HSDPA部署策略及覆盖、容量规划

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  1  HSDPA发展背景
    市场竞争是目前运营商推动HSDPA发展的最现实因素，运营商可以通过部署HSDPA对抗CDMA2000运营商的竞争，同时，也通过HSDPA与其他WCDMA运营商竞争。与WCDMAR99/R4版本相比，提供更高的接入速率是HSDPA最大的技术优势，为了对抗CDMA20001xEV-DO的相对较R99/R4高的数据承载速率，WCDMA运营商选择高起点的版本寻求差异化竞争优势，积极部署HSDPA以争取3G业务上的后发优势。
    HSDPA是3GPPR5中引入的一种新技术，其主要目标是为UMTS提供一种高下行带宽、低延迟的分组无线宽带接入业务。HSDPA坚持平滑演进的理念，对R99结构做了较小的修改，新增MAC-hs层实现快速自动重传、快速调度以及自适应调制和编码，并在物理层新增3个专用信道（HS-PDSCH、HS-SCCH、HS-DPCCH）。HSDPA应用了一些新技术：AMC（AdaptiveModulationand Coding），即自适应调制和编码；HARQ（Hybrid Automatic Repeat Request），即混合自动重传；Fast Scheduling，快速调度。
    2  HSDPA的覆盖与容量分析
    2．1HSDPA覆盖范围计算：
    HSDPA使用服务小区更新即硬切换，HS-PDSCH信道不支持软切换，因此没有切换增益。处于小区边缘的HSDPA用户可以使用硬切换或者使用CELL_DCH（HS-PDSCH）到CELL_DCH（DCH）状态迁移的方式进行小区切换。由于HS-PDSCH使用SF=16的扩频因子，其处理增益要小一些，与R99相比，HSDPA覆盖半径比CS12.2k话音（SF=128）要小，但比PS384k（SF=8）大，由于HSDPA可以给一个链接提供较大的信道功率，大致可以认为HSDPA的系统覆盖半径与R99的低速PS业务一致，如PS64k（SF=64）。
    由于城区基站的小区半径不一致，在中心热点地区更是通过多重覆盖方法来解决覆盖、容量问题，在本文中不探讨HSDPA的覆盖半径，直接认为HSDPA的低速业务等同于R99的低速PS业务。本文中以覆盖率的方式探讨HSDPA的流量变化，探讨HSDPA用户的速率与基站覆盖率之间的关系。例如当用户业务速率较高时（达到500kbit/s时），用户不应该远离基站，否则HSDPA系统会加大信道功率，对邻区用户造成较大干扰。HSDPA业务流量与PS384kbit/s业务流量与覆盖率的关系如图1。

    图1  HSDPA与R99PS384k业务流量/覆盖率比较

    图1中红线代表R99的流量，由于码资源受限，因此在UE靠近基站时，R99的流量达到上限（7×384kbit/s）后就不会再增加，如果不考虑码资源受限，则R99的流量曲线见红色虚线。从图1中可以看出，在距离NodeB距离近的点，HSDPA的流量远远优于R99。在45％半径左右的位置，HSDPA性能下降到与R99相仿的水平，当到70％，进入R99的切换区，因此R99获得切换增益，流量得到补偿，因此维持在一个比较稳定的水平。而HSDPA没有切换，因此在远端其流量将急剧下降。该图充分显示了与R99的DCHPS业务比较、HSDPA在近点流量上的优势以及在远点覆盖上的不足。
    2.2HSDPA可提供容量计算
    HSDPA采用QPSK、16QAM调制方式，可以达到的理论峰值吞吐量为：14.4Mbit/s。当调制方式为QPSK，占用15个码道时，吞吐量为3.6Mbit/s，当调制方式为16QAM，占用15个码道时，吞吐量为14.4Mbit/s。理论吞吐量会受到下列因素的影响：用户数、可用信道数、终端性能、小区无线资源管理、小区网络配置、无线环境等。在现实中，HSDPA的峰值速率比14.4Mbit/s要小得多，这与HSDPA基站及终端都有关系。部分厂家宣称：其HSDPA峰值速率可以达到1.8Mbit/s。在2006年3GSM大会上，多数设备厂商推出了HSDPAPC卡的现场演示，在展会新闻中心，由Vodafone提供的HSDPA无线上网业务直接担当了网络接入服务，很多参会的记者就是通过HSDPA无线上网业务将信息、图片还有展会的资料传送会国内。
    HSDPA的理论峰值速率计算如下：
    HS-PDSCH信道扩频因子为16，
    SF=16=>3.84Mcps/16=240Ksymbols/s(1/4 coding rate)
    (QPSK)=>application120kbit/s (DL) => 4/4 code 480kbit/s
    (16QAM)=>application240kbit/s (DL) => 4/4 code 960kbit/s
    {16QAM}、{4/4coding}：960kbit/sx15 {Codes} = 960kbit/s x 15 =14.4Mbit/s
    在QPSK、16QAM两种调制方式下，HSDPA基站的数据传送速率如表1。

    表1  HSDPA两种调制方式可支持的速率

    目前HSDPA终端支持情况分析如表2，（参考3GPPTS25.214 6A.2）

    表2  3GPP定义支持HSDPA的12类UE的调制方式及支持速率

    从表1、表2中可以看到HSDPA基站、终端分别可以支持的数据速率。其下行的理论峰值：14.4Mbit/s比同类型技术EV-DO的理论峰值，2.4Mbit/s高了许多。同时HSDPA可以与R99共享载波、共享传输，支持与多种R99数据业务并发使用，更好的QoS保证等特点也显得比cdma20001xEV-DO技术更具竞争优势。
    3  HSDPA部署方式分析
    目前HSDPA基站部署方式主要有HSDPA与R99/R4混合载频组网与单独载频组网，在HSDPA建设初期，不应该在全网范围内考虑使用HSDPA与R99/R4混合载频组网或是单独组网，可以考虑在热点区域部署一个或多个基站进行HSDPA与R99/R4混合载频组网，随着用户对数据业务需求的逐步增加，在热点区域部署HSDPA独立载频组网。从运营商在2G、2.5G的运营经验中，可以总结出城市中语音、数据业务需求分部情况，并从历史维护数据可以初步预测今后的需求量走势。在HSDPA建设初期，应充分结合已有的运营经验，参考用户的发展情况，最大程度地降低建设成本。
    HSDPA组网方式规划应遵从一定的原则：在原有R99/R4网络上建设HSDPA，要考虑在对原有R99/R4网络的覆盖、容量、性能质量影响最小的前提下，提升网络的容量。在引入HSDPA后要不影响原R99/R4网络的拓扑结构、覆盖范围、原R99/R4网络CS业务和容量不受影响，保证原有网络性能质量。HSDPA承载原R99/R4网络部分PS业务后，码资源和功率资源应采用合理的算法，充分发挥HSDPA优势，提升网络的数据吞吐量。
    HSDPA基站部署建议如下。
    3.1HSDPA建设初期部署R99/R4与HSDPA混合载频
    适用于以下地点。
    在数据量需求较大的市中心热点地区、CBD商务区考虑采用混合载频；
    在已经建设室内覆盖的酒店、写字楼内采用混合载频。
    混合载频组网的优势在于：
    WCDMA支持的CS、PS业务与HSDPA支持的高速数据业务共享频率及发射功率，做到资源利用最大化；
    业务选择灵活，避免不同频导致的UE小区选择、驻留等问题；
    可以保证WCDMA的低速数据业务覆盖范围；
    避免了HSDPA建网初期多数手机终端不支持HSDPA的情况；（截至2006年2月28日，已有305款WCDMA终端，支持HSDPA的只有25款）；
    在不影响原有语音、视频电话等实时业务的前提下，由HSDPA承载数据业务可以提高系统的容量。
    混合载频组网需要考虑的问题有：需要考虑如何对R99/R4与HSDPA各自的业务进行合理的功率分配，采用何种码资源分配策略及调度策略。需要考虑HSDPA和R99/R4的切换关系，采用何种切换策略来保证不同切换条件下的切换成功率。需要考虑解决引入HSDPA后原R99/R4小区的覆盖范围、小区容量收缩的问题。
    3.2在原R99/R4网络的基础上增加HSDPA独立载频
    适合于以下地点：
    HSDPA体验中心，保证HSDPA用户的服务质量及用户体验，并积累运营检验；
    话音、数据需求都非常大的场所，可保证语音、数据业务各自的通信质量；
    行业应用、数据需求特别大的场所，保证数据业务的突发需求。
    独立载频组网的优势在于：与WCDMAR99/R4网络互不影响，在容量和覆盖上相互独立，避免了复杂的码资源、功率资源规划，R99/R4网络用户服务不受影响。HSDPA独立载频上所有资源(15codes和全部的Txpower) 都可以用于HS-PDSCH，便于无线资源管理，可以获得全部HSDPA 吞吐量。
    独立载频组网的缺点在于：HSDPA业务与R99/R4业务不能共享载频资源，载频的资源利用率较低。不能支持HSDPA＋PS或者HSDPA＋CS的并发业务。当用户处于HSDPA的频段内要使用CS业务时，系统需要将用户切换到R99/R4频段，当用户处于R99/R4频段而发起HSDPA的业务时，系统要将用户切换到HSDPA频段，增加了资源的消耗与时延。
    4  HSDPA部署覆盖与容量规划
    引入HSDPA后的网络覆盖、容量容量规划主要从功率分配、码资源分配两方面来分析。
    HSDPA规划的基本原则为：既要考虑R99/R4信道所承载的业务，也要同时考虑HSDPA信道所承载的业务，HSDPA引入后要确保原有R99/R4网络的各类业务的覆盖指标要求仍然能够满足。
    在HSDPA建设初期，采用在热点区域部署单个或多个HSDPA与R99/R4混合载频的基站，随着用户对数据业务需求的逐步增加，考虑在数据业务需求量大的区域部署单个或多个HSDPA独立载频来满足用户需求。下面重点分析HSDPA建设初期HSDPA与R99/R4混合载频的覆盖与容量规划。
    4．1HSDPA与R99/R4混合载频组网覆盖规划
    在HSDPA建设初期，用户对无线高速业务需求量较低，可以通过R99/R4网络基本满足，在数据业务需求量高的区域，采用HSDPA与R99/R4混合载频组网。HSDPA覆盖范围可以参考本文第二部分HSDPA覆盖范围计算，HSDPA与R99/R4混合载频组网会提高频谱资源利用率，但是由于小区负载提升，导致小区的干扰也随之提升。这样要保证原有小区的CS、PS业务覆盖，需要适当增加原小区导频信道的功率。这样预留原有R4网络的CCH信道功率，HS-SCCH采用固定功率分配，HS-PDSCH采用动态功率分配。
    功率资源分配差异：R99/R4网络中，每个用户都要占用小区下行发射功率，各业务信道都有快速功控实时调整下行发射功率。HSDPA网络中：HSDPA功率为所有HSDPA用户共享，且功率保持不变（没有功控）；HSDPA的功率需要进行合理分配。如果HSDPA分配的功率太大，那么R99/R4可获得的业务功率资源就有可能不够用，导致R99/R4的语音用户或VP用户不能接入或可能导致掉话；如果分配给HSDPA的功率太小，HSDPA小区覆盖范围可支持HSDPA用户少，小区吞吐量下降。
    HSDPA与R99/R4混合载频组网，要保证原有小区的CS、PS业务覆盖不变，同时保证HSDPA业务的正常使用，需要详细考虑功率的分配。需要特别注意的是：由于HSDPA的技术特点，预留HSDPA足够的功率后，HSDPA的覆盖范围仍然比R99/R4的覆盖范围要小，即使在热点区域部署了连续的HSDPA与R99/R4混合载频，HSDPA高速业务仍然不能保证有连续的覆盖，此时需要考虑HSDPA与R99/R4、GSM之间的切换。
    4．2HSDPA与R99/R4混合载频组网容量规划
    HSDPA与R99/R4混合载频容量主要取决于码资源分配，HSDPA、R99/R4码资源分配差异体现在以下方面：
    R99/R4网络：每个业务信道都要占用小区的下行码资源。每个业务用户的接入，都要分配相应的码资源。
    HSDPA网络：HS-DSCH支持时分和码分复用，多个HSDPA用户可以使用同一条HS-DSCH信道，多个HS-DSCH信道可以同时服务一个用户。NodeB快速调度根据HSDPA用户的信道条件、用户数、数据量等因素，灵活选择空闲的码资源进行传输，提高了码资源的利用效率。
    HSDPA初期建网应采用码资源的静态分配以及手动的重配置，或者根据终端配置码资源。后期网络可以采用完全动态的码资源共享。一般来说在引入HSDPA后，给HSDPA预留4－6个码字（SF＝16），具体数目依据实际情况按照数据需求的大小来定。码资源静态分配见图2。

    图2  码字预留示意图

    给HSDPA分配的码字资源越多，小区能提供的数据量就越大。每个小区具体分配的码字资源需要根据实际中对高速数据业务的需求来定。
    4．3HSDPA独立载频组网
    在HSDPA体验中心、数据需求量较大的热点区域部署单个或多个HSDPA独立载频，与原有WCDMAR99/R4网络互不影响，在容量和覆盖上相互独立，避免了复杂的码资源、功率资源规划，R99/R4网络用户服务不受影响。HSDPA独立载频上所有资源(15codes和全部的Txpower) 都可以用于HS-PDSCH，便于无线资源管理，可以获得全部HSDPA 吞吐量。
    但是需要注意的是：即使在一块区域部署了连续的HSDPA独立载频，由于HSDPA本身技术特点，其高速数据业务的覆盖范围与R99/R4业务不相同，仍然需要考虑HSDPA与R99/R4、GSM网络的切换问题。
    5  结束语
    市场竞争是运营商推动HSDPA发展的最现实因素，无论是与cdma2000的1xEV-DO竞争，或是与其他WCDMA运营商的竞争，HSDPA都表现出较大的优势，部分在3G市场起步较晚的运营商都选择积极部署HSDPA，来争取3G业务上的后发优势，提升竞争力。在HSDPA基站的容量规划中，需要考虑HSDPA与原有R99/R4网络融合后对各类业务的支持与保障，在保证业务使用的前提下，尽可能提供高的数据传输速率，最大化地提高资源利用率。
    作者：郭宝  高谦（山西移动通信有限责任公司 030001）