0、引言

　　WCDMA是全球領(lǐng)先的3G標(biāo)準(zhǔn)之一，能在5MHz頻寬上支持特征各異的、廣泛的業(yè)務(wù)種類。目前3GPP組織發(fā)布的R4/R99標(biāo)準(zhǔn)定義的WCDMA系統(tǒng)在理想情況下能支持最高可達(dá)2Mbit/s的用戶數(shù)據(jù)速率。然而，對于諸如視頻、流媒體和下載等對流量和延時要求較高的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，需要系統(tǒng)提供更高的傳輸速率和更短的處理時延。為更好發(fā)展數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，能與CDMA 1X EVDO、Wi-Fi、WiMAX等寬帶無線接入技術(shù)相競爭，3GPP從兩方面對空中接口作了改進(jìn)，在R5版本中適時引入了高速下行分組接入解決方案——HSDPA使其能支持高達(dá)14.4Mbit/s的下行峰值速率^[1]。

　　HSDPA技術(shù)是WCDMA在無線部分的增強與演進(jìn)，理論上，其數(shù)據(jù)吞吐量約是R99網(wǎng)絡(luò)的5倍，小區(qū)容量約是R99系統(tǒng)的3倍^[2]，被視為“超3G”的3.5G技術(shù)。它不但支持高速率不對稱數(shù)據(jù)服務(wù)，而且在增大網(wǎng)絡(luò)容量的同時還能使運營商成本最小化。引入HSDPA后的WCDMA網(wǎng)絡(luò)僅在無線接口部分作了微小的變動，基本結(jié)構(gòu)仍與R99保持一致，且支持其終端與R99終端在同一載波上共存，因此可為WCDMA更高數(shù)據(jù)傳輸速率和更高容量提供一條平穩(wěn)的演進(jìn)途徑，就如同在GSM網(wǎng)絡(luò)中引入EDGE一樣。

　　本文首先對HSDPA系統(tǒng)的技術(shù)特點進(jìn)行了簡要分析，在此基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)階段全球HSDPA系統(tǒng)及終端的商用進(jìn)展、網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)策略及其技術(shù)演進(jìn)作了歸納、總結(jié)和展望，從而獲得對HSDPA網(wǎng)絡(luò)更為清晰而全面的認(rèn)識。

1、HSDPA技術(shù)特點

　　在R99版本的空中接口中，采用擴(kuò)頻因子可變的方式滿足多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)速率的需求，同時采取功率控制技術(shù)克服WCDMA的遠(yuǎn)近效應(yīng)。而在HSDPA系統(tǒng)中，通過在新增的業(yè)務(wù)信道上采取擴(kuò)頻因子固定、多碼并行傳輸?shù)姆绞教峁┎煌燃壍臄?shù)據(jù)速率，同時采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)速度更快的自適應(yīng)編碼調(diào)制(AMC)技術(shù)、混合自動重傳(HARQ)和快速資源調(diào)度算法代替功控技術(shù)，并將重傳與資源調(diào)度從RNC移植入NodeB中新增的MAC-hs功能實體上^[3]，從而達(dá)到盡可能提高下行分組數(shù)據(jù)速率和減少處理時延的目的。

　　1.1　新增業(yè)務(wù)信道

　　在R5版本的無線接口部分，新增了高速下行共享信道(HS-DSCH)，用以獨立承載HSDPA分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。其傳輸時間間隔(TTI)定義為2ms(3個時隙)，與R99支持的10ms、20ms等TTI相比，能大大降低重傳過程中終端與NodeB之間的往返時延。在碼域上，其信道擴(kuò)頻因子(SF)固定為16，并支持最多15個碼并行的多碼傳輸，用戶之間以碼分和時分的方式加以區(qū)分。同時結(jié)合AMC及HARQ等技術(shù)，通過在一個TTI間隔內(nèi)為用戶分配不同碼道數(shù)、調(diào)制及重傳方式來提供多種業(yè)務(wù)速率。HSDPA與R99共載頻方式下的多用戶傳輸復(fù)用如圖1所示。

圖1　共載頻方式下HSDPA多用戶傳輸復(fù)用

　　1.2　AMC

　　AMC的基本原理是依據(jù)信道情況的瞬時變化進(jìn)行調(diào)制方式和編碼格式的調(diào)整，使用戶達(dá)到盡可能高的數(shù)據(jù)吞吐率。這時信道情況會基于接收方的反饋或者與NodeB專用控制信道相關(guān)的功率控制信息進(jìn)行估計。使用AMC技術(shù)能有效減少干擾，此時靠近基站的用戶設(shè)備(UE)通常選用高階調(diào)制和高速率的信道編碼方式(如16QAM調(diào)制和3/4速率的Turbo編碼)，從而得到較高的峰值速率；而靠近小區(qū)邊緣的用戶則選取低階調(diào)制方式和低速率的編碼方案(如QPSK調(diào)制和1/2速率的Turbo編碼)，保證通信質(zhì)量。HSDPA系統(tǒng)在不同調(diào)制與編碼配置下的最大數(shù)據(jù)傳輸速率(包括信令開銷)見表1^[4]。

　　1.3　HARQ

　　HARQ機制本身的定義是將FEC和ARQ技術(shù)相結(jié)合的一種差錯控制方案，是指接收方在解碼失敗的情況下，保存接收到的數(shù)據(jù)，并要求發(fā)送方重傳數(shù)據(jù)，接收方將重傳的數(shù)據(jù)與先前接收到的數(shù)據(jù)在解碼之前進(jìn)行組合?；旌献詣又貍骷夹g(shù)能提高系統(tǒng)性能，并能靈活調(diào)整有效碼元速率，還可以補償由于采用鏈路適配所帶來的誤碼。

表1　HSDPA系統(tǒng)在不同調(diào)制與編碼配置下的速率

　　HSDPA將AMC與HARQ技術(shù)結(jié)合可以得到更好的鏈路自適應(yīng)效果。HSDPA先通過AMC提供粗略的數(shù)據(jù)速率選擇方案，然后再使用HARQ技術(shù)提供精確的速率調(diào)節(jié)，從而提高自適應(yīng)調(diào)節(jié)的精度和資源利用率。HARQ有軟合并(soft combing)和增量冗余(IR)兩種運行方式。前者重傳時的數(shù)據(jù)與初次發(fā)射時相同，而后者重傳時數(shù)據(jù)與前次發(fā)射有所不同，其性能要優(yōu)于第一種方式，但在接收端則需要更大的內(nèi)存。

　　1.4　快速資源調(diào)度

　　調(diào)度算法控制共享資源的分配，在很大程度上決定了整個系統(tǒng)行為。調(diào)度時應(yīng)主要基于信道條件，同時考慮等待發(fā)射的數(shù)據(jù)量與可分配資源的關(guān)系、UE的能力及其緩沖器狀態(tài)和業(yè)務(wù)優(yōu)先級等情況，并充分發(fā)揮AMC和HARQ的能力。調(diào)度算法應(yīng)向瞬間具有最好信道條件的用戶發(fā)射數(shù)據(jù)，這樣在每個瞬間都可以達(dá)到最高的用戶數(shù)據(jù)速率和最大的數(shù)據(jù)吞吐量，與此同時，還必須兼顧每個用戶的等級和公平性。

　　為了能更好適應(yīng)信道的快速變化，HSDPA技術(shù)將資源調(diào)度的功能單元MAC-hs放在NodeB而不是RNC中，同時也將最小TTI縮短到2ms(3個時隙)，這使得在重傳過程中終端與NodeB之間的往返時延能更小，從而增強了用戶對信道變化的快速響應(yīng)能力。

2、HSDPA系統(tǒng)商用進(jìn)展及其演進(jìn)策略

　　2.1　HSDPA系統(tǒng)商用進(jìn)展

　　作為WCDMA的數(shù)據(jù)增強版本，HSDPA目前正處于預(yù)規(guī)模商用階段，與CDMA2000的增強型技術(shù)1X EV-DO及WiMAX等其他寬帶無線接入技術(shù)的競爭和爭奪技術(shù)制高點是業(yè)界支持HSDPA發(fā)展的主要動機。依靠其峰值高達(dá)14.4Mbit/s的下行速率，原WCDMA系統(tǒng)的移動運營商將能擺脫過去在移動網(wǎng)絡(luò)速率方面遭遇的瓶頸，并取得與固網(wǎng)運營商在寬帶市場進(jìn)行差異化競爭的技術(shù)手段。實際上，移動運營商的支持已成為HSDPA加速演進(jìn)的最重要動力。截至2005年3月底，全球范圍內(nèi)已有超過20個運營商對HSDPA明確表示支持或進(jìn)行測試/部署中。在這些運營商中最為積極的推動者無疑是DoCoMo等領(lǐng)先的3G運營商，但中國移動等在2G市場領(lǐng)先的3G潛在進(jìn)入者同樣值得關(guān)注。由于運營商對HSDPA的規(guī)模需求已經(jīng)初步形成，WCDMA設(shè)備廠商都較全面地支持HSDPA的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，且宣稱目前出產(chǎn)的基于R4版本的設(shè)備均可平滑過渡為HSDPA設(shè)備。與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備環(huán)節(jié)相比，終端的商用進(jìn)程要稍微滯后一些，但與當(dāng)年WCDMA終端對商用構(gòu)成嚴(yán)重瓶頸有所不同，目前國際上前四大3G終端套片廠商都完成了HSDPA終端套片樣品的研發(fā)，WCDMA手機廠商也已開始樣機的調(diào)測，按照以往終端的研發(fā)進(jìn)度經(jīng)驗，支持HSDPA的終端將能夠在2005年底或2006年初上市。因此，HSDPA終端未來還是能夠基本保證商用的順利開展。但由于協(xié)議中規(guī)定的終端等級達(dá)12種，鑒于技術(shù)實現(xiàn)的復(fù)雜度，因此終端廠商會分階段地推出其產(chǎn)品，最早的應(yīng)該是支持16QAM調(diào)制及5個并行的HS-DSCH碼道的最高速率為3.6Mbit/s的終端類型。目前HSDPA網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和終端產(chǎn)品研發(fā)情況見表2和表3。

表2　HSDPA網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商用進(jìn)程

表3　HSDPA終端產(chǎn)品商用進(jìn)程

　　2.2　HSDPA網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)策略

　　由于HSDPA僅在無線接口上增加了部分新的信道及功能，并可支持與原R99、R4設(shè)備在同一載頻或不同載頻上工作，所以可以通過直接升級無線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)軟件方式實現(xiàn)HSDPA功能。而且HSDPA與3GPP R99及R4都有很好的兼容性，因此運營商可以在現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)中平滑引入HSDPA業(yè)務(wù)，但這些必須建立在原基站架構(gòu)滿足可以使用QAM調(diào)制方式、對HS-DSCH信道要有足夠的硬件支持以及具備帶功率控制的移動IP功能等基礎(chǔ)上，因此，若原有部分R99設(shè)備廠商的NodeB及RNC設(shè)備并不具有這些功能，則需對其硬件進(jìn)行改進(jìn)，升級到HSDPA。而對于絕大部分R4設(shè)備廠商來說，基本上都具備了這些功能，因此僅對NodeB及RNC進(jìn)行相應(yīng)的軟件升級或內(nèi)置新的信道板(用于與原R4設(shè)備分載頻工作方案)即可將網(wǎng)絡(luò)過渡到HSDPA系統(tǒng)，且無需對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作很大調(diào)整。

　　考慮到市場的逐步成熟過程，在HSDPA網(wǎng)絡(luò)初始引入階段，其業(yè)務(wù)可以在網(wǎng)絡(luò)的部分?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)熱點區(qū)域先行開通。在這種情況下，當(dāng)用戶從HSDPA業(yè)務(wù)區(qū)移動到非業(yè)務(wù)區(qū)，正在進(jìn)行的通話將平穩(wěn)切換，用戶只感覺到通信質(zhì)量有些下降(如數(shù)據(jù)傳輸速率有所降低)。這樣，運營商不必同時升級所有的小區(qū)設(shè)備，可以先進(jìn)行試點，再根據(jù)市場情況逐步推廣，從點到面，在很大程度上降低了網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的風(fēng)險，同時提高了運營商的投入產(chǎn)出比。而在HSDPA網(wǎng)絡(luò)的全面建設(shè)階段，在高速業(yè)務(wù)用戶集中并且頻率資源豐富的重點地區(qū)，可以使用雙載頻建網(wǎng)方式，即HSDPA單頻組網(wǎng)，所有高速用戶在基站近點使用HSDPA能大大提升系統(tǒng)流量，并且因為使用不同的頻點，所以對同覆蓋的R99 DCH CS業(yè)務(wù)影響不大。而在頻率資源緊張且HSDPA業(yè)務(wù)要求不是很高的環(huán)境中，可以考慮采用HSDPA與R99使用同頻組網(wǎng)，既可以滿足某些重要用戶對高速業(yè)務(wù)的需求，又可以節(jié)約寶貴的頻率資源。

　　同時，根據(jù)參考文獻(xiàn)^[5]的仿真結(jié)果，在距小區(qū)最大覆蓋半徑45%左右的位置，HSDPA的平均吞吐量下降到與R99網(wǎng)絡(luò)相仿的水平，而當(dāng)距小區(qū)半徑70%的位置時，由于進(jìn)入了R99的切換區(qū)，因此R99的信道獲得了切換增益，吞吐量得到了補償，而HSDPA無法實現(xiàn)軟切換，因此在其遠(yuǎn)端吞吐量將急劇下降。所以HSDPA的特點是在近點可以提供極大的系統(tǒng)流量，而在遠(yuǎn)點，HSDPA的流量優(yōu)勢將不明顯。因此，在進(jìn)行HSDPA網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時，要詳盡分析用戶分布、業(yè)務(wù)需求及業(yè)務(wù)模型，并合理規(guī)劃HSDPA和R99/R4網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)范圍，以實現(xiàn)優(yōu)勢互補，這對于網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)后的性能是至關(guān)重要的。

3、HSDPA技術(shù)展望

　　3GPP確定了HSDPA技術(shù)發(fā)展的3個階段^[6]：基本階段、增強階段及進(jìn)一步演進(jìn)階段。第一階段目前已經(jīng)接近商用，第二階段也正在研發(fā)中，第三階段正處于基礎(chǔ)研究期。基本階段即通過采用AMC、HARQ及快速資源調(diào)度等先進(jìn)技術(shù)實現(xiàn)下行峰值速率為14.4Mbit/s，該標(biāo)準(zhǔn)在3GPP R5版本中定義，本文所探討的HSDPA網(wǎng)絡(luò)，均是基于R5版本的技術(shù)。而增強階段的HSDPA則在R6版本中進(jìn)行了說明，其目的是將峰值數(shù)據(jù)速率提高到30Mbit/s。關(guān)鍵技術(shù)主要包括快速小區(qū)選擇(FCS)、多輸入多輸出技術(shù)(MIM0)和空時編碼技術(shù)(STC)。同時，在R6版本的制定中，還提出了上行數(shù)據(jù)速率的增強型技術(shù)——高速上行分組接入(HSUPA)的概念，它通過使用更加靈活的NodeB調(diào)度和HARQ等技術(shù)，理論上可為用戶提供高達(dá)5.8Mbit/s上行數(shù)據(jù)接入速率，從而提高網(wǎng)絡(luò)的上下行業(yè)務(wù)速率的匹配程度，增強業(yè)務(wù)應(yīng)用能力。

　　目前，HSDPA正處在積極研究的第三階段，即進(jìn)一步演進(jìn)階段。該階段的目標(biāo)是通過引進(jìn)新型空中接口提高數(shù)據(jù)傳輸速率。其中的關(guān)鍵技術(shù)包括正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)和64QAM調(diào)制方式，它們的引入將使系統(tǒng)峰值速率達(dá)50Mbit/s以上。主要的新特性包括采用結(jié)合更高調(diào)制方案、陣列處理的OFDM物理層及根據(jù)空中接口質(zhì)量為用戶設(shè)備選擇專用子載波的特點進(jìn)行選擇的快速調(diào)度算法等，從而達(dá)到優(yōu)化傳輸性能的目標(biāo)。

　　HSDPA作為WCDMA的一種增強型演進(jìn)技術(shù)，提供了在第三代移動通信系統(tǒng)中實現(xiàn)多媒體服務(wù)所需的高速數(shù)據(jù)速率，并且大大提高系統(tǒng)的頻譜和碼資源利用率，有效提升了無線網(wǎng)絡(luò)性能和容量，同時，其技術(shù)分步演進(jìn)的特點亦促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)的平滑過渡。相信HSDPA技術(shù)必將在未來的3G及超3G通信系統(tǒng)中得到更靈活的運用，并在移動通信技術(shù)實用化領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

　　參考文獻(xiàn)

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　　2　Troels E，Kolding，F(xiàn)rank Frederiksen，Preben E Mogensen.Performance Aspects of WCDMA Systems with High Speed Downlink Packet Access (HSDPA).2002 IEEE

　　3　3GPP Technical Report 25.848. Physical Layer Aspects of UTRA High Speed Downlink Packet Access. version 4.0.0.March 2001

　　4　謝偉良.HSDPA的關(guān)鍵技術(shù)及特性分析.技術(shù)與產(chǎn)品

　　5　韓瑋，孫慧.HSDPA流量和覆蓋研究.郵電設(shè)計技術(shù)，2005(5)

　　6　王 建.HSDPA關(guān)鍵技術(shù)演進(jìn)的研究.電信建設(shè)，2004(4)