HSDPA技术系统特性分析


『摘要』HSDPA技术是WCDMA R5中采用的一种提高下行数据速率的技术，文章简要介绍了WCDMA中引入HSDPA对原有R99网络结构的影响及HSDPA采用的主要关键技术，并对HSDPA网络实际可支持数据速率、覆盖及小区吞吐量等主要特性进行了重点分析。

『关键词』HSDPA
数据速率
覆盖
吞吐量
1引言
2006、2007年国内股市火爆的对移动通信行业的发展也起到了积极作用，以CDMA 1X和GPRS数据业务为载体的手机炒股等业务极受欢迎，移动通信数据业务的推广迅速升温。
目前通信业务发展移动化、宽带化、IP化的趋向越来越明显，现在开展3G业务初期以提供语音业务为主，后期逐步提供数据业务的发展思路显然已经不合时宜。对于建设3G网络的运营商而言，网络规划建设初期就必须更关注网络提供的数据业务能力。
对于可能获得WCDMA牌照的运营商而言，规划设计WCDMA网络建设时，已经不再需要讨论何时引入HSDPA，而需要关注的是开放业务时HSDPA初期需要覆盖的范围，规划设计需要提供的边缘数据速率和R99之间的切换关系、具体的容量、功率配置等方面的内容。而在做这些之前，有必要先对HSDPA技术本身的实际系统特性有所了解，以便针对性的修正原WCDMA建设方案。以下将摘要说明HSDPA的主要技术特性说明，供有需要的同志参考。
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WCDMA中引入HSDPA对网络结构的影响高速下行分组接入（HSDPA，High Speed Downlink Packet Access）技术是3GPP在WCDMA R5协议中为了满足上/下行数据业务不对称的需求而提出的一种下行数据增强技术。采用此技术可以在不改变已有的WCDMA系统的网络结构前提下大大提高WCDMA系统下行分组数据传输速率，是WCDMA网络建设后期提高下行容量和数据业务速率的一种重要技术。

HSDPA技术是WCDMA在无线部分的增强与演进。WCDMA从R5开始引入HSDPA，其目的是为了适应未来大量的移动数据业务需求而在无线接口增加下行链路的数据传输速率。引入HSDPA后，无线部分的总体结构虽与R99基本一致，但仍存在部分差异。

其中，为了快速调整传输参数以适应信道的当前特征，HSDPA将快速链路适配、快速调度等功能应放置在Node B。Node B在MAC层新增了MAC-hs实体，负责HARQ（混合自动重传）操作以及相应的调度，以满足快速链路适配和快速调度的需要。

为提供相应的高速数据业务，HSDPA在物理层引入三种新的信道：（1）高速下行共享信道（HS-DSCH），用以承载下行链路用户数据；（2）HS-SCCH（High Speed Shared Control Channel）信道，用以承载HS-DSCH上用来解码的物理层控制信令；（3）HS-DPCCH（High Speed Dedicated Physical Control Channel）信道，承载上行链路控制信令。

HS-DSCH信道与R99中的DSCH信道类似，均为下行共享信道。为了减小时延、增加调度进程的粒度以及更及时地跟踪时变无线信道的特征，HS-DSCH采用了2ms 的传输时间间隔（TTI），而R99中的TTI最小为10ms。另外，除了R99中的QPSK调制外，HS-DSCH还引入了16QAM调制。
HS-DSCH信道的共享方式有两种：基本的方式是时分复用，即按时间段（可以每个TTI帧为单位调整）分给不同的用户使用，这样所有的HS-DSCH信道码（总共15个）每次只分配给一个用户使用。另一种就是码分复用，即在同一时刻，多个HS-DSCH信道码分别分配给不同的用户使用，多个用户可以同时传输数据。
为达到提高下行分组数据速率和减少时延的目的，HSDPA引入了自适应的调制和编码方案（AMC）、混合自动重传（HARQ）、快速调度等关键技术（以上HSDPA关键技术的研究和论文成果目前已经比较多，此处不再赘述。
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HSDPA网络主要系统特3.1 HSDPA支持的数据速率HSDPA引进的HS-DSCH信道可由多个用户共享多路信道码，HS-DSCH扩频因子（SF）固定取16，最高可支持单个用户15个HS-DSCH信道并发。通过采用更高的调制方式和编码速率，多码道并发，单个HSDPA用户理论上可达到最大数据速率为14.4Mb/s（采用16QAM，使用15个码道，编码速率4/4）。理论计算过程如下：
采用固定扩频因子SF=16→3.84Mcps/16=240K symbols/s；
采用16QAM调制（每symbol包含4bit 信息）→240×4＝960kb/s；
最高15个码道并行发送→HS-DSCH最大理论数据速率＝960×15＝14.4Mb/s。
14.4Mb/s为纯理论计算的最大数据速率，其前提是信道条件非常好，可采用的编码速率达4/4（即不需要冗余纠错、重传等）。在实际的无线传播环境中这种条件是不可能成立的，HS-DSCH采用Turbo编码有效码速率在通常1/4～3/4间变化（以有效码率3/4为例，可支持的最大有效速率为14.4Mb/s×3/4＝10.8Mb/s）。另外按规范要求，终端所支持采用的并发码道数量最大值为5、10或15（不同终端类型要求不一样），调制方式也可选16QAM和QPSK，因此最终能实现的最高速率和终端类型密切相关。规范定义了12类终端，分别定义了其可支持的最大HS-DSCH码信道数目、可使用HS-DSCH信道的最小TTI间隔时间以及可支持的调制方式等，相应终端可实现的最大数据速率如表1所示：

表1 终端可支持的数据速率

终端能力级	并行HS-DSCH码信道数目	最小TTI间隔	每TTI传输信道比特	调制方式	实际可实现的最大速率（Mb/s)
1	5	3	7298	QPSK/16QAM	1.2
2	5	3	7298	QPSK/16QAM	1.2
3	5	2	7298	QPSK/16QAM	1.8
4	5	2	7298	QPSK/16QAM	1.8
5	5	1	7298	QPSK/16QAM	3.6
6	5	1	7298	QPSK/16QAM	3.6
7	10	1	14411	QPSK/16QAM	7.2
8	10	1	14411	QPSK/16QAM	7.2
9	15	1	20251	QPSK/16QAM	10.2
10	15	1	27952	QPSK/16QAM	14.4
11	5	2	3630	QPSK	0.9
12	5	1	3630	QPSK	1.8

实际HSDPA网络中，用户可获得的最高数据速率除了受终端限制之外，还与用户离Node B的远近、小区内同时使用HSDPA高速数据业务的用户数量、网络的资源调度算法和策略等有关，通常都小于终端所能支持的最大速率。
3.2 HSDPA覆盖分析对于HSDPA引入的初期，一般将采用在同一载波支持HSDPA和R99信道的方式。对于HSDPA和R99同载波的情况，由于WCDMA系统的下行是一个功率共享的系统，需要考虑功率分配的规则和算法。通常对于HSDPA引入的初期， Node B常见的功率分配方式如图1所示：

图1
HSDPA功率分配方式

功率分配时将预留一定的功率专用于支持HSDPA，同时限制HSDPA所能占用的最高功率以保证R99的功率需求，为HSDPA所设置的最低和最高功率门限参数是可调的。通常HSDPA引入初期高速数据需求较少时，Node B功率分配将优先满足R99信道需求，而将剩余的功率全部分配（不需要考虑功控余量）给HSDPA用户以支持其高速数据传输需求。从这个功率分配的方式可以看出，R99/HSDPA同载波使用时由于功率共享，两者覆盖范围互相会有一定的影响。
由于HSDPA的高功率发射将产生额外干扰，对R99业务信道而言，干扰余量将提高（典型值将提高1dB），因而R99的业务需要提高发射功率来补偿干扰的增加以保持原有的覆盖范围。如R99业务总量不变，覆盖范围将收缩。系统仿真表明，当HSDPA 和R99 同载波时，HSDPA对R99语音和CS64等低速业务的覆盖影响较小，而对PS384高速业务的覆盖影响较大。因此，在这种情况下，为避免高速业务的覆盖迅速收缩，建议将高速数据业务转移至 HS-DSCH承载。
对于HSDPA而言，一般情况下可认为不会存在覆盖问题，只存在功率是否够分配的问题。从链路预算分析，由于HS-DSCH使用SF=16的固定扩频因子，和采用SF=128的CS12.2k话音相比，其处理增益要小，但因为HSDPA可以为一个链接提供较大的信道功率，两者的覆盖半径处在可比范围之内。通过对链路预算过程进行分析，可以得到HSDPA不同速率情况下的覆盖效果变化情况。根据系统仿真结果，在城区覆盖范围相对较小的小区环境下，HSDPA在低速业务时候（例如250～300kb/s），基本可以达到与12.2kb/s语音业务的同心圆覆盖。通常一般城区基站典型覆盖半径为500～800米之间，在这个范围内，可认为HSDPA的低速业务是可以全网覆盖的。
3.3 HSDPA小区吞吐量分析HSDPA的小区吞吐量与覆盖范围、终端的分布位置等密切相关。当终端处于Node B近点的时候，小区的HSDPA吞吐量明显上升，可以发挥出HSDPA的高速下载功能。而当HSDPA用户处于小区边缘的时候，外来干扰变大，小区的吞吐量将明显下降。
仿真结果表明，当HSDPA业务信道的速率降到250kb/s~300kb/s左右时是可以实现城区全网覆盖的。图2给出了城区环境下终端处于小区覆盖范围内不同位置时采用HSDPA和R99 PS384k支持数据业务时的吞吐量分析对比情况：

图2
HSDPA与R99 PS384K业务吞吐量/覆盖比较

图2分析了R99（PS384k）和HSDPA在覆盖和吞吐量上的区别，图中红线代表R99的吞吐量，由于码资源受限，因此在终端靠近Node B时，R99的小区吞吐量达到上限（7×384k）后就不会再增加。
从图2可以看到，终端集中在Node B近点时，HSDPA支持的吞吐量远远优于R99。在45％半径左右的位置，HSDPA性能下降到R99相仿的水平。而当到覆盖半径70%左右距离时终端进入R99的切换区，R99将获得切换增益，吞吐量得到补偿，因此维持在一个比较稳定的水平。因为HSDPA没有切换，当终端会远离Node B时，需要HSDPA对承载速率进行调整，通过降低速率以满足终端对业务的质量要求，其能支持的吞吐量将急剧下降。该图充分显示了与R99的PS业务比较，HSDPA在近点吞吐量上的优势以及在远点覆盖上的不足（通常在城区小区边缘R99可支持PS384k的数据业务，而HSDPA可保障的数据速率为250k~300k）。所以为了保证HSDPA的资源能够得到充分利用，应通过接纳控制使得处于有利位置的终端获得HSDPA资源。对于远离Node B、信道环境恶劣的终端，则可以通过降低HSDPA的信息速率或将信道切换到其它专用信道的PS业务承载方式来处理。
实际网络中，使用HSDPA业务的终端分布不会固定在某个具体位置，HSDPA所能支持的典型环境下的小区吞吐量应在统计意义上通过仿真得出。对于典型的城区宏蜂窝和大楼内微蜂窝两种典型环境下，采用R99 PS业务和HSDPA技术的平均小区吞吐量对比情况如表2所示：

表2 典型环境下的R99 PS和HSDPA小区吞吐量对比

小区类型	分组调度算法	R99-DCH/DSCH吞吐量(kb/s)	HSDPA吞吐量(kb/s)
宏小区	公平吞吐量	675	930
宏小区	公平时间	915	1520
微小区	公平吞吐量	990	3210
微小区	公平时间	1260	5810

在城区宏蜂窝环境下，HSDPA可比R99增加50％～70％的吞吐量，主要得益于HARQ的频谱效率的提高、更强大的编码方案、高分辨率的多码传输等因素。而在微蜂窝环境下，HSDPA能更好的利用相对有利的信道状况，其吞吐量理想状况下可比R99高出200％以上，实际环境下因为终端和Node-B的硬件限制，链路自适应以及分组调度的实现限制等因素，实际差别仍可比R99吞吐量高出一倍以上。
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结束语WCDMA R5中引入HSDPA技术后，UTRAN部分的结构基本不变，在Node B新增了MAC-hs功能块，并在物理层新增了三种新的物理信道。HSDPA采用的关键技术为自适应调制编码（AMC）、混合自动重复（HARQ）以及快速调度算法。
通过采用高阶调制算法(16QAM),多码道并发（最多15个HS-DSCH码道），以及上述各种关键技术，HSDPA理论上可支持最高达14.4Mb/s的高速数据传输速率。和R99相比， HSDPA在Node B近点体现出明显的吞吐量优势，而远点覆盖则相对不足，总体而言HSDPA可比R99明显提升小区的吞吐量。
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作 者：万俊青 华信邮电咨询设计研究院有限公司
来 源：《移动通信》杂志

[ 本帖最后由 evillive 于 2010-6-30 21:01 编辑 ]