HSDPA的改進(jìn)方案

摘要　首先分析了HSDPA中存在的缺陷，然后給出了一種基于CDMA/TDMA的HSDPA改進(jìn)方案。該方案利用CDMA區(qū)分語音和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道。在語音和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道中分別選用CDMA和TDMA方式。這種方法可改進(jìn)WCDMA上下行容量基本對稱的技術(shù)缺陷，使其符合移動Internet的需求。

1、引言

HSDPA作為WCDMA的重要演進(jìn)方式已引起相關(guān)人員的高度關(guān)注，它能夠利用一個載波在小區(qū)內(nèi)同時為多個用戶提供語音和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，此時系統(tǒng)的下行容量顯然應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于只提供語音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的WCDMA系統(tǒng)。但是CDMA方式的主要技術(shù)缺陷是：上下行容量基本相同；當(dāng)發(fā)送功率上升時，系統(tǒng)產(chǎn)生的自干擾加大，而容量基本保持不變，即無法利用發(fā)送功率換取頻率資源，導(dǎo)致CDMA方式的小區(qū)頻譜利用率很低，雖然可以采用一些先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行改善，但系統(tǒng)的性價比會迅速下降。

2、HSDPA中存在的缺陷

HSDPA采用語音或低速數(shù)據(jù)信號共享載波的方式，在下行鏈路中引入高速下行鏈路共享信道（HS-DSCH）、高速共享控制信道（HS-SCCH）和上行鏈路高速專用物理控制信道（HS-DPCCH）等，以用于支持高速下行分組業(yè)務(wù)。其中，HS-DSCH在下行鏈路中承載用戶數(shù)據(jù)，傳輸時間間隔（TTI）為2 ms，擴(kuò)頻因子固定為16，因此在采用小區(qū)獨(dú)立擾碼時，最大可用地址碼數(shù)為15，此時各碼道的數(shù)據(jù)速率相等；數(shù)據(jù)調(diào)制方法為QPSK或16QAM，信道采用1/3碼率的Turbo編碼，并通過各種碼率匹配參數(shù)得到不同的有效碼率。HS-DSCH的基本參數(shù)見表1。

表1　HS-DSCH信道主要參數(shù)

在一個TTI內(nèi)，HS-DSCH信道可以由多個用戶進(jìn)行CDMA；在不同的TTI內(nèi)，也可以分配不同的用戶進(jìn)行TDMA。因此HSDPA可在下行鏈路中采用CDMA和TDMA相結(jié)合的方式，通過碼道捆綁、高頻譜效率的調(diào)制方式和較高的糾錯編碼率Rc大幅提升HSDPA的容量。

采用捆綁碼道的缺點(diǎn)在于：首先，采用碼道捆綁將導(dǎo)致用戶接收信號子信道間產(chǎn)生自干擾；其次，HSDPA多個捆綁碼道的數(shù)據(jù)速率相等，根據(jù)系統(tǒng)容量和信道功率比關(guān)系式可以推出，利用碼道捆綁的TDMA方式不可能大幅度增加系統(tǒng)容量。HSDPA方式選取SF（擴(kuò)頻系數(shù)）為16，是語音信號的1/8，可能導(dǎo)致語音信號被淹沒或接收信號的質(zhì)量下降。

在表1中，當(dāng)Rb=10 877 kbit/s時，小區(qū)內(nèi)至少采用兩個擾碼，分別作為HS-DSCH和語音信道的信道地址碼，這樣會在小區(qū)內(nèi)引入異步地址碼干擾。與采用一個擾碼的同步地址碼的小區(qū)容量相比，采用兩個擾碼的小區(qū)容量將下降。當(dāng)小區(qū)內(nèi)采用多個擾碼時，可用的地址碼數(shù)可成倍上升，但會導(dǎo)致小區(qū)的容量下降。因此，WCDMA在一個小區(qū)中安排16個擾碼作為信道地址碼的做法是不合理的。另一方面，在CDMA系統(tǒng)中一般也不應(yīng)采用高頻譜效率的調(diào)制方式，因為這些調(diào)制方式的功率利用率較低，將會使要求的門限值d上升，使自干擾上升，系統(tǒng)容量下降。此外，利用增大Rc提升Rb的做法也會導(dǎo)致自干擾，使容量下降。因此，在HSDPA系統(tǒng)中若想通過改變調(diào)制方式或Rc提高Rb，其效果并不明顯。

3、CDMA/TDMA的實現(xiàn)方案

該方案的基本特點(diǎn)是：從WCDMA分配給一個小區(qū)的16個擾碼中選用兩個擾碼，分別用作CDMA或TDMA的信道地址碼。也就是說，一個小區(qū)內(nèi)只采用一個頻點(diǎn)，TDMA的高速數(shù)據(jù)用戶信道和CDMA的語音或低速數(shù)據(jù)用戶信道各采用一個短PN序列地址碼。顯然，TDMA信道的信號將嚴(yán)重干擾語音或低速數(shù)據(jù)用戶的接收，因此它們的接收機(jī)中必須采用易于實現(xiàn)的干擾抵消器，且僅用于消除一條TDMA高速數(shù)據(jù)信道產(chǎn)生的自干擾即可。為了提高高速數(shù)據(jù)用戶的QoS，對于高速數(shù)據(jù)用戶也可使用干擾抵消器，用于消除采用另一短PN序列地址碼的語音用戶信道的集中干擾。當(dāng)考慮相鄰小區(qū)干擾時，干擾抵消器的復(fù)雜度將略有上升，但是與多用戶接收機(jī)相比，干擾抵消器的實現(xiàn)難度不大。由于上行鏈路的容量要求較低，可繼續(xù)采用WCDMA技術(shù)。此時由于TDMA碼道和語音碼道的速率比較高，可以大幅度減少TDMA碼道的發(fā)射信號功率，減少系統(tǒng)自干擾，提高發(fā)射功率的效率。與現(xiàn)有的其他技術(shù)相比，所需的關(guān)鍵技術(shù)較為簡單。

在該方案中，基站發(fā)射信號端的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　基站發(fā)射信號端的電路結(jié)構(gòu)

圖1上部分給出了語音或低速數(shù)據(jù)用戶在WCDMA系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理過程，即采用CDMA方案，低速數(shù)據(jù)用戶的數(shù)據(jù)速率接近語音用戶的速率，即12.2 kbit/s的專用業(yè)務(wù)信道（DTCH）。DTCH中的數(shù)據(jù)信號經(jīng)基帶信號處理后，形成碼元速率為60 ksps的專用物理信道（DPCH）。在基帶信號處理中包含糾錯編碼率Rc=1/2.5的糾錯編碼、二次交織編碼處理、插入專用控制信道（DCCH）和專用物理控制信道（DPCCH）信息等處理過程。基帶信號處理的輸出經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換后的輸出碼元速率為30 ksps。圖1中假設(shè)有S11、S21……SN1個信號輸入，則可用于N個用戶。此時的QAM調(diào)制用于QPSK調(diào)制。

假定SD選用的糾錯編碼和調(diào)制方法與語音數(shù)據(jù)類似，當(dāng)要求的誤比特率（BER）相同時，移動臺所需的接收信號門限信噪比d相等。取高速數(shù)據(jù)信道SD輸出的碼元速率為3.84 Msps，糾錯編碼率Rc=1/2.5，暫不考慮DCCH和DPCCH的速率要求，則當(dāng)M=16個高速數(shù)據(jù)用戶時，每一用戶的數(shù)據(jù)速率可達(dá)96 kbit/s。合路后的信號SD分為16個時隙，與DPCH在每一幀中的功率控制時隙數(shù)相同。每一個時隙對應(yīng)一個高速數(shù)據(jù)用戶，也可以采用增加時隙數(shù)或改變時隙寬度的方法改變高速數(shù)據(jù)用戶數(shù)或用戶數(shù)據(jù)速率。

選用QPSK調(diào)制時，SD經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換后的碼元速率為1920 ksps，后續(xù)的PAM變換將根據(jù)QAM調(diào)制的要求將輸入的多路二進(jìn)制信號變換為多電平信號，經(jīng)復(fù)擾碼處理后送QAM調(diào)制，可以求得此時高速數(shù)據(jù)信道和語音或低速數(shù)據(jù)用戶的數(shù)據(jù)速率比為64。根據(jù)信道功率比關(guān)系式，可得出它所占用的發(fā)信功率僅相當(dāng)于29.4個語音用戶。此處取DPCH折合后的語音用戶速率為24 kbit/s�？梢娤到y(tǒng)的自干擾下降較大，可以獲得較高的頻譜和功率利用率。

圖2　下行鏈路用戶端的接收信號電路框圖

圖2為下行鏈路用戶端的接收信號電路框圖。其中，射頻處理主要用于將無線接收的射頻信號變換為與發(fā)射端信號S9對應(yīng)的中頻信號S9´，然后送正交幅度相干解調(diào)，它的兩路輸出信號S8I´和S8Q´送干擾抵消和用戶數(shù)據(jù)解調(diào)，由該電路輸出高速數(shù)據(jù)用戶K的信號DKI´，也可以送出語音或低速數(shù)據(jù)用戶K的信號SKI´。其中，干擾抵消和用戶數(shù)據(jù)解調(diào)電路內(nèi)應(yīng)包括兩個干擾抵消器：一個用于消除TDMA高速數(shù)據(jù)信道對語音或低速數(shù)據(jù)用戶的干擾，從而輸出語音或低速數(shù)據(jù)；另一個用于消除CDMA語音或低速數(shù)據(jù)用戶信道對高速數(shù)據(jù)信道的干擾，從而輸出高速數(shù)據(jù)用戶的信息數(shù)據(jù)。

從以上分析可知，由于基站端發(fā)送信號和用戶接收信號設(shè)備的簡單性和易實施性，使干擾抵消器得以應(yīng)用，可使高速數(shù)據(jù)用戶的用戶數(shù)和數(shù)據(jù)速率在原有語音或低速數(shù)據(jù)容量的基礎(chǔ)上大幅上升，并可滿足多用戶下行高速率的移動Internet要求。