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2006年是中國3G發(fā)展的最關鍵一年，技術的選擇關系到建網成本和網絡質量。對HSDPA/HSUPA的技術應用進行探討，不論是對運營商還是普通用戶都將會帶來極大的好處。
對于運營商來說，HSDPA/HSUPA可以提高WCDMA和TD-SCDMA網絡數據容量和頻譜效率、實現性價比高的網絡，實現更低的每比特傳輸成本。對于普通用戶來說，它們可以提供更高的數據速率、更短的服務響應時間、更好的服務可靠性。
一、HSDPA、HSUPA技術性能分析
1.HSDPA技術性能分析
HSDPA的性能與信道條件(如時間色散、小區(qū)環(huán)境、終端車速、小區(qū)內與小區(qū)間的干擾分布)、終端基本檢測性能(敏感性、干擾抑制能力等)有關，還受到無線資源管理(RRM)算法的影響，如功率和碼資源的分配、載干比估計的準確性及分組調度算法的選擇和實施等。
在WCDMA R99中，所有傳輸信道都是在RNC側終止，數據的重傳功能位于RNC側，每次重傳都要經過Iub接口，增加了數據傳輸的延遲；HSDPA中的HARQ(Hybrid ARQ,混合自動請求重傳)協(xié)議位于Node-B中，數據重傳無需經過Iub接口，有效增加了無線鏈路的數據吞吐量，從而提高整個扇區(qū)的吞吐量。
在WCDMA R99中，下行鏈路功率控制的動態(tài)范圍大約是20dB，而上行鏈路的功控動態(tài)范圍可達70dB，這主要是由于下行鏈路的功率受限于小區(qū)內干擾，同時也意味著當用戶靠近Node-B時，基站的發(fā)射功率會有所降低但不可能在短時間內大幅度下降；HSDPA中使用自適應調制編碼(AMC)技術，對于靠近Node-B的用戶，充分利用現有的信道條件，使用高階的調制方案和較高的編碼速率，以最大化下行鏈路的數據吞吐量。
在HSDPA中，小區(qū)吞吐量隨調制方式、可使用的碼信道數量和信道編碼速率而不同，它所能達到的理論峰值速率為R99的5倍，如采用3/4編碼速率和16QAM調制，能達到的峰值速率為10.7Mbit/s。由于多個用戶是時間復用和碼字復用，因此理論的速率可以由單個用戶達到或多個用戶分配達到，網絡可根據終端性能和終端數據需求進行功率和碼字分配。HSDPA技術作為WCDMA的增強型無線技術可以提高系統(tǒng)的頻率效率和碼資源效率，是一種提升網絡性能和容量的有效方式。為了使HSDPA可以盡可能多地承載各種類型的業(yè)務，保證各種業(yè)務類型的QoS，HSDPA的分組調度不再由RNC負責，而是改由Node-B來直接管理，這樣可以使資源調度更接近空中接口，緩解Iub產生的延遲限制。更快的調度方式使得不需要通過專用信道(DCH)承載，就可以采用分組調度提供恒定比特速率的業(yè)務，所以HSDPA不僅能有效支持交互式等非實時業(yè)務，同樣可以用于支持某些實時業(yè)務，如流媒體業(yè)務等。
2.HSUPA性能分析
考慮到上行鏈路自身的特點，如上行軟切換、功率控制和UE的峰均比(PAR)問題，HSUPA主要采用物理層快速重傳和快速調度等技術來提高上行鏈路的數據速率和小區(qū)容量。
在WCDMA R99中，數據包重傳是由RNC控制下的RLC重傳完成的。在透明模式(AM)下，RLC的重傳涉及RLC信令和Iub接口傳輸，重傳延時超過100ms；HSUPA使用增量冗余重傳機制，使得數據包的重傳可以在移動終端和基站間直接進行，繞開了Iub接口傳輸，大大降低了時延，快速重發(fā)還允許上行鏈路以更高的誤塊率(BLER)運行，允許在給定的數據速率下以更低的功率級開始傳輸，最終使得小區(qū)的覆蓋面擴大。
在WCDMA R99中，移動終端傳輸速率的調度由RNC控制，移動終端可用的最高傳輸速率在DCH建立時由RNC確定，RNC不能夠根據小區(qū)負載和移動終端的信道狀況變化靈活控制移動終端的傳輸速率；HSUPA通過在上行鏈路中使用快速調度可以對網絡業(yè)務負載和數據做出快速反應，減少了上行鏈路噪聲增長的變化率，有可能減少上行鏈路為了保護超負荷預留的峰值儲備，充分利用了R99解決方案里保留的容量，這樣一來就實現了更高的用戶數據速率和小區(qū)容量。
HSUPA向后充分兼容于3GPP的WCDMA R99，可以逐步引入到網絡中，其終端可以和R99的終端共享同一無線載體。HSUPA不依賴HSDPA，也就是說沒有升級到HSDPA的網絡也可以引入HSUPA。雖然WCDMA引入HSUPA需要對現有的無線接入系統(tǒng)做一定程度的升級，但是由于HSUPA極大地提高了上行傳輸速率，無論對于發(fā)送Email，文件上傳還是交互式游戲這樣的應用，用戶都將體會到HSUPA提供的高速率和短延遲。
二、HSDPA、HSUPA的關鍵技術
在HSDPA和HSUPA中使用一些關鍵技術來提高WCDMA下行鏈路和上行鏈路的業(yè)務數據傳輸速率滿足不同業(yè)務的QoS需求。
1.HSDPA中的關鍵技術
目前已經得到廣泛應用的是基本型HSDPA，在基本型HSDPA種，為了達到提高下行分組數據速率和減少時延的目的，HSDPA主要采用了一系列鏈路自適應技術如自適應的編碼和調制、快速重傳、快速調度等技術，替代了R99中的可變擴頻碼和快速功率控制，同時在UTRAN側原有的物理信道上增加了三個信道以支持關鍵技術的實現。
(1)新增的三個物理信道
WCDMA在R5中開始引入HSDPA，其目的主要是為了提高頻帶利用率、適應未來大量的移動數據業(yè)務、在無線接口增加下行鏈路的數據傳輸速率。引入HSDPA后，無線部分的總體結構與R99基本一致，只是略有不同。
HSDPA物理信道的使用與DCH和下行共享信道(DSCH)的配合使用相似，它承載需要更高時延限制的業(yè)務，例如AMR語音業(yè)務。為了實現HSDPA功能特性，在MAC層新增了MAC-hs實體，位于Node-B，負責HARQ操作以及相應的調度，并在物理層引入以下三種新的信道。
HS-DSCH(High Speed Downlink Shared Channel)信道：負責傳輸用戶分組數據，采用固定的擴頻因子SF=16，無線幀長為2ms。信道共享方式有時分復用和碼分復用。最基本的方式是時分復用，即按時間段分給不同的用戶使用，這樣HS-DSCH信道碼每次只分配給一個用戶使用。另一種就是碼分復用，在碼資源有限的情況下，同一時刻，多個用戶可以同時傳輸數據。
HS-SCCH(High Speed Shared Control Channel)信道：主要用于承載下行鏈路所需要的信令信息，負責傳輸HS-DSCH信道解碼所必需的控制信息；采用固定的擴頻因子SF=128。
HS-DPCCH(Uplink High Speed Dedicated Physical Control Channel)信道：負責傳輸必要的控制信息，主要是對ARQ的響應以及下行鏈路質量的反饋信息。采用固定的擴頻因子SF=256。
HSDPA功能主要是對Node-B修改比較大，對RNC主要是修改算法協(xié)議軟件，硬件影響很小。如果在原有設備中考慮了HSDPA功能升級要求(如16QAM、緩沖器及處理器的性能等)，一般來講實現HSDPA功能不需要硬件升級，只要軟件升級即可，所以現在很多廠家都宣稱可通過軟件升級支持HSDPA功能。實現這個功能難度不是太大，關鍵是實現的性能，所以HSDPA技術實現后的真正性能需要驗證。有兩點需要注意：一是目前硬件所能達到的處理性能將決定將來的HSDPA性能，升級后實現的HSDPA的性能需要明確；二是需考證實現HSDPA功能時，HSDPA技術對于網絡性能的影響。
(2)自適應調制編碼(AMC)
HSDPA采用AMC作為基本的鏈路自適應技術對調制編碼速率進行粗略的選擇。AMC的原理就是根據用戶瞬時信道質量狀況和當前資源，選擇最合適的下行鏈路調制和編碼方式�？拷镜挠脩艚邮招盘柟β蕪�，采用高階調制方式(如16QAM)和高速率信道編碼(3/4編碼速率)，使用戶獲得盡量高的數據吞吐率；當信號較差時，則選取低階調制方式(如QPSK)和低速率信道編碼(1/4編碼速率)來保證通信質量。
(3)混合自動請求重傳(HARQ)
為了進一步提高系統(tǒng)性能，HSDPA在采用AMC對調制編碼方式進行粗略的選擇之后，采用HARQ技術進行精確的調節(jié)。混合自動請求重傳技術是前向糾錯編碼FEC和ARQ技術的結合，它結合了自動重發(fā)與前向糾錯的容錯恢復機制，并使用合并前后含有相同數據單元的機制或重傳信息塊的增量冗余機制，帶來更低的剩余誤塊率，從而減少高層協(xié)議RLC層的重發(fā)和降低下行分組包的發(fā)送時延與環(huán)回時延(round trip delay)。HARQ重傳是在物理層上實現的，它可以自動根據瞬時信道條件，靈活調整有效編碼速率，補償因采用鏈路適配所帶來的誤碼。HSDPA將AMC和HARQ相結合，首先通過AMC對速率進行粗略的選擇，然后再由HARQ進行精確的調節(jié)，從而更好地達到鏈路自適應的效果。HSDPA支持兩種合并機制：對基站重發(fā)相同的分組包進行前后合并或對基站重發(fā)含有不同編碼(即冗余信息)的分組包進行增量冗余合并。
(4)快速調度
快速調度算法是在動態(tài)復雜的無線環(huán)境下使多用戶更有效地使用無線資源， 提高整個扇區(qū)的吞吐量。調度算法功能實現于基站，采用了時分加碼分的技術，而且用戶對于共享信道的使用權每一個2ms無線子幀都可以重新調度，反應速度大大提高。調度算法可以綜合評估多方因素，在實施HSDPA分組調度時， 調度算法會根據事先掌握的信息，如每個傳輸時間間隔(TTI)階段可用的碼資源和功率資源；UE上報的無線信道質量(CQI)；以前發(fā)送數據是否被正確接收的反饋信息 (ACK/NACK)；將要傳送數據塊的優(yōu)先級等在多用戶中實施快速調度和無線資源的最優(yōu)使用，從而提高頻譜的使用效率。
2.HSUPA中的關鍵技術
HSUPA采用了三種主要的技術：物理層混合重傳、基于Node B的快速調度及2msTTI短幀傳輸。同時還新增了一個專用信道以支持HSUPA的傳輸。
新增的專用傳輸信道E-DCH：在HSUPA中，新增了一個專用傳輸信道E-DCH來傳輸HSUPA業(yè)務。R99中DCH和E-DCH可以共存，因此用戶可以享受在DCH上傳統(tǒng)的R99語音服務的同時，利用HSUPA在E-DCH進行突發(fā)的數據傳輸。
(1)物理層混合重傳[L1(Fast) HARQ]：在HSUPA中定義了一種物理層的數據包重傳機制，數據包的重傳在移動終端和基站間直接進行，基站收到移動終端發(fā)送的數據包后會通過空中接口向移動終端發(fā)送ACK/NACK信令，如果接收到的數據包正確則發(fā)送ACK信號，如果接收到的數據包錯誤就發(fā)送NACK信號，移動終端通過ACK/NACK的指示，可以迅速重新發(fā)送傳輸錯誤的數據包。由于繞開了Iub接口傳輸，在10msTTI下，重傳延時縮短為40ms。在HSUPA的物理層混合重傳機制中，還使用到了軟合并(soft combing)和增量冗余技術(Incremental Redundancy)，提高了重傳數據包的傳輸正確率。
(2)基于Node B的快速調度(Node-B Scheduling)：基于Node B的快速調度的核心思想是由基站來控制移動終端的傳輸數據速率和傳輸時間�；靖鶕^(qū)的負載情況，用戶的信道質量和所需傳輸的數據狀況來決定移動終端當前可用的最高傳輸速率。當移動終端希望用更高的數據速率發(fā)送時，移動終端向基站發(fā)送請求信號，基站根據小區(qū)的負載情況和調度策略決定是否同意移動終端請求。如果基站同意移動終端的請求，基站將發(fā)送信令提高移動終端的最高可用傳輸速率。當移動終端一段時間內沒有數據發(fā)送時，基站將自動降低移動終端的最高可用傳輸速率。由于這些調度信令是在基站和移動終端間直接傳輸的，所以基于Node B的快速調度機制可以使基站靈活快速地控制小區(qū)內各移動終端的傳輸速率，使無線網絡資源更有效地服務于訪問突發(fā)性數據的用戶，從而達到增加小區(qū)吞吐量的效果。
(3)2msTTI 和10 ms TTI:：WCDMA R99上行DCH的傳輸時間間隔(TTI)為10ms，20ms，40ms，80ms。在HSUPA中，采用了10msTTI以降低傳輸延遲。雖然HSUPA也引入了2ms TTI的傳輸方式，進一步降低傳輸延遲，但是基于2msTTI的短幀傳輸不適合工作于小區(qū)的邊緣。
三、HSDPA與1X EV-DO的比較
從設計目的來看，HSDPA和1xEV-DO兩種技術解決問題的技術手段基本相同，都是通過提供高速的下行(前向)鏈路數據來支持非對稱業(yè)務的需求。高速的下行(前向)鏈路十分有利于諸如廣播、組播、流媒體等非對稱業(yè)務的開展與應用；在標準兼容性方面，兩種技術都考慮了與現有標準版本的兼容，最大程度地保護了運營商的現有投資與利益，減少了由現有網絡技術升級帶來的開銷與代價；另外，兩種技術都是面向提供高速分組數據傳輸設計的，都在上行(反向)鏈路采用專用信道對下行(前向)高速數據包進行確認(ACK/NACK)。若基站收到NACK，兩種技術都采用HARQ機制進行重傳，從而提高了接收增益；此外，兩種技術在調制方法、編碼方案也基本相同。表1給出了兩種技術的一些關鍵參數的比較結果。
四、HSDPA和HSUPA商用前景分析
目前的3G系統(tǒng)在容量、速率和成本方面都不足以滿足高速發(fā)展的多媒體業(yè)務，迫切需要可提供高速率數據傳輸的技術以支持高容量、低成本的數據業(yè)務。HSDPA/HSUPA是對WCDMA技術上的增強，可滿足上下行的高速率數據業(yè)務，是完全后向兼容WCDMA R99的，無需對現有的WCDMA網絡進行較大的改動，不會對現有WCDMA網絡用戶造成影響，這也是許多WCDMA廠商積極參與其技術探討和設備研發(fā)的主要原因。截至目前，全球范圍內提供商用服務的WCDMA網絡已經達到71個，而處于預商用與部署中的網絡也超過了75個。目前，雖然HSDPA/HSUPA技術已經比較成熟，可以進行商用，WCDMA向HSDPA/HSUPA升級是必然的，但決定這個演進過程的除了技術本身的成熟度外，更為重要的是商用需求，即整個WCDMA市場的商用進展及規(guī)模。從運營商的角度來說，HSDPA/HSUPA部署面臨的不僅是技術產品問題，更是業(yè)務市場問題。
事實上，當我們今天在談論HSDPA的時候，不能忽視EV-DO全球發(fā)展對HSDPA的影響。在美國、韓國、日本及中國市場上，EV-DO正期望通過平滑的演進吸引更多CDMA 1x用戶使用高速移動數據新業(yè)務。
那么，在WCDMA市場穩(wěn)步加速發(fā)展的背景下，不同的WCDMA運營商將會根據競爭環(huán)境與自身發(fā)展戰(zhàn)略等因素選擇HSDPA/HSUPA的商用策略，概括來看，目前運營商推動HSDPA/HSUPA發(fā)展的因素主要在市場競爭與市場需求兩大方面。
1.市場競爭驅動
市場競爭是目前部分運營商推動HSDPA/HSUPA發(fā)展的最現實因素，根據運營商所處競爭環(huán)境的差異性，運營商發(fā)展HSDPA/HSUPA的動機分可為兩類：利用HSDPA/HSUPA與CDMA2000運營商的競爭和利用HSDPA與其它WCDMA運營商的競爭。對于前者，由于目前CDMA2000運營商在3G網絡規(guī)模上已經取得了領先地位，Verizon Wireless的CDMA2000 1x EV-DO網絡已經覆蓋了32個區(qū)域市場。WCDMA面臨著短期內重鋪網絡，扭轉網絡規(guī)模的難度，在這種競爭環(huán)境下，WCDMA運營商普遍選擇從高起點的制式版本起步以尋求差異化競爭優(yōu)勢。除了Cingular已決定2005年開始部署HSDPA/HSUPA外，目前尚未建設3G網絡的T-Mobile也已表示將從WCDMA R5與HSDPA/HSUPA開始建網。對于后者，西歐的部分WCDMA運營商或是較晚切入3G市場，或是本身實力有限，從而面臨3G業(yè)務難以實現突破的挑戰(zhàn)。因此，有些運營商就選擇了積極部署HSDPA/HSUPA的策略，以爭取3G業(yè)務上的后發(fā)優(yōu)勢。
2.市場需求驅動
與WCDMA系統(tǒng)相比，提供更高的接入速率是HSDPA/HSUPA最大的技術優(yōu)勢，這也是運營商希望利用HSDPA/HSUPA提升競爭力的前提。然而，目前全球電信業(yè)已從原來的技術驅動型轉為業(yè)務驅動型，WCDMA的發(fā)展與演進過程也表明脫離市場需求的技術競爭容易引起泡沫。因此，市場需求的規(guī)模也將成為影響HSDPA/HSUPA發(fā)展甚至決定它最終成敗的重要因素。
從目前的移動業(yè)務發(fā)展看，對網絡速率高于200kbit/s的應用主要有大流量音樂下載、視頻會議、視頻文件下載、多媒體互動游戲、高速無線上網以及發(fā)送Email，文件上傳和交互式游戲等，這些業(yè)務也將成為未來支撐HSDPA/HSUPA生存與發(fā)展的需求基礎。從目前的全球3G市場發(fā)展看，日韓等國家不僅3G商用進程領先，而且3G已開始走向主流市場，對這些高速移動多媒體應用的需求也最現實，因此這些國家中的WCDMA運營商普遍對HSDPA/HSUPA持比較積極的態(tài)度。
在日本，DoCoMo不僅是目前國際上3G用戶最多的運營商，也是較早開始對HSDPA/HSUPA進行測試與部署的。DoCoMo一開始就把HSDPA/HSUPA定位于向普通客戶提供手機服務，以更好的滿足3G用戶對多媒體應用的需求。
TD-SCDMA是由中國提出并被ITU所接受的第三代無線通訊標準，并已成為第三代無線通訊系統(tǒng)(IMT2000)國際電信標準大家庭中的重要成員。雖然相比WCDMA、CDMA2000它的起步比較晚，但由于它獨特的技術特點很適合未來頻譜資源有限的情況下對網絡的擴容及對不同業(yè)務的支持，最重要的是它受到中國政府的大力支持，因此在未來3G發(fā)展中它具有極強的競爭力。
大唐移動TD-SCDMA系統(tǒng)率先實現HSDPA業(yè)務，其5MHz的頻率可以傳輸8.4 Mbit/s的業(yè)務；1.6MHz的頻率可以傳輸2.8Mbit/s的業(yè)務。HSDPA業(yè)務性能的實現，充分驗證了TD-SCDMA頻譜利用率高的優(yōu)勢，說明TD-SCDMA系統(tǒng)是適合數據傳輸的移動通信系統(tǒng)。此外，不僅有大唐移動的終端支持HSDPA業(yè)務，天碁科技也提供實驗終端支持此業(yè)務。
作者：
北京郵電大學通信網絡綜合技術研究所 李美玲 袁超偉 劉鳴 高建波
江西聯(lián)通鷹潭分公司 黃守勇
