HSDPA無線網絡合/分載頻規(guī)劃方案的研究

0 引言

WCDMA是領先全球的3G標準之一，在5MHz頻寬上支持特征各異的、廣泛的業(yè)務種類。

目前3GPP組織發(fā)布的R4／R99標準定義的WCDMA系統(tǒng)，在理想情況下支持最高可達2Mbit／s的用戶數據速率。然而，對于諸如視頻、流媒體和下載等對流量與延時要求較高的數據業(yè)務，還需要系統(tǒng)提供更高的傳輸速率和更短的處理時延。

為更好地發(fā)展數據業(yè)務及與cdma1xEV-DO、Wi-Fi、WiMAX等寬帶無線接入技術相競爭，3GPP對空中接口作了改進，并在R5版本中適時地引入了高速下行分組接入（HSDPA）解決方案，以支持高達14.4Mbit／s的下行峰值速率［1］。

HSDPA技術是WCDMA在無線部分的增強與演進，理論上有約5倍于R99網絡的數據吞吐量和約3倍于R99系統(tǒng)的小區(qū)容量［2］，被視為超3G的3.5G技術。它不但支持高速率不對稱數據服務，而且在增大網絡容量的同時還能使運營商成本最小。

引入HSDPA后的WCDMA網絡的基本結構仍與R99保持一致，且支持其終端與R99終端在同一載波上共存，僅在無線接口部分作了微小的變動，因此可為WCDMA更高數據傳輸速率和更高容量提供一條平穩(wěn)的演進途徑。

然而，也正是由于HSDPA可以與原R99設備在同一載頻共存，且共享系統(tǒng)的功率資源和信道碼資源，而其資源分配則是依據用戶需求實時動態(tài)調整的，因此給HSDPA無線網的規(guī)劃設計帶來了難度，即如何在合理分配系統(tǒng)資源、使得網絡性能最佳的同時又能提供一個簡便有效的方法去規(guī)劃該無線網絡。

1 HSDPA技術特點簡述

在R99版本的空中接口中，采用了擴頻因子可變的方式來適應多業(yè)務數據速率的需求，同時采取功率控制技術以克服WCDMA的遠近效應。而R5版本中定義的HSDPA系統(tǒng)，通過在新增的高速下行共享信道（HS-DSCH）上采取固定擴頻因子為16、支持最多15個碼并行的多碼傳輸方式來提供不同等級的數據速率，用戶之間以碼分和時分的方式加以區(qū)分。

為對無線鏈路做到快速響應，以盡可能地提高下行分組數據速率，HSDPA采用了自適應調節(jié)速度更快的自適應編碼調制技術（AMC）、混合自動重傳（HARQ）和快速資源調度算法來替代R99中的功控技術。

a）AMC是依據信道情況的瞬時變化，進行調制方式（16QAM或QPSK）和編碼格式（3／4或1／2速率的Turbo編碼）的調整，使用戶達到盡可能高的數據吞吐率。

b）HARQ機制本身的定義是將FEC和ARQ技術相結合的一種差錯控制方案，是指接收方在解碼失敗的情況下，保存接收到的數據，并要求發(fā)送方重傳數據，接收方將重傳的數據和先前接收到的數據在解碼之前進行組合。

HARQ技術不僅可以提高系統(tǒng)性能，靈活調整有效碼元速率，還可以補償由于采用鏈路適配所帶來的誤碼。它有兩種運行方式：軟合并和增量冗余（IR），后者的性能要優(yōu)于前者，但要求接收端有更大的內存。

c）快速資源調度算法則是基于信道條件，并兼顧公平性的原則來對系統(tǒng)資源進行調配，以獲得小區(qū)范圍內最大的數據吞吐量。

同時，HSDPA將重傳與資源調度功能從RNC移植入NodeB中新增的MAC-hs功能實體上［4］，并將一個最小傳輸時間間隔（TTI）縮短到2ms（3個時隙），從而有效地降低了終端和NodeB之間的處理時延，提升了用戶對信道變化的快速響應能力。

2 HSDPA系統(tǒng)載頻功率設置

不同于CDMA2000的增強版1xEV-DO技術，HSDPA可同時支持與原WCDMAR99設備在同一載頻或不同載頻上工作。

a）在HSDPA建設初期，考慮到數據業(yè)務開展程度并未十分充分，因此從有效利用現有的頻率及硬件資源，并為網絡向HSDPA技術演進提供一個相對經濟及平滑的方案的角度考慮，運營商必會選擇與原R99設備合載頻的方式來承載HSDPA，由此涉及到如何在同一載頻上有效地分配功率及碼字資源，以使小區(qū)吞吐量達到最優(yōu)的問題。

參考文獻3給出了一個特定情況下的系統(tǒng)仿真結果，其中同一載頻上話音與分組業(yè)務同時由R99的專用信道（DCH）和R5HSDPA的HS-DSCH承載，并假設配有1個高速下行共享控制信道（HS-SCCH）的HSDPA用戶最多可以分配5個HS-DSCH并行碼道，即單用戶最高數據速率可達3.6Mbit／s，而R99信道則可以使用剩余的碼資源進行服務。由此可得到R99DCH和R5 HS-DSCH信道共同作用下的總小區(qū)平均吞吐量以及各自業(yè)務信道所承載的數據吞吐量。

可以看到，隨著分配給HSDPA功率的增加，HS-DSCH所承載的吞吐量呈上升狀態(tài)；而DCH上的吞吐量則由于其所分配到的功率不斷減少而下降；同時，總小區(qū)平均吞吐量在分配給HSDPA的功率值為7W以后達到飽和，約為1.3Mbit／s。由此，可得到一個R99與HSDPA同載頻工作時的功率分配的系統(tǒng)仿真經驗值，即設基站總發(fā)射功率為20W，當為HSDPA業(yè)務承載分配7 W功率時，小區(qū)吞吐量性能可達最優(yōu)。

將該功率配置應用于下行鏈路預算中核算下行功率負載因子，進而得到在當前的用戶及業(yè)務分布模型下的合載頻方案的可行性。

參考文獻3還仿真出在小區(qū)內僅存在R99終端時的總小區(qū)平均吞吐量約為780kbit／s。相比引入HSDPA技術后的1.3Mbit／s的吞吐量來說，合載頻方式下HSDPA系統(tǒng)有將近70%的小區(qū)容量增益。該增益主要是由快速資源調度算法所得的多用戶分集增益以及AMC／HARQ技術所帶來的高頻譜利用率而得到的。由此可看到引入HSDPA系統(tǒng)后的性能相對于原R99網絡有了很大程度的提高。

b）當網絡數據業(yè)務激增，導致系統(tǒng)負荷超過原有載頻的承載能力時，系統(tǒng)會啟用第二載頻。此時，該第二載頻是采取獨立承載HSDPA數據業(yè)務，還是混合承載R99與HSDPA業(yè)務則依然取決于當時的業(yè)務及用戶特性。

若采取R99與HSDPA分載頻獨立設置方案，則考慮到HSDPA系統(tǒng)在HS-DSCH上是以速率控制替代了R99的功率控制，因此在每個TTI內是以滿功率發(fā)射的。在除去部分信令開銷后，余下功率資源均可應用于HSDPA業(yè)務承載。

3 HSDPA合／分載頻規(guī)劃方案分析

作為WCDMA系統(tǒng)的數據增強技術，HSDPA無線網絡規(guī)劃的目的就是要根據其技術特點，在基于混合多業(yè)務模型下，綜合考慮容量、覆蓋及質量平衡等問題，以一定的區(qū)域可靠度為覆蓋目標，確定一個處于最佳均衡點的網絡結構。

其中，由上下行業(yè)務分布預測所進行的上下行負載因子核算是實現HSDPA無線覆蓋與容量最佳平衡的關鍵步驟。

3.1業(yè)務模型定義

業(yè)務模型是用來反應各個業(yè)務環(huán)境下用戶在進行混合業(yè)務時，各等級無線承載業(yè)務（RAB）的使用比例，并用于估算每用戶平均業(yè)務愛爾蘭或數據吞吐量值。在R99與HSDPA用戶共同存在的環(huán)境下，需分別定義R99及HSDPA用戶業(yè)務模型，以符合各自的業(yè)務特征。

3GPP定義R99的5種基本承載為AMR12.2k、CS64k、PS64k、PS128k及PS384k?？紤]到引入HSDPA后下行業(yè)務速率等級的提升，并參考3GPP規(guī)范所定義的HSDPA終端12種典型業(yè)務承載速率［6］，在HSDPA業(yè)務模型中的下行分組域新增3種基本承載：PS534k、PS800k及PS1600k，分別對應規(guī)范中的H-SET1、H-SET5及H-SET3模式中QPSK調制、5個并行碼道傳輸方式的信息速率［1］。

3.2上行鏈路預算及負載因子核算

WCDMA系統(tǒng)表現為覆蓋上行受限，因此上行鏈路預算的目的在于確定一系列規(guī)劃目標與參數后，得出各種無線環(huán)境下的小區(qū)平衡覆蓋半徑。

考慮HSDPA在上行新增了物理層的HS-DPCCH，用于傳送下行無線信道質量CQI及HARQ過程的反饋信息（ACK／NACK），這將導致上行鏈路一定的附加誤碼率及增加終端傳輸的峰均比（PAR），因此HSDPA上行業(yè)務信道比R99版本要求有較高的接收Eb/N0，以及終端需預留部分功率儲備來支持傳輸的譜效率，從而影響其上行覆蓋。

參考文獻6指出，在預規(guī)劃上行鏈路、保證PS64k數據速率覆蓋能力時，該影響可以忽略。而通常在做密集市區(qū)WCDMAR99無線網規(guī)時，均以CS64k為上行連續(xù)覆蓋目標，其要求略高于PS64k，因此本文中HSDPA上行規(guī)劃Eb/N0目標值及系統(tǒng)參數的確定可參考R99網絡的參數。

HSDPA／R99混合小區(qū)上行負載因子驗證值41.5%為迭代后的平衡值，小區(qū)覆蓋半徑基本受限于CS64k的可視電話業(yè)務，其最大允許路徑損耗為124dB，而0.43km的小區(qū)平衡覆蓋半徑則根據平衡負載因子迭代計算所得。

可見，原基于預規(guī)劃上行負載50%的R99無線網小區(qū)覆蓋規(guī)劃基本適用于本文業(yè)務模型下的HSDPA／R99混合無線網，由此，基站的覆蓋范圍初步框定。鑒于引入HSDPA后用戶下行業(yè)務激增，需通過下行鏈路預算來核算其下行容量是否受限。

3.3下行鏈路預算及負載因子核算

在WCDMA系統(tǒng)中，由于下行所有用戶共享基站恒定的發(fā)射功率，因此，隨著網絡容量的上升，負載增大，各用戶分配到的功率不斷下降，導致下行鏈路所允許的最大路徑損耗無法與上行達到平衡，從而影響到基站的覆蓋能力。因此，下行鏈路的預算及其負載因子的核算就顯得尤為重要。

針對HSDPA系統(tǒng)來說，需根據不同建設階段的用戶業(yè)務特性來采取HSDPA合載頻或獨立載頻的承載方式，而基于HSDPA下行鏈路預算所得的系統(tǒng)下行負載因子則是決定合／分載頻方案的關鍵指標。由此結合上行預算所得的覆蓋范圍，才能得到一個覆蓋及容量結構平衡的無線網絡。

3.3.1下行部分公共信道功率核算

在WCDMA系統(tǒng)中，下行鏈路功率的一部分必須分配給與業(yè)務無關的、連續(xù)發(fā)射的公共信道，包括公共導頻信道（CPICH）、同步信道（SCH）及公共控制物理信道（CCPCH）等，從而占用可能分配給業(yè)務信道的小區(qū)容量，同時，其功率總量將影響同步時間、信道估計精確度和廣播信道的接收質量等關鍵指標，因此公共信道的功率需基于無線網結構進行合理、優(yōu)化配置。

基于參考文獻6中建議的典型WCDMA下行鏈路公共信道的功率配置比，并參考Ericsson公司的建議，將引入HSDPA后，新增的HS-SCCH相比CPICH的功率差值設為-1dB，由此可得到基于上行預算確定的網絡平衡結構較為合理的HSDPA下行公共信道配置。其中總公共信道功率為3.92W。