HSDPA组网方案分析

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摘要：文章重点对HSDPA的两种组网方式进行了优劣势分析，并根据目前的HSDPA设备和商用终端情况进行了仿真，结果表明在不同的条件下两种组网方案各具优势。
    最后根据分析和仿真结果指出了进行HSDPA组网方案选择时需要综合考虑的因素。
    1、引言
    WCDMAR99和R4系统能够提供的最高下行速率只能到3.84Mb/s，为了能够与CDMA1xEV-DO抗衡和应对宽带接入（如WiMAX）的竞争，WCDMA系统在R5规范中引入了HSDPA，作为一种下行的增强技术。
    HSDPA技术与CDMA1XEV-DO技术的一个很大的不同点是：HSDPA技术不需要专用的载波。这一特点增加了组网的灵活性，HSDPA技术可以支持两种方式的组网：R99/R4+HSDPA混合组网；HSDPA独立载频组网。进行11SDPA网络部署时，应该如何选择合适的组网方案，以获得更好的网络效率是本文分析的重点。
    2、HSDPA的主要特点
    由于已有不少的文章对HSDPA的特点和关键技术进行描述，本部分仅作概要的叙述，以作为后面相关分析的铺垫。HSDPA的主要技术特点包括如下几个方面：
    2.1高速共享信道
    新增了3个物理信道，其中HS-PDSCH信道是下行共享信道，SF=16，HSDPA最多可以使用的码字为15个。
    2.2自适应调制编码（AMC）
    根据信道质量的好坏进行编码和调制方式的调整，使得数据传输速率最大化。
    2.3高阶调制
    支持16QAM和QPSK调制方式，16QAM可达到比QPSK高一倍的峰值速率，但相对抗干扰性小。
    2.4快速链路适配
    每2ms根据无线环境做适配，进行快速用户调度，充分利用小区的功率和频谱资源。
    2.5H-ARQ
    综合了前向纠错码（FEC）和重传（ARQ）两种方式的特点，重传功能移至NodeB，一方面减小数据传输的时延，另一方面，它充分利用了已传送的信息，获得时间分集的增益。
    3、HSDPA的引入要求
    HSDPA的引入和应用对系统以及终端提出了特定的要求。
    3.1对系统的要求
    在系统方面，引入HSDPA技术对NodeB、RNC和传输提出了新的要求。
    （1）Node B
    NodeB需作的改动如图1中的红色部分所示，增加MAC-hs负责HSDPA用户调度和H-ARQ；增加HS-DSCH传输信道；增加3个新的物理信道（HS-PDSCH、HS-SCCH、HS-DPCCH）和相应的L1处理。

    图1 引入HSDPA对Node OB的影响

    （2）RNC
    RNC的主要要求是：RRM算法的增强、Iub/Iur上新增数据和控制帧、更高的数据处理能力。
    （3）传输
    传输方面，引入HSDPA后，每小区的数据吞吐量会增加，从而增加了对Iub、Iur、Iu接口的带宽需求。
    3.2对终端的要求
    要支持HSDPA业务，对UE的主要要求是：
    （1）新增MAC-hs层
    （2）基带处理增强，可处理多码
    （3）新增16QAM解调
    （4）需要更大的缓存
    3GPP协议规定了12种类型的终端，各类终端所能支持的最大速率如表1所示：

    表1 各类终端所能支持的最大速率

    目前只有类别12的终端已可商用，使用该类终端可获得的最大峰值速率为1.8Mb/s。部分厂商计划在2006年上半年推出支持16QAM的终端，可支持的最高速率为3.6Mb/s。
    4、HSDPA组网方案
    进行HSDPA组网时，可以采用的方案有两种：
    （1）混合组网
    （2）独立组网
    下面对两种组网方案的优缺点进行分析比较，并对某城市密集市区的3G试验局站点进行了两种组网方案比较的仿真。
    4.1混合组网
    在混合组网方式中，HSDPA和R99/R4业务共用相同的载波。
    （1）优劣势分析
    混合组网方案的优点是：
    ◆只需一个载波即可同时承载R99/R4和HSDPA业务。
    ◆对于多载波的情况，易于实现网络的载波间负载均衡。
    ◆采用混合组网方式，在R5小区和R99／R4小区交界区的HSDPA业务切换成功率比较高。
    情形（一）：网络初期，负荷较轻，通常只需要1个载波，如图2所示。HSDPA业务从R5小区到R99/R4小区的切换方式：先进行信道切换（HS-DSCH→DCH），然后再软切换到目标小区。这种切换方式属于同频切换，成功率比较高。

    图2 混合组网交界区切换情形（一）

    情形（二）：当网络发展到需要多个载波时，HSDPA业务从R5小区到R99/R4小区的切换将存在同频切换和异频切换的情况，如图3所示。同频切换的切换方式和成功率与情形（一）相同。异频切换的切换方式为：先盲切换到服务小区公共载频的DCH，然后再软切换到目标小区。异载频的切换成功率比同频切换低。

    图3 混合组网交界区切换情形（二）

    ◆在网络负载较轻的情况下，混合组网可以获得更高的频谱利用率。根据后面的仿真结果（如图4和图5所示），如果小区的R99/R4下行负载不超过50%，只需使用一个载频，对于类别12和6终端可以获得的小区平均HSDPA数据吞吐量达到1.4～1.8Mb/s，对于类别7终端达到3～4.5Mb/s。

    图4 终端类别12的仿真结果

    图5 终端类别6的仿真结果1

    注1：终端类别5的能力与类别6一样，可以得出同样的结果。
    ◆在目前的商用终端条件下，混合组网可以获得较高的谱效率。根据后面的仿真结果，对于类别12的终端，混合组网可获得的最大小区平均总吞吐量（语音业务考虑在内）为1.8Mb/s/载频，而独立组网可获得的最大小区平均总吞吐量只有1.3Mb/s/载频。
    混合组网方案的缺点是：
    ◆在R99/R4负载较重（大于50%）的情况下，HSDPA业务的用户体验比较差，可获得的数据速率比较低。
    ◆由于信道码资源的限制，当支持更大码字数的终端（支持10、15个码字的终端）面世后，使用混合组网方式不能充分发挥这些终端的能力。
    （2）仿真结果
    仿真条件：密集市区环境，某3G试验局连续覆盖站点，用户均匀分布，小区的最大下行功率限制为90%，每小区配置一个HS-SCCH信道，HSDPA业务功率采用动态分配方式，采用PF的MAC-hs调度方式。
    在不同的R99负荷下，单个小区所能容纳的语音用户数和HSDPA业务平均吞吐量如下：
    当R99下行负载限制为75%时，可以同时服务的语音用户数为50多个，小区的平均HSDPA吞吐量为400多kb/s，随着R99下行负载的减少，小区的平均HSDPA吞吐量不断增加，小区平均HSDPA吞吐量最大值接近1.8Mb/s。
    对比图4和图5可看出，虽然终端类别6支持16QAM的调制方式，但由于必需在信道环境比较好（CQI＞15）的情况才会启用16QAM调制，在密集市区环境，信道条件通常比较差，采用终端类别6后小区的平均HSDPA吞吐量提升并不明显。
    对类别7的终端（支持16-QAM、支持最大码字个数为10）进行了仿真，结果如图6所示。当R99下行负载比较重时（接近75%），由于信道码资源的限制，终端不能充分发挥其多码字的作用，小区的平均HSDPA吞吐量接近使用终端类别6时的吞吐量。当R99下行负载比较轻（≤50%）时，可使用的码字资源和下行功率增加，使用类别7终端所能获得的小区平均HSDPA吞吐量明显提升，达到3～4.5Mb/s。

    图6 终端类别7的仿真结果2

    注2：终端类别8的能力与类别7一样，可以得出同样的结果。
    图4、图5和图6均为单载频小区混合组网的结果，对于多载频小区混合组网的情况，小区所能容纳的语音用户数和HSDPA平均吞吐量等于单载频小区的结果乘以载频数。
    4.2独立组网
    在独立组网的方式，HSDPA需要使用专用的载波，R99/R4业务和HSDPA业务分别承载在不同的载波上。
    （1）优劣势分析
    独立组网方案的优点是：
    ◆HSDPA业务和R99业务分别承载在不同的载波上，互不影响，各自能达到自身的最大容量。
    ◆当支持更大码字数的终端（类型7、8、10的终端）可以商用后，使用独立组网可以支持更高的数据吞吐量。根据后面的仿真结果（如图8所示），采用类别7和类别12终端，小区可支持的HSDPA平均吞吐量分别为5Mb/s和10Mb/s，谱效率（语音业务考虑在内）达到3～5.7Mb/s/载频。
    独立组网方案的缺点是：
    ◆至少需要两个载波才能实现对R99/R4业务和HSDPA业务的支持。在网络发展初期，负荷一般比较低，这样的情况下增加HSDPA专用载波会使得系统的频谱利用率下降。
    ◆较难实现载波间的负载均衡。
    ◆采用独立组网方式，在R5小区和R99/R4小区交界区的HSDPA业务切换成功率比混合组网低。
    如图7所示，HSDPA业务从R5小区到R99/R4小区的切换属于异频切换情况，切换成功率比混合组网方式的同频切换成功率低。

    图7 独立组网交界区切换情形

    （2）仿真结果
    仿真条件：R99语音业务使用载波1，HSDPA业务使用载波2，其他条件与混合组网的相同。
    在载波1上，当下行负载限制为90%时小区能够支持的最大语音用户数为65个左右。
    载波2上的小区平均HSDPA吞吐量如图8所示：

    图8 独立组网的仿真结果

    由图可见，随着终端的能力提升（支持16QAM、支持更多的码字），小区可支持的HSDPA平均吞吐量不端增加，如果使用终端类别10，可以达到10Mb/s左右。
    5、结束语
    根据前面的分析和仿真结果可知，在不同的网络负荷、终端和数据业务需求情况下，两种方案各具优势。在R99/R4负载比较轻的情况下（≤50%），采用混合组网方案是一种较佳的选择，HSDPA业务可以与R99/R4业务充分地共享资源，获得更高的网络效率；在R99/R4负载比较重的情况下，如果数据业务需求量不是很高，仍可选用混合组网，能够获得较高的频谱利用率。在HSDPA商用终端可以支持更多的码字数（10、15）后，如果数据业务需求量非常大，采用独立组网是较佳的选择，HSDPA业务与R99业务互不影响，网络可支持更高的数据吞吐量，用户可以获得更佳的业务体验。
    总之，在进行具体的组网方案选择时需要综合考虑：市场因素：R99/R4业务渗透率、HSDPA业务渗透率、数据业务速率要求；技术因素：HSDPA终端能力、系统设备能力。只有全面地考虑了这些因素，才能作出恰当的选择，获得更好的网络效率。