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标题: HSDPA、WiMAX和LTE关键技术比较与分析 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-13 13:39
标题: HSDPA、WiMAX和LTE关键技术比较与分析
摘要　HSDPA，WiMAX和LTE是目前的技术热点，本文从调制、重传、组网方式以及技术成熟度等几个方面对三者进行分析和比较，并给出相应的结论。
随着移动通信与因特网的快速发展，通信市场正在呈现出话音业务移动化，数据业务宽带化的发展趋势。到2007年底，中国移动通信用户数已经接近5亿，互联网宽带用户数已经超过1亿。在新增的因特网用户中，63%为宽带用户。同时，WiFi，GPRS，EDGE，cdma1x等技术的发展使得无线数据业务应用日益广泛。
HSDPA与WiMAX作为能够提供高速移动数据业务的两种技术，正在引起越来越多的重视。而LTE作为3G长期演进方案，也引起了大家广泛的关注。LTE虽然是3G下一步的演进方向，但其采用了多种新技术，尤其是在物理层有革命性的变化，在网络结构上也有很大改变，其向扁平化方向有了很大的发展。
从市场定位上，WiMAX与HSDPA都是提供高速数据业务，同时也都支持移动性，因此两者存在一定的竞争关系。但两者又有其各自的技术特点，所以还在一定程度上可以互为补充。而LTE虽然目前还处于标准研究阶段，但作为未来3G的发展方向，需要运营商给予足够的重视。本文从调制、重传、组网方式以及技术成熟度等几个方面对三者进行分析和比较，为下一步在网络演进和技术方案选择提供参考。
1、调制技术
为了适应不断变化的无线信道，HSDPA、WiMAX和LTE都采用了多种调制方式，同时都可以根据无线信道质量的变化，动态改变调制方式，以使得传输的性能最优。WiMAX采用了BPSK、QPSK、16QAM和64QAM四种调整方式，而HSDPA采用了QPSK和16QAM两种调制方式。802.16系列标准规定了在不同的信道带宽下，系统中为了达到10-6的误码率要求，各种调制和编码方式所需要的最低信号强度。对于HSDPA系统，3GPP规范定义了12类能力不同的终端。针对每种终端统一规定了30种CQI类别。而这不同CQI级别反映了不同的信道质量条件，同时也对应着一种传输格式，并且分别规定了所使用的传输块大小、编码速率、调制方式、码道数等。LTE支持最高到64QAM的调制方式，同时也采用CQI方式，利用终端报告无线网络质量，网络根据其报告值决定采用相应的网络参数，进而决定最终的数据传输速率。
在物理层技术中，HSDPA采用单载波CDMA方式接入。而WiMAX采用多载波的方式，数据经过交织和星座映射后根据频偏序号按递增顺序调制到分配数据的子载波上。从数据星座映射器中送出的第一个符号应该被调制到具有最低频偏序号的子载波上。同时WiMAX还允许使用OFDMA进行接入，这些都在一定程度上提高了WiMAX系统的频率利用率。LTE标准下行方案包括OFDMA和MC-WCDMA。OFDMA目前是最有可能采用的物理层技术。而上行包括SC-FDMA和OFDMA两种接入方式。LTE已确定采用了多天线技术，其中MIMO天线个数的基本配置是下行2×2、上行1×2，但也在考虑4×4的高阶天线配置。
2、ARQ机制
由于无线移动信道具有时变和多径导致的衰落特点，常有较高的误码率。因此为了减小高层重传，提高正确接收的概率，降低时延，WiMAX、HSDPA和LTE都采用前向纠错（FEC）和自动重传请求（ARQ）两种差错控制方法以确保服务质量（QoS），HSDPA和LTE更进一步采用了HARQ机制。
ARQ机制中，在发送方一个ARQ块有4种状态：未发送、未完成、等待重传和丢弃。这4种状态之间的转换如图1所示。

图1　ARQ状态转换图

3个标准ARQ协议是SAW停等协议，GBN回退N步协议和SR选择性重传协议，3种ARQ基本机制中，SAW停等协议最简单，也是对信头要求最少的协议。它的特点是发端一直对当前数据分组进行处理直到它被成功接收。协议的正确性由一比特（用来表示当前和下一个数据分组）信息就可以表述。所以，它的控制头很小，确认头也很小。而且由于一次只能传送一个数据分组，所以对用户端存储容量的要求就很小。GBN方式在发端可连续发送多个数据分组。发端发送第一个分组后不必等待回执，经过一个往返延迟后，该分组的回执才到达发端。往返延迟定义为送出一个分组到收到其回执之间的时间间隔。在此时间间隔内，另外N-1个分组已被传送。当接收端反馈回来的是NAK时，发端退到此NAK对应的分组，重发该分组及其后的N-1个分组。GBN方式因为采用连续的发送和重传，提高了停等式的效率，并且接收端只需储存当前分组即可。但当往返延迟较大、数据传输速率较高时，由于要重传许多无错分组，GBN方式就不太有效了。SR协议相比之下，效率最高，但要求存储容量很大而且实现起来复杂。它的特点是只传送错误数据分组，要求用序列号识别数据分组。而且，在等待响应的时候，为了充分利用信道容量发端要发送大量数据分组。另外，收端在组合那些分隔重传的信息前必须知道序列号，因此，序列号要和数据分别编码，而且序列号需要更可靠的编码以克服任何时候出现在数据里的错误，这样就增加了对信令要求的带宽。
HARQ技术综合了FEC和ARQ两种差错控制方式的优点而克服了各自的缺点，将二者进行适当的组合，使SW-ARQ，GBN-ARQ或者SR-ARQ系统嵌入一个FEC子系统，便构成了HARQ系统。目前HARQ技术分为type-I和type-II。而HSDPA系统主要采用基于RCPT码的Chase合并方法和递增冗余方法实现type-II HARQ技术。
3、资源调度机制
为了能够高效的利用无线资源，HSDPA、WiMAX和LTE都采用了有效资源调度机制。
WiMAX的MAC层支持点对多点的宽带无线接入应用，主要是在上行和下行链路上进行高速传输。为了让多个用户共享一个物理信道，MAC层必须要有有效的接入和带宽分配算法以支持各种业务的QoS保证。每个连接与单个数据业务关联，每个数据业务与一系列的QoS参数关联，这些QoS参数量化了数据业务的行为。这些参数通过DSA和DCS消息对话管理。标准支持4种不同的业务类型，它们分别为主动授予服务（UGS）、实时轮询业务（rtPS）、非实时轮询业务（nrlPS）、尽力传输业务（BE）。WiMAX可以根据不同的QoS动态分配带宽，具有较大的灵活性。WiMAX的MAC层是基于连接的，为了映射各个用户站（SS）的服务，提供不同级别的QoS，所有的数据通信都是建立在连接的基础之上的。因此，业务流实际上提供了上下行QoS管理的机制，并且和带宽分配的进程紧密联系。一个SS以基于每个连接的方式请求上行带宽。BS在某个时间调度间隔内，或者对一个SS的所有请求总地授予一个带宽，或者按每个连接来授予带宽。因此从以上的分析可以看出，WiMAX可以在无线接入网部分为不同业务提供不同质量的服务。
HSDPA可以采用多种资源调度算法，每种算法在服务效率和服务公平性上有不同的特点。这些算法包括轮询式调度算法、公平吞吐量调度算法、平均C/I调度算法、最大C/I调度算法、部分公平性调度算法以及快速公平吞吐量调度算法，其中前3种算法不考虑信道质量的变化，而后3种变化考虑信道环境的变化，同时根据这些变化调整分配策略。
轮询式调度算法对所有激活用户公平服务，处于小区不同位置的用户都将等概率的获得无线资源。公平吞吐量调度算法优先选择当前吞吐量最低的用户。平均C/I调度算法选择在一个调度周期内平均C/I值最大的用户进行服务。最大C/I式调度算法选择在一个TTI间隔内无线环境最好的用户进行服务，这种方法对无线信道变化相应快，能够获得最大的小区吞吐量性能，但公平性较差。部分公平性调度算法进行折衷，综合考虑用户当前所处无线环境质量以及历史吞吐量情况，选择相对质量较好的用户进行服务。快速公平吞吐量调度算法结合考虑信道的快速变化特性的同时尽量为小区内的所有用户提供公平的吞吐量分布。
LTE采用多种资源调度方式来保障网络的高效运行，主要包括以下方面。
（1）无线承载控制（RBC）；
（2）无线接纳控制，（RAC）；
（3）连接移动性控制（CMC）；
（4）分组调度（PSC）；
（5）小区间干扰协调（ICIC）；
（6）负荷均衡（LB）。
4、网络结构
WiMAX的网络结构如图2所示，其中包括接入网络（ASN）和连接服务网络（CSN）。ASN的功能是管理空中接口。主要功能包括发现网络并选择合适的CSN；在基站和移动用户台（MSS）之间建立层2连接；协助完成鉴权、业务授权和计费；协助高层与MSS建立层3连接，分配IP地址；无线资源管理；根据分级结构进行ASN内移动性管理；ASN内寻呼和位置管理；ASN和CSN之间隧道建立和管理；存储临时用户信息。一个ASN由基站（BS）和接入网关（ASN GW）组成，可以连接到多个CSN，为不同NSP的CSN提供服务。
CSN为WiMAX用户提供IP连接，为一套网络功能的组合，主要包括Internet接入；为用户提供会话连接；基于用户参数的QoS和许可控制；ASN与CSN之间隧道的建立和管理；用户计费和结算；ASN之间的移动性管理；WiMAX服务等。CSN可以由路由器、AAA代理或服务器、用户数据库、Internet网关设备等组成。CSN可以作为全新的WiMAX系统的一个新建网络实体，也可利用部分现有网络设备实现CSN功能。

图2　WiMAX网络结构示意图

UMTS基本构成如图3所示，核心网分为电路域（CS）和分组域（PS）。网络单元包括移动业务交换中心（MSC）、访问位置寄存器（VLR）、网关移动业务交换中心（GMSC），HSDPA使用的分组域网络单元包括业务GPRS支持节点（SGSN）、网关GPRS支持节点（GGSN），归属位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AuC）和设备标识寄存器（EIR）为电路域和分组域共用网元。无线接入网络的网络单元包括无线网络控制中心（RNC）和WCDMA的收发信基站（Node B）两部分。此外核心网PS域通过Gi、Gp接口接入其它PLMN网络或PDN网络，CS域通过PSTN接入固定网络或其它PLMN。RNS（无线网络子系统）通过无线接口（Uu）直接与移动台相接，负责无线信号的发送接收和无线资源管理。另一方面，RNS与MSC、SGSN相连，实现移动用户之间或移动用户与固定网用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。RNS子系统包括RNC和Node B两部分。

图3　UMTS网络结构示意图

LTE相比WCDMA（HSDPA）网络采用了更为扁平化的网络架构，这一方面减少了设备的数量，同时也大大的降低了业务时延。LTE网络架构如图4所示。

图4　LTE网络结构示意图

其中：eNode B主要功能包括无线资源管理、无线承载控制、无线接纳控制、连接移动性控制和动态资源分配（调度）。
而aGW包括原来3G网络中GGSN和SGSN中的所有功能和RNC中的一部分功能。其中新增加的MME功能主要用于向eNode B的寻呼消息的分发，而UPE功能用于IP头压缩和用户数据加密，用户面数据包的终结和支持UE移动性的用户面数据的交换。关于RNC功能在aGW和eNode B中功能的划分，一直存在很大的争论，截至到2007年，最新的LTE标准进展为未来的3GPP系统采用两层网络架构，原来位于RNC的头压缩和加密功能上移到接入网关，Outer ARQ和RRC功能则下移到eNodeB，具体如图5所示。

图5　RNC功能在未来eNodeB和接入网关（AGW）设备中的分配

5、结束语
本文从多种关键技术对HSDPA，WiMAX和LTE进行了对比和分析。为了在移动的环境下提供高速数据业务，三者都采用了一些关键技术，使用了多种调制方式，同时可以根据无线信道质量的变化来调整调制方式。相比HSDPA的160AM，WiMAX和LTE最高可以支持64QAM，还支持OFDM。在网络结构上，WiMAX的组网方式显得更为灵活，每个ASN可以同时为属于不同NSP的CSN服务。而HSDPA在具体的技术上定义的更加细致，例如在重选机制上使用HARQ来提高传输的效率，同时移动性管理做的更好。LTE则采用了更为扁平化的网络架构，在减少系统设备降低业务时延方面有很大的提高。在系统性能上，在5Mbit/s的带宽情况下，HSDPA最高可达到15Mbit/s左右的速率，而WiMAX和LTE允许使用更大的带宽，同时由于采用了OFDM技术，两者的频谱利用率更高。
在产品成熟度方面，HSDPA技术成熟度最高，已经有超过100个商用网络。WiMAX中802.16D的设备已经可以实现商用，802.16E设备08年基本可以实现商用，截止到2006年6月，进行WiMAX试验和提供商用的运营商全球已超过150个，进入商用的网络超过20个。而LTE距离商用还需要一段时间。目前WiMAX已经被纳入3G标准，同时高速无线接入方面有一定的优势，但HSDPA基于现有的3G网络架构，在移动性、用户管理和网络管理等考虑更加全面。综上所述，HSDPA与WiMAX均采用了多种先进技术，大幅度提高了移动通信数据业务的接入速率，而LTE吸取了HSDPA和WiMAX的技术优点，同时符合3GPP标准，是未来移动通信网络发展的方向，所以应当积极跟踪LTE标准的发展，为未来网络的发展打下良好基础。

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