HSDPA的改進方案

摘要　首先分析了HSDPA中存在的缺陷，然后給出了一種基于CDMA/TDMA的HSDPA改進方案。該方案利用CDMA區(qū)分語音和高速數據業(yè)務信道。在語音和高速數據業(yè)務信道中分別選用CDMA和TDMA方式。這種方法可改進WCDMA上下行容量基本對稱的技術缺陷，使其符合移動Internet的需求。

1、引言

HSDPA作為WCDMA的重要演進方式已引起相關人員的高度關注，它能夠利用一個載波在小區(qū)內同時為多個用戶提供語音和高速數據業(yè)務，此時系統(tǒng)的下行容量顯然應該遠遠大于只提供語音和低速數據業(yè)務的WCDMA系統(tǒng)。但是CDMA方式的主要技術缺陷是：上下行容量基本相同；當發(fā)送功率上升時，系統(tǒng)產生的自干擾加大，而容量基本保持不變，即無法利用發(fā)送功率換取頻率資源，導致CDMA方式的小區(qū)頻譜利用率很低，雖然可以采用一些先進技術進行改善，但系統(tǒng)的性價比會迅速下降。

2、HSDPA中存在的缺陷

HSDPA采用語音或低速數據信號共享載波的方式，在下行鏈路中引入高速下行鏈路共享信道（HS-DSCH）、高速共享控制信道（HS-SCCH）和上行鏈路高速專用物理控制信道（HS-DPCCH）等，以用于支持高速下行分組業(yè)務。其中，HS-DSCH在下行鏈路中承載用戶數據，傳輸時間間隔（TTI）為2 ms，擴頻因子固定為16，因此在采用小區(qū)獨立擾碼時，最大可用地址碼數為15，此時各碼道的數據速率相等；數據調制方法為QPSK或16QAM，信道采用1/3碼率的Turbo編碼，并通過各種碼率匹配參數得到不同的有效碼率。HS-DSCH的基本參數見表1。

表1　HS-DSCH信道主要參數

在一個TTI內，HS-DSCH信道可以由多個用戶進行CDMA；在不同的TTI內，也可以分配不同的用戶進行TDMA。因此HSDPA可在下行鏈路中采用CDMA和TDMA相結合的方式，通過碼道捆綁、高頻譜效率的調制方式和較高的糾錯編碼率Rc大幅提升HSDPA的容量。

采用捆綁碼道的缺點在于：首先，采用碼道捆綁將導致用戶接收信號子信道間產生自干擾；其次，HSDPA多個捆綁碼道的數據速率相等，根據系統(tǒng)容量和信道功率比關系式可以推出，利用碼道捆綁的TDMA方式不可能大幅度增加系統(tǒng)容量。HSDPA方式選取SF（擴頻系數）為16，是語音信號的1/8，可能導致語音信號被淹沒或接收信號的質量下降。

在表1中，當Rb=10 877 kbit/s時，小區(qū)內至少采用兩個擾碼，分別作為HS-DSCH和語音信道的信道地址碼，這樣會在小區(qū)內引入異步地址碼干擾。與采用一個擾碼的同步地址碼的小區(qū)容量相比，采用兩個擾碼的小區(qū)容量將下降。當小區(qū)內采用多個擾碼時，可用的地址碼數可成倍上升，但會導致小區(qū)的容量下降。因此，WCDMA在一個小區(qū)中安排16個擾碼作為信道地址碼的做法是不合理的。另一方面，在CDMA系統(tǒng)中一般也不應采用高頻譜效率的調制方式，因為這些調制方式的功率利用率較低，將會使要求的門限值d上升，使自干擾上升，系統(tǒng)容量下降。此外，利用增大Rc提升Rb的做法也會導致自干擾，使容量下降。因此，在HSDPA系統(tǒng)中若想通過改變調制方式或Rc提高Rb，其效果并不明顯。

3、CDMA/TDMA的實現方案

該方案的基本特點是：從WCDMA分配給一個小區(qū)的16個擾碼中選用兩個擾碼，分別用作CDMA或TDMA的信道地址碼。也就是說，一個小區(qū)內只采用一個頻點，TDMA的高速數據用戶信道和CDMA的語音或低速數據用戶信道各采用一個短PN序列地址碼。顯然，TDMA信道的信號將嚴重干擾語音或低速數據用戶的接收，因此它們的接收機中必須采用易于實現的干擾抵消器，且僅用于消除一條TDMA高速數據信道產生的自干擾即可。為了提高高速數據用戶的QoS，對于高速數據用戶也可使用干擾抵消器，用于消除采用另一短PN序列地址碼的語音用戶信道的集中干擾。當考慮相鄰小區(qū)干擾時，干擾抵消器的復雜度將略有上升，但是與多用戶接收機相比，干擾抵消器的實現難度不大。由于上行鏈路的容量要求較低，可繼續(xù)采用WCDMA技術。此時由于TDMA碼道和語音碼道的速率比較高，可以大幅度減少TDMA碼道的發(fā)射信號功率，減少系統(tǒng)自干擾，提高發(fā)射功率的效率。與現有的其他技術相比，所需的關鍵技術較為簡單。

在該方案中，基站發(fā)射信號端的電路結構如圖1所示。

圖1　基站發(fā)射信號端的電路結構

圖1上部分給出了語音或低速數據用戶在WCDMA系統(tǒng)中的數據處理過程，即采用CDMA方案，低速數據用戶的數據速率接近語音用戶的速率，即12.2 kbit/s的專用業(yè)務信道（DTCH）。DTCH中的數據信號經基帶信號處理后，形成碼元速率為60 ksps的專用物理信道（DPCH）。在基帶信號處理中包含糾錯編碼率Rc=1/2.5的糾錯編碼、二次交織編碼處理、插入專用控制信道（DCCH）和專用物理控制信道（DPCCH）信息等處理過程�；鶐�信號處理的輸出經串/并轉換后的輸出碼元速率為30 ksps。圖1中假設有S11、S21……SN1個信號輸入，則可用于N個用戶。此時的QAM調制用于QPSK調制。

假定SD選用的糾錯編碼和調制方法與語音數據類似，當要求的誤比特率（BER）相同時，移動臺所需的接收信號門限信噪比d相等。取高速數據信道SD輸出的碼元速率為3.84 Msps，糾錯編碼率Rc=1/2.5，暫不考慮DCCH和DPCCH的速率要求，則當M=16個高速數據用戶時，每一用戶的數據速率可達96 kbit/s。合路后的信號SD分為16個時隙，與DPCH在每一幀中的功率控制時隙數相同。每一個時隙對應一個高速數據用戶，也可以采用增加時隙數或改變時隙寬度的方法改變高速數據用戶數或用戶數據速率。

選用QPSK調制時，SD經串/并轉換后的碼元速率為1920 ksps，后續(xù)的PAM變換將根據QAM調制的要求將輸入的多路二進制信號變換為多電平信號，經復擾碼處理后送QAM調制，可以求得此時高速數據信道和語音或低速數據用戶的數據速率比為64。根據信道功率比關系式，可得出它所占用的發(fā)信功率僅相當于29.4個語音用戶。此處取DPCH折合后的語音用戶速率為24 kbit/s�？梢娤到y(tǒng)的自干擾下降較大，可以獲得較高的頻譜和功率利用率。

圖2　下行鏈路用戶端的接收信號電路框圖

圖2為下行鏈路用戶端的接收信號電路框圖。其中，射頻處理主要用于將無線接收的射頻信號變換為與發(fā)射端信號S9對應的中頻信號S9´，然后送正交幅度相干解調，它的兩路輸出信號S8I´和S8Q´送干擾抵消和用戶數據解調，由該電路輸出高速數據用戶K的信號DKI´，也可以送出語音或低速數據用戶K的信號SKI´。其中，干擾抵消和用戶數據解調電路內應包括兩個干擾抵消器：一個用于消除TDMA高速數據信道對語音或低速數據用戶的干擾，從而輸出語音或低速數據；另一個用于消除CDMA語音或低速數據用戶信道對高速數據信道的干擾，從而輸出高速數據用戶的信息數據。

從以上分析可知，由于基站端發(fā)送信號和用戶接收信號設備的簡單性和易實施性，使干擾抵消器得以應用，可使高速數據用戶的用戶數和數據速率在原有語音或低速數據容量的基礎上大幅上升，并可滿足多用戶下行高速率的移動Internet要求。