HSDPA无线网络规划探讨

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1、引言
　　3G WCDMA作为GSM/GPRS的演进正在步入成熟期，那么有3.5G之称的HSDPA作为WCDMA的演进正成为业界关注的焦点。虽然3G R99/R4网络已经能够为用户提供高速的WAP、流媒体等数据增值业务，但对于高端的企业、行业用户以及使用PDA和数据卡类用户而言，往往对业务速率和质量提出了更高的要求。国内外许多运营商为了取得在3G方面的领先优势，陆续开始了HSDPA的商用。根据全球移动设备供应商协会（GSA）最新的报告，截至2006年8月，全球已经有52个HSDPA网络在35个国家投入了商业使用。HSDPA作为3GPP的R5版本，是对R4无线网络的平滑演进，并不影响R4核心网和已有的业务定义，与R4网络相比，在峰值速率、吞吐量、业务时延、每比特投资等方面都有明显的提高。但是在部署HSDPA网络时，必需在处理HSDPA与R4网络的共存、部署策略、载频使用、覆盖问题、容量估算等方面进行深入而全面的考虑。本文针对以上问题，着重对HSDPA的无线网络规划进行探讨。
2、HSDPA原理及特点
　　根据实际经验，WCDMA系统容量受限于下行容量，主要体现在两个方面：实际下行吞吐量需求远大于上行吞吐量需求；信道配置方式不灵活使得下行容量的实际利用率非常低。
　　HSDPA技术，全称高速下行分组接入（High Speed Downlink Packet Access），通过增加下行共享信道HS-DSCH等技术，实现了下行的高速数据传输，其理论最大物理层速率可达14.4 Mb/s。如图1所示，为了加快系统响应速度，在Node B结点增加MAC-hs实体：RNC的MAC-d将DTCH/DCCH上的数据映射到HS-DSCH数据帧通过MAC-d流发送给MAC-hs。MAC-hs需要完成与MAC-d之间的流量控制（共享Iub传输）、小区内用户数据的调度、传输格式选择等动作。

图1　HSDPA协议栈

　　HSDPA具有以下关键技术与特点：
　　（1）HSDPA的高速下行共享传输信道可以承载背景业务、流业务、交互式业务等，并使编码和功率资源得到更加有效的使用；
　　（2）HS-DSCH采用16QAM高阶调制方式提供更高的数据速率，并且更加有效地利用带宽；
　　（3）采用2 ms的短帧进行动态分配，减少了环路时间（RTT），极大地提高了链路适配性能；
　　（4）在物理层采用HARO混合自动重传请求和AMC自适应调制编码技术，使得用户在解码前能够快速请求丢失的信息和进行软合并，提高容错能力；
　　（5）采用快速调度算法，使得小区吞吐量最大化和用户平等共享吞吐量；
　　（6）快速动态功率分配，使得系统功率资源得到最有效利用，从而达到节省网络综合成本的目的。
3、HSDPA规划策略
　　根据HSPDA的特点，要进行HSDPA网络规划一般需要遵循以下基本流程，如图2所示：

图2　HSDPA规划流程

　　（1）首先需要对已建的或将要建的R99/R4网络的各个硬件单元进行评估，以验证该网络是否支持HSDPA或如何进行HSDPA升级。HSDPA虽然是WCDMA的平滑演进，但是还是要对Node B和传输系统进行必要的硬件升级，对Node B和RNC进行必要的软件升级。目前，由于牌照的原因，我国尚未建立商用的3G网络。而运营商在获得牌照后，为了能迅速赶上国际移动通信的发展步伐，提升3G网络的竞争优势，势必在WCDMA建网的第一阶段引入HSDPA。因此在建网初期，在软硬件设备的选取上必须有一定的前瞻性，避免日后频繁地升级或更换软硬件。
　　（2）其次，要通过现场测量的方法了解HSDPA网络的各方面性能，应重点关注以下几个因素：Node B平均发射功率，载频使用情况、Node B和RNC处理板卡以及Iub接口的占用率、软切换区和软切换开销、业务分布等。同时还要考虑引入HSDPA对原R99/R4网络性能的影响。对于HSDPA和R99/R4网络同步建设的情况，可以适当参照GSM网络性能，力争规划一次性到位。
　　（3）然后要制定HSDPA网络的发展目标和部署策略。发展目标包括HSDPA网络的覆盖区域、系统容量和支持业务。在HSDPA网络建设初期，新的业务种类较为有限。鉴于HSDPA承载的频谱效率高，可以将大部分PS数据业务迁移到HSDPA上承载，使得系统容量得到提升。由于HSDPA渗透率比较低，大部分手机还不具备HSDPA功能，大的数据吞吐量预计只存在热点地区（如室内），密集城区和一般城区。因此在第一阶段，宜采用共享载频的组网策略。考虑到用户的发展情况和话务量的情况以及低成本3G建网，在大多数普通无HSDPA需求地区依然采用R99/R4网络覆盖；在热点地区和重点城市会有少量HSDPA需求，可以采用HSDPA和R99/R4共用一个载频的混合载频组网方式。在WCDMA已有小区的基础上，加入HSDPA的支持，提高下行数据业务的容量，在不影响原有语音、视频电话等实时业务的前提下，将背景类、交互类等数据业务承载到HSDPA上可以提高系统的容量和频谱利用率，避免过早地升级设备到第二个载频。随着HSDPA技术和承载的宽带PS业务的发展，3G数据用户也有了很高的渗透率，在城市中心商务区CBD、密集市区等热点地区会出现大量的数据应用要求，为了提升网络的数据服务能力和容量（语音和数据），以及在某种程度上提供与无线局域网进行既竞争又补充的服务，建议增加第二个载频，并且使用载波间的负荷共享分担负荷。在此阶段，可以引入多载频混合组网或HSDPA独立载频组网的灵活组网方式，以满足各种特殊场景的需求。
　　（4）在确定了目标和策略之后，就要进行具体的系统配置和小区规划。根据HSDPA的建网计划和小区平均吞吐量要求，配置Iub接口和基站设备。对于Node B要求其分别支持单载波和多载波、HSDPA功能、足够的Iub容量、ATM或IP等多种接口。对于RNC要求其支持基于小区的功能激活和管理、足够的软硬件处理能力和多种接口。有关小区规划的具体内容将在下一节中进行详细阐述。
　　（5）最后要科学地定义适用于HSDPA的网络参数指标，以评估和考核HSDPA网络性能。
4、HSDPA网络规划
　　4.1　规划特点
　　HSDPA采用了不同于R99/R4的技术方案，因此也带来了以下几点网络规划上的差异。
　　（1）连续覆盖业务要求
　　HSDPA关注小区边缘处的连续覆盖数据速率，在一定的小区HSDPA功率规划下，小区边缘处HSDPA用户可获得的数据吞吐率不同，一般对于室外宏蜂窝场景，初期建议的具体指标是在小区边缘处满足不低于64kb/s承载的覆盖要求。HSDPA关注的是小区的平均吞吐率，而不是单用户的速率。
　　（2）切换差异
　　HS-DSCH和HS-SCCH信道的切换都是硬切换。从切换角度看，HSDPA的链路预算不需要考虑软切换带来的增益，但对切换区域和切换开销有更高的要求，不同于R99/R4网络。
　　（3）功控差异
　　HS-DSCH采用动态功率分配，不支持快速功控，因此在链路预算中无需考虑功控余量。
　　（4）下行负载
　　由于功控上的差异，HSDPA总的下行负载比R99/R4高。为了保证覆盖不受影响，应该提高CCH和DCH的功率。
　　4.2　覆盖规划
　　链路预算是网络规划的第一步，分为上行及下行链路预算。根据研究表明，对于数据业务，HSDPA与R99/R4网络基本上可以实现同覆盖，因此在建网初期可以认为HSDPA覆盖也是上行受限的，同时依据R99/R4业务选取的站址也可以得到充分利用。HSDPA链路预算的目的是通过上行链路预算估算小区边缘最大下行速率。根据HSDPA网络的发展策略，本文主要讨论在R99/R4网络升级到HSDPA的覆盖规划。HSDPA峰值数据速率的计算主要取决于以下几个参数：路径损耗、HSDPA功率配比、调度余量以及正交因子等。如表1所示为HSDPA链路预算的一个实例。为了保证与R99/R4网络相同的覆盖范围，路径损耗（Path Loss）直接通过WCDMA上行链路预算获得（假设65%负载，90%边缘覆盖概率以及64 kb/s速率下）。HSDPA功率配比取为80%，并假设15个码可用以计算最大的边缘速率。由于HSDPA采用了AMC和HARQ技术，允许其在初始发射功率一定的条件下选择不同的操作方式，即可以使用更多的功率以减少重传次数或者更少的功率而可能增加重传次数。调度余量（Scheduler Margin）的引入就是用来设置上述策略的。正交因子（Orthogonality Factor）可以反映出在多径环境下服务小区接收到的非正交干扰。
　　通过链路预算可以估计出最大可获得的物理数据速率时的用户的信道质量。得到的MAC层速率则可以计算出HARQ的重传次数。通过计算表明：当HSDPA分配到80%功率和设定两次重传时，单用户在边缘的最大物理层数据速率可能达到2 Mb/s，大大高于R99/R4网络的速率。此外，通过仿真发现小区的平均用户吞吐量与Node B分配给HSDPA信道的功率成线性关系。
　　4.3　容量规划
　　HSDPA容量估算的目的是得到在特定HSDPA功率、码资源及调度算法情况下的小区平均吞吐率。HSDPA容量估算的关键是小区平均吞吐率的计算。而几何因子（Geometry Factot）是影响平均吞吐量的一个重要因素，其定义为：G=Ior/Ioc，其中Ior表示本小区总带宽接收功率，Ioc表示从其他小区接收的功率及噪声的叠加。根据地形地貌，仿真得出全网的G值的分布概率。然后根据下式：
　　，其中由分配给HS-DSCH的功率决定，α为正交化因子。
　　可以计算出Ec/Io值，而后通过查表得出吞吐率，再加权得到整个小区的平均吞吐率。
　　同载频混合组网时，采用动态的功率分配方案，即HSDPA动态使用R99/R4业务以外的功率。同时HSDPA承载的业务初期都是BE业务，不像R99/R4业务一样有相应的Target Eb/No，因此Monte Carlo仿真的过程实际上就是计算HSDPA用户可用功率及干扰的过程，根据可用功率以及网络干扰，计算出HSDPA业务信道的Ec/Io值。
　　由于上面的结果是基于单用户的仿真结果，实际中还要考虑多用户情况下的调度增益，要根据系统仿真结果对上述结果进行修正。HSDPA一般采用三种调度算法：MAX C/I，Round Robin，Proportional Fair。MAX C/I算法实现的吞吐量最高，Round Robin吞吐量最低，而Proportional Fair则介于上述两者之中，也是符合资源使用的最佳调度方案。但是在实际计算中，一般规划软件在资源分配上还是采用Round Robin方式，然后在该基础得出的Ec/Io值上增加几个dB，即固定增加一定的吞吐量。随着HSDPA商用/试验网络的增多，HSDPA经验数据的获得以及各种调度算法的性能差异，会更准确地解决Ec/Io与吞吐量之间的关系，满足HSDPA的容量规划需求。
5、结束语
　　HSDPA在下行数据速率、小区吞吐率、每比特的投资等方面的优势，已经成为3G建网的重要组成部分。在市场和技术的双重驱动下，HSDPA已成为3G运营商的必然选择。
　　HSDPA网络在带来吸引力的同时，也带来了诸多的挑战。概括地说，引入HSDPA后，将对WCDMA网络的覆盖、容量、传输、业务集成、终端定制、资费策略等各个方面带来影响。因此如何有效地对HSDPA网络进行规划和优化是打造3G精品网络的关键。