問題；

●不同載頻間切換帶來資源的消耗和時延的增加，使系統(tǒng)效率降低；

●頻譜效率不高。

從上述的分析可見，混合組網(wǎng)和獨立載波組網(wǎng)有各自的特點，適合于網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的不同階段。

3.2　部署區(qū)域

HSDPA主要用于承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而從GSM/cdma 2000/PHS等系統(tǒng)的業(yè)務(wù)開展情況看，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)主要有兩大特點：一是集中在大中城市，二是用戶主要在室內(nèi)使用�？梢灶A(yù)計，HSDPA的用戶分布也將集中在大中城市，并且主要在室內(nèi)使用HSDPA業(yè)務(wù)。因此在考慮HSDPA的部署區(qū)域時應(yīng)遵循以下原則：

●在廣度覆蓋方面，重點對有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的大中城市中心區(qū)域進行覆蓋，同時應(yīng)保證HSDPA的連續(xù)覆蓋，避免頻繁的DCH和HS-DSCH信道切換，以提高用戶的滿意度，并且合理地設(shè)置切換方式，保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

●在深度覆蓋方面，應(yīng)以實現(xiàn)HSDPA的無縫覆蓋為目的，綜合考慮室內(nèi)與室外的協(xié)調(diào)發(fā)展，做到既不盲目建設(shè)，也不出現(xiàn)信號盲區(qū)�？梢钥紤]在中心區(qū)域的高檔寫字樓、賓館酒店、會議（會展）中心、機場侯機廳及一些其他熱點場所等處引入HSDPA。

由于室內(nèi)是HSDPA用戶的集中區(qū)域，同時也是市區(qū)內(nèi)主要的盲區(qū)和信號雜亂區(qū)，通過室內(nèi)分布系統(tǒng)不但改善了室內(nèi)覆蓋質(zhì)量，提高了HSDPA數(shù)據(jù)速率，還優(yōu)化了功率分配，降低了整網(wǎng)干擾，有效吸收HSDPA對室外宏蜂窩基本架構(gòu)的影響。因此，在開展HSDPA業(yè)務(wù)的過程中，應(yīng)大力加強室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)的建設(shè)。

綜上所述，HSDPA可以采取以下策略進行部署。

●在網(wǎng)絡(luò)商用初期，由于3G CS業(yè)務(wù)占主流，HSDPA業(yè)務(wù)量也較低，市場需要一定時期的培育過程等因素，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主要關(guān)注點是控制成本和風險。因此，采取HSDPA與R99共載波組網(wǎng)。

●在網(wǎng)絡(luò)商用中期，隨著HSDPA業(yè)務(wù)量的上升，在少數(shù)存在大量HSDPA需求的熱點地區(qū)，考慮增加第二載波，且兩個頻點都采用R99與HSDPA共載波組網(wǎng)的方式，兩載波之間采用完全負載分擔。

●在網(wǎng)絡(luò)商用成熟期，隨著HSDPA終端的普及和業(yè)務(wù)的推廣，導致數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求迅速增加，應(yīng)考慮HSDPA采取獨立載波的方式，即HSDPA、R99 DCH分別使用不同載波，這樣既避免了載波共享時對R99業(yè)務(wù)的影響，又能滿足HSDPA的高業(yè)務(wù)量要求。