HSPA+與LTE關(guān)鍵技術(shù)對標(biāo)分析[圖]

0 前言

隨著3G移動通信網(wǎng)絡(luò)在全球的大規(guī)模建設(shè)，市場對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求也在急劇上升，移動寬帶技術(shù)的發(fā)展越來越快。這些技術(shù)主要集中在2個方面，一是3G技術(shù)的演進——HSPA+，一是4G技術(shù)的出現(xiàn)——LTE。對于HSPA+，通過不斷引入高階調(diào)制、多入多出、雙載波等技術(shù)，提高峰值速率；對于LTE，則采用頻率效率更高的OFDM技術(shù)，從而達到5 bit/Hz以上的高效編碼效率。

目前HSPA+網(wǎng)絡(luò)在全球已經(jīng)得到了大范圍的部署。截至2010年底，全球已經(jīng)有67個國家的148個HSPA+商用網(wǎng)絡(luò)的演進計劃，其中103張網(wǎng)絡(luò)已完成在57個國家的商用部署（包括13個雙載波42 Mbit/s HSPA+，11個MIMO 28 Mbit/s HSPA+，79個64QAM 21 Mbit/s HSPA+）；支持HSPA+的終端已達到63款，支持HSPA-LTE的雙模終端達到27款。

LTE網(wǎng)絡(luò)部署也初現(xiàn)端倪，其發(fā)展勢頭，大有后來居上之勢。截至2011年1月，全球范圍內(nèi)共有17個正式商用的LTE網(wǎng)絡(luò)，分布于15個國家和地區(qū)，還有52個預(yù)商用LTE試驗網(wǎng)，有128個LTE 商用承諾，分布于52個國家。預(yù)計到2012年全球范圍內(nèi)將至少有64個商用的LTE網(wǎng)絡(luò)。目前已有26家廠商可以提供47款LTE商用終端，其中包括4款手機。

HSPA+與LTE在許多關(guān)鍵技術(shù)方面都存在著大量的異同點，本文針對這些關(guān)鍵技術(shù)的異同點進行對比分析。

1 由分層向扁平化演進的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

HSPA+采用的是與WCDMA相同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，是基于多個不同節(jié)點和接口的分層架構(gòu)。Node B負責(zé)糾錯、調(diào)制、擴頻以及從基帶到天線發(fā)送的射頻信號的轉(zhuǎn)換等物理層處理。RNC通過Iub接口控制著多個Node B，管理呼叫建立、業(yè)務(wù)質(zhì)量處理和小區(qū)的無線資源管理等功能，并通過Iu接口，連接到核心網(wǎng)。RNC間采用Iur接口連接，實現(xiàn)跨RNC的切換。分層方法的好處在于，它提供了整體處理的特定結(jié)構(gòu)，使得每一層都負責(zé)無線接入功能的不同部分。

在確定了LTE不需要支持上下鏈路宏分集功能之后，遵循最小化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計原則，LTE采用了單節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。扁平化架構(gòu)帶來的直接好處就是減少了網(wǎng)絡(luò)實體的個數(shù)從而縮短了信令和數(shù)據(jù)傳送的時間并改善了傳輸效率。LTE將WCDMA的RNC和Node B合二為一，產(chǎn)生一個新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（eNode B），它負責(zé)管理一系列小區(qū)。由于eNode B繼承了RNC的大部分功能，因此它比Node B更為復(fù)雜，它負責(zé)單小區(qū)RRM、切換、小區(qū)中用戶調(diào)度等。eNode B采用S1接口與核心網(wǎng)相連，S1與Iu接口類似。eNode B間采用X2接口連接，主要用于支持激活模式的移動性，只用于相鄰小區(qū)的eNode B間。圖1示出的是WCDMA/HSPA與LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2 無線接入技術(shù)

WCDMA/HSPA采用基于CDMA的碼分多址無線接入技術(shù)，在較寬的頻譜上進行直接序列擴頻。WCDMA技術(shù)使用正交可變長度擴頻碼（OVSF）進行擴頻，對于不同業(yè)務(wù)承載帶寬不同，則獲得的處理增益不同。在下行方向，碼片速率同為3.84 Mchip/s的OVSF碼和擾碼疊加，起擴頻碼的作用。前者用于區(qū)分同一小區(qū)下不同信道或用戶，實現(xiàn)碼分多址接入；后者用于區(qū)分小區(qū)。在上行方向，擴頻碼也是碼片速率為3.84 Mchip/s的OVSF碼和另一個擾碼的疊加，而這時OVSF碼因為不同步，不再用于區(qū)分用戶，區(qū)分用戶功能靠擾碼來完成，每一個UE都使用自己的擾碼。HSDPA引入HS-DSCH后，為了有效降低數(shù)據(jù)傳輸所需的網(wǎng)絡(luò)側(cè)與UE側(cè)的工程實現(xiàn)復(fù)雜程度，采用固定因子的擴頻碼，即SF=16。對不同傳輸速率的支持可通過多碼傳輸來實現(xiàn)，系統(tǒng)通過給用戶動態(tài)分配OVSF序列數(shù)目來滿足傳輸速率的要求，3GPP規(guī)定最多有15個SF=16的碼字可以用于HS-DSCH。HSUPA引入E-DPDCH后，采用擴頻因子為64~2的OVSF碼，實現(xiàn)較高的上行接入速率帶寬。

LTE采用基于OFDM的正交頻分復(fù)用的無線接入技術(shù)，OFDM支持基站同時與多個移動終端通信，每個移動終端占用不同的頻率。LTE下行鏈路采用OFDM多址接入方案是因為OFDM具有的特點滿足了LTE設(shè)計的初衷：帶有循環(huán)前綴的OFDM符號具有相對較長的時間尺度，因此OFDM提供了很高的穩(wěn)定性來對抗信道頻率選擇性；OFDM提供了頻域的多址接入；靈活的傳輸帶寬可以支持不同大小頻譜分配操作；可以從多個基站傳輸相同的信息實現(xiàn)廣播和多播傳輸。LTE上行鏈路采用DFT擴展OFDM（DFTS-OFDM）技術(shù)，是因為DFTS-OFDM可以實現(xiàn)發(fā)射信號的瞬時功率變化小（單載波性質(zhì)）、能在頻域使用低復(fù)雜度高質(zhì)量的均衡、能使用具備靈活帶寬分配的FDMA。圖2示出的是CDMA與OFDMA多址方式。

3 支持的調(diào)制方式

為了提高頻譜資源利用率，在R7版本中HSPA+下行鏈路引入64QAM高階調(diào)制技術(shù)，上行鏈路增加16QAM。HSPA+下行鏈路支持的調(diào)制方式有QPSK、16QAM和64QAM，上行鏈路支持的調(diào)制方式有BPSK、QPSK和16QAM。

LTE下行鏈路與HSPA+一樣，可以支持QPSK、16QAM和64QAM調(diào)制方式。對于上行鏈路，考慮到終端在發(fā)射功率和能耗方面的限制，現(xiàn)有的移動通信系統(tǒng)一般不采用64QAM，而LTE更為重視熱點覆蓋和微小區(qū)覆蓋，在最終決定LTE中暫不實現(xiàn)上行單用戶MIMO技術(shù)后，經(jīng)過討論確定要支持上行64QAM調(diào)制方式，因此LTE上行鏈路與下行鏈路一樣，支持QPSK、16QAM和64QAM調(diào)制方式（見圖3）。

4 信道共享與速率適配

HSPA的一個關(guān)鍵特性就是共享信道發(fā)送。HSPA下行信道的信道化碼和發(fā)射功率可以在小區(qū)內(nèi)的用戶間動態(tài)共享，這種共享主要是在時域上進行。HSPA采用動態(tài)速率控制的鏈路自適應(yīng)技術(shù)，通過動態(tài)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)速率可補償動態(tài)的信道變化。無線鏈路數(shù)據(jù)通過調(diào)整每一個TTI（2 ms）內(nèi)所采用的調(diào)制方式、傳輸塊的大小和分配給UE的信道化碼集合來實現(xiàn)速率調(diào)整。速率控制通常取決于瞬時信道條件，最典型的是通過CQI來獲得的。

LTE也可以實現(xiàn)共享信道傳輸，但與HSPA不同的是，LTE共享資源為時間和頻率。共享信道傳輸?shù)膽?yīng)用可以很好地匹配分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提出的快速變化資源需求。LTE采用調(diào)度器來決定每條鏈路上所用的數(shù)據(jù)速率。與HSPA不同的是，LTE終端只服從服務(wù)小區(qū)的調(diào)度命令。下行鏈路調(diào)度器基于信道狀態(tài)報告分配下行傳輸資源，被調(diào)度終端可以在每個1 ms的調(diào)度間隔內(nèi)被分配以180 kHz寬的資源塊的任意組合。上行鏈路調(diào)度器基于不同上行鏈路傳輸?shù)恼�交分割，可以�? ms執(zhí)行1次，控制在給定時間間隔內(nèi)允許哪些移動終端在小區(qū)內(nèi)采用何種頻率、數(shù)據(jù)速率進行傳輸。

5 帶寬與頻譜效率

WCDMA/HSPA經(jīng)過擴頻調(diào)制后的碼片速率為3.84 Mchip/s，在進行脈沖整形時，要盡量壓縮旁瓣，使99%的能力集中在主瓣上。旁瓣能量的集中程度體現(xiàn)在滾降系數(shù)上，目前在WCDMA中統(tǒng)一選擇α＝0.22，對應(yīng)的帶寬＝（1＋α）×速率 ＝（1＋0.22）×3.84＝4.75 MHz，取5 MHz，所以WCDMA/HSPA系統(tǒng)信道占用帶寬為固定值5MHz。在5　MHz頻帶寬度內(nèi)，R99達到的下載速率為3.84 Mbit/s，HSDPA為14.4 Mbit/s，HSPA+ 64QAM為21 Mbit/s，HSPA+ 64QAM+MIMO可以達到42 Mbit/s，HSPA+64QAM+MIMO+DC可以達到84 Mbit/s，因此對于WCDMA/HSPA系統(tǒng)而言，根據(jù)其采用的技術(shù)不同，頻譜效率也相差甚大（見表1）。

LTE在下行鏈路上使用了OFDMA的多址技術(shù)，將帶寬分成若干個子載波，所以相對HSPA+具有靈活的帶寬，目前可實現(xiàn)1.4、3、5、10、15、20 MHz等6種信道帶寬。較低的頻帶（1.4~3 MHz）被選擇用來克服在CDMA2000處LTE頻譜融合的困難，同時幫助GSM和TD-SCDMA向LTE演進。LTE的設(shè)計目標(biāo)是在20 MHz頻譜范圍內(nèi)，下行鏈路達到100 Mbit/s，上行鏈路達到50 Mbit/s。而實際LTE能達到的峰值速率已遠遠超過這個目標(biāo)。對于20 MHz帶寬，LTE上下行速率分別可以達到172和60 Mbit/s。

從表1可以看出，在采用了高階調(diào)制和多入多出等技術(shù)后，HSPA+的頻譜效率已經(jīng)接近LTE技術(shù)。

6 帶有軟合并的HARQ和MIMO

HSPA與LTE也采用了許多相同的關(guān)鍵技術(shù)，如帶有軟合并的HARQ和MIMO技術(shù)。

帶有軟合并的HARQ技術(shù)允許終端對接收到的錯誤傳輸塊請求重傳，微調(diào)有效的編碼速率和補償由于鏈路適應(yīng)機制帶來的錯誤。終端嘗試解碼每一個接收到的傳輸塊，并在接收到傳輸塊5 ms后報告基站接收是成功還是失敗。沒有成功接收到的數(shù)據(jù)將會得到快速重傳，對比R99明顯減少了重傳的時延。

MIMO技術(shù)是HSPA+ R7版本中主要的新特征之一，它通過多個流的傳輸增加數(shù)據(jù)的峰值速率。通過在發(fā)射端和接收端使用多根天線，獲得分集增益，進而增加接收機的載干比。對于HSPA+而言，MIMO是系統(tǒng)能力增強技術(shù)之一，可以選用也可以不選用。而對于LTE而言，MIMO技術(shù)是一個必需內(nèi)容，多根天線的應(yīng)用是達到激進的LTE性能目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)。

7 大規(guī)模引入需要關(guān)注的問題

HSPA+分別在R7、R8版本提出了MIMO和DC技術(shù)。其中MIMO要求多套天饋系統(tǒng)，DC要求雙載波。不同的國家和地區(qū)對這2種技術(shù)采取了截然不同的態(tài)度。歐洲地區(qū)由于頻率資源緊張，很難找出更多的載頻來實施DC，因此當(dāng)?shù)氐倪\營商更多的是關(guān)注MIMO技術(shù)的應(yīng)用；而中國，頻率資源屬于國家統(tǒng)一指配，對于運營商而言，較容易獲得。目前在中國運營著多種技術(shù)制式的移動網(wǎng)絡(luò)，在城區(qū)基站眾多，屋頂天線林立，若再增加天饋系統(tǒng)來實現(xiàn)MIMO則非常困難，因此對中國而言，則更多傾向于DC技術(shù)。

LTE的建設(shè)首先要解決其頻點使用問題。LTE的具體頻段還未最終確定，其可使用的頻段涵蓋了IMT-2000的整個頻段范圍，目前業(yè)界主流頻譜集中在800 MHz、1.8 GHz和2.6 GHz。頻段范圍的差別，決定了LTE布網(wǎng)成本高低。其次是網(wǎng)絡(luò)定位問題，LTE定位于超寬帶無線接入業(yè)務(wù)，覆蓋區(qū)域的選擇考慮以優(yōu)先熱點覆蓋為主，后續(xù)連續(xù)覆蓋的策略。在LTE建設(shè)的初期，要準(zhǔn)確定位，能夠提供差異化服務(wù)，避免產(chǎn)生與現(xiàn)有移動技術(shù)重復(fù)建設(shè)的問題。

8 結(jié)束語

HSPA+是WCDMA的后續(xù)演進技術(shù)，它在標(biāo)準(zhǔn)制定之初就考慮到最大后向兼容問題，因此可以在現(xiàn)有3G網(wǎng)絡(luò)基站上平滑升級來建設(shè)HSPA+網(wǎng)絡(luò)。LTE技術(shù)的定位是能將電信產(chǎn)業(yè)帶入2020年的無線通信系統(tǒng)，在最初設(shè)計時就不考慮早先的終端，不受現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)影響，因此LTE具有更高的頻譜效率，可變的帶寬等特性，但對現(xiàn)有設(shè)備存在兼容問題，網(wǎng)絡(luò)改造量較大。這2種技術(shù)各有優(yōu)缺點，其最終的發(fā)展，還在于市場的需求。

參考文獻：

［1］ 3GPP TR 25.999 High Speed Packet Access（HSPA）evolution; Frequency Division Duplex（FDD）［2011-03-08］. ［S/OL］. http://wenku.baidu.com/view/9b84318102d276a200292eb2.html.

　�。�2］ 3GPP TR 25.899 High Speed Downlink Packet Access（HSDPA）enhancements［2011-03-08］. ［S/OL］. http://www.quintillion.co.jp/3GPP/Specs/25899-610.pdf.

　　［3］ 3GPP TR 25.950 UTRA High Speed Downlink Packet Access（HSDPA）［2011-03-08］. ［S/OL］. http://www.arib.or.jp/IMT-2000/V830Mar11/5_Appendix/Rel4/25/25950-401.pdf.

　�。�4］ Erik Dahlman. 3G演進 HSPA與LTE［M］. 堵久輝，繆慶育，徐斌，譯. 北京：人民郵電出版社，2010.

作者：陳崴嵬 耿玉波　中訊郵電 來源：c114中國通信網(wǎng)