HSDPA演進(jìn)“三步走”

　　HSDPA（高速下行分組接入技術(shù)）最早是3GPP Release 5規(guī)范為了滿足上/下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)不對稱需求而提出的一種新技術(shù)，其目的是在不改變現(xiàn)行WCDMA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的情況下，把下行鏈路峰值速率提高到10.8M～14.4Mbps。作為WCDMA的演進(jìn)技術(shù)，HSDPA將大大提高系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的性能和容量。它不僅能有效地支持非實(shí)時業(yè)務(wù)，同時也可以用于許多實(shí)時業(yè)務(wù)，如流媒體等。

　　根據(jù)3GPP 組織的定義，HSDPA的發(fā)展將主要分為三個階段：在HSDPA Phase

　　1（第一階段），通過使用鏈路自適應(yīng)和適應(yīng)性調(diào)制（QPSK/16QAM）、HARQ及快速調(diào)度等技術(shù)，將峰值速率提高到10.8M～14.4Mbps；在HSDPA Phase ２（第二階段），通過引入一系列天線陣列處理技術(shù)，峰值速率可提高到30Mbps；在HSDPA Phase 3（第三階段），通過引入OFDM空中接口技術(shù)和64QAM等，將峰值速率提高到100Mbps以上。

　　HSDPA的四項(xiàng)“必殺技”

　　HSDPA所實(shí)現(xiàn)的性能改進(jìn)，主要得益于以下幾項(xiàng)重要技術(shù)：

　　第一，高速下行鏈路共享信道（HS-DSCH）。正如人們所知，專用信道（DCH）是設(shè)計(jì)用于需要對話式服務(wù)質(zhì)量（QoS）的電路交換服務(wù)的，這樣的電路交換應(yīng)用具有不變比特率和嚴(yán)格的實(shí)時要求；而共享信道是設(shè)計(jì)用于滿足下行鏈路中具有猝發(fā)特性的分組服務(wù)的，如流數(shù)據(jù)服務(wù)、交互式應(yīng)用和后臺應(yīng)用等。HSDPA是基于HS-DSCH的，HS-DSCH能夠支持高數(shù)據(jù)率，允許不同用戶復(fù)用時間和編碼，因此非常適用于猝發(fā)分組通信較多的多媒體環(huán)境。

　　第二，自適應(yīng)調(diào)制和編碼方案，如QPSK和16QAM。

　　第三，混合自動檢錯重發(fā)（HARQ）傳輸協(xié)議。

　　第四，Node B中的高速媒體訪問控制（MAC-hs）協(xié)議負(fù)責(zé)快速分組調(diào)度。MAC-hs的使用使得HSDPA毋需進(jìn)行硬件修改，就可以在下行鏈路中實(shí)現(xiàn)每個Node B高達(dá)35Mbps的下行速率。如果對負(fù)責(zé)接口 RNC的Iub基站的硬件進(jìn)行修改，則可以將下行鏈路的速率進(jìn)一步增加到65Mbps。

　　在不作任何硬件修改的情況下，MAC-hs通過下列方法實(shí)現(xiàn)性能的改進(jìn)：

　　HSDPA和DCH信道業(yè)務(wù)在Node B 群集的不同基帶處理電路板(BB）中進(jìn)行處理；

　　可以為HSDPA任務(wù)分配多達(dá)6個BB，當(dāng)然這些BB需要下載專用的軟件；

　　HSDPA BB可以同時為多達(dá)6個信元提供HSDPA服務(wù)，每個BB的總速率可達(dá)到10.8Mbps，同一信元中的所有HSDPA用戶由同一HSDPA　BB進(jìn)行處理；

　　HSDPA BB上由10個數(shù)字信號處理器（DSP）組成的DSP群集和各種現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)負(fù)責(zé)執(zhí)行下行鏈路的業(yè)務(wù)處理，它們?yōu)镠SDPA任務(wù)提供足夠的計(jì)算和存儲功能。

　　HSDPA演進(jìn)三階段

　　3GPP Release 3規(guī)范明確規(guī)定了HSDPA技術(shù)演進(jìn)的三個階段：

　　第一階段（Phase 1）：基本型HSDPA

　　HSDPA第一階段的功能是由3GPP Release 5規(guī)定的，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)10.8Mbps的峰值速率。為此，它引入了幾個新的基本功能：

　　● 控制信道支持高速下行鏈路共享信道（HS-DSCH）；

　　● 自適應(yīng)調(diào)制（QPSK和16QAM）和速率匹配；

　　● Node B中具有高速共享媒體控制（MAC-hs）協(xié)議。

　　第二階段（Phase 2）：增強(qiáng)型HSDPA

　　HSDPA第二階段的功能由3GPP Release 6規(guī)范定義，其目標(biāo)是將峰值數(shù)據(jù)率提高到30Mbps左右，為此，將引入一系列天線陣列處理技術(shù)：

　　● 對于單天線的移動設(shè)備，將使用具有波束賦形技術(shù)的靈巧天線；

　　● 對于具有2～4幅天線的移動設(shè)備，將引入MIMO技術(shù)。

　　第三階段（Phase 3）：新空中接口

　　為實(shí)現(xiàn)更高的平均速率，HSDPA技術(shù)將進(jìn)一步和OFDM、MIMO等結(jié)合，以提供更高的速率。HSDPA第三階段將引入新的空中接口技術(shù)：

　　● 使用與更高階調(diào)制方案（如64QAM）和天線陣列處理相結(jié)合的OFDM（正交頻分多址復(fù)用）物理層；

　　● 引入具有快速調(diào)度功能的MAC-hs/OFDM，能夠根據(jù)空中接口的質(zhì)量為每個移動設(shè)備選擇專用子載波集以優(yōu)化性能；

　　● 使用多標(biāo)準(zhǔn)MAC（Mx-MAC）作為控制實(shí)體，以實(shí)現(xiàn)正交頻分多址復(fù)用（OFDMA）和CDMA信道間的快速轉(zhuǎn)換；

　　● 改進(jìn)的信號處理技術(shù)，包括智能天線（SA）、聯(lián)合檢測（JD）、改進(jìn)的接收機(jī)、改進(jìn)的信道預(yù)估和預(yù)測及鏈路自適應(yīng)能力等。

　　基本型 HSDPA

　　在第一階段，HSDPA通過碼分多址復(fù)用技術(shù)與3GPP Release 99規(guī)范使用的信道共享成對頻率波段。與3GPP Release 99規(guī)范相比，HSDPA Phase 1（第一階段）的主要變化在于：

　　1．增加了3個新的物理信道：

　　●高速物理下行鏈路共享信道（HS-PDSCH）。HS-PDSCH的主要功能和特點(diǎn)包括：攜帶實(shí)際分組數(shù)據(jù)；擴(kuò)展因子（SF）=16；采用QPSK和16QAM調(diào)制技術(shù)；由Node B控制功率；每個信元可以擁有多達(dá)15個HS-PDSCH；每個信元峰值速率可達(dá)14.4Mbps。

　　● 高速共享控制信道（HS-SCCH）。HS-SCCH主要用于承載下行鏈路的信令信息。這些信令信息包括信道編碼集、調(diào)制方案、傳輸分組大小、HARQ處理號、新數(shù)據(jù)標(biāo)志和UE身份。

　　● 高速專用物理控制信道（HS-DPCCH）。HS-DPCCH主要用于攜帶上行鏈路的信令信息。這些信令信息包括確認(rèn)/否認(rèn)應(yīng)答（ACK/NACK）、信道質(zhì)量指示器（CQI）、SF=256、QPSK、端接 Node B。

　　在HS-PDSCH和HS-SCCH中無宏分集傳輸，但接入HSDPA的用戶設(shè)備始終具有一個關(guān)聯(lián)的DCH連接，并且有可能使用宏分集傳輸。

　　每個信元的HS-PDSCH和HS-SCCH的最大發(fā)射功率由RNC通過控制層確定。3GPP release 99規(guī)范并未使用每個信元的所有可用發(fā)射功率，而HS-PDSCH和HS-SCCH可以全部使用這些發(fā)射功率。

　　HS-PDSCH、HS-HS-SCCH和HS-DPCCH均使用長度為2毫秒的傳輸時間間隔（TTI）。這個時間間隔也稱為“子幀”。HSDPA系統(tǒng)的調(diào)制、編碼率、功率和其他傳輸參數(shù)，都可以隨每一個子幀而改變。

　　2．HS-PDSCH使用自適應(yīng)調(diào)制（QPSK/16QAM）和Turbo編碼技術(shù)。

　　自適應(yīng)調(diào)制和編碼技術(shù)能夠根據(jù)用戶瞬時信道質(zhì)量狀況和當(dāng)前資源選擇最合適的下行鏈路調(diào)制和編碼方式，從而使用戶獲得盡量高的數(shù)據(jù)吞吐率。當(dāng)用戶處于有利的通信地點(diǎn)時，用戶數(shù)據(jù)發(fā)送可以采用高階調(diào)制和高速率的信道編碼方式，如16QAM和3/4編碼速率，從而得到高的峰值速率；而當(dāng)用戶處于不利的通信地點(diǎn)時，網(wǎng)絡(luò)則選取低階調(diào)制方式和低速率的信道編碼方案，例如：QFSK和1/4編碼速率，來保證通信質(zhì)量。Turbo編碼不僅在信噪較低的高噪聲環(huán)境性能優(yōu)良，而且有抗衰落、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。在信噪比低的無線信道中，與第二代移動通信中的級聯(lián)RS加卷積碼相比，Turbo碼性能可提高1dB以上。鏈路自適應(yīng)由Node B完成，它根據(jù)用戶設(shè)備CQI報(bào)告的即時廣播信道質(zhì)量來調(diào)節(jié)HS-DSCH數(shù)據(jù)分組的傳輸格式。

　　3．引入一個新的MAC實(shí)體MAC-hs來控制HS-DSCH，它位于Node B中。

　　HSDPA MAC-hs業(yè)務(wù)處理在HSDPA BB中完成。一個HSDPA BB可以支持多達(dá)六個獨(dú)立的MAC-hs實(shí)體，每個信元分配一個MAC-hs實(shí)體。每個HSDPA　BB配備512個優(yōu)先隊(duì)列，可以同時支持64個用戶設(shè)備且每個用戶具有8個不同優(yōu)先級。每個信元可提供多達(dá)32 個HS-SCCH。HSDPA BB上的處理資源和優(yōu)先隊(duì)列信息可以被最多六個MAC-hs共享，因此這六個MAC-hs必須能夠協(xié)調(diào)一致地運(yùn)行。

　　MAC-hs功能和特點(diǎn)包括：

　　● Iub中數(shù)據(jù)流控制。

　　● 優(yōu)先隊(duì)列中的分組數(shù)據(jù)（MAC-d協(xié)議數(shù)據(jù)單元）的緩存。

　　● 分組調(diào)度和優(yōu)先權(quán)處理。

　　● 快速分組調(diào)度機(jī)制�？焖俜纸M調(diào)度機(jī)制位于Node B中，負(fù)責(zé)管理HS-DSCH資源。根據(jù)用戶設(shè)備的CQI報(bào)告，快速分組調(diào)度機(jī)制決定在某一個特定的2毫秒時間間隔（TTI）應(yīng)該調(diào)度給哪一個用戶設(shè)備�？焖俜纸M調(diào)度機(jī)制還負(fù)責(zé)為HS-DSCH數(shù)據(jù)包選擇調(diào)制和編碼方案及發(fā)射功率。由于快速分組調(diào)度機(jī)制實(shí)時掌握廣播信道的質(zhì)量，因此可以利用多用戶分集避免在破壞性的信道衰減期間調(diào)度數(shù)據(jù)包。MAC-hs調(diào)度程序隨后將存儲在優(yōu)先緩沖器中的數(shù)據(jù)傳送給layer 1。MAC-hs在作出調(diào)度決定時將會綜合考慮以下參數(shù)：QoS參數(shù)、來自用戶設(shè)備的用于指示空中接口質(zhì)量的CQI反饋、先前發(fā)送的數(shù)據(jù)塊的ACK/NACK情況、優(yōu)先緩沖器填充信息、運(yùn)營商根據(jù)計(jì)費(fèi)模式定義的不同用戶優(yōu)先權(quán)等級等。

　　4．HARQ協(xié)議。

　　HARQ協(xié)議是ARQ協(xié)議的改進(jìn)，它使用增量冗余技術(shù)用于分組數(shù)據(jù)傳輸，能夠比傳統(tǒng)的ARQ協(xié)議更好更快地進(jìn)行檢錯重發(fā)。而HARQ可自動根據(jù)瞬時信道條件，靈活地調(diào)整有效編碼速率，還可以補(bǔ)償由于采用鏈路適配所帶來的誤碼。由于HARQ協(xié)議端接到Node B中，因此不存在經(jīng)過Iub的數(shù)據(jù)重發(fā)。使用16QAM時，Node B發(fā)射器在EVM（誤差矢量振幅）線性要求上比GPP release 99要嚴(yán)格，需要對功率放大器的EVM線性進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后必須能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的剪取和預(yù)失真算法。

　　HARQ機(jī)制的形式很多，而HSDPA技術(shù)中主要采用三種增量冗余的HARQ機(jī)制：TYPE I HARQ、TYPE II HARQ和TYPE III HARQ。HSDPA允許根據(jù)系統(tǒng)性能和設(shè)備復(fù)雜度來選擇相應(yīng)的HARQ機(jī)制。

　　3GPP并不限制接入HSDPA的用戶設(shè)備數(shù)量。然而，實(shí)際能夠接入的用戶設(shè)備數(shù)量受到物理上上行鏈路的數(shù)量和/或Node B能夠處理的MAC-hs隊(duì)列長度的限制。

　　增強(qiáng)型 HSDPA

　　為了進(jìn)一步改進(jìn)HSDPA的覆蓋范圍、系統(tǒng)輸出和頻譜效率，需要使用各種新型多天線傳輸技術(shù)，其中有些技術(shù)已經(jīng)包括在3GPP release 5規(guī)范之中，而另外一些技術(shù)仍在3GPP的研究之中，有可能出現(xiàn)在3GPP Release 6及以后的規(guī)范中。HSDPA Phase 2主要使用了以下幾種多天線傳輸技術(shù)：

　　1．天線波束賦形技術(shù)

　　天線波束賦形技術(shù)是移動通信基站應(yīng)用的一種技術(shù)。它使用天線陣列將信號能量聚集為一個很窄的波束，提高天線的傳播效率和無線鏈路的可靠性和頻率的復(fù)用率。通過將發(fā)射功率集中在用戶方向獲得鏈路增益，將發(fā)射天線的數(shù)量增加一倍可獲得3dB的增益。半波長空間間距的天線陣列經(jīng)常用于波束賦形技術(shù)。UTRA/FDD能夠區(qū)分指定用戶的波束賦形和固定波束柵格的波束賦形。在后者中，每個波束分配一個專用擾碼，從而獲得信道化碼樹。增加的碼樹可通過給每個波束分配一個分組調(diào)度器來加以利用。

　　可以通過空分多址(SDMA)技術(shù)為使用不同波束服務(wù)的用戶同時調(diào)度數(shù)據(jù)包來增加下行鏈路信元的輸出。這樣用戶就能夠復(fù)用相同的信道編碼資源，并且減少了相互干擾。SDMA實(shí)現(xiàn)需要對MAC-hs包調(diào)度程序進(jìn)行擴(kuò)展以允許空間分離的用戶以進(jìn)行編碼復(fù)用。上圖顯示了一種使用SDMA技術(shù)的一種傳輸方案。在圖中，UE1和UE3可以使用相同的信道編碼同時接收分組數(shù)據(jù)，而UE1和UE2則不可能這樣。

　　2．發(fā)射分集和空時編碼

　　發(fā)射分集技術(shù)是在接收分集技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展來的。它使用多個獨(dú)立的天線或相關(guān)天線陣列，通過非相關(guān)衰減信道發(fā)射相同的信息以實(shí)現(xiàn)空間分集增益，這種增益主要通過在位置或極化方向上分離天線獲得。分集發(fā)射利用不同基站或同一基站中不同位置的天線發(fā)射信號到達(dá)用戶移動設(shè)備的不相關(guān)性，借助用戶移動設(shè)備的分集接收功能，分別接收由不同天線或不同基站發(fā)出的信號并且分集合并，從而提高系統(tǒng)性能。

　　空時編碼(STC)是近年來移動通信領(lǐng)域出現(xiàn)的一種新的編碼和信號處理技術(shù)，在發(fā)射端和接收端同時使用多個天線進(jìn)行信息的發(fā)射和接收，接收端綜合利用時域和空域二維信息進(jìn)行分集接收�？諘r編碼將空間分集、頻率分集及時間分集結(jié)合在一起，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的信道質(zhì)量和容量。

　　3GPP Release 5定義了2種2Tx分集方案用于HS-DSCH傳輸：開環(huán)空時發(fā)射分集（STTD）和閉環(huán)發(fā)射分集方案Mode 1。具有兩幅以上天線的開環(huán)空時發(fā)射分集（STTD）和閉環(huán)發(fā)射分集方案將在未來的3GPP 規(guī)范中定義。

　　3．多入多出(MIMO)系統(tǒng)

　　多入多出(MIMO)或多發(fā)多收天線(MTMRA)系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均使用多幅天線。MIMO系統(tǒng)能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大，因而在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。如使用2Tx/2Rx MIMO方案（16QAM、15碼、30個數(shù)據(jù)流、編碼速率3/4）的HSDPA的峰值速率可達(dá)20Mbps。利用MIMO技術(shù)不僅可以提高信道容量，同時也提高了信道的可靠性并減少了誤碼率。

　　MIMO技術(shù)也是基于HS-DSCH處理業(yè)務(wù)。假設(shè) Node B有M個發(fā)射天線，用戶終端UE有N個接收天線，那么Node B與UE之間的下行發(fā)射通道有M*N個。如MIMO技術(shù)要求在Node B中有1、2、4副天線，在UE 中有1、2、4副天線，那么天線就有(1,1)、(1,2)、(1,4)、(2,1)、(2,2)、(2,4)、(4,1)、(4,2)、(4,4)八種配置。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間由于天線配置不同，可以滿足數(shù)據(jù)速率從低到高的變化，并根據(jù)信道質(zhì)量來自適應(yīng)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)速率。

　　為了在HSDPA中使用MIMO，必須對快速鏈路自適應(yīng)機(jī)制進(jìn)行修改以用于多個數(shù)據(jù)流，如每個TTI經(jīng)多個數(shù)據(jù)流發(fā)射一個單獨(dú)數(shù)據(jù)塊，或者每個TTI單個數(shù)據(jù)流發(fā)射單獨(dú)的數(shù)據(jù)塊。

　　HSDPA 第三階段

　　空中接口決定系統(tǒng)的性能和復(fù)雜性，因此它的選擇對于提高網(wǎng)絡(luò)的容量和速率非常關(guān)鍵。HSDPA Phase 3的目標(biāo)是提供100Mbps～1Gbps的速率，這就需要額外的頻譜和改進(jìn)的信號處理技術(shù)，其中主要包括：

　　1． 改進(jìn)的信號處理技術(shù)

　　包括智能天線（SA）、聯(lián)合檢測（JD）、改進(jìn)的接收機(jī)、波束賦形、改進(jìn)的信道預(yù)估和預(yù)測及鏈路自適應(yīng)能力。智能天線利用信號傳輸?shù)目臻g特性和數(shù)字信號處理技術(shù)，通過先進(jìn)的算法處理，對基站的接收和發(fā)射波束進(jìn)行波束形成和賦形，從而達(dá)到降低干擾、增加容量、擴(kuò)大覆蓋、改善通信質(zhì)量、降低發(fā)射功率和提高無線數(shù)據(jù)傳輸速率的目的。聯(lián)合檢測技術(shù)是在多用戶檢測（MUD）技術(shù)基礎(chǔ)上提出的。該技術(shù)是減弱或消除多址干擾、多徑干擾和遠(yuǎn)近效應(yīng)的有效手段，能夠簡化功率控制，降低功率控制精度，彌補(bǔ)正交擴(kuò)頻碼互相關(guān)性不理想所帶來的消極影響，從而改善系統(tǒng)性能、提高系統(tǒng)容量、增大小區(qū)覆蓋范圍。

　　2．選擇OFDM作為OFDMA使用的主要技術(shù)。

　　OFDM與自適應(yīng)調(diào)制和編碼、快速調(diào)度技術(shù)等一起進(jìn)一步優(yōu)化頻譜效率。

作者：文凱 來源：計(jì)算機(jī)世界報(bào) 第08期 D13、D14