HSDPA技术详解

cmcc_demon

摘要　对HSDPA基本原理、关键技术、物理层结构和协议结构进行了分析和介绍，并对HSDPA的规划和组网给出了相关建议。
1、HSDPA简介
对高速移动分组数据业务的支持能力是3G系统最重要的特点之一。WCDMA R99版本可以提供384 kbit/s的数据速率，这个速率对于大部分现有的分组业务而言基本够用。然而，对于许多对流量和迟延要求较高的数据业务如视频、流媒体和下载等业务，需要系统提供更高的传输速率和更短的时延。为了更好地发展数据业务，3GPP从这两方面对空中接口作了改进，在R5版本中引入高速下行分组接入（HSDPA）技术。HSDPA在大大增加网络容量的同时还能使运营商投入成本最小化，被誉为后3G时代的主要解决方案之一，为UMTS向更高数据传输速率和更高容量演进提供了一条平稳途径，就如在GSM网络中引入EDGE一样。
根据3GPP的定义，HSDPA的发展将主要分为3个阶段：在HSDPA Phase 1（基本HSDPA阶段），通过使用链路自适应和适应性调制（QPSK/16QAM）、HARQ及快速调度等技术，将峰值速率提高到10.8-14.4 Mbit/s；在HSDPA Phase 2（增强HSDPA阶段），通过引入一系列天线阵列处理技术，峰值速率可提高到30 Mbit/s；在HSDPA Phase 3（HSDPA进一步演进阶段），通过引入OFDM空中接口技术和64QAM等，将峰值速率提高到100 Mbit/s以上。
2、HSDPA基本原理
HSDPA是一个非对称解决方案，允许下行吞吐能力远远超过上行吞吐能力，从而有效提高频谱效率。HSDPA技术的理论数据传输速率最高可达14.4 Mbit/s（HSDPA Phase 1），平均可提供2-3 Mbit/s的下行速率。该技术允许充分覆盖地区内的用户共享带宽，从而为每位用户提供300 kbit/s-1 Mbit/s的下行链路，足以媲美当前的无线局域网和国内固定宽带线路。
在WCDMA网络中，基站扮演着传输及接收站的角色，其作用是提供用户到网络的接入点，同时负责处理网络流量；无线网络控制器（RNC）负责总体控制基站的资源，同时负责网络中的切换；服务GPRS支撑节点（SGSN）负责分组交换数据流量的处理和选路；而移动交换中心（MSC）则负责电路交换流量（即语音或视频会议）的处理。HSDPA技术主要在基站和RNC两地实施，通过将主要处理过程留在基站，从距离上更接近无线接口和最终用户，确保了传输延迟的最小化。
HSDPA在设计时参考了cdma2000 1x EV-DO的设计思想与经验，新增加了一条高速共享信道（HS-DSCH）。与现有的WCDMA相比，HS-DSCH允许若干用户共享整个下行链路信道，因而可以大幅度提高网络的性能，同时还采用了一些更高效的自适应链路层技术。共享信道使得传输功率、PN码等资源可以统一利用，根据用户实际情况动态分配，从而提高了资源的利用率。自适应链路层技术根据当前信道的状况对传输参数进行调整，如快速链路调整技术、结合软合并的快速混合重传技术、集中调度技术等，从而尽可能地提高系统的吞吐率。
基于演进考虑，HSDPA设计遵循的准则之一是尽可能地兼容R99版本中定义的功能实体与逻辑层间的功能划分。在保持R99版本结构的同时，在基站增加了新的媒体接入控制（MAC）实体MAC-hs，负责调度、链路调整以及混合ARQ控制等功能。这样使得系统可以在RNC统一对用户在HS-DSCH信道与专用数据信道DCH之间的切换进行管理。HSDPA功能主要是对基站修改比较大，对RNC主要是修改算法协议软件，硬件影响很小。如果在原有设备中考虑了HSDPA功能升级要求，一般来讲实现HSDPA功能不需要硬件升级，只要软件升级即可。
3、HSDPA关键技术
数据业务与语音业务具有不同的特性。语音业务通常对延时敏感。对速率恒定性要求较高，而对误码率要求则相对较弱；数据业务则相反，通常可以容忍短时延时，但对误码率要求高。作为WCDMA体系的后续演进技术，HSDPA中的许多关键技术充分考虑到了数据业务的特点。在HSDPA Phase 1技术方案中，涉及到的关键技术主要包括自适应调制编码（AMC）、混合重传（HARQ）和集中调度技术。
3.1　自适应调制编码（AMC）技术
AMC属于链路自适应的范畴。AMC的基本原理是通过改变调制和编码的格式使它在系统限制范围内和信道条件相适应，而信道条件则可以通过发送反馈来估计。通过使用AMC技术，用户可以在理想信道条件下使用较高阶的调制编码方式和较高的编码速率，而在不太理想的信道条件下则使用较低阶的调制编码方式和较低的编码速率。
由于数据业务与语音业务具有不同的特性，语音通信系统通常采用功率控制技术以抵消信道衰落对于系统的影响，以获得相对稳定的速率，而数据业务相对可以容忍延时，可以容忍速率的短时变化。因此，HSDPA不是试图去对信道状况进行改善，而是根据信道情况采用相应的速率。由于HS-DSCH每隔2 ms就更新一次信道状况信息，因此，链路层调整单元可以快速跟踪信道变化情况，并通过采用不同的编码调制方案来实现速率的调整。
当信道条件较好时，HS-DSCH采用更高效的调制方法，即16QAM，以获得更高的频带利用率。理论上，xQAM调制方法虽然能提高信道利用率，但由于调制信号间的差异性变小，因此需要更高的码片功率，以提高解调能力。因此，xQAM调制方法通常用于带宽受限而非功率受限的场合。在HSDPA中，通常靠近基站的用户接收信号功率相对较强。可以得到xQAM调制方法带来的好处。
3.2　混合重传（HARQ）技术
HARQ也是一种链路自适应的技术。在AMC中，采用显式的C/I测量来设定调制编码的格式，而在HARQ中，链路层的信息用于进行重传判决。
终端通过HARQ机制快速请求基站重传错误的数据块，以减轻链路层快速调整导致的数据错误带来的影响。终端在收到数据块后5 ms内向基站报告数据正确解码或出现错误。终端在收到基站重传数据后，在进行解码时，结合前次传输的数据块以及重传的数据块，充分利用它们携带的相关信息。以提高译码概率。基站在收到终端的重传请求时，根据错误情况以及终端的存储空间，控制重传相同的编码数据或不同的编码数据（进一步增加信息冗余度），以帮助提高终端纠错能力。
有很多方法可以实现HARQ：软合并和增量冗余。软合并的策略是发送有相同编码的数据组，然后在接收端可以将这些多个重发信息进行SNR（Signal to Noise Ratio）加权合并来获得分集接收再进行译码，使用软合并的HARQ过程如图1所示。增量冗余是实现HARQ的另一种方式，这种策略是在第一次译码失败时另外再传送附加冗余信息而不是再将整个数据码组重发一次。

图1　使用软合并的HARQ过程

AMC可以根据UE的测定或者网络提供的信息条件来灵活地选择适当的调制编码方式，但需要UE进行准确信道测量并且受到相应延迟的影响。HARQ能够自动地适应信道条件的变化并且对测量误差和时延不敏感。AMC和HARQ二者结合起来可以得到最好的效果，AMC提供粗略的数据速率选择，而HARQ可以根据数据信道条件对数据速率进行较精细的调整。
3.3　集中调度技术
集中调度技术是决定HSDPA性能的关键因素。HSDPA追求的是系统级的最优，如最大扇区吞吐率，集中调度机制使得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。集中调度技术使得信道总是为与信道状况相匹配的用户所使用，从而最大限度地提高信道利用率。
信道状况的变化有慢衰落与快衰落2类。慢衰落主要受终端与基站间距离影响，而快衰落则主要受多径效应影响。数据速率相应于信道的这2种变化也存在短时抖动与长时变化，数据业务对于短时抖动相对可以容忍，但对于长时抖动要求则较严。好的调度算法既要充分利用短时抖动特性，也要保证不同用户的长时公平性。亦即，既要使得最能充分利用信道的用户使用信道以提高系统吞吐率，也要使得信道条件相对不好的用户在一定时间内能够使用信道，也保证业务连续性。
常用的调度算法包括比例公平算法、乒乓算法、最大CIR算法。比例公平算法既利用短时抖动特性也保证一定程度的长时公平性；乒乓算法不考虑信道变化情况；最大CIR算法使得信道条件较好的少数用户可以得到较高的吞吐率，多数用户则有可能得不到系统服务。
在HSDPA Phase 2中。还将引入多入多出天线处理（MIMO）等关键技术，以进一步提高系统性能。
4、HSDPA物理层结构
HSDPA物理信道的使用与DCH加DSCH的配合使用相似。它承载需要更高时延限制的业务。为了支持HSDPA，在MAC层新增了MAC-hs实体，位于基站，负责HARQ操作以及相应的调度，并在物理层引入下列3种新的信道。
4.1　高速下行链路共享信道（HS-DSCH）
与R99已有的信道相比，HS-DSCH在许多方面有其特有的特点。传输时间间隔（TTI）或交织周期定义为2 ms（3个时隙），这使得在重传过程中对于终端和基站之间的往返时延能够更小。从码域来看，SF固定为16，且多码传输和不同用户间的码复用是允许的。最大码字数目由终端的能力级决定，规范给出的最大值为15，终端可以选择5、10和15个码字。图2给出了一个简单的流程，说明了2个用户同时使用一个HS-DSCH的情况。2个用户监听HS-SCCH信令以决定采用哪个HS-DSCH码字解扩，以及接收其他必要的检测参数。

图2　两用户的码复用示例

除了R99中的QPSK调制，HSDPA还引入了16QAM调制。图3给出了QPSK和16QAM的星座图。采用SF为16的15个码，16QAM的峰值数据速率是QPSK的两倍，达到了10 Mbit/s。可是高阶调制的使用在移动无线环境下也不是没有代价的，对R99信道，在解调过程中只有相位估计是必需的，而当使用16QAM时，还需要幅度估计用来区分星座点，而且需要更加准确的相位信息，因为与QPSK相比16QAM星座点间具有更小的相位差。支持HS-DSCH的终端需要估计DSCH功率相对于导频功率的幅度比率，这要求基站在采用16QAM传输数据时，保持当前HS-DSCH帧的功率恒定，否则，改变CPICH功率导致的CPICH和HS-DSCH的功率比的偏差会严重恶化传输性能。

图3　QPSK和16QAM的星座图

与R99规范相比，HS-DSCH的信道编码进行了简化，激活的HS-DSCH传输信道数目固定为1。因此不再需要同一用户的传输信道复用模块。而且交织深度为2 ms，不再分为帧内交织和帧间交织，信道编码的类型固定为Turbo编码。但是，随着传输块长度的变化，HS-DSCH的信道编码所采用的调制方式、多码信道数和1/3以外的Turbo编码速率都是可变的。这样，有效码速率在1/4-3/4间变化。随着编码速率的改变，减少编码增益可以提高单位码字内的比特数。
HS-DSCH映射的信道码资源最大可由15个扩频因子（SF）固定为16的SF码构成。HS-DSCH信道的共享方式有两种。最基本的方式是时分复用，即按时间段分给不同的用户使用，这样HS-DSCH信道码每次只分配给一个用户使用。另一种就是码分复用，在码资源有限的情况下，同一时刻，多个用户可以同时传输数据。信道码资源共享使系统可以在较小数据包传输时仅使用信道码集的一个子集，从而更有效地使用信道资源。HS-DSCH信道的传输时间间隔设定为2 ms，使系统有更强的AMC及信道的适应性。从共用信道池分配的信道码由基站根据HS-DSCH信道业务情况每隔2 ms分配一次。与专用数据信道使用软切换不同，HS-DSCH间使用硬切换方式。
4.2　高速共享控制信道（HS-SCCH）
HS-SCCH承载解调HS-DSCH所需的信令，按照码复用的最大用户数，UTRAN分配相应数目的HS-SCCH。如果HS-DSCH没有承载数据，基站不需要发送HS-SCCH。从网络的观点看，基站可以维持大量的HS-SCCH，但单个终端最多支持4个HS-SCCH的接收。网络发送信令告知终端需接收的HS-SCCH。实际上不太可能需要多于4个的HS-SCCH，但为了更好的匹配码资源，HSDPA能力有限的终端需要支持多于1个的HS-SCCH的接收。
每个HS-SCCH消息块的持续时间为3个时隙，分为两部分。第一部分（第1个时隙）承载对定时敏感的信令，这些信令用于按时启动解调过程以避免码片级数据缓冲；第二部分（剩下的2个时隙）承载对定时不敏感的信令，包括检测HS-SCCH信息和HARQ处理信息可靠性的循环冗余校验（CRC）。为保护信令的可靠传输，HS-SCCH的这两部分信令都用终端的特定掩码进行扰码，以便终端判断接收到的HS-SCCH信道是否是发给自己的消息。因为HS-SCCH上没有导频比特和TPC指令比特，HS-SCCH采用SF 128，也就表示每个时隙装载40 bit的数据（信道编码后）。因为第1个时隙后需要立即得到定时敏感的信令，这样就不能与第2部分进行交织，所以这两部分分别用半速率的卷积编码进行信道编码。
HS-SCCH第一部分的参数包括如下内容：
a）解扩采用的码字（序列）。这个参数与终端能力级有关系，终端能力级表示该终端支持的最大解码码字数目（5、10或15）；
b）调制方法，HS-DSCH采用的是QPSK还是16QAM调制。
HS-SCCH第二部分的参数包括如下内容：
a）冗余度信息，用于与先前接收到的数据进行正确解码和数据合并的信息：
b）ARQ处理序号，表示当前数据所属的ARQ序列号：
c）首次传输指示或者重传指示，用来指示是否把当前的数据与缓冲器中的数据（先前未正确解码的数据）进行合并，还是丢弃先前的数据用新数据填充缓冲器。
如图4所示，终端用1个单独的时隙来确定解扩HS-DSCH所需的码字，并且利用终端特定的掩码来判断接收的数据是否为自己的，单个终端监听的HS-SCCH的最大数目为4，但是如果出现数据在连续TTI内传送的情况，TTI间隔所对应的HS-SCCH应当保持不变，以增强信令的可靠性。这样不仅避免了终端存储不必要的数据，而且也保证了可以使用比终端能支持的码字更多的码字资源。下行链路DCH的定时与HS-SCCH（和对应的HS-DSCH）定时没有直接关系。

图4　HS-SCCH和HS-DSCH的定时关系

4.3　上行链路高速专用物理控制信道（HS-DPCCH）
HSDPA上行链路承载物理层重传所需的ACK/NACK消息和质量反馈信息，这个质量反馈信息在基站调度器中用来决定给哪个终端传输以及传输速率是多少。如果不是所有的基站都能升级支持HS-DPA，就必须保证能够完成软切换的操作。这样，维持现有R99的上行链路结构不变，在并行的码信道上增加新的HS-DPCCH用来承载HSDPA信令。如图5所示，HS-DPCCH分为2部分，承载如下参数：

图5　HS-DPCCH的结构

a）ACK/NACK，反映分组数据解码和合并后的CRC校验的结果：
b）下行链路质量指示符（CQI），指示可以正确接收（适当的BLER）的、估计的下行链路的接收数据传输块长度、调制方式和并行信道数目。
5、HSDPA协议结构
所有R99的传输信道终止于RNC，因此分组数据的重传过程在服务RNC中进行，同样，该服务RNC也处理特定用户到核心网的连接。随着HS-DSCH的引入，基站也要支持HSDPA功能的MAC层，这样基站直接控制重传，提高了重传速率，减少了所需的分组数据延迟，图6给出了服务和控制RNC相同时HSDPA和R99在处理重传时的差别。如果网络没有执行重定位过程，实际的终结点可为网络内的多个RNC。在HSDPA中，基站和RNC间的Iub接口需要为引入流量控制机制确保基站的缓存器正常读写，避免缓存器溢出造成数据的丢失。

图6　R99和R5的HSDPA重传控制

图7给出了用于HSDPA的MAC层协议框架，图中包括HS-DSCH的多个协议层，RNC继续支持无线链路控制层（RLC）的功能，诸如对从基站得到的HS-DSCH重传计数超过最大物理层重传时的处理。尽管基站增加了新的MAC层功能，RNC继续保留R99和R4的功能。基站的新MAC层（MAC-hs）的关键功能是ARQ功能、调度和优先级处理。所有加密工作均由RLC层负责，以确保重传合并数据采用相同的加密掩码。

图7　HSDPA的协议结构

3GPP标准中没有定义基站中使用的调度类型，只给出了一些参数，例如丢弃定时器或调度优先级指示，可供RNC控制单个用户的处理。
6、HSDPA规划与组网
对于未来的WCDMA业务，需要网络提供从低速率的语音到高速率的数据下载等多样化的服务。HSDPA的特点是在近点可以提供极大的系统流量，但是为了达到远点的覆盖，HSDPA的流量优势将不再明显。因此在网络规划时候，详尽分析业务需求，合理规划HSDPA与传统的DCH PS业务的覆盖范围，优势互补，这是使用HSDPA技术组网的关键。
HSDPA组网有共享载频和独立载频2种方式。共享载频方式是指HSDPA用户和其他用户使用同样的载频，若辅以高级无线资源管理算法，HSDPA用户可以利用小区剩余资源，从而提升整个系统资源利用率；独立载频是指使用单独的载频吸收高速率的HSDPA用户。
在高速业务用户集中并且频率资源丰富的重点地区，可以考虑使用独立载频建网方式，即HSDPA单频组网，所有的高速用户在基站近点使用HSDPA能够大大提升系统流量，并且因为使用不同的频点，从而对同覆盖的DCH PS业务影响不大。但是当用户移动到HSDPA覆盖边缘，为了保证用户服务的连续性，将进行频间测量，从HS-DSCH信道进行硬切换到DCH信道，对系统造成一系列的开销，有可能产生意外的风险。
在频率资源紧张且HSDPA业务要求不是很高的环境中。可以考虑使用HSDPA与R99使用共享载频组网，既可以解决对某些重要用户对高速业务的需求，又可以节约宝贵的频率资源。在近点处，用户使用HSDPA提高用户数据流量；当用户移动到基站覆盖的远点处，HSDPA用户转换为DCH PS业务；当用户移到另一个基站的HSDPA覆盖区时，可以将DCH PS业务切换到HS-DSCH信道，重新转化为HSDPA业务。
HSDPA对网络规划的影响主要体现在2个方面，一种是在原来的WCDMA系统上，新增支持HSDPA的异频小区，由于是新小区规划，对原小区基本没什么影响：另外一种是在已有的小区上，加入HSDPA的支持，此时必须保证原来的覆盖不受影响，通过减小WCDMA系统专用信道容量，来支持HSDPA。
一般来说，在HSDPA建网初期，HSDPA的业务量不是很大，可以采取在WCDMA已有小区的基础上，加入HSDPA的支持。语音业务由专用信道来承载，数据业务由FACH或者HS-DSCH传输信道来承载。在HSDPA应用初期，码资源基本上不会有什么问题，比如SF=16的节点总共有16个，7个SF=16的节点就能支持56个语音，剩下的9个SF=16的节点可以分配7个HS-PDSCH信道码，2个节点给公共信道码、HS-SCCH信道码和承载HSDPA高层信令的伴随专用信道码。当然，如果HSDPA伴随的专用信道需要承载某些业务，可以从总的专用信道可用码字中进行分配，但是功率分配上会比较受限，需要减小WCDMA系统专用信道容量，来换取一定的剩余功率。另外，WCDMA系统上行覆盖小于下行覆盖，因此网络规划是在上行覆盖的基础上进行规划的，使得下行覆盖有一定的余量，可以通过利用这些剩余功率来支持HSDPA。由于专用信道的可使用功率减小，使得原来专用信道支持的容量会下降。在室内覆盖的微蜂窝情况下，由于有直达路径，下行正交性能比较好，邻小区干扰也比较小，使得专用信道容量减小的比较少，一般在10%以内；但是对于宏蜂窝情况，下行正交性能变差，邻小区干扰比较大，导致专用信道容量会急剧的减小，如果专用信道功率分配40%给HSDPA，则专用信道容量会减小一半左右。
支持HSDPA的小区覆盖，有两种覆盖策略。一种是支持HS-DSCH在小区内的部分覆盖，在这种情况下，HS-DSCH仅仅在小区的中心区域得以支持。当用户走出HS-DSCH的切换区域时，要么把业务重新映射到DCH，要么把该业务释放。另外一种是小区内全覆盖的策略，在这样的策略下，HS-DSCH可以保持和DPCH相同的覆盖，HS-DSCH的切换判决也因此可以采用和DPCH相同的测量过程（测量对象、滤波系数、事件等）。建议采取小区内全覆盖的策略，在这样的策略下，算法不需要判决和触发HS-DSCH与DCH之间的信道类型切换，当用户远离基站时，同样的发射功率下所传输的数据速率逐渐变小，降低资源利用效率。
7、总结
HSDPA是后3G时代的主要解决方案之一，在WCDMA R99的基础上对下行链路进行了重大改进。在WCDMA R5中引入HSDPA技术后，UTRAN部分的结构基本不变，在基站新增了MAC-hs功能块，并在物理层新增了3种新的物理信道。HSDPA后向兼容WCDMA R99版本，运营商可以根据网络建设发展的需要进行逐级部署，而不会对现有的WCDMA用户造成影响。
HSDPA是一条通往高速数据传输的极具成本效益的路径，它将峰值数据速率提高到了10 Mbit/s，并提供了相当于过去3-5倍的分区业务吞吐量，大幅度增加了单一频率上的数据用户数量，从而可以更高效率地使用宝贵的频谱资源，有助于刺激和推动WCDMA不能支持的数据密集型应用的消费，使运营商在不断融合的市场中有效参与竞争，并通过具有更高效率和更高成本效益的方式，满足增强服务质量以及宽带业务的需求。此外HSDPA还可以更加有效地实施QoS管理，网络可以更加智能地对不同优先级的应用与服务进行排序与资源调拨。
随着最终用户对数据传输性能要求越来越高，低成本高速数据传输能力将为HSDPA的经营商带来强大的竞争优势。以较低的用户成本支持广泛的多媒体应用，服务内容和诱人的功能可以使早期采用HSDPA的运营商优于其他竞争对手，增加已有用户的业务量和新用户的数量，提高数据市场占有率和盈利能力。

helen

学习了，好多看不懂。慢慢消化！