HSDPA技術(shù)詳解

1、HSDPA簡(jiǎn)介
　　對(duì)高速移動(dòng)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持能力是 3G系統(tǒng)最重要的特點(diǎn)之一。 WCDMA R99版本可以提供384 kbit/s的數(shù)據(jù)速率，這個(gè)速率對(duì)于大部分現(xiàn)有的分組業(yè)務(wù)而言基本夠用。然而，對(duì)于許多對(duì)流量和遲延要求較高的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)如視頻、流媒體和下載等業(yè)務(wù)，需要系統(tǒng)提供更高的傳輸速率和更短的時(shí)延。為了更好地發(fā)展數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，3GPP從這兩方面對(duì)空中接口作了改進(jìn)，在R5版本中引入高速下行分組接入（HSDPA）技術(shù)。HSDPA在大大增加網(wǎng)絡(luò)容量的同時(shí)還能使運(yùn)營(yíng)商投入成本最小化，被譽(yù)為后3G時(shí)代的主要解決方案之一，為UMTS向更高數(shù)據(jù)傳輸速率和更高容量演進(jìn)提供了一條平穩(wěn)途徑，就如在GSM網(wǎng)絡(luò)中引入EDGE一樣。
　　根據(jù)3GPP的定義，HSDPA的發(fā)展將主要分為3個(gè)階段：在HSDPA Phase 1（基本HSDPA階段），通過(guò)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10.8-14.4 Mbit/s；在HSDPA Phase 2（增強(qiáng)HSDPA階段），通過(guò)引入一系列天線陣列處理技術(shù)，峰值速率可提高到30 Mbit/s；在 HSDPA Phase 3（HSDPA進(jìn)一步演進(jìn)階段），通過(guò)引入OFDM空中接口技術(shù)和64QAM等，將峰值速率提高到100 Mbit/s以上。

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2、HSDPA基本原理
　　HSDPA是一個(gè)非對(duì)稱解決方案，允許下行吞吐能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)上行吞吐能力，從而有效提高頻譜效率。HSDPA技術(shù)的理論數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)14.4 Mbit/s（HSDPA Phase 1），平均可提供2-3 Mbit/s的下行速率。該技術(shù)允許充分覆蓋地區(qū)內(nèi)的用戶共享帶寬，從而為每位用戶提供300 kbit/s-1 Mbit/s的下行鏈路，足以媲美當(dāng)前的無(wú)線局域網(wǎng)和國(guó)內(nèi)固定寬帶線路。
　　在WCDMA網(wǎng)絡(luò)中，基站扮演著傳輸及接收站的角色，其作用是提供用戶到網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)，同時(shí)負(fù)責(zé)處理網(wǎng)絡(luò)流量；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）負(fù)責(zé)總體控制基站的資源，同時(shí)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中的切換；服務(wù)GPRS支撐節(jié)點(diǎn)（SGSN）負(fù)責(zé)分組交換數(shù)據(jù)流量的處理和選路；而移動(dòng)交換中心（MSC）則負(fù)責(zé)電路交換流量（即語(yǔ)音或視頻會(huì)議）的處理。HSDPA技術(shù)主要在基站和RNC兩地實(shí)施，通過(guò)將主要處理過(guò)程留在基站，從距離上更接近無(wú)線接口和最終用戶，確保了傳輸延遲的最小化。
　　HSDPA在設(shè)計(jì)時(shí)參考了cdma2000 1x EV-DO的設(shè)計(jì)思想與經(jīng)驗(yàn)，新增加了一條高速共享信道（HS-DSCH）。與現(xiàn)有的WCDMA相比，HS-DSCH允許若干用戶共享整個(gè)下行鏈路信道，因而可以大幅度提高網(wǎng)絡(luò)的性能，同時(shí)還采用了一些更高效的自適應(yīng)鏈路層技術(shù)。共享信道使得傳輸功率、PN碼等資源可以統(tǒng)一利用，根據(jù)用戶實(shí)際情況動(dòng)態(tài)分配，從而提高了資源的利用率。自適應(yīng)鏈路層技術(shù)根據(jù)當(dāng)前信道的狀況對(duì)傳輸參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，如快速鏈路調(diào)整技術(shù)、結(jié)合軟合并的快速混合重傳技術(shù)、集中調(diào)度技術(shù)等，從而盡可能地提高系統(tǒng)的吞吐率。
　　基于演進(jìn)考慮，HSDPA設(shè)計(jì)遵循的準(zhǔn)則之一是盡可能地兼容R99版本中定義的功能實(shí)體與邏輯層間的功能劃分。在保持R99版本結(jié)構(gòu)的同時(shí)，在基站增加了新的媒體接入控制（ MAC）實(shí)體MAC-hs，負(fù)責(zé)調(diào)度、鏈路調(diào)整以及混合ARQ控制等功能。這樣使得系統(tǒng)可以在RNC統(tǒng)一對(duì)用戶在HS-DSCH信道與專用數(shù)據(jù)信道DCH之間的切換進(jìn)行管理。HSDPA功能主要是對(duì)基站修改比較大，對(duì)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(shè)備中考慮了HSDPA功能升級(jí)要求，一般來(lái)講實(shí)現(xiàn)HSDPA功能不需要硬件升級(jí)，只要軟件升級(jí)即可。

3、HSDPA關(guān)鍵技術(shù)
　　數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與語(yǔ)音業(yè)務(wù)具有不同的特性。語(yǔ)音業(yè)務(wù)通常對(duì)延時(shí)敏感。對(duì)速率恒定性要求較高，而對(duì)誤碼率要求則相對(duì)較弱；數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)則相反，通常可以容忍短時(shí)延時(shí)，但對(duì)誤碼率要求高。作為WCDMA體系的后續(xù)演進(jìn)技術(shù)，HSDPA中的許多關(guān)鍵技術(shù)充分考慮到了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)。在HSDPA Phase 1技術(shù)方案中，涉及到的關(guān)鍵技術(shù)主要包括自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC）、混合重傳（HARQ）和集中調(diào)度技術(shù)。
3.1　自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC）技術(shù)
　　AMC屬于鏈路自適應(yīng)的范疇。AMC的基本原理是通過(guò)改變調(diào)制和編碼的格式使它在系統(tǒng)限制范圍內(nèi)和信道條件相適應(yīng)，而信道條件則可以通過(guò)發(fā)送反饋來(lái)估計(jì)。通過(guò)使用AMC技術(shù)，用戶可以在理想信道條件下使用較高階的調(diào)制編碼方式和較高的編碼速率，而在不太理想的信道條件下則使用較低階的調(diào)制編碼方式和較低的編碼速率。
　　由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與語(yǔ)音業(yè)務(wù)具有不同的特性，語(yǔ)音通信系統(tǒng)通常采用功率控制技術(shù)以抵消信道衰落對(duì)于系統(tǒng)的影響，以獲得相對(duì)穩(wěn)定的速率，而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)相對(duì)可以容忍延時(shí)，可以容忍速率的短時(shí)變化。因此，HSDPA不是試圖去對(duì)信道狀況進(jìn)行改善，而是根據(jù)信道情況采用相應(yīng)的速率。由于HS-DSCH每隔2 ms就更新一次信道狀況信息，因此，鏈路層調(diào)整單元可以快速跟蹤信道變化情況，并通過(guò)采用不同的編碼調(diào)制方案來(lái)實(shí)現(xiàn)速率的調(diào)整。
　　當(dāng)信道條件較好時(shí)，HS-DSCH采用更高效的調(diào)制方法，即16QAM，以獲得更高的頻帶利用率。理論上，xQAM調(diào)制方法雖然能提高信道利用率，但由于調(diào)制信號(hào)間的差異性變小，因此需要更高的碼片功率，以提高解調(diào)能力。因此，xQAM調(diào)制方法通常用于帶寬受限而非功率受限的場(chǎng)合。在HSDPA中，通常靠近基站的用戶接收信號(hào)功率相對(duì)較強(qiáng)。可以得到xQAM調(diào)制方法帶來(lái)的好處。 3.2　混合重傳（HARQ）技術(shù)
　　HARQ也是一種鏈路自適應(yīng)的技術(shù)。在AMC中，采用顯式的C/I測(cè)量來(lái)設(shè)定調(diào)制編碼的格式，而在HARQ中，鏈路層的信息用于進(jìn)行重傳判決。
　　終端通過(guò)HARQ機(jī)制快速請(qǐng)求基站重傳錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)塊，以減輕鏈路層快速調(diào)整導(dǎo)致的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤帶來(lái)的影響。終端在收到數(shù)據(jù)塊后5 ms內(nèi)向基站報(bào)告數(shù)據(jù)正確解碼或出現(xiàn)錯(cuò)誤。終端在收到基站重傳數(shù)據(jù)后，在進(jìn)行解碼時(shí)，結(jié)合前次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊以及重傳的數(shù)據(jù)塊，充分利用它們攜帶的相關(guān)信息。以提高譯碼概率。基站在收到終端的重傳請(qǐng)求時(shí)，根據(jù)錯(cuò)誤情況以及終端的存儲(chǔ)空間，控制重傳相同的編碼數(shù)據(jù)或不同的編碼數(shù)據(jù)（進(jìn)一步增加信息冗余度），以幫助提高終端糾錯(cuò)能力。
　　有很多方法可以實(shí)現(xiàn)HARQ：軟合并和增量冗余。軟合并的策略是發(fā)送有相同編碼的數(shù)據(jù)組，然后在接收端可以將這些多個(gè)重發(fā)信息進(jìn)行SNR（Signal to Noise Ratio）加權(quán)合并來(lái)獲得分集接收再進(jìn)行譯碼，使用軟合并的HARQ過(guò)程如圖1所示。增量冗余是實(shí)現(xiàn)HARQ的另一種方式，這種策略是在第一次譯碼失敗時(shí)另外再傳送附加冗余信息而不是再將整個(gè)數(shù)據(jù)碼組重發(fā)一次。