HSDPA技術詳解

1、HSDPA簡介
　　對高速移動分組數據業務的支持能力是 3G系統最重要的特點之一。 WCDMA R99版本可以提供384 kbit/s的數據速率，這個速率對于大部分現有的分組業務而言基本夠用。然而，對于許多對流量和遲延要求較高的數據業務如視頻、流媒體和下載等業務，需要系統提供更高的傳輸速率和更短的時延。為了更好地發展數據業務，3GPP從這兩方面對空中接口作了改進，在R5版本中引入高速下行分組接入（HSDPA）技術。HSDPA在大大增加網絡容量的同時還能使運營商投入成本最小化，被譽為后3G時代的主要解決方案之一，為UMTS向更高數據傳輸速率和更高容量演進提供了一條平穩途徑，就如在GSM網絡中引入EDGE一樣。
　　根據3GPP的定義，HSDPA的發展將主要分為3個階段：在HSDPA Phase 1（基本HSDPA階段），通過使用鏈路自適應和適應性調制（QPSK/16QAM）、HARQ及快速調度等技術，將峰值速率提高到10.8-14.4 Mbit/s；在HSDPA Phase 2（增強HSDPA階段），通過引入一系列天線陣列處理技術，峰值速率可提高到30 Mbit/s；在 HSDPA Phase 3（HSDPA進一步演進階段），通過引入OFDM空中接口技術和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是一個非對稱解決方案，允許下行吞吐能力遠遠超過上行吞吐能力，從而有效提高頻譜效率。HSDPA技術的理論數據傳輸速率最高可達14.4 Mbit/s（HSDPA Phase 1），平均可提供2-3 Mbit/s的下行速率。該技術允許充分覆蓋地區內的用戶共享帶寬，從而為每位用戶提供300 kbit/s-1 Mbit/s的下行鏈路，足以媲美當前的無線局域網和國內固定寬帶線路。
　　在WCDMA網絡中，基站扮演著傳輸及接收站的角色，其作用是提供用戶到網絡的接入點，同時負責處理網絡流量；無線網絡控制器（RNC）負責總體控制基站的資源，同時負責網絡中的切換；服務GPRS支撐節點（SGSN）負責分組交換數據流量的處理和選路；而移動交換中心（MSC）則負責電路交換流量（即語音或視頻會議）的處理。HSDPA技術主要在基站和RNC兩地實施，通過將主要處理過程留在基站，從距離上更接近無線接口和最終用戶，確保了傳輸延遲的最小化。
　　HSDPA在設計時參考了cdma2000 1x EV-DO的設計思想與經驗，新增加了一條高速共享信道（HS-DSCH）。與現有的WCDMA相比，HS-DSCH允許若干用戶共享整個下行鏈路信道，因而可以大幅度提高網絡的性能，同時還采用了一些更高效的自適應鏈路層技術。共享信道使得傳輸功率、PN碼等資源可以統一利用，根據用戶實際情況動態分配，從而提高了資源的利用率。自適應鏈路層技術根據當前信道的狀況對傳輸參數進行調整，如快速鏈路調整技術、結合軟合并的快速混合重傳技術、集中調度技術等，從而盡可能地提高系統的吞吐率。
　　基于演進考慮，HSDPA設計遵循的準則之一是盡可能地兼容R99版本中定義的功能實體與邏輯層間的功能劃分。在保持R99版本結構的同時，在基站增加了新的媒體接入控制（ MAC）實體MAC-hs，負責調度、鏈路調整以及混合ARQ控制等功能。這樣使得系統可以在RNC統一對用戶在HS-DSCH信道與專用數據信道DCH之間的切換進行管理。HSDPA功能主要是對基站修改比較大，對RNC主要是修改算法協議軟件，硬件影響很小。如果在原有設備中考慮了HSDPA功能升級要求，一般來講實現HSDPA功能不需要硬件升級，只要軟件升級即可。

3、HSDPA關鍵技術
　　數據業務與語音業務具有不同的特性。語音業務通常對延時敏感。對速率恒定性要求較高，而對誤碼率要求則相對較弱；數據業務則相反，通常可以容忍短時延時，但對誤碼率要求高。作為WCDMA體系的后續演進技術，HSDPA中的許多關鍵技術充分考慮到了數據業務的特點。在HSDPA Phase 1技術方案中，涉及到的關鍵技術主要包括自適應調制編碼（AMC）、混合重傳（HARQ）和集中調度技術。
3.1　自適應調制編碼（AMC）技術
　　AMC屬于鏈路自適應的范疇。AMC的基本原理是通過改變調制和編碼的格式使它在系統限制范圍內和信道條件相適應，而信道條件則可以通過發送反饋來估計。通過使用AMC技術，用戶可以在理想信道條件下使用較高階的調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制編碼方式和較低的編碼速率。
　　由于數據業務與語音業務具有不同的特性，語音通信系統通常采用功率控制技術以抵消信道衰落對于系統的影響，以獲得相對穩定的速率，而數據業務相對可以容忍延時，可以容忍速率的短時變化。因此，HSDPA不是試圖去對信道狀況進行改善，而是根據信道情況采用相應的速率。由于HS-DSCH每隔2 ms就更新一次信道狀況信息，因此，鏈路層調整單元可以快速跟蹤信道變化情況，并通過采用不同的編碼調制方案來實現速率的調整。
　　當信道條件較好時，HS-DSCH采用更高效的調制方法，即16QAM，以獲得更高的頻帶利用率。理論上，xQAM調制方法雖然能提高信道利用率，但由于調制信號間的差異性變小，因此需要更高的碼片功率，以提高解調能力。因此，xQAM調制方法通常用于帶寬受限而非功率受限的場合。在HSDPA中，通常靠近基站的用戶接收信號功率相對較強。可以得到xQAM調制方法帶來的好處。 3.2　混合重傳（HARQ）技術
　　HARQ也是一種鏈路自適應的技術。在AMC中，采用顯式的C/I測量來設定調制編碼的格式，而在HARQ中，鏈路層的信息用于進行重傳判決。
　　終端通過HARQ機制快速請求基站重傳錯誤的數據塊，以減輕鏈路層快速調整導致的數據錯誤帶來的影響。終端在收到數據塊后5 ms內向基站報告數據正確解碼或出現錯誤。終端在收到基站重傳數據后，在進行解碼時，結合前次傳輸的數據塊以及重傳的數據塊，充分利用它們攜帶的相關信息。以提高譯碼概率。基站在收到終端的重傳請求時，根據錯誤情況以及終端的存儲空間，控制重傳相同的編碼數據或不同的編碼數據（進一步增加信息冗余度），以幫助提高終端糾錯能力。
　　有很多方法可以實現HARQ：軟合并和增量冗余。軟合并的策略是發送有相同編碼的數據組，然后在接收端可以將這些多個重發信息進行SNR（Signal to Noise Ratio）加權合并來獲得分集接收再進行譯碼，使用軟合并的HARQ過程如圖1所示。增量冗余是實現HARQ的另一種方式，這種策略是在第一次譯碼失敗時另外再傳送附加冗余信息而不是再將整個數據碼組重發一次。