HSDPA技術的相關探討

　　隨著移動寬帶網(wǎng)絡技術HSDPA(高速下行分組接入)商用化進程的加速，運營商對于HSDPA的網(wǎng)絡的性能及部署越來越關心，HSDPA如何與WCDMA R99網(wǎng)絡聯(lián)合組網(wǎng)等問題，成為大家關心的焦點。中國運營商也在為3G的部署積極準備著，進行各種網(wǎng)絡規(guī)劃和設計工作。

　　目前WCDMA無線網(wǎng)絡的規(guī)劃設計大都是以R99版本為基礎的，WCDMA無線網(wǎng)絡的規(guī)劃設計不能不考慮網(wǎng)絡的平滑演進，為網(wǎng)絡的發(fā)展留下空間和余地。如何考慮R99和HSDPA的網(wǎng)絡部署呢?問題的焦點在于HSDPA的平滑升級、覆蓋和容量等。HSDPA的部署中是否可以將硬件非常平滑地升級直接關系到部署成本和時間，HSDPA的覆蓋是否和R99一致，關系到已完成的網(wǎng)絡規(guī)劃是否重新設計、尋址和已經(jīng)部署的網(wǎng)絡是否要增加基站等結(jié)構(gòu)上的調(diào)整，HSDPA和R99業(yè)務共享同一載波，還是需要新增載波等等。

　　其實，HSDPA與1xEVDO具有十分相似的基本技術機制，而北電在1xEVDO市場上有超過66%的市場份額，在網(wǎng)絡的規(guī)劃設計，運營和優(yōu)化方面積累了豐富的工程經(jīng)驗，最先實現(xiàn)了HSDPA在商用網(wǎng)中使用第三方商用終端的現(xiàn)場應用演示，并同許多運營商進行了大量的外場測試，因而可以為用戶提供完整的，經(jīng)濟有效的HSDPA解決方案。本文著重探討HSDPA的覆蓋，容量及WCDMA無線網(wǎng)絡向HSDPA的平滑演進。

HSDPA技術概述

　　類似于1xEVDO，HSDPA引入的最主要的幾項核心技術為：

　　●自適應調(diào)制與編碼(Adaptive Modulation and Coding or AMC)

　　●混合自動重發(fā)請求(Hybrid Automatic Request or H-ARQ)

　　●快速調(diào)度算法(Fast Scheduling)

　　自適應調(diào)制與編碼是基于無線條件和終端能力進行自適應調(diào)制和編碼，它可以根據(jù)UE所測量的下行信道條件優(yōu)選調(diào)制和編碼方式，提高下行鏈路的吞吐量。比如，當信道條件差時或干擾強時，選擇更高保護性的調(diào)制和編碼方式，而當信道條件好時或干擾弱時，選擇高階調(diào)制如16-QAM和低編碼率如7/8等。換句話說，自適應調(diào)制與編碼提供適應無線條件的鏈路適配，每次調(diào)制及編碼的選擇均基于UE上報的CQI(Channel Quality Indicator即無線信道質(zhì)量)和UE類別(即UE能力)做出判斷。在UE可以支持的范圍內(nèi)，無線環(huán)境好，便使用抗信道衰落能力較差的高速率調(diào)制編碼，提高峰值速率；反之則需要較多的編碼比特和低階調(diào)制用于對抗信道衰落。每一2ms無線子幀中，HSDPA業(yè)務信道上的碼字的數(shù)量、編碼速率和調(diào)制方式(QPSK or 16QAM)都可以重新選擇。

　　混合自動重發(fā)請求技術是前向糾錯編碼FEC和ARQ技術的結(jié)合，即結(jié)合了自動重發(fā)與前向糾錯的容錯恢復機制，并使用合并前后含有相同數(shù)據(jù)單元的機制或重傳信息塊的增量冗余機制，帶來更低的剩余誤塊率，從而減少高層協(xié)議RLC層的重發(fā)和降低下行分組包的發(fā)送時延與環(huán)回時延(round trip delay)。H-ARQ重傳是在物理層上實現(xiàn)的，它能有效的增加無線鏈路的數(shù)據(jù)吞吐量，減小重傳的時延，從而提高整個扇區(qū)的吞吐量。HSDPA支持兩種合并機制：對基站重發(fā)相同的分組包進行前后合并或?qū)�基站重發(fā)含有不同編碼(即冗余信息)的分組包進行增量冗余合并。HSDPA終端要求同時支持前后合并和增量冗余兩種方式，然而增量冗余要求HSDPA終端具有專供高速數(shù)據(jù)業(yè)務使用的更大的內(nèi)存空間。

　　快速調(diào)度算法是在動態(tài)復雜的無線環(huán)境下使多用戶更有效地使用無線資源，提高整個扇區(qū)的吞吐量。調(diào)度算法功能實現(xiàn)于基站，采用了時分加碼分的技術，而且用戶對于共享信道的使用權(quán)每一個2ms無線子幀都可以重新調(diào)度，反應速度大大提高。調(diào)度算法可以綜合評估多方因素，在實施HSDPA分組調(diào)度時，調(diào)度算法會根據(jù)事先掌握的信息如：

　　●每個傳輸時間間隔(TTI)階段可用的碼資源和功率資源

　　●UE上報的無線信道質(zhì)量CQI

　　●以前發(fā)送數(shù)據(jù)是否被正確接收的反饋信息(ACK/NACK)

　　●將要傳送數(shù)據(jù)塊的優(yōu)先級等

　　在多用戶中實施快速調(diào)度和無線資源的最優(yōu)使用，提高頻譜的使用效率。

　　HSDPA引入的新增信道有：

　　●上行引入了1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CQI，使用的擴頻因子為SF256；

　　●下行引入了最多15個碼分多址的共享業(yè)務信道(HS-PDSCH)，用以承載數(shù)據(jù)比特，使用的擴頻因子為SF16，注意這些業(yè)務信道可以供單用戶使用或供多用戶共享，仿真分析顯示當同時使用的業(yè)務信道增多時，碼間干擾增加很快；

　　●下行還引入了最多4個公用控制信道(HS-SCCH)，用以承載業(yè)務信道的控制信令，使用的擴頻因子為SF128，下行公用控制信道要消耗一定的功率，影響系統(tǒng)的容量，如何配置該信道的數(shù)目及功率要十分慎重，在HSDPA和R99共享載頻的情況下尤為關鍵。

　　HSDPA是基于“功率固定，速率適配優(yōu)選”的原理，而不是R99快速功率控制的原理。由于下行采用了時分加碼分，以前的軟切換不再適用，小區(qū)間的切換變成了快速重選。在上行，軟切換機制與R99相同，參與軟切換的小區(qū)都是激活集成員。下行快速重選的目標小區(qū)也必須是激活集成員，主小區(qū)更新的決定權(quán)在RNC，它根據(jù)UE測量上報的測量結(jié)果作出選擇。

HSDPA的覆蓋

　　對于無線網(wǎng)絡覆蓋規(guī)劃所依據(jù)的上行鏈路而言，R99版的設計中，城市一般是以CS64為上行連續(xù)覆蓋的無線承載以提供相應的保證業(yè)務，也就是說小區(qū)的最大覆蓋半徑是以該無線承載為基準的，因而可提供該無線承載的連續(xù)覆蓋。而對PS業(yè)務而言，上下行的業(yè)務可以取上行PS64配合下行PS64，上行PS64配合下行PS128，上行PS64配合下行PS384，上行PS128配合下行PS128等各種組合的無線承載，在小區(qū)邊緣至少可以取上行PS64配合下行PS64的無線承載提供分組高速數(shù)據(jù)業(yè)務。對于HSDPA，相應的無線承載為上行基于PS64的DCH配合下行HSDPA，上行基于PS128的DCH配合下行HSDPA，上行基于PS384的DCH配合下行HSDPA等組合的無線承載，而在小區(qū)邊緣至少可以取上行PS64的DCH無線承載。

　　由于R5在上行增加了物理層的HS-DPCCH信道用于傳送UE上報的下行無線信道質(zhì)量CQI和以前發(fā)送數(shù)據(jù)是否被正確接收的反饋信息(ACK/NACK)，它要占用一定的UE功率。對比R99版本信道DPDCH/DPCCH的QoS要求，HS-DPCCH信道在保持不變的ACK/NACK的誤碼率及CQI的誤塊率要求的情況下需要較高的Eb/No，這是針對基于上行CS64承載為參考的鏈路預算而言的。實際上HSDPA可以至少取上行PS64專用信道配合下行HSDPA信道提供分組高速數(shù)據(jù)業(yè)務，考慮到CS64承載和PS64承載之間Eb/No的差別，不難得出基于R99版本中上行CS64為覆蓋基準設計的無線網(wǎng)絡與基于PS64專用信道為覆蓋基準的HSDPA具有相當?shù)母采w能力，注意這里的前提是R5版本的無線網(wǎng)絡對上行業(yè)務的QoS要求保持與R99相同。在這個意義上，一個規(guī)劃合理的R99版本的無線網(wǎng)絡，其結(jié)構(gòu)應該對技術的演進具有良好的可演進性，并不需要對網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)做大的調(diào)整。

HSDPA的容量

　　根據(jù)WCDMA無線網(wǎng)絡覆蓋，質(zhì)量和容量的相互關系，HSDPA的容量同樣不是孤立的容量，而是基于前述的覆蓋半徑和網(wǎng)絡保證業(yè)務的QoS不變情況下的容量。由于引入了前述的三項核心技術，HSDPA的下行容量大大提高。如果用吞吐量來表征容量，它可以從幾個方面來衡量：單用戶峰值數(shù)據(jù)速率，多用戶時平均每用戶吞吐量，多用戶時扇區(qū)平均吞吐量等。此外，容量還受到終端能力，無線環(huán)境，接入下行共享信道的用戶數(shù)，公用信道的功率配置，功率資源，碼資源等許多因素的影響。R99中，每一個承載的可用功率受限于基站配置參數(shù)所允許的范圍，它是PA功率的一部分。HSDPA下行用戶可使用配置給HSDPA的全部功率。通常HSDPA的容量分析首先是確定HSDPA在單獨載頻部署情況下的容量，HSDPA與R99共享載頻部署情況下的容量涉及的因素更多，這里暫不作分析。

　　單用戶峰值數(shù)據(jù)速率一般是指在理想的無線環(huán)境下，系統(tǒng)所支持的各類終端的最高下行速率，體現(xiàn)的是系統(tǒng)和終端所能實現(xiàn)的功能和最大能力，它可以直接測試驗證，但一般不作為網(wǎng)絡規(guī)劃的參考點。

　　多用戶時平均每用戶吞吐量，多用戶時扇區(qū)平均吞吐量等容量指標通常取為網(wǎng)絡規(guī)劃的依據(jù)。實際環(huán)境下的容量需要借助仿真來估計。類似于R99的情形，下行容量與業(yè)務信道可用功率密切相關。因此，首先要確定各個下行信道的功率配置，具體的方法是：(1)由上行鏈路預算求出小區(qū)最大路徑損耗，(2)以該路徑損耗對應的小區(qū)半徑計算90%區(qū)域可靠度所要求的導頻功率，(3)以導頻功率為參考計算其他公用信道的功率配置，(4)計算90%區(qū)域可靠度所要求的HS-SCCH功率，(5)最后得出業(yè)務信道HS-PDSCH的可用功率，(6)基于業(yè)務信道HS-PDSCH的可用功率通過仿真確定吞吐量。比如，在基于R99版的網(wǎng)絡設計條件下，取城市環(huán)境，步行用戶多徑信道模型，6類UE無接收分集，仿真可得出HSDPA在單獨載頻部署方式下的扇區(qū)平均吞吐量約為1～2Mbps之間，接收分集的增益約為15%。多用戶時平均每用戶吞吐量則隨同時激活的用戶數(shù)而變化。

HSDPA的部署

　　HSDPA具有對R99版本的兼容性，它是對R99功能的增強，HSDPA既可以使用單獨載頻方式，也可以和R99共享同一個載頻，此時需要HSDPA和R99信道間的動態(tài)功率共享才能有效地工作。在部署初期，由于3G用戶數(shù)處于發(fā)展階段，數(shù)據(jù)業(yè)務量不大，加之WCDMA每載波5MHz的帶寬、容量顆粒度大的特性，可以將HSDPA和R99業(yè)務在同一個載波上實現(xiàn)，即支持高速數(shù)據(jù)業(yè)務，也能夠支持話音、可視電話業(yè)務，是一個比較經(jīng)濟的部署方案。同時，OVSF碼的分配也是需要考慮的因素。比如初期采用靜態(tài)預留碼資源管理算法，可根據(jù)業(yè)務比例預留給HSDPA適當?shù)拇a資源，既支持了HSDPA下行足夠大的吞吐量，又兼顧了R99業(yè)務需求，保證電路域業(yè)務不受影響。歐洲運營商在HSDPA部署初期均計劃使用一個載波同時支持R99和HSDPA的業(yè)務。HSDPA將主要針對大城市的密集地區(qū)等有高速數(shù)據(jù)需求的地區(qū)，使具有HSDPA能力的小區(qū)連片，避免頻繁的R99和R5間的信道切換，即HSDPA與R99信道間的切換應集中在HSDPA部署區(qū)域的邊界，否則會引起系統(tǒng)開銷過大和影響用戶體驗。當數(shù)據(jù)業(yè)務逐漸成熟，用戶大量增加使得網(wǎng)絡負載達到設計目標時，可以增加第二個載波來緩解容量的壓力，并根據(jù)需求擴大其覆蓋區(qū)域。那么，第二個載波是R99和HSDPA混合使用，還是單獨用于HSDPA呢?這完全取決于當時用戶的使用特性，如果R99的業(yè)務和高速數(shù)據(jù)業(yè)務同時增長，那么，兩個載波都配置成同時支持R99和HSDPA；如果高速數(shù)據(jù)業(yè)務要求非常突出，可以考慮將一個載波單獨配置成只支持HSDPA。

結(jié)語

　　HSDPA與1xEVDO都支持高速移動數(shù)據(jù)業(yè)務，具有十分相似的基本技術機制，在產(chǎn)品實現(xiàn)、網(wǎng)絡規(guī)劃設計、優(yōu)化和實施上都具有許多一致的理念，可以互相借鑒和共享。北電自2002年商用1xEVDO網(wǎng)絡來，迄今已部署了11個1xEVDO網(wǎng)絡，有超過66%的市場份額。通過3年的實際部署，積累了豐富的網(wǎng)絡規(guī)劃設計，運營和優(yōu)化經(jīng)驗，基于CDMA經(jīng)驗，北電HSDPA產(chǎn)品的研發(fā)和商用進程也在業(yè)界領先，尤其是率先實現(xiàn)了HSDPA在商用網(wǎng)中使用第三方商用終端的現(xiàn)場應用演示的里程碑，因而可以為用戶提供完整的，經(jīng)濟有效的HSDPA商用解決方案。