HSDPA技术特点及其部署策略

   摘要

    HSDPA是指高速下行分组接入技术，它是WCDMAR4的演进技术。主要采用了自适应编码调制（AMC）、混合自动重传机制（HARQ）、快速分组调度技术等链路自适应技术，使其能够极大地提高系统容量和数据业务速率。在实际部署HSDPA时，主要有两种组网方式：共载频组网和独立载频组网，两者各有优缺点，适合网络发展的不同阶段；从部署区域看，HSDPA主要部署在大中城市的中心区域，并实现成片覆盖，同时需要重点加强室内覆盖的建设。

    1、引言

    HSDPA（HighSpeedDownloadPacket Access）即高速下行分组接入，它是3GPP在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技术。HSDPA基本上继承了3GPP R99定义的许多性能，且又大大地增强了移动数据传输下行链路的峰值速率和吞吐量并降低了传输时延，它把下行数据业务速率提高到10Mbit/s。该技术是WCDMA R99/R4网络提高下行容量和数据业务速率的一种重要技术。

    目前，在中国的几大运营商的3G建设计划中均已考虑将HSDPA技术直接引入到WCDMA或TD-SCDMA的建设中。HSDPA之所以能引起业界如此的关注，主要取决于市场竞争和运营商自身的需求。一来，运营商可以利用HSDPA与cdma2000运营商展开竞争，同时还有WiMAX的竞争；二来，可以满足客户对高速移动多媒体业务的应用需求，这些在2G时代是不能提供的或者是无QoS保证的；三来，HSDPA技术能够提供更高的频谱资源利用效率、更高的网络容量和更低的网络投资成本，从而带来高附加值的业务增长点。

    2、HSDPA技术特点

    HSDPA作为WCDMA的增强技术，其未来演进主要分三个阶段。

    （1）基本HSDPA阶段：由3GPPRelease5协议规定，下行用户速率最高可达14.4Mbit/s，主要采用快速链路自适应（AMC）、16QAM高阶调制、混合自动重传请求（HARQ）、快速分组调度算法等先进技术。这些技术主要是针对大容量、高速率、高突发性的分组数据传输特点发展起来的。

    （2）增强HSDPA阶段：由3GPPRelease6协议规定，下行用户速率最高可达30Mbit/s，主要采用MIMO技术、空间分集、空间辨识、空时编码、快速小区选择（FCS）等先进技术；另外在上行提出了HSUPA技术，大大提高了用户的上行数据速率。

    （3）HSDPA进一步演进阶段：考虑采用OFDM、64QAM等新技术，以进一步提高用户上/下行数据传输速率。目前还正处在研究阶段。

    目前的系统和终端设备都是按基本型HSDPA标准进行开发设计的。本文也只针对基本HSDPA阶段进行研究。

    HSDPA在WCDMAR99/R4原有物理信道上，增加了三种物理信道，包括两种下行信道和一种上行信道。

    （1）上行引入了一个专用控制信道（HS-DPCCH），供UE上报H-ARQ要求的ACK/NACK和所测下行信道的质量指示（CQI），使用的扩频因子为SF256。

    （2）下行引入了专门用于下行大数据传输的高速数据信道（HS-PDSCH），使用户可以在时域、码域进行资源共享，使用的扩频因子为SF16，最多提供15个该类信道。

    （3）下行还引入了公用控制信道（HS-SCCH），用以承载业务信道的控制信令，使用的扩频因子为SF128，同一小区HS-SCCH信道数最多为4个。HS-SCCH要消耗一定的功率，影响系统的容量，在HSDPA和R99共载频组网的情况下，该信道的配置数目及功率变得十分重要。

    图1是HSDPA的协议框架结构。

    图1 HSDPA协议框架结构

    HSDPA在NodeB中增加了MAC-hs模块，用于实现快速自动重传、调度以及自适应调制和编码等功能。而且为了减小时延和适应无线信道的快速变化，HSDPA把部分链路调整功能从RNC搬到了NodeB，以减小RNC的工作量，增加系统效率。

    在HSDPA中，主要采用了以下几种关键技术。

    1.自适应编码调制（AMC）

    AMC技术的基本原理就是根据当前无线信道的变化情况（信道质量指示数据由终端进行测量和报告）快速动态地确定当前的下行链路的速率和调制方式，实现最大限度的传输用户数据，改进系统容量，提高系统利用率。在AMC系统中，一般用户在理想信道条件下用较高阶的调制方式和较高的编码速率，而在不太理想的信道条件下则用较低阶的调制编码方式。AMC特别适合于高突发性的分组数据业务。

    采用AMC的好处主要有：处于有利位置的用户可以具有更高的数据速率，从而提高小区的平均吞吐量；在链路自适应过程中，通过调整调制编码方案而不是调整发射功率的方法实现干扰水平的降低。

    目前实现AMC还存在一些问题。首先，AMC对测量误差和时延比较敏感，为了选择适合的调制方式，必须首先知道信道的质量，对信道估测的错误可能会使系统选择错误的数据传输速率，使传输功率过高，浪费系统容量或者因功率太低而出现误码率升高；其次，由于移动信道的时变特性，信道测量报告的延迟降低了信道质量估计的可靠性；另外，干扰的变化也增加测量的误差，此时可以寻求与其他技术的结合，比如利用混合判决反馈重传技术（HARQ），可以降低MCS的要求识别和对测量误差与流量波动的敏感性。

    2.混合自动重传请求（HARQ）

    标准的自动重传请求（ARQ）是当一个数据包被成功接收时，接收端向发送端发送确认（ACK）消息，如果数据接收失败，接收端向发送端发送否认（NACK）消息，发送端会重新传送出错的数据。HSDPA中在下行链路采用了HARQ技术，HARQ对ARQ进行了功能改进，主要体现在重传信息的内容及数据合并的方式上，另外重传机制由基站的MAC-hs直接控制，有效地降低了处理时延。

    3GPP规范中定义了三种方式的HARQ。其中两种为新增加的类型，一种是Chase合并（Chasecombining）方式的软合并方式，一种是增量冗余（IncrementalRedundancy）方式。

    HARQ也是一种链路自适应技术，它能够自动适应连续变化的信道条件。与AMC不同的是，HARQ对测量错误以及测量时延不敏感，将HARQ与AMC这两种链路自适应技术结合使用，可以取得比较理想的效果。即AMC基于信道测量结果大致决定数据传输速率，HARQ在此基础上根据实时信道条件在对数据传输速率进行微调。

    3.快速分组调度技术

    快速调度机制使系统可以根据所有用户的情况决定哪个用户可以使用信道，以何种速率使用信道。信道总是被与信道状况相匹配的用户所使用，这样在每个瞬间都可以达到最高的用户数据速率和最大的数据吞吐量，但同时兼顾每个用户的等级和公平性。

    一般来说，HSDPA的分组调度有以下几类：

    ●基于时间的轮循方式（RoundRobin）；

    ●基于流量的轮循方式；

    ●最大C/I（BestCQIScheduler）方式；

    ●比例公平（ProportionalFairScheduler）方式。

    其中，比例公平方式综合考虑了公平性和效率性两方面，既照顾到了大部分用户的满意度，也能从一定程度上保证系统有比较高的吞吐量，是目前厂家比较推荐的一种调度方法。

    为了能更好地适应信道的快速变化，HSDPA将调度功能单元放在NodeB而不是RNC，同时也将时间间隔TTI缩短到2ms。而WCDMAR99版本中的TFI为10ms或20ms。

    最后，对HSDPA和R99/R4的简单比较如表1。

    表1 HSDPA和WCDMAR99/R4的简单比较

    3、HSDPA部署策略

    随着HSDPA技术的成熟和市场竞争的推动，仅仅基于R99/R4的网络承载能力已不能满足业务发展需要，因此对未来的WCDMA无线网络规划和建设必须考虑HSDPA的引入。HSDPA主要承载非实时分组业务，包括背景类业务和交互类业务，它不是对R99/R4的替代，而应该是叠加在R99之上的。HSDPA的部署策略应该从组网方式以及部署区域两方面考虑。

    3.1组网方式

    HSDPA组网方式是指HSDPA与R99/R4关于载频使用的方式。具体来说，共有两种：HSDPA与WCDMAR99/R4使用同一个载频组网；HSDPA与WCDMAR99/R4使用不同的载频独立建网。

    1.HSDPA与R99/R4共载频

    在此方式下，HSDPA与WCDMA工作在同一个频点，共同使用频率、基站功率、信道化码等资源，在系统统一调度下发挥各自优势，让用户轻松享受全面的网络服务。它的主要优势体现在：

    ●WCDMA支持的CS、PS业务与HSDPA支持的高速数据业务共享频率及功率，做到资源利用最大化；

    ●业务选择灵活，可以避免不同频带来的UE小区选择、驻留等问题；

    ●支持CS/PS并发业务；

    ●升级快速方便，节省投资；

    ●节约频谱资源；

    ●可以保证与WCDMA的低速数据业务基本同覆盖；

    ●从WCDMA网络升级快速方便，节省投资。

    共载频方式下还需要解决以下问题：

    ●如何对WCDMA与HSDPA各自的业务进行合适的功率分配；

    ●采用何种码资源分配及调度策略；

    ●处于小区边缘的HSDPA用户，可以使用硬切换或者使用CELL_DCH（HS-PDSCH）到CELL_DCH（DCH）状态迁移的方式进行小区切换，采用何种切换策略来保证不同切换条件下的切换成功率；

    ●同频干扰问题；

    ●如何使网络规划简化。

    2.HSDPA与R99/R4异载频

    HSDPA采用与WCDMAR99/R4不同的载频进行组网，组成另外一层网络。二者之间的功率和码资源是独享的。同时为了避免在不同频点之间的切换，HSDPA网仅提供高速数据业务服务，一般来说可以仅为WCDMA数据卡用户提供PS域服务，不支持CS域业务的接入。

    HSDPA与R99/R4异载频方案的优势在于：

    ●对WCDMA承载的业务的影响小；避免了复杂的码资源、功率规划；

    ●在资源调度上可以最大化地满足HSDPA的需求，资源调度效率更高；

    ●网络规划方便，可免于话音和数据资源竞争的问题。

    但是，网络建设初期采用HSDPA与R99/R4异载频方案，存在以下问题：

    ●HSDPA需要单独分配一个载波，网络建设成本高，需要比较昂贵的MCPA；

    ●无法支持话音和HSDPA的并发业务（终端不支持）；

    ●初期用户数量有限，R99/R4与HSDPA各自占用一个载频，共享程度低，网络整体性能下降；

    ●系统需要考虑用户不同频段驻留和切换问题；

    ●不同载频间切换带来资源的消耗和时延的增加，使系统效率降低；

    ●频谱效率不高。

    从上述的分析可见，混合组网和独立载波组网有各自的特点，适合于网络发展的不同阶段。

    3.2部署区域

    HSDPA主要用于承载数据业务，而从GSM/cdma2000/PHS等系统的业务开展情况看，数据业务主要有两大特点：一是集中在大中城市，二是用户主要在室内使用。可以预计，HSDPA的用户分布也将集中在大中城市，并且主要在室内使用HSDPA业务。因此在考虑HSDPA的部署区域时应遵循以下原则：

    ●在广度覆盖方面，重点对有数据业务需求的大中城市中心区域进行覆盖，同时应保证HSDPA的连续覆盖，避免频繁的DCH和HS-DSCH信道切换，以提高用户的满意度，并且合理地设置切换方式，保证业务的连续性。

    ●在深度覆盖方面，应以实现HSDPA的无缝覆盖为目的，综合考虑室内与室外的协调发展，做到既不盲目建设，也不出现信号盲区。可以考虑在中心区域的高档写字楼、宾馆酒店、会议（会展）中心、机场侯机厅及一些其他热点场所等处引入HSDPA。

    由于室内是HSDPA用户的集中区域，同时也是市区内主要的盲区和信号杂乱区，通过室内分布系统不但改善了室内覆盖质量，提高了HSDPA数据速率，还优化了功率分配，降低了整网干扰，有效吸收HSDPA对室外宏蜂窝基本架构的影响。因此，在开展HSDPA业务的过程中，应大力加强室内覆盖系统的建设。

    综上所述，HSDPA可以采取以下策略进行部署。

    ●在网络商用初期，由于3GCS业务占主流，HSDPA业务量也较低，市场需要一定时期的培育过程等因素，网络建设的主要关注点是控制成本和风险。因此，采取HSDPA与R99共载波组网。

    ●在网络商用中期，随着HSDPA业务量的上升，在少数存在大量HSDPA需求的热点地区，考虑增加第二载波，且两个频点都采用R99与HSDPA共载波组网的方式，两载波之间采用完全负载分担。

    ●在网络商用成熟期，随着HSDPA终端的普及和业务的推广，导致数据业务的需求迅速增加，应考虑HSDPA采取独立载波的方式，即HSDPA、R99DCH分别使用不同载波，这样既避免了载波共享时对R99业务的影响，又能满足HSDPA的高业务量要求。