解析HSDPA组网方案

WCDMA技术

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描述

1、引言

    WCDMAR99和R4系统能够提供的最高下行速率只能到3.84Mb/s,为了能够与CDMA1xEV-DO抗衡和应对宽带接入(如WiMAX)的竞争,WCDMA系统在R5规范中引入了HSDPA,作为一种下行的增强技术。

    HSDPA技术与CDMA1XEV-DO技术的一个很大的不同点是:HSDPA技术不需要专用的载波。这一特点增加了组网的灵活性,HSDPA技术可以支持两种方式的组网:R99/R4+HSDPA混合组网;HSDPA独立载频组网。进行11SDPA网络部署时,应该如何选择合适的组网方案,以获得更好的网络效率是本文分析的重点。

    2、HSDPA的主要特点

    由于已有不少的文章对HSDPA的特点和关键技术进行描述,本部分仅作概要的叙述,以作为后面相关分析的铺垫。HSDPA的主要技术特点包括如下几个方面:

    2.1高速共享信道

    新增了3个物理信道,其中HS-PDSCH信道是下行共享信道,SF=16,HSDPA最多可以使用的码字为15个。

    2.2自适应调制编码(AMC)

    根据信道质量的好坏进行编码和调制方式的调整,使得数据传输速率最大化。

    2.3高阶调制

    支持16QAM和QPSK调制方式,16QAM可达到比QPSK高一倍的峰值速率,但相对抗干扰性小。

    2.4快速链路适配

    每2ms根据无线环境做适配,进行快速用户调度,充分利用小区的功率和频谱资源。

    2.5H-ARQ

    综合了前向纠错码(FEC)和重传(ARQ)两种方式的特点,重传功能移至NodeB,一方面减小数据传输的时延,另一方面,它充分利用了已传送的信息,获得时间分集的增益。

    3、HSDPA的引入要求

    HSDPA的引入和应用对系统以及终端提出了特定的要求。

    3.1对系统的要求

    在系统方面,引入HSDPA技术对NodeB、RNC和传输提出了新的要求。

    (1)NodeB

    NodeB需作的改动如图1中的红色部分所示,增加MAC-hs负责HSDPA用户调度和H-ARQ;增加HS-DSCH传输信道;增加3个新的物理信道(HS-PDSCH、HS-SCCH、HS-DPCCH)和相应的L1处理。

HSDPA

    图1 引入HSDPA对NodeOB的影响

    (2)RNC

    RNC的主要要求是:RRM算法的增强、Iub/Iur上新增数据和控制帧、更高的数据处理能力。

    (3)传输

    传输方面,引入HSDPA后,每小区的数据吞吐量会增加,从而增加了对Iub、Iur、Iu接口的带宽需求。

    3.2对终端的要求

    要支持HSDPA业务,对UE的主要要求是:

    (1)新增MAC-hs层

    (2)基带处理增强,可处理多码

    (3)新增16QAM解调

    (4)需要更大的缓存

    3GPP协议规定了12种类型的终端,各类终端所能支持的最大速率如表1所示:

HSDPA

    表1 各类终端所能支持的最大速率

    目前只有类别12的终端已可商用,使用该类终端可获得的最大峰值速率为1.8Mb/s。部分厂商计划在2006年上半年推出支持16QAM的终端,可支持的最高速率为3.6Mb/s。

    4、HSDPA组网方案

    进行HSDPA组网时,可以采用的方案有两种:

    (1)混合组网

    (2)独立组网

    下面对两种组网方案的优缺点进行分析比较,并对某城市密集市区的3G试验局站点进行了两种组网方案比较的仿真。

    4.1混合组网

    在混合组网方式中,HSDPA和R99/R4业务共用相同的载波。

    (1)优劣势分析

    混合组网方案的优点是:

    ◆只需一个载波即可同时承载R99/R4和HSDPA业务。

    ◆对于多载波的情况,易于实现网络的载波间负载均衡。

    ◆采用混合组网方式,在R5小区和R99/R4小区交界区的HSDPA业务切换成功率比较高。

    情形(一):网络初期,负荷较轻,通常只需要1个载波,如图2所示。HSDPA业务从R5小区到R99/R4小区的切换方式:先进行信道切换(HS-DSCH→DCH),然后再软切换到目标小区。这种切换方式属于同频切换,成功率比较高。

HSDPA

    图2 混合组网交界区切换情形(一)

    情形(二):当网络发展到需要多个载波时,HSDPA业务从R5小区到R99/R4小区的切换将存在同频切换和异频切换的情况,如图3所示。同频切换的切换方式和成功率与情形(一)相同。异频切换的切换方式为:先盲切换到服务小区公共载频的DCH,然后再软切换到目标小区。异载频的切换成功率比同频切换低。

HSDPA

    图3 混合组网交界区切换情形(二)

    ◆在网络负载较轻的情况下,混合组网可以获得更高的频谱利用率。根据后面的仿真结果(如图4和图5所示),如果小区的R99/R4下行负载不超过50%,只需使用一个载频,对于类别12和6终端可以获得的小区平均HSDPA数据吞吐量达到1.4~1.8Mb/s,对于类别7终端达到3~4.5Mb/s。

HSDPA

    图4 终端类别12的仿真结果

HSDPA

    图5 终端类别6的仿真结果1

    注1:终端类别5的能力与类别6一样,可以得出同样的结果。

    ◆在目前的商用终端条件下,混合组网可以获得较高的谱效率。根据后面的仿真结果,对于类别12的终端,混合组网可获得的最大小区平均总吞吐量(语音业务考虑在内)为1.8Mb/s/载频,而独立组网可获得的最大小区平均总吞吐量只有1.3Mb/s/载频。

    混合组网方案的缺点是:

    ◆在R99/R4负载较重(大于50%)的情况下,HSDPA业务的用户体验比较差,可获得的数据速率比较低。

    ◆由于信道码资源的限制,当支持更大码字数的终端(支持10、15个码字的终端)面世后,使用混合组网方式不能充分发挥这些终端的能力。

    (2)仿真结果

    仿真条件:密集市区环境,某3G试验局连续覆盖站点,用户均匀分布,小区的最大下行功率限制为90%,每小区配置一个HS-SCCH信道,HSDPA业务功率采用动态分配方式,采用PF的MAC-hs调度方式。

    在不同的R99负荷下,单个小区所能容纳的语音用户数和HSDPA业务平均吞吐量如下:

    当R99下行负载限制为75%时,可以同时服务的语音用户数为50多个,小区的平均HSDPA吞吐量为400多kb/s,随着R99下行负载的减少,小区的平均HSDPA吞吐量不断增加,小区平均HSDPA吞吐量最大值接近1.8Mb/s。

    对比图4和图5可看出,虽然终端类别6支持16QAM的调制方式,但由于必需在信道环境比较好(CQI>15)的情况才会启用16QAM调制,在密集市区环境,信道条件通常比较差,采用终端类别6后小区的平均HSDPA吞吐量提升并不明显。

    对类别7的终端(支持16-QAM、支持最大码字个数为10)进行了仿真,结果如图6所示。当R99下行负载比较重时(接近75%),由于信道码资源的限制,终端不能充分发挥其多码字的作用,小区的平均HSDPA吞吐量接近使用终端类别6时的吞吐量。当R99下行负载比较轻(≤50%)时,可使用的码字资源和下行功率增加,使用类别7终端所能获得的小区平均HSDPA吞吐量明显提升,达到3~4.5Mb/s。

HSDPA

    图6 终端类别7的仿真结果2

    注2:终端类别8的能力与类别7一样,可以得出同样的结果。

    图4、图5和图6均为单载频小区混合组网的结果,对于多载频小区混合组网的情况,小区所能容纳的语音用户数和HSDPA平均吞吐量等于单载频小区的结果乘以载频数。

    4.2独立组网

    在独立组网的方式,HSDPA需要使用专用的载波,R99/R4业务和HSDPA业务分别承载在不同的载波上。

    (1)优劣势分析

    独立组网方案的优点是:

    ◆HSDPA业务和R99业务分别承载在不同的载波上,互不影响,各自能达到自身的最大容量。

    ◆当支持更大码字数的终端(类型7、8、10的终端)可以商用后,使用独立组网可以支持更高的数据吞吐量。根据后面的仿真结果(如图8所示),采用类别7和类别12终端,小区可支持的HSDPA平均吞吐量分别为5Mb/s和10Mb/s,谱效率(语音业务考虑在内)达到3~5.7Mb/s/载频。

    独立组网方案的缺点是:

    ◆至少需要两个载波才能实现对R99/R4业务和HSDPA业务的支持。在网络发展初期,负荷一般比较低,这样的情况下增加HSDPA专用载波会使得系统的频谱利用率下降。

    ◆较难实现载波间的负载均衡。

    ◆采用独立组网方式,在R5小区和R99/R4小区交界区的HSDPA业务切换成功率比混合组网低。

    如图7所示,HSDPA业务从R5小区到R99/R4小区的切换属于异频切换情况,切换成功率比混合组网方式的同频切换成功率低。

HSDPA

    图7 独立组网交界区切换情形

    (2)仿真结果

    仿真条件:R99语音业务使用载波1,HSDPA业务使用载波2,其他条件与混合组网的相同。

    在载波1上,当下行负载限制为90%时小区能够支持的最大语音用户数为65个左右。

    载波2上的小区平均HSDPA吞吐量如图8所示:

    图8 独立组网的仿真结果

    由图可见,随着终端的能力提升(支持16QAM、支持更多的码字),小区可支持的HSDPA平均吞吐量不端增加,如果使用终端类别10,可以达到10Mb/s左右。

    5、结束语

    根据前面的分析和仿真结果可知,在不同的网络负荷、终端和数据业务需求情况下,两种方案各具优势。在R99/R4负载比较轻的情况下(≤50%),采用混合组网方案是一种较佳的选择,HSDPA业务可以与R99/R4业务充分地共享资源,获得更高的网络效率;在R99/R4负载比较重的情况下,如果数据业务需求量不是很高,仍可选用混合组网,能够获得较高的频谱利用率。在HSDPA商用终端可以支持更多的码字数(10、15)后,如果数据业务需求量非常大,采用独立组网是较佳的选择,HSDPA业务与R99业务互不影响,网络可支持更高的数据吞吐量,用户可以获得更佳的业务体验。

    总之,在进行具体的组网方案选择时需要综合考虑:市场因素:R99/R4业务渗透率、HSDPA业务渗透率、数据业务速率要求;技术因素:HSDPA终端能力、系统设备能力。只有全面地考虑了这些因素,才能作出恰当的选择,获得更好的网络效率。

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