HSDPA系统技术特点及商用进展

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    0、引言
    WCDMA是全球领先的3G标准之一，能在5MHz频宽上支持特征各异的、广泛的业务种类。目前3GPP组织发布的R4/R99标准定义的WCDMA系统在理想情况下能支持最高可达2Mbit/s的用户数据速率。然而，对于诸如视频、流媒体和下载等对流量和延时要求较高的数据业务，需要系统提供更高的传输速率和更短的处理时延。为更好发展数据业务，能与CDMA1XEVDO、Wi-Fi、WiMAX等宽带无线接入技术相竞争，3GPP从两方面对空中接口作了改进，在R5版本中适时引入了高速下行分组接入解决方案——HSDPA使其能支持高达14.4Mbit/s的下行峰值速率[1]。
    HSDPA技术是WCDMA在无线部分的增强与演进，理论上，其数据吞吐量约是R99网络的5倍，小区容量约是R99系统的3倍[2]，被视为“超3G”的3.5G技术。它不但支持高速率不对称数据服务，而且在增大网络容量的同时还能使运营商成本最小化。引入HSDPA后的WCDMA网络仅在无线接口部分作了微小的变动，基本结构仍与R99保持一致，且支持其终端与R99终端在同一载波上共存，因此可为WCDMA更高数据传输速率和更高容量提供一条平稳的演进途径，就如同在GSM网络中引入EDGE一样。
    本文首先对HSDPA系统的技术特点进行了简要分析，在此基础上，针对现阶段全球HSDPA系统及终端的商用进展、网络演进策略及其技术演进作了归纳、总结和展望，从而获得对HSDPA网络更为清晰而全面的认识。
    1、HSDPA技术特点
    在R99版本的空中接口中，采用扩频因子可变的方式满足多业务数据速率的需求，同时采取功率控制技术克服WCDMA的远近效应。而在HSDPA系统中，通过在新增的业务信道上采取扩频因子固定、多码并行传输的方式提供不同等级的数据速率，同时采用自适应调节速度更快的自适应编码调制(AMC)技术、混合自动重传(HARQ)和快速资源调度算法代替功控技术，并将重传与资源调度从RNC移植入NodeB中新增的MAC-hs功能实体上[3]，从而达到尽可能提高下行分组数据速率和减少处理时延的目的。
    1.1新增业务信道
    在R5版本的无线接口部分，新增了高速下行共享信道(HS-DSCH)，用以独立承载HSDPA分组数据业务。其传输时间间隔(TTI)定义为2ms(3个时隙)，与R99支持的10ms、20ms等TTI相比，能大大降低重传过程中终端与NodeB之间的往返时延。在码域上，其信道扩频因子(SF)固定为16，并支持最多15个码并行的多码传输，用户之间以码分和时分的方式加以区分。同时结合AMC及HARQ等技术，通过在一个TTI间隔内为用户分配不同码道数、调制及重传方式来提供多种业务速率。HSDPA与R99共载频方式下的多用户传输复用如图1所示。

    图1 共载频方式下HSDPA多用户传输复用

    1.2AMC
    AMC的基本原理是依据信道情况的瞬时变化进行调制方式和编码格式的调整，使用户达到尽可能高的数据吞吐率。这时信道情况会基于接收方的反馈或者与NodeB专用控制信道相关的功率控制信息进行估计。使用AMC技术能有效减少干扰，此时靠近基站的用户设备(UE)通常选用高阶调制和高速率的信道编码方式(如16QAM调制和3/4速率的Turbo编码)，从而得到较高的峰值速率；而靠近小区边缘的用户则选取低阶调制方式和低速率的编码方案(如QPSK调制和1/2速率的Turbo编码)，保证通信质量。HSDPA系统在不同调制与编码配置下的最大数据传输速率(包括信令开销)见表1[4]。
    1.3HARQ
    HARQ机制本身的定义是将FEC和ARQ技术相结合的一种差错控制方案，是指接收方在解码失败的情况下，保存接收到的数据，并要求发送方重传数据，接收方将重传的数据与先前接收到的数据在解码之前进行组合。混合自动重传技术能提高系统性能，并能灵活调整有效码元速率，还可以补偿由于采用链路适配所带来的误码。
    表1 HSDPA系统在不同调制与编码配置下的速率

调制	扩频系数	编码速率	数据率(5codes)(Mbit/s)	数据率(10codes)(Mbit/s)	数据率(15codes)(Mbit/s)
QPSK	16	1/4	0.6	1.2	1.8
	16	2/4	1.2	2.4	3.6
	16	3/4	1.8	3.6	5.4
	16	4/4	2.4	4.8	7.2
16QAM	16	2/4	2.4	4.8	7.2
	16	3/4	3.6	7.2	10.7

    HSDPA将AMC与HARQ技术结合可以得到更好的链路自适应效果。HSDPA先通过AMC提供粗略的数据速率选择方案，然后再使用HARQ技术提供精确的速率调节，从而提高自适应调节的精度和资源利用率。HARQ有软合并(softcombing)和增量冗余(IR)两种运行方式。前者重传时的数据与初次发射时相同，而后者重传时数据与前次发射有所不同，其性能要优于第一种方式，但在接收端则需要更大的内存。
    1.4快速资源调度
    调度算法控制共享资源的分配，在很大程度上决定了整个系统行为。调度时应主要基于信道条件，同时考虑等待发射的数据量与可分配资源的关系、UE的能力及其缓冲器状态和业务优先级等情况，并充分发挥AMC和HARQ的能力。调度算法应向瞬间具有最好信道条件的用户发射数据，这样在每个瞬间都可以达到最高的用户数据速率和最大的数据吞吐量，与此同时，还必须兼顾每个用户的等级和公平性。
    为了能更好适应信道的快速变化，HSDPA技术将资源调度的功能单元MAC-hs放在NodeB而不是RNC中，同时也将最小TTI缩短到2ms(3个时隙)，这使得在重传过程中终端与NodeB之间的往返时延能更小，从而增强了用户对信道变化的快速响应能力。
    2、HSDPA系统商用进展及其演进策略
    2.1HSDPA系统商用进展
    作为WCDMA的数据增强版本，HSDPA目前正处于预规模商用阶段，与CDMA2000的增强型技术1XEV-DO及WiMAX等其他宽带无线接入技术的竞争和争夺技术制高点是业界支持HSDPA发展的主要动机。依靠其峰值高达14.4Mbit/s的下行速率，原WCDMA系统的移动运营商将能摆脱过去在移动网络速率方面遭遇的瓶颈，并取得与固网运营商在宽带市场进行差异化竞争的技术手段。实际上，移动运营商的支持已成为HSDPA加速演进的最重要动力。截至2005年3月底，全球范围内已有超过20个运营商对HSDPA明确表示支持或进行测试/部署中。在这些运营商中最为积极的推动者无疑是DoCoMo等领先的3G运营商，但中国移动等在2G市场领先的3G潜在进入者同样值得关注。由于运营商对HSDPA的规模需求已经初步形成，WCDMA设备厂商都较全面地支持HSDPA的网络设备，且宣称目前出产的基于R4版本的设备均可平滑过渡为HSDPA设备。与网络设备环节相比，终端的商用进程要稍微滞后一些，但与当年WCDMA终端对商用构成严重瓶颈有所不同，目前国际上前四大3G终端套片厂商都完成了HSDPA终端套片样品的研发，WCDMA手机厂商也已开始样机的调测，按照以往终端的研发进度经验，支持HSDPA的终端将能够在2005年底或2006年初上市。因此，HSDPA终端未来还是能够基本保证商用的顺利开展。但由于协议中规定的终端等级达12种，鉴于技术实现的复杂度，因此终端厂商会分阶段地推出其产品，最早的应该是支持16QAM调制及5个并行的HS-DSCH码道的最高速率为3.6Mbit/s的终端类型。目前HSDPA网络设备和终端产品研发情况见表2和表3。

    表2 HSDPA网络设备商用进程

设备厂商	HSDPA功能实现时间	支持最高速率(Mbit/s)	商用设备计划推出时间	合作运营商	R4→HSDPA升级方式
爱立信	2005年2月	11	2005年下半年	芬兰Finnet             北美Cingular	软件升级/内置信道板
华为	2005年3月	14.4	2006年初	香港Sunday	软件升级/内置信道板
中兴	2004年10月	13.9	2005年底	/	软件升级/内置信道板
诺基亚	2005年初	10	2006年初	/	软件升级/内置信道板
阿尔卡特	2005年2月	14.4	/	/	软件升级/内置信道板
NEC	2004年底	14.4	2005年中	日本DoCoMo	软件升级/内置信道板
北电	2005年2月	＞1.3	/	法国Orange，mm02             德国T-Mobile	软件升级/内置信道板
朗讯	2005年6月	7.9	2005年6月	北美Cingular	软件升级/内置信道板

    表3 HSDPA终端产品商用进程

终端厂商	产品型号	产品类别	计划商用终端推出时间
爱立信	/	数据卡	2005年下半年
摩托罗拉	D1100	数据卡	2005年第四季度
Navotel Wireless	U730、740/　EU730、740	数据卡	2005年下半年
西门子	DC10/DC16	数据卡	2005年下半年
Sierra Wireless	Aircard850/860	数据卡	2005年下半年
LG/三星/NEC	/	手机	2005年底/2006年初
华为	E620	数据卡	2005年6月

    2.2HSDPA网络演进策略
    由于HSDPA仅在无线接口上增加了部分新的信道及功能，并可支持与原R99、R4设备在同一载频或不同载频上工作，所以可以通过直接升级无线网络子系统软件方式实现HSDPA功能。而且HSDPA与3GPPR99及R4都有很好的兼容性，因此运营商可以在现存网络中平滑引入HSDPA业务，但这些必须建立在原基站架构满足可以使用QAM调制方式、对HS-DSCH信道要有足够的硬件支持以及具备带功率控制的移动IP功能等基础上，因此，若原有部分R99设备厂商的NodeB及RNC设备并不具有这些功能，则需对其硬件进行改进，升级到HSDPA。而对于绝大部分R4设备厂商来说，基本上都具备了这些功能，因此仅对NodeB及RNC进行相应的软件升级或内置新的信道板(用于与原R4设备分载频工作方案)即可将网络过渡到HSDPA系统，且无需对网络结构作很大调整。
    考虑到市场的逐步成熟过程，在HSDPA网络初始引入阶段，其业务可以在网络的部分数据业务热点区域先行开通。在这种情况下，当用户从HSDPA业务区移动到非业务区，正在进行的通话将平稳切换，用户只感觉到通信质量有些下降(如数据传输速率有所降低)。这样，运营商不必同时升级所有的小区设备，可以先进行试点，再根据市场情况逐步推广，从点到面，在很大程度上降低了网络演进的风险，同时提高了运营商的投入产出比。而在HSDPA网络的全面建设阶段，在高速业务用户集中并且频率资源丰富的重点地区，可以使用双载频建网方式，即HSDPA单频组网，所有高速用户在基站近点使用HSDPA能大大提升系统流量，并且因为使用不同的频点，所以对同覆盖的R99DCHCS业务影响不大。而在频率资源紧张且HSDPA业务要求不是很高的环境中，可以考虑采用HSDPA与R99使用同频组网，既可以满足某些重要用户对高速业务的需求，又可以节约宝贵的频率资源。
    同时，根据参考文献[5]的仿真结果，在距小区最大覆盖半径45%左右的位置，HSDPA的平均吞吐量下降到与R99网络相仿的水平，而当距小区半径70%的位置时，由于进入了R99的切换区，因此R99的信道获得了切换增益，吞吐量得到了补偿，而HSDPA无法实现软切换，因此在其远端吞吐量将急剧下降。所以HSDPA的特点是在近点可以提供极大的系统流量，而在远点，HSDPA的流量优势将不明显。因此，在进行HSDPA网络规划时，要详尽分析用户分布、业务需求及业务模型，并合理规划HSDPA和R99/R4网络的服务范围，以实现优势互补，这对于网络演进后的性能是至关重要的。
    3、HSDPA技术展望
    3GPP确定了HSDPA技术发展的3个阶段[6]：基本阶段、增强阶段及进一步演进阶段。第一阶段目前已经接近商用，第二阶段也正在研发中，第三阶段正处于基础研究期。基本阶段即通过采用AMC、HARQ及快速资源调度等先进技术实现下行峰值速率为14.4Mbit/s，该标准在3GPPR5版本中定义，本文所探讨的HSDPA网络，均是基于R5版本的技术。而增强阶段的HSDPA则在R6版本中进行了说明，其目的是将峰值数据速率提高到30Mbit/s。关键技术主要包括快速小区选择(FCS)、多输入多输出技术(MIM0)和空时编码技术(STC)。同时，在R6版本的制定中，还提出了上行数据速率的增强型技术——高速上行分组接入(HSUPA)的概念，它通过使用更加灵活的NodeB调度和HARQ等技术，理论上可为用户提供高达5.8Mbit/s上行数据接入速率，从而提高网络的上下行业务速率的匹配程度，增强业务应用能力。
    目前，HSDPA正处在积极研究的第三阶段，即进一步演进阶段。该阶段的目标是通过引进新型空中接口提高数据传输速率。其中的关键技术包括正交频分复用(OFDM)技术和64QAM调制方式，它们的引入将使系统峰值速率达50Mbit/s以上。主要的新特性包括采用结合更高调制方案、阵列处理的OFDM物理层及根据空中接口质量为用户设备选择专用子载波的特点进行选择的快速调度算法等，从而达到优化传输性能的目标。
    HSDPA作为WCDMA的一种增强型演进技术，提供了在第三代移动通信系统中实现多媒体服务所需的高速数据速率，并且大大提高系统的频谱和码资源利用率，有效提升了无线网络性能和容量，同时，其技术分步演进的特点亦促进了网络的平滑过渡。相信HSDPA技术必将在未来的3G及超3G通信系统中得到更灵活的运用，并在移动通信技术实用化领域发挥重要作用。
    参考文献
    1 3GPP Technical Report 25.890.UE Radio Transmission and Reception (FDD) (Release 5)，version 1.0.0，May 2002
    2 TroelsE，Kolding，FrankFrederiksen，PrebenE Mogensen.Performance Aspects of WCDMA Systems with High Speed Downlink Packet Access (HSDPA).2002 IEEE
    3 3GPP Technical Report25.848. Physical Layer Aspects of UTRA High Speed Downlink Packet Access. version 4.0.0.March 2001
    4 谢伟良.HSDPA的关键技术及特性分析.技术与产品
    5 韩玮，孙慧.HSDPA流量和覆盖研究.邮电设计技术，2005(5)
    6 王建.HSDPA关键技术演进的研究.电信建设，2004(4)