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摘要 文章從HSDPA技術(shù)的基本操作原理出發(fā)，從主要關(guān)鍵技術(shù)、需要更新功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、性能情況等方面出發(fā)，對(duì)WCDMA中的HSDPA技術(shù)進(jìn)行了探討。
1、HSDPA技術(shù)概述
在UMTS R99的空中接口體系中，絕大部分功能都由位于Node B以上的RNC來(lái)進(jìn)行，例如重傳、資源調(diào)度等，Node B僅僅起到一個(gè)根據(jù)RNC的指令完成物理層編碼、傳輸?shù)墓δ�，其本身基本不具有�?duì)物理資源的控制和調(diào)度能力。而在HSDPA中，為了在空中接口上實(shí)現(xiàn)更大的吞吐能力，對(duì)Node B的功能進(jìn)行了增強(qiáng)，在Node B的層面引入了物理層重傳和快速資源調(diào)度的概念。通過(guò)在更靠近空中接口的Node B上引入這些原本只有RNC才具有的功能，加快了重傳以及對(duì)空中資源調(diào)度的效率。在這樣的網(wǎng)絡(luò)機(jī)制下，結(jié)合AMC(Adaptive Modulation and Coding)、HARQ(Hybrid Automatic Repeat reQuest)等新技術(shù)，同時(shí)使用了更短的TTI(Transmit Time Interval)長(zhǎng)度(2ms)、固定的發(fā)射功率、固定擴(kuò)頻因子的多碼道傳輸，這樣，通過(guò)整體的有效結(jié)合，在下行方向上實(shí)現(xiàn)了大大高于R99的高速的分組數(shù)據(jù)傳輸能力，在信道情況好的條件下，其理論峰值速率可以達(dá)到14.4Mb/s。
圖1描述了HSDPA的基本工作原理以及實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的物理信道。Node B通過(guò)用戶從上行專用控制信道HS-DPCCH中反饋的信息得到用戶的下行信道情況，然后Node B根據(jù)所收集的所有用戶的信道情況，通過(guò)一定的調(diào)度策略，為它所服務(wù)的所有用戶分配HSDPA的下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢碣Y源(HS-DSCH、HS-SCCH)，同時(shí)選擇相應(yīng)的最合適的AMC方案，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量最大化、用戶吞吐量最大化、用戶QoS保證等資源調(diào)度目標(biāo)。
2、主要技術(shù)以及提供的業(yè)務(wù)情況
2.1 快速L1 H-ARQ技術(shù)
在R99中，所有的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程都由位于RNC的RLC層協(xié)議實(shí)體來(lái)進(jìn)行控制。HSDPA中在Node B上增加了用于控制HSDPA數(shù)據(jù)傳輸?shù)腗AC層協(xié)議實(shí)體MAC—sh，通過(guò)該實(shí)體，Node B可以直接控制物理層的數(shù)據(jù)重傳，這樣就形成快速的物理層重傳，其效率高于R99中在RNC和移動(dòng)終端之間的RLC層重傳。
同時(shí)，在L1重傳中引入了H-ARQ技術(shù)，通過(guò)使用Incremental Redundancy、Soft Combining等合并機(jī)制，使得每一次發(fā)送的數(shù)據(jù)都將用于幫助接收端進(jìn)行正確的譯碼，這樣進(jìn)一步提高了重傳的效率。
2.2 自適應(yīng)調(diào)制和編碼
HSDPA中引入了自適應(yīng)編碼調(diào)制(AMC)的技術(shù)，由于Node B中增加了MAC層協(xié)議實(shí)體的控制功能，同時(shí)利用Node B最靠近空中接口，對(duì)無(wú)線信道情況變化反應(yīng)快的特點(diǎn)，引入AMC的機(jī)制，使得Node B可以根據(jù)用戶無(wú)線信道的情況，自適應(yīng)的為用戶選擇最合適的編碼調(diào)制方式，例如在信道情況好的時(shí)候，使用高階調(diào)制(16QAM)結(jié)合大碼率的信道編碼，這樣可以有效的利用信道，實(shí)現(xiàn)信息傳輸速率的最大化。
目前HSDPA中定義的編碼方式為T(mén)urbo碼，根據(jù)信道情況，可選擇的編碼速率為1/4、2/4、3/4和4/4；同時(shí)定義了兩種調(diào)制方式4QAM和16QAM以供選擇，參見(jiàn)表1：
[table]
調(diào)制方式 | 擴(kuò)頻因子 | 有效編碼速率 | 有效編碼速率 | 數(shù)據(jù)速率 | 數(shù)據(jù)速率 | 數(shù)據(jù)速率 |
QPSK | 16 | 1/4 | 1/4 | 600kb/s | 1.2Mb/s | 1.8Mb/s |
16QAM | 16 | 2/4 | 2/4 | 2.4Mb/s | 4.8Mb/s | 7.2Mb/s |
2.3 快速分組調(diào)度，時(shí)序安排和調(diào)度從RNC轉(zhuǎn)移到Node B
在HSDPA中，同一Node B下的多個(gè)用戶可以通過(guò)時(shí)間以及碼字對(duì)下行的HSDPA資源進(jìn)行復(fù)用，如圖2所示。這時(shí)候，HSDPA中Node B能力增強(qiáng)帶來(lái)的另一項(xiàng)功能：快速的用戶間分組調(diào)度就將發(fā)揮作用。
除了根據(jù)用戶的信道情況，對(duì)于該用戶通信的MC方案進(jìn)行自適應(yīng)的調(diào)整以外，當(dāng)多個(gè)用戶在同一Node B下進(jìn)行HSDPA通信時(shí)，Node B還可以根據(jù)用戶反饋的信息(包括信道質(zhì)量、終端能力、QoS的需求等)，結(jié)合系統(tǒng)情況(包括可獲得的功率和碼資源、Node B緩沖區(qū)的狀態(tài)等)，對(duì)系統(tǒng)的HSDPA資源(時(shí)隙、碼字)在各個(gè)用戶之間的分配進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)整，從而在系統(tǒng)的角度實(shí)現(xiàn)性能的最優(yōu)化。
2.4 短幀長(zhǎng)度(TTI=2ms)
在R99中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚TI長(zhǎng)度為10ms。在HSDPA中，為了使自適應(yīng)調(diào)度能夠跟上無(wú)線信道的快速變化，同時(shí)減小重傳的時(shí)延，將下行信道的TTI長(zhǎng)度設(shè)置為2ms。
3、主要新增功能的設(shè)備
功能的增強(qiáng)必然帶來(lái)系統(tǒng)設(shè)備的更新?lián)Q代，HSDPA在設(shè)備上的功能更新主要集中在Node B和終端上。
如圖3所示，在Node B上增加的功能主要有以下幾個(gè)方面：
(1)調(diào)度程序：實(shí)現(xiàn)終端間資源的調(diào)度，以及編碼調(diào)制方式的自適應(yīng)選擇(AMC)。
(2)H-ARQ重傳：在Node B上增加了支持H-ARQ操作的發(fā)送模塊。
(3)上行反饋解碼：使用該模塊在Node B上進(jìn)行“ARQ確認(rèn)”、“信道狀態(tài)”等反饋信息的譯碼，以支持Node B上的各項(xiàng)調(diào)度操作。
(4)面對(duì)SRNC的流量控制：由于在Node B和終端之間引入了物理層重傳的機(jī)制，因此需要在Node B中引入面對(duì)RNC的流量控制功能，以避免Node B中發(fā)生緩存溢出的情況。
與Node B所增強(qiáng)的功能相對(duì)應(yīng)的，在支持HSDPA的終端上也增加了相應(yīng)的功能：
(1)ARQ譯碼：終端中需要增加緩存區(qū)和相應(yīng)的合并譯碼功能模塊來(lái)支持新增的H-ARQ功能。
(2)快速上行反饋和編碼：終端需要將信道狀態(tài)等信息快速的反饋給Node B，以支持Node B的調(diào)度功能。
4、性能情況
相比R99，HSDPA接入網(wǎng)的機(jī)制更適合于分組數(shù)據(jù)包突發(fā)的特性，在能力上有明顯的提高。這些提高主要來(lái)自于，首先通過(guò)以2ms為周期在用戶之間進(jìn)行快速的分組調(diào)度，在用戶數(shù)較多的情況下，可以獲得顯著的多用戶增益；其次通過(guò)與用戶信道狀態(tài)相適應(yīng)的AMC機(jī)制，在信道好的情況下，可以利用高階調(diào)制結(jié)合大碼率信道編碼，這樣可以大大提高用戶的數(shù)據(jù)吞吐量，同時(shí)帶來(lái)整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量的改變。另外，HSDPA在物理層重傳中使用的H-ARQ相比R99中的ARQ機(jī)制，也可以帶來(lái)一定的性能提高；最后，通過(guò)一定的調(diào)度策略以及AMC方案的結(jié)合，還可以在達(dá)到小區(qū)吞吐量目標(biāo)的同時(shí)，為用戶提供一定的QoS保證。
圖4通過(guò)仿真給出了HSDPA與R99在小區(qū)吞吐量上的比較，從圖中可以看出，與R99相比，HSDPA在小區(qū)平均吞吐量上有明顯的提高，尤其是在微蜂窩的環(huán)境下，由于這時(shí)候在很多情況下信道條件都比較好，有利于HSDPA利用高速率的編碼調(diào)制方案來(lái)提高小區(qū)的平均吞吐量。
圖5描述了當(dāng)HSDPA使用5個(gè)HS-PDSCH、7W的總發(fā)射功率時(shí)(大約1/3的小區(qū)資源)，得到的用戶數(shù)據(jù)吞吐量的累積分布函數(shù)。從圖中可以看出，隨著用戶數(shù)的增加，由于有更多的用戶共享HSDPA信道資源，所以用戶平均吞吐量隨著用戶數(shù)的增加而減小，但是這種減小并不直接與用戶數(shù)成線性關(guān)系。例如：只有一個(gè)用戶時(shí)，用戶的平均吞吐量大約為800kb/s，而當(dāng)用戶數(shù)增大到4個(gè)時(shí)，由于系統(tǒng)在多用戶之間快速的資源調(diào)度帶來(lái)的增益，這時(shí)候平均吞吐量為400kb/s左右，而不是800/4的200kb/s，也就是說(shuō)：這時(shí)候小區(qū)的總吞吐量要大于一個(gè)用戶時(shí)的情況。
