HSDPA无线网络合/分载频规划方案的研究

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    0  引言
    WCDMA是领先全球的3G标准之一，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与延时要求较高的数据业务，还需要系统提供更高的传输速率和更短的处理时延。
    为更好地发展数据业务及与cdma1xEV-DO、Wi-Fi、WiMAX等宽带无线接入技术相竞争，3GPP对空中接口作了改进，并在R5版本中适时地引入了高速下行分组接入（HSDPA）解决方案，以支持高达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，理论上有约5倍于R99网络的数据吞吐量和约3倍于R99系统的小区容量［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。
    引入HSDPA后的WCDMA网络的基本结构仍与R99保持一致，且支持其终端与R99终端在同一载波上共存，仅在无线接口部分作了微小的变动，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。
    然而，也正是由于HSDPA可以与原R99设备在同一载频共存，且共享系统的功率资源和信道码资源，而其资源分配则是依据用户需求实时动态调整的，因此给HSDPA无线网的规划设计带来了难度，即如何在合理分配系统资源、使得网络性能最佳的同时又能提供一个简便有效的方法去规划该无线网络。
    1  HSDPA技术特点简述
    在R99版本的空中接口中，采用了扩频因子可变的方式来适应多业务数据速率的需求，同时采取功率控制技术以克服WCDMA的远近效应。而R5版本中定义的HSDPA系统，通过在新增的高速下行共享信道（HS-DSCH）上采取固定扩频因子为16、支持最多15个码并行的多码传输方式来提供不同等级的数据速率，用户之间以码分和时分的方式加以区分。
    为对无线链路做到快速响应，以尽可能地提高下行分组数据速率，HSDPA采用了自适应调节速度更快的自适应编码调制技术（AMC）、混合自动重传（HARQ）和快速资源调度算法来替代R99中的功控技术。
    a）AMC是依据信道情况的瞬时变化，进行调制方式（16QAM或QPSK）和编码格式（3／4或1／2速率的Turbo编码）的调整，使用户达到尽可能高的数据吞吐率。
    b）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和先前接收到的数据在解码之前进行组合。
    HARQ技术不仅可以提高系统性能，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。它有两种运行方式：软合并和增量冗余（IR），后者的性能要优于前者，但要求接收端有更大的内存。
    c）快速资源调度算法则是基于信道条件，并兼顾公平性的原则来对系统资源进行调配，以获得小区范围内最大的数据吞吐量。
    同时，HSDPA将重传与资源调度功能从RNC移植入NodeB中新增的MAC-hs功能实体上［4］，并将一个最小传输时间间隔（TTI）缩短到2ms（3个时隙），从而有效地降低了终端和NodeB之间的处理时延，提升了用户对信道变化的快速响应能力。
    2  HSDPA系统载频功率设置
    不同于CDMA2000的增强版1xEV-DO技术，HSDPA可同时支持与原WCDMAR99设备在同一载频或不同载频上工作。
    a）在HSDPA建设初期，考虑到数据业务开展程度并未十分充分，因此从有效利用现有的频率及硬件资源，并为网络向HSDPA技术演进提供一个相对经济及平滑的方案的角度考虑，运营商必会选择与原R99设备合载频的方式来承载HSDPA，由此涉及到如何在同一载频上有效地分配功率及码字资源，以使小区吞吐量达到最优的问题。
    参考文献3给出了一个特定情况下的系统仿真结果，其中同一载频上话音与分组业务同时由R99的专用信道（DCH）和R5HSDPA的HS-DSCH承载，并假设配有1个高速下行共享控制信道（HS-SCCH）的HSDPA用户最多可以分配5个HS-DSCH并行码道，即单用户最高数据速率可达3.6Mbit／s，而R99信道则可以使用剩余的码资源进行服务。由此可得到R99DCH和R5 HS-DSCH信道共同作用下的总小区平均吞吐量以及各自业务信道所承载的数据吞吐量。
    可以看到，随着分配给HSDPA功率的增加，HS-DSCH所承载的吞吐量呈上升状态；而DCH上的吞吐量则由于其所分配到的功率不断减少而下降；同时，总小区平均吞吐量在分配给HSDPA的功率值为7W以后达到饱和，约为1.3Mbit／s。由此，可得到一个R99与HSDPA同载频工作时的功率分配的系统仿真经验值，即设基站总发射功率为20W，当为HSDPA业务承载分配7 W功率时，小区吞吐量性能可达最优。
    将该功率配置应用于下行链路预算中核算下行功率负载因子，进而得到在当前的用户及业务分布模型下的合载频方案的可行性。
    参考文献3还仿真出在小区内仅存在R99终端时的总小区平均吞吐量约为780kbit／s。相比引入HSDPA技术后的1.3Mbit／s的吞吐量来说，合载频方式下HSDPA系统有将近70%的小区容量增益。该增益主要是由快速资源调度算法所得的多用户分集增益以及AMC／HARQ技术所带来的高频谱利用率而得到的。由此可看到引入HSDPA系统后的性能相对于原R99网络有了很大程度的提高。
    b）当网络数据业务激增，导致系统负荷超过原有载频的承载能力时，系统会启用第二载频。此时，该第二载频是采取独立承载HSDPA数据业务，还是混合承载R99与HSDPA业务则依然取决于当时的业务及用户特性。
    若采取R99与HSDPA分载频独立设置方案，则考虑到HSDPA系统在HS-DSCH上是以速率控制替代了R99的功率控制，因此在每个TTI内是以满功率发射的。在除去部分信令开销后，余下功率资源均可应用于HSDPA业务承载。
    3  HSDPA合／分载频规划方案分析
    作为WCDMA系统的数据增强技术，HSDPA无线网络规划的目的就是要根据其技术特点，在基于混合多业务模型下，综合考虑容量、覆盖及质量平衡等问题，以一定的区域可靠度为覆盖目标，确定一个处于最佳均衡点的网络结构。
    其中，由上下行业务分布预测所进行的上下行负载因子核算是实现HSDPA无线覆盖与容量最佳平衡的关键步骤。
    3.1业务模型定义
    业务模型是用来反应各个业务环境下用户在进行混合业务时，各等级无线承载业务（RAB）的使用比例，并用于估算每用户平均业务爱尔兰或数据吞吐量值。在R99与HSDPA用户共同存在的环境下，需分别定义R99及HSDPA用户业务模型，以符合各自的业务特征。
    3GPP定义R99的5种基本承载为AMR12.2k、CS64k、PS64k、PS128k及PS384k。考虑到引入HSDPA后下行业务速率等级的提升，并参考3GPP规范所定义的HSDPA终端12种典型业务承载速率［6］，在HSDPA业务模型中的下行分组域新增3种基本承载：PS534k、PS800k及PS1600k，分别对应规范中的H-SET1、H-SET5及H-SET3模式中QPSK调制、5个并行码道传输方式的信息速率［1］。
    3.2上行链路预算及负载因子核算
    WCDMA系统表现为覆盖上行受限，因此上行链路预算的目的在于确定一系列规划目标与参数后，得出各种无线环境下的小区平衡覆盖半径。
    考虑HSDPA在上行新增了物理层的HS-DPCCH，用于传送下行无线信道质量CQI及HARQ过程的反馈信息（ACK／NACK），这将导致上行链路一定的附加误码率及增加终端传输的峰均比（PAR），因此HSDPA上行业务信道比R99版本要求有较高的接收Eb/N0，以及终端需预留部分功率储备来支持传输的谱效率，从而影响其上行覆盖。
    参考文献6指出，在预规划上行链路、保证PS64k数据速率覆盖能力时，该影响可以忽略。而通常在做密集市区WCDMAR99无线网规时，均以CS64k为上行连续覆盖目标，其要求略高于PS64k，因此本文中HSDPA上行规划Eb/N0目标值及系统参数的确定可参考R99网络的参数。
    HSDPA／R99混合小区上行负载因子验证值41.5%为迭代后的平衡值，小区覆盖半径基本受限于CS64k的可视电话业务，其最大允许路径损耗为124dB，而0.43km的小区平衡覆盖半径则根据平衡负载因子迭代计算所得。
    可见，原基于预规划上行负载50%的R99无线网小区覆盖规划基本适用于本文业务模型下的HSDPA／R99混合无线网，由此，基站的覆盖范围初步框定。鉴于引入HSDPA后用户下行业务激增，需通过下行链路预算来核算其下行容量是否受限。
    3.3下行链路预算及负载因子核算
    在WCDMA系统中，由于下行所有用户共享基站恒定的发射功率，因此，随着网络容量的上升，负载增大，各用户分配到的功率不断下降，导致下行链路所允许的最大路径损耗无法与上行达到平衡，从而影响到基站的覆盖能力。因此，下行链路的预算及其负载因子的核算就显得尤为重要。
    针对HSDPA系统来说，需根据不同建设阶段的用户业务特性来采取HSDPA合载频或独立载频的承载方式，而基于HSDPA下行链路预算所得的系统下行负载因子则是决定合／分载频方案的关键指标。由此结合上行预算所得的覆盖范围，才能得到一个覆盖及容量结构平衡的无线网络。
    3.3.1下行部分公共信道功率核算
    在WCDMA系统中，下行链路功率的一部分必须分配给与业务无关的、连续发射的公共信道，包括公共导频信道（CPICH）、同步信道（SCH）及公共控制物理信道（CCPCH）等，从而占用可能分配给业务信道的小区容量，同时，其功率总量将影响同步时间、信道估计精确度和广播信道的接收质量等关键指标，因此公共信道的功率需基于无线网结构进行合理、优化配置。
    基于参考文献6中建议的典型WCDMA下行链路公共信道的功率配置比，并参考Ericsson公司的建议，将引入HSDPA后，新增的HS-SCCH相比CPICH的功率差值设为-1dB，由此可得到基于上行预算确定的网络平衡结构较为合理的HSDPA下行公共信道配置。其中总公共信道功率为3.92W。