HSDPA技術及其應用

HSDPA是3GPP在R5協議中引入的一種能夠提高下行容量和數據業務速率的增強技術。本文介紹了HSDPA技術的基本原理、性能和應用情況，對HSDPA所采用的關鍵技術進行了詳細分析。最后，對HSDPA的引入策略提出了一些建議。

HSDPA(高速下行分組接入，HighSpeedDownlinkPackages Access)技術，是3GPP在R5協議中引入的，它可以在不改變WCDMA系統網絡結構的基礎上，大大提高用戶下行數據業務速率(理論峰值可達14.4Mbit/s)，極大地改善了WCDMA不支持數據密集型應用的缺陷，是WCDMA網絡建設中提高下行容量和數據業務速率的一種重要技術。

1、WCDMA標準演進

WCDMA標準在發展過程中形成了R99、R4、R5、R6、R7等版本，其中R99、R4、R5版本分別于2000年3月、2001年3月和2002年6月推出，R6版本預計2006年內推出，R7版本仍在討論中。R99版本比較成熟，核心網仍然沿用了GSMMAP標準，充分考慮了對現有GSM網絡的向下兼容和投資保護，目前的商業部署幾乎全部采用了R99版本。相比R99版本，R4版本的無線接入部分只改動了一些接口協議的特征，相應功能得到增強，網絡結構沒有變化。R4版本核心網部分改動比較大：由TDM的中心節點交換型結構演進為典型的ATM分組語音分布式體系結構;網絡采用開放式結構，業務邏輯和底層承載相分離;UTRAN與核心網語音承載方式均由分組方式實現;語音采用統計復用方式傳遞，實現網絡帶寬動態分配，避免TDM擴容時需反復調配2Mbit/s電路的繁瑣程序。R5版本是全IP的第一個版本，引入IP傳輸作為ATM外的第二種可選傳輸機制;并在無線部分引入了HSDPA的概念，使下行鏈路可以支持高達10Mbit/s(理論峰值14.4Mbit/s)的傳輸速率;另外，其核心網增加了IMS(IP多媒體子系統)。R6版本正在討論中，無線接入部分主要引入了HSUPA。R7版本將主要引入正交頻分復用(OFDM)和多入多出(MIMO)技術。

對高速移動分組數據業務的支持能力是3G系統最重要的特點之一。WCDMAR99版本可以提供384kbit/s的數據速率，這個速率對于大部分現有的分組業務而言基本夠用。然而，對于許多對流量和時延要求較高的數據業務如視頻、流媒體和下載等，需要系統提供更高的傳輸速率和更短的時延。同時，cdma20001xEV-DO、WLAN和WiMAX等技術的快速發展，也對WCDMA R99構成威脅，使得WCDMA R99/R4版本面臨著一旦商用，就會在技術上落伍的尷尬境地。為了更好地發展數據業務，3GPP從提高傳輸速率和縮短傳輸時延這兩方面對空中接口作了改進，引入了HSDPA技術。HSDPA不但支持高速不對稱數據服務，而且在大大增加網絡容量的同時還能使運營商投入成本最小化。它為UMTS更高數據傳輸速率和更高容量提供了一條平穩的演進途徑，類似于在GSM網絡中引入EDGE。

2、HSDPA的基本原理

在R99的空中接口體系中，數據重傳方式是由RNC來負責完成的，數據重傳需要繞經Iub接口，數據重傳的周期較長;NodeB僅僅起到一個根據RNC的指令完成物理層編碼、傳輸的功能，NodeB本身基本不具有對物理資源的控制和調度能力。而在HSDPA中，為了在空中接口上實現更大的吞吐能力，對NodeB的功能進行了增強，在Node B的層面引入了物理層重傳和快速資源調度的概念。通過在更靠近空中接口的Node B上引入這些原本只有RNC才具有的功能，加快了重傳以及對空中資源調度的效率。同時，結合AMC(Adaptive Modulation and Coding，自適應調制編碼)、HARQ(Hybrid Automatic Repeat reQuest)等新技術，采用了更短的TTI(Transmit Time Interval)長度(2ms)、固定擴頻因子的多碼道傳輸，從而在下行方向上實現了遠高于R99的高速的分組數據傳輸能力。

為了實現HSDPA的功能特性，在物理層規范中引入了三種新的物理信道。

(1)高速下行鏈路共享信道(HS-DSCH)：在下行鏈路上，傳輸用戶的業務數據。采用固定的擴頻因子SF=16，由于需要給公共信道、HS-SCCH及相關的DCH預留可用的信道碼，所以最大可用信道數為15。傳輸時間間隔定義為2ms(3個時隙)，遠小于R99中規定的10ms、20ms等長度，從而大大縮短了數據重傳時終端和NodeB之間的往返時延。

(2)高速下行共享控制信道(HS-SCCH)：在下行鏈路上，傳送HSDPA的專用信令，如傳輸格式和系統資源指示等;采用固定的擴頻因子SF=128，每個終端最多可以同時監測4個HS-SCCH。

(3)高速專用物理控制信道(HS-DPCCH)：在上行鏈路上，發送反饋信道信息(如信道質量指示CQI)和傳輸塊發送確認信息(承載HARQ進程需要的ACK/NACK信息)。用戶終端通過測量CPICH得到CQI信息，CQI的上報周期和映射可由網絡定義。

NodeB通過用戶從上行專用控制信道HS-DPCCH中反饋的信息得到用戶的下行信道情況，然后NodeB根據所收集的所有用戶的信道情況，通過一定的調度策略，為當前用戶分配HSDPA的下行數據傳輸的物理資源(HS-DSCH、HS-SCCH)，同時選擇相應的最合適的AMC方案，以此來實現系統吞吐量最大化、用戶吞吐量最大化、用戶QoS保證等資源調度目標。

3、HSDPA的關鍵技術

HSDPA技術的思路和目標是提高網絡的傳輸效率和頻譜效率，以滿足3G中對高速數據傳輸的業務需求。目前，常用的提高頻譜效率的手段主要是根據信道條件的變化對網絡參數和調制算法進行自適應的調整。

HSDPA的關鍵技術主要包括以下方面。

3.1自適應調制編碼(AMC)

AMC技術的基本原理是根據信道的情況來確定合適的調制編碼方式，以最大限度的發送數據信息，實現高的傳輸速率。同時，根據用戶信道質量的反饋，動態地調整調制編碼方案，從而獲得較高的傳輸速率和頻譜利用率。除了WCDMAR99中的QPSK調制以外，HSDPA還引入了16QAM調制。與QPSK相比，16QAM的峰值速率是QPSK的兩倍。

基于AMC技術，當用戶處于有利的通信環境時(如終端靠近基站或者終端和基站之間存在良好的視距鏈路時)，可以采用高階調制和高速率的信道編碼方式，如：采用16QAM和3/4編碼速率，從而得到較高的數據速率;當用戶處于不利的信道環境時(如終端位于小區邊緣或者無線信道衰落較深時)，可以選擇低階調制方式和低速率的信道編碼方案，如：采用QPSK和1/4編碼速率，降低數據速率，以保證通信質量。

3.2快速混合自動重傳(FastHARQ)

重傳技術是為了在復雜多變的無線環境中提高數據的正確接收率而提出的。HARQ是指接收方先對接收到的數據包進行自我檢錯糾錯，如果錯誤可以進行自我糾正，就正確接收;否則保存本次接收的數據包，并請求發送方重傳。接收方將重傳的數據包和先前接收到的數據包在解碼前進行合并，充分利用它們攜帶的相關信息，以提高正確譯碼的概率。

HARQ是將ARQ和FEC相結合的一種差錯控制方案。ARQ具有高可靠性、低復雜度的特點，但它的效率低、時延大;FEC則有效性較高，但可靠性比ARQ低，而且復雜度也較高;將二者結合起來，優勢互補，就產生了混合型ARQ，即HARQ技術。HARQ的類型主要包括以下兩種：軟合并(SoftCombining)和增量冗余(IncrementalRedundancy)。

HARQ遵循“SAW(StopAndWait)”策略，發送完一個數據包后，只有收到“確認(ACK)”信息后才能繼續發送數據;如果返回NACK信息，則要根據HARQ類型選擇重發數據。這種機制簡單可靠，但是信道利用率較低。通常，HSDPA采用Nchannel-SAW協議：N個用戶可以并行發送數據，當一個用戶等待ACK信息時，其他用戶可以利用信道間隙發送數據，從而提高了信道利用率。

3.3基站包調度(NodeBScheduling)

調度是對系統有限共享資源進行合理分配，使資源利用率達到滿足合理前提的最大化。調度算法控制著共享資源的分配，在很大程度上決定著整個系統的行為。系統根據所有用戶的情況，采用一定的調度策略決定哪個用戶可以使用信道，以及以何種速度使用信道?；景{度為信道條件好的用戶分配高的數據速率，從系統的角度來講，提供了多用戶分集增益，增加了系統吞吐量。

不同的調度算法對系統性能影響很大，常用的調度算法主要包括：資源公平(FairResource，FR)算法、最大C/I算法(M-C/I)、正比公平(ProportionalFairResource，P-FR)算法等。

圖1為某廠商提供的仿真結果，從圖上可以看到，采用不同的調度算法，小區中用戶的平均吞吐量的差別較大。在考慮系統吞吐量最大化的同時，也需要兼顧公平性原則。

圖1 采用不同調度算法下的小區吞吐量比較

3.42ms短幀

HSDPA中引入了2msTTI，相比10msTTI，大大減少了空中接口的傳輸時延，并且UE和NodeB相應的處理時延也大大降低，可以更好地配合HARQ和基站快速調度的實施，提高系統的吞吐量。另外，采用2msTTI帶來的快速反應可以顯著提高響應速度，從而大大提高用戶終端的服務質量，使系統提供類似于實時視頻、流媒體等多媒體服務成為可能。

4、HSDPA的性能

圖2給出了宏蜂窩和微蜂窩兩種環境下HSDPA和R99的性能比較。從圖中可以看出，在宏蜂窩(Macrocell)環境下，相比R99，HSDPA可以把小區吞吐量提高100%;在微蜂窩(MicroCell)下，由于信道條件相對較好，HSDPA可以采用高速率的數據調制和編碼方案，極大地提高用戶的下行數據速率，從而使HSDPA帶來的小區吞吐量增益超過200%。另外，從圖2中，我們可以看到在不同的調度算法下，小區吞吐量的差別：資源公平算法(FairResource)下各個用戶得到相等的資源分配，小區吞吐量依賴于用戶所處的實際環境，系統資源利用率不高，總的系統吞吐量相對較小;而正比公平(Proportional Fair Resource)算法基于用戶優先權進行資源分配，選擇相對信道條件較好的用戶進行優先調度和資源分配，系統總的吞吐量有較大提升。

圖2 HSDPA和R99的性能比較

另外，對同一類HSDPA終端，在不同的移動速度、不同的多徑信道中，數據吞吐量也有所不同。如圖3顯示了終端類別6UE在VehA120、VehA50、Veh A3、Ped A50、Ped A3和LOS 6種不同的無線環境中，HSDPA用戶數據吞吐量的比較。在無線環境較好的情況下，如視距(LOS)情況下，由于多徑干擾較少，終端可以采用高階調制和高速率的信道編碼方式，如：采用16QAM和3/4編碼速率，從而得到較高的數據速率。在同一種移動環境下，用戶在小區中移動過程中，當用戶距離基站較近時，對應的載干比C/I較高，對應的信道條件也越好，同樣，終端也會采用高階調制和高速率的信道編碼方式，從而得到較高的數據速率。

圖3 不同無線環境下HSDPA用戶終端的數據吞吐量比較

5、HSDPA的應用

目前，HSDPA標準已經穩定，技術也日益成熟，產品性能通過測試得到驗證，終端產品在市場上也已陸續推出。隨著HSDPA技術不斷發展和設備不斷成熟，其良好的應用前景和平滑的演進能力正在引起業界越來越多的關注，HSDPA幾乎得到了所有WCDMA設備廠商的支持，在世界范圍內，各主要運營商也已開始計劃部署或已經部署HSDPA。

5.1問題分析

引入HSDPA組網時，需要考慮兩個問題：

第一，采用連續覆蓋還是熱點覆蓋?

連續覆蓋可以提高用戶的滿意度，但成本較高，另外考慮初期用戶可能是采用筆記本電腦用HSDPA高速接入的方式會比較多，對移動性要求不高，所以網絡部署初期可以是熱點覆蓋。隨著高速數據用戶的增加以及引入HSDPA的智能終端的普及，可以發展連續覆蓋。

第二，單獨使用載波還是與R99共享載波?

單獨使用載波：優點是HSDPA和R99可同時獲得最高的容量;缺點是相比共享載波方式，網絡部署成本較高。共享載波：優點是可以以低成本進行網絡部署，無需增加新的頻率和系統硬件，相比R99有更好的性能表現，更高的系統吞吐量;缺點是相比單獨載波方式，頻率利用率較低。

當HSDPA和R99共享同一個載頻時，為實現HSDPA的最大傳輸速率，需消耗近乎所有的信道碼資源。為支持同一載波下HSDPA+R99方式的正常運營，必須為R99的業務預留一些信道碼資源，這意味著HSDPA可獲得的碼資源減少，導致HSDPA的吞吐量和容量在碼資源上受限。還需注意的是HSDPA對下行功率使用的突發特性會對R99業務造成影響，在功率資源的分配上也應給R99業務保留適當的余量以減輕這種影響，但這又會影響HSDPA吞吐量?？傊?，需要在二者間進行功率資源和碼資源的權衡。

5.2引入策略

在建網初期，在頻率資源緊張且HSDPA用戶及業務量不高時，可以考慮HSDPA與R99共享載波組網，這樣既可以滿足高端用戶對高速業務的需求，又可以節約寶貴的頻率資源。初期采用HSDPA與R99共享載波，可以有效地保護了運營商的投資成本，使運營商投入成本最小化，還大大增加了運營商的業務范圍，為提高ARPU值創造了可能。在基站近點處，用戶使用HSDPA提高用戶數據流量;當用戶移動到該基站覆蓋的遠點處，HSDPA用戶轉換為DCHPS業務;當用戶移到另一個基站的HSDPA覆蓋區時，可以將DCHPS業務切換到HS-DSCH信道，重新轉化為HSDPA業務，實現HS-DSCH與DCH的雙向切換。

當HSDPA用戶及業務量增高后，下行負載升高，下行干擾也相應升高。當升高的水平達到R99的設計負載門限時，就應考慮部署新載頻，如果HSDPA用戶及業務量較高，就應考慮把原先共享同一個載頻的部署方式改為單獨載頻方式，即HSDPA、R99分別使用其專用載頻，這樣即避免了載頻共享時對R99業務的影響，又能滿足HSDPA的高業務量要求。

在HSDPA引入初期，密集市區、商務區和部分數據熱點區域是需要重點考慮的地區，這些區域的數據業務量比較大，可以充分發揮HSDPA承載數據業務的高效優勢。對于普通市區、郊區和農村，HSDPA的需求基本上可以認為沒有或者很少，暫時可以不引入HSDPA，而是采用R99/R4無線網絡覆蓋，或者根據需要，只在局部熱點區域引入HSDPA?？傊?，HSDPA的引入可以根據數據業務的發展需求，分階段逐步擴展實施。

5.3HSDPA的商用狀況

目前，在世界范圍內，多家大型移動通信運營商已將HSDPA納入日程，紛紛表示將大力支持設備和終端廠商對HSDPA的研發，并積極組織外場測試，組建實驗網驗證HSDPA的性能。部分運營商首先在幾個重要城市進行試商用，成功后再大范圍推廣。

在美國，第一大無線運營商VerizonWireless的cdma20001xEV-DO網絡已經覆蓋了32個區域市場，人口覆蓋率超過30%，計劃到2006年初使其cdma20001x EV-DO網絡的人口覆蓋率超過40%。為了應對競爭，美國第二大移動運營商Cingular正在計劃成為美國的首家HSDPA服務運營商，推出時間定在2006年。

在日本，NTTDoCoMo是日本最大的移動通信運營商，擁有PHS、PDC(2G)、FOMA(基于WCDMA)移動通信業務。但與其競爭對手網絡運營商KDDI相比，NTTDoCoMo在3G用戶數及其增長速度兩方面都不具備明顯優勢。于是NTTDoCoMo宣布上馬HSDPA，以對抗KDDI的以cdma2000 1x EV-DO為基礎的無線高速數據業務。

在中國，3G牌照遲遲沒有發放，業界普遍預測牌照發放時間為2006年，屆時，HSDPA的系統設備和終端將達到全部商用能力。因此，國內多家運營商都對HSDPA技術表示出極大的關注，計劃在WCDMA網絡建設初期就引入HSDPA。

6、小結

通過以上對HSDPA技術的綜合分析，我們可以看到：HSDPA通過采用一系列新的技術大大提高了無線網絡的效率和數據傳輸的速率，顯著降低了數據傳輸時延和每比特傳輸成本，提供了更高的網絡可用性。HSDPA基于R99/R4的網絡架構，實現網絡的平滑過渡，通過軟件升級實現HSDPA，從而提高了RAN的硬件利用率，極大降低了運營商的網絡建設成本。對用戶而言，HSDPA帶來了下行高速的數據傳送、更短的服務反應時間和更加可靠的服務，大大提高了客戶體驗。

HSDPA可以提供更大的移動帶寬、更好的數據服務，但其要想真正投入大規模商用，并獲得成功，還需要實際應用來檢驗。從全世界來看，已經商用的3G系統，面臨的首要問題不是網絡的帶寬不夠，而是網絡中數據業務的流量不足。如何擴大數據業務的市場規模，找到可以盈利的3G運營模式，才是問題的關鍵。只有當巨大的數據業務市場開發出來，HSDPA技術本身的承載能力才能得到充分的發揮。