HSDPA技术的相关探讨

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随着移动宽带网络技术HSDPA(高速下行分组接入)商用化进程的加速，运营商对于HSDPA的网络的性能及部署越来越关心，HSDPA如何与WCDMAR99网络联合组网等问题，成为大家关心的焦点。
    中国运营商也在为3G的部署积极准备着，进行各种网络规划和设计工作。
    目前WCDMA无线网络的规划设计大都是以R99版本为基础的，WCDMA无线网络的规划设计不能不考虑网络的平滑演进，为网络的发展留下空间和余地。如何考虑R99和HSDPA的网络部署呢?问题的焦点在于HSDPA的平滑升级、覆盖和容量等。HSDPA的部署中是否可以将硬件非常平滑地升级直接关系到部署成本和时间，HSDPA的覆盖是否和R99一致，关系到已完成的网络规划是否重新设计、寻址和已经部署的网络是否要增加基站等结构上的调整，HSDPA和R99业务共享同一载波，还是需要新增载波等等。
    其实，HSDPA与1xEVDO具有十分相似的基本技术机制，而北电在1xEVDO市场上有超过66%的市场份额，在网络的规划设计，运营和优化方面积累了丰富的工程经验，最先实现了HSDPA在商用网中使用第三方商用终端的现场应用演示，并同许多运营商进行了大量的外场测试，因而可以为用户提供完整的，经济有效的HSDPA解决方案。本文着重探讨HSDPA的覆盖，容量及WCDMA无线网络向HSDPA的平滑演进。
    HSDPA技术概述
    类似于1xEVDO，HSDPA引入的最主要的几项核心技术为：
    ●自适应调制与编码(AdaptiveModulationandCoding or AMC)
    ●混合自动重发请求(HybridAutomaticRequestor H-ARQ)
    ●快速调度算法(FastScheduling)
    自适应调制与编码是基于无线条件和终端能力进行自适应调制和编码，它可以根据UE所测量的下行信道条件优选调制和编码方式，提高下行链路的吞吐量。比如，当信道条件差时或干扰强时，选择更高保护性的调制和编码方式，而当信道条件好时或干扰弱时，选择高阶调制如16-QAM和低编码率如7/8等。换句话说，自适应调制与编码提供适应无线条件的链路适配，每次调制及编码的选择均基于UE上报的CQI(ChannelQualityIndicator即无线信道质量)和UE类别(即UE能力)做出判断。在UE可以支持的范围内，无线环境好，便使用抗信道衰落能力较差的高速率调制编码，提高峰值速率；反之则需要较多的编码比特和低阶调制用于对抗信道衰落。每一2ms无线子帧中，HSDPA业务信道上的码字的数量、编码速率和调制方式(QPSKor 16QAM)都可以重新选择。
    混合自动重发请求技术是前向纠错编码FEC和ARQ技术的结合，即结合了自动重发与前向纠错的容错恢复机制，并使用合并前后含有相同数据单元的机制或重传信息块的增量冗余机制，带来更低的剩余误块率，从而减少高层协议RLC层的重发和降低下行分组包的发送时延与环回时延(roundtripdelay)。H-ARQ重传是在物理层上实现的，它能有效的增加无线链路的数据吞吐量，减小重传的时延，从而提高整个扇区的吞吐量。HSDPA支持两种合并机制：对基站重发相同的分组包进行前后合并或对基站重发含有不同编码(即冗余信息)的分组包进行增量冗余合并。HSDPA终端要求同时支持前后合并和增量冗余两种方式，然而增量冗余要求HSDPA终端具有专供高速数据业务使用的更大的内存空间。
    快速调度算法是在动态复杂的无线环境下使多用户更有效地使用无线资源，提高整个扇区的吞吐量。调度算法功能实现于基站，采用了时分加码分的技术，而且用户对于共享信道的使用权每一个2ms无线子帧都可以重新调度，反应速度大大提高。调度算法可以综合评估多方因素，在实施HSDPA分组调度时，调度算法会根据事先掌握的信息如：
    ●每个传输时间间隔(TTI)阶段可用的码资源和功率资源
    ●UE上报的无线信道质量CQI
    ●以前发送数据是否被正确接收的反馈信息(ACK/NACK)
    ●将要传送数据块的优先级等
    在多用户中实施快速调度和无线资源的最优使用，提高频谱的使用效率。
    HSDPA引入的新增信道有：
    ●上行引入了1个专用控制信道(HS-DPCCH)，供UE上报H-ARQ要求的ACK/NACK和所测下行信道的质量CQI，使用的扩频因子为SF256；
    ●下行引入了最多15个码分多址的共享业务信道(HS-PDSCH)，用以承载数据比特，使用的扩频因子为SF16，注意这些业务信道可以供单用户使用或供多用户共享，仿真分析显示当同时使用的业务信道增多时，码间干扰增加很快；
    ●下行还引入了最多4个公用控制信道(HS-SCCH)，用以承载业务信道的控制信令，使用的扩频因子为SF128，下行公用控制信道要消耗一定的功率，影响系统的容量，如何配置该信道的数目及功率要十分慎重，在HSDPA和R99共享载频的情况下尤为关键。
    HSDPA是基于“功率固定，速率适配优选”的原理，而不是R99快速功率控制的原理。由于下行采用了时分加码分，以前的软切换不再适用，小区间的切换变成了快速重选。在上行，软切换机制与R99相同，参与软切换的小区都是激活集成员。下行快速重选的目标小区也必须是激活集成员，主小区更新的决定权在RNC，它根据UE测量上报的测量结果作出选择。
    HSDPA的覆盖
    对于无线网络覆盖规划所依据的上行链路而言，R99版的设计中，城市一般是以CS64为上行连续覆盖的无线承载以提供相应的保证业务，也就是说小区的最大覆盖半径是以该无线承载为基准的，因而可提供该无线承载的连续覆盖。而对PS业务而言，上下行的业务可以取上行PS64配合下行PS64，上行PS64配合下行PS128，上行PS64配合下行PS384，上行PS128配合下行PS128等各种组合的无线承载，在小区边缘至少可以取上行PS64配合下行PS64的无线承载提供分组高速数据业务。对于HSDPA，相应的无线承载为上行基于PS64的DCH配合下行HSDPA，上行基于PS128的DCH配合下行HSDPA，上行基于PS384的DCH配合下行HSDPA等组合的无线承载，而在小区边缘至少可以取上行PS64的DCH无线承载。
    由于R5在上行增加了物理层的HS-DPCCH信道用于传送UE上报的下行无线信道质量CQI和以前发送数据是否被正确接收的反馈信息(ACK/NACK)，它要占用一定的UE功率。对比R99版本信道DPDCH/DPCCH的QoS要求，HS-DPCCH信道在保持不变的ACK/NACK的误码率及CQI的误块率要求的情况下需要较高的Eb/No，这是针对基于上行CS64承载为参考的链路预算而言的。实际上HSDPA可以至少取上行PS64专用信道配合下行HSDPA信道提供分组高速数据业务，考虑到CS64承载和PS64承载之间Eb/No的差别，不难得出基于R99版本中上行CS64为覆盖基准设计的无线网络与基于PS64专用信道为覆盖基准的HSDPA具有相当的覆盖能力，注意这里的前提是R5版本的无线网络对上行业务的QoS要求保持与R99相同。在这个意义上，一个规划合理的R99版本的无线网络，其结构应该对技术的演进具有良好的可演进性，并不需要对网络结构做大的调整。
   HSDPA的容量
    根据WCDMA无线网络覆盖，质量和容量的相互关系，HSDPA的容量同样不是孤立的容量，而是基于前述的覆盖半径和网络保证业务的QoS不变情况下的容量。由于引入了前述的三项核心技术，HSDPA的下行容量大大提高。如果用吞吐量来表征容量，它可以从几个方面来衡量：单用户峰值数据速率，多用户时平均每用户吞吐量，多用户时扇区平均吞吐量等。此外，容量还受到终端能力，无线环境，接入下行共享信道的用户数，公用信道的功率配置，功率资源，码资源等许多因素的影响。R99中，每一个承载的可用功率受限于基站配置参数所允许的范围，它是PA功率的一部分。HSDPA下行用户可使用配置给HSDPA的全部功率。通常HSDPA的容量分析首先是确定HSDPA在单独载频部署情况下的容量，HSDPA与R99共享载频部署情况下的容量涉及的因素更多，这里暂不作分析。
    单用户峰值数据速率一般是指在理想的无线环境下，系统所支持的各类终端的最高下行速率，体现的是系统和终端所能实现的功能和最大能力，它可以直接测试验证，但一般不作为网络规划的参考点。
    多用户时平均每用户吞吐量，多用户时扇区平均吞吐量等容量指标通常取为网络规划的依据。实际环境下的容量需要借助仿真来估计。类似于R99的情形，下行容量与业务信道可用功率密切相关。因此，首先要确定各个下行信道的功率配置，具体的方法是：(1)由上行链路预算求出小区最大路径损耗，(2)以该路径损耗对应的小区半径计算90%区域可靠度所要求的导频功率，(3)以导频功率为参考计算其他公用信道的功率配置，(4)计算90%区域可靠度所要求的HS-SCCH功率，(5)最后得出业务信道HS-PDSCH的可用功率，(6)基于业务信道HS-PDSCH的可用功率通过仿真确定吞吐量。比如，在基于R99版的网络设计条件下，取城市环境，步行用户多径信道模型，6类UE无接收分集，仿真可得出HSDPA在单独载频部署方式下的扇区平均吞吐量约为1～2Mbps之间，接收分集的增益约为15%。多用户时平均每用户吞吐量则随同时激活的用户数而变化。
    HSDPA的部署
    HSDPA具有对R99版本的兼容性，它是对R99功能的增强，HSDPA既可以使用单独载频方式，也可以和R99共享同一个载频，此时需要HSDPA和R99信道间的动态功率共享才能有效地工作。在部署初期，由于3G用户数处于发展阶段，数据业务量不大，加之WCDMA每载波5MHz的带宽、容量颗粒度大的特性，可以将HSDPA和R99业务在同一个载波上实现，即支持高速数据业务，也能够支持话音、可视电话业务，是一个比较经济的部署方案。同时，OVSF码的分配也是需要考虑的因素。比如初期采用静态预留码资源管理算法，可根据业务比例预留给HSDPA适当的码资源，既支持了HSDPA下行足够大的吞吐量，又兼顾了R99业务需求，保证电路域业务不受影响。欧洲运营商在HSDPA部署初期均计划使用一个载波同时支持R99和HSDPA的业务。HSDPA将主要针对大城市的密集地区等有高速数据需求的地区，使具有HSDPA能力的小区连片，避免频繁的R99和R5间的信道切换，即HSDPA与R99信道间的切换应集中在HSDPA部署区域的边界，否则会引起系统开销过大和影响用户体验。当数据业务逐渐成熟，用户大量增加使得网络负载达到设计目标时，可以增加第二个载波来缓解容量的压力，并根据需求扩大其覆盖区域。那么，第二个载波是R99和HSDPA混合使用，还是单独用于HSDPA呢?这完全取决于当时用户的使用特性，如果R99的业务和高速数据业务同时增长，那么，两个载波都配置成同时支持R99和HSDPA；如果高速数据业务要求非常突出，可以考虑将一个载波单独配置成只支持HSDPA。
    结语
    HSDPA与1xEVDO都支持高速移动数据业务，具有十分相似的基本技术机制，在产品实现、网络规划设计、优化和实施上都具有许多一致的理念，可以互相借鉴和共享。北电自2002年商用1xEVDO网络来，迄今已部署了11个1xEVDO网络，有超过66%的市场份额。通过3年的实际部署，积累了丰富的网络规划设计，运营和优化经验，基于CDMA经验，北电HSDPA产品的研发和商用进程也在业界领先，尤其是率先实现了HSDPA在商用网中使用第三方商用终端的现场应用演示的里程碑，因而可以为用户提供完整的，经济有效的HSDPA商用解决方案。