浅析WCDMA增强型无线技术

作者：郭伟 郭海斌 王付军 杨志会

欢迎访问e展厅 展厅 2 手机/通信/网络设备展厅 手机, 调制解调器, 网管控制器, 光传输系统, 程控交换机, ... 高速下行分组接入（HSDPA）是为解决WCDMA系统覆盖与容量之间的矛盾、消除干扰、提升系统容量和数据传输速率等问题，满足用户业务需求而产生的新技术，是3GPP在R5协议中为了满足上/下行数据业务不对称的需求而提出的一种调制解调算法。 目前的WCDMA R99系统标准可以提供最高2Mbit/s的数据传输速率，支持高速的分组交换和电路交换，并能提供许多基于互联网的业务，充分满足IMT-2000关于第三代移动通信的要求。然而，对于诸如下载或流媒体类业务，需要系统提供更高的传输速率和更少的延迟。为了满足此要求，WCDMA对空中接口作了改进，引入了HSDPA技术，使之可以支持高达10Mbit/s的峰值速率。HSDPA技术的应用可以充分满足运营商在3G网络成熟期面临容量需求特别大时进行扩容的实施要求。 一、HSDPA的技术特点 为了实现HSDPA技术，除了提出增强型DSCH信道概念外，还采用了四种关键技术：自适应调制编码（AMC）、混合自动请求重转技术（HARQ）、快速蜂窝选择技术（FCS）和多输入多输出天线处理技术（MIMO）。 1.HSDPA信道结构 HSDPA技术中增加了一个新的传输信道，称为HS-DSCH，主要用于进行best-effort方式的PACKET传输，同时辅助HARQ和AMC等HSDPA关键技术的实现；HS-DSCH和DSCH信道一样也是一种公共信道，主要是在时域内采用信道码机制而同时为多用户公用。在HS-DSCH中，采用固定的扩频因子16个，这样最多可用的码不会多于16个，一般取最大的码数为14个。采用固定的扩频因子可以降低UE复杂性的同时可减少下行的信令。HS-DSCH是一种时域复用和码域复用相结合的物理信道。 分配HS-DSCH信道资源给不同的用户是基于HS-DSCH传输时间间隔（TTI，在3GPP标准中对TTI进行了定义，可以为1、3、5或15个时隙。采用短的TTI具有以下两个方面的优点。 （1）可以有效地减少系统的时间延迟。 （2）缩短了PACKET Scheduler 的执行间隔，使PACKET Scheduler能够更好地跟踪信道环境的变化。 2.自适应调制编码（AMC） AMC根据信道的质量情况，选择最合适的调制和编码方式。信道编码采用R99 1/3 Turbo码以及通过相应码率匹配后产生的其它速率的Turbo码，调制方式可选择QPSK、8PSK、16QAM等。通过编码和调制方式的组合，产生不同的传输速率。当用户处于有利的通信地点时（如靠近Node B或存在视距链路），用户数据发送可以采用高阶调制和高速率的信道编码方式，例如16QAM和3/4编码速率，从而得到高的峰值速率；而当用户处于不利的通信地点时（如位于小区边缘或者信道深衰落），网络侧则选取低阶调制方式和低速率的信道编码方案，例如：QPSK和1/4编码速率，来保证通信质量。 3.混合自动请求重转技术（HARQ） HARQ基于信道条件提供精确的编码速率调节，可自动适应瞬时信道条件，且对延迟和误差不敏感。HARQ可以提高系统性能，并可灵活地调整有效编码速率，还可以补偿由于采用链路适配所带来的误码。HSDPA将AMC和HARQ技术结合起来可以达到更好的链路自适应效果。HSDPA先通过AMC提供粗略的数据速率选择方案，然后再使用HARQ技术来提供精确的速率调解，从而提高自适应调节的精度和提高资源利用率。HARQ机制本身的定义是将FEC和ARQ结合起来的一种差错控制方案，HARQ机制的形式很多，而HSDPA技术中主要是采用三种递增冗余的HARQ机制：TYPE-I HARQ，TYPE-II HARQ和TYPE-III HARQ。可以根据系统性能和设备复杂度来选择相应的HARQ机制。 4.快速蜂窝选择技术（FCS） 有了快速蜂窝选择（FCS），UE就不必同时从多个蜂窝中数据传输，也不必联合承载分组数据的业务信道了。UE在每帧选择最好的蜂窝来传输数据。上行DPCH用来指示需要的蜂窝，网络可利用这个蜂窝把传输的数据一帧一帧的传给UE。这种技术是地点选择分集传输的一种特殊情况，仅适用于HS-DSCH信道。对于上行控制信道，则是给每个蜂窝分配一个临时ID,UE周期地把主蜂窝的ID通知给连接的蜂窝，那些没有UE选择的非主蜂窝则关闭它们的发射机。对于快速蜂窝选择，UE在每帧选择最佳的蜂窝，用最佳的蜂窝在HS-DSCH上接收数据。HS-DSCH数据只在这个蜂窝中传送。HSDPA技术为了能更好地适应信道的快速变化，将调度功能单元放在Node B而不是RNC，同时也将TTI缩短到2ms。 5.多输入多输出的天线处理（MIMO） MIMO技术在基带处理部分需要多信道选择（MCS）功能来定义天线传播模型，根据用户业务请求等级不同和信道质量情况配置不同的信道。如果Node B有M个发射天线，用户终端UE有N个接收天线，那么Node B与UE之间的下行发射通道有M×N个。发射机和接收机之间天线配置的不同组合，可以满足数据速率从低到高的变化。MIMO技术需要UE和UTRAN都采用多个天线收发机，对UE而言要求比较高。同时由于采用的具体算法相当复杂，对处理机的处理能力和内存也有很高要求。此外其他技术也对WCDMA网络性能的提升提供帮助，比如智能天线SA和多用户检测MUD。前者能显著提高系统的容量和覆盖性能，提高频谱利用率，从而降低运营商成本，后者通过对多个用户信号进行联合检测，从而尽可能地减小多址干扰来达到提高容量或覆盖的目的。 二、HSDPA技术的演进 3GPP中确定了HSDPA演进的三个阶段，其中第三阶段还未最终确定，仍在3GPP内进行研究。R5以上的版本主要将致力于吞吐量的进一步提高，峰值数据速率可达50Mbit/s以上。 第一阶段：基本HSDPA 在3GPP R5中进行了说明，引进一些新的基础特性以获得10.8Mbit/s峰值数据速率。这些特性包括由控制信道支持的高速下行共享信道，自适应调制（QPSK&16QAM），速率匹配以及Node B的共享媒体高速访问控制（MAC-hs）。 第二阶段：增强HSDPA 在3GPP R6中进行了说明，将引入天线阵列处理技术以提高峰值数据速率至30Mbit/s。引入的新技术主要包括面向单天线移动通信-采用基于波束成形技术的智能天线和面向2～4天线移动通信-采用多输入多输出技术（MIMO）。 第三阶段：HSDPA进一步演进 第三阶段将引进新型空中接口，增加平均比特率。OFDM技术（每用户设备选择子载波传输）和64QAM调制的引入将使峰值速率达50Mbit/s以上。主要的新特性包括结合更高调制方案和阵列处理的正交频分复用（OFDM）物理层；具有快速调度算法的MAC-hs/OFDM，根据空中接口质量为每一用户设备选择专用子载波，从而优化传输性能；作为控制实体的多标准MAC（Mx-MAC），以实现正交频分多址（OFDMA）和码分多址（CDMA）信道间的快速交换。 三、 HSDPA技术现阶段发展情况 1.标准 WCDMA标准化主要是由区域性的标准化组织3GPP负责，该组织主要成员包括了全球各个主要国家和地区的无线通信标准化机构。 HSDPA技术在3GPP制定的WCDMA标准Release’5版本中被正式引入，从而完成了HSDPA技术的标准化工作。按照3GPP组织的最初规划，每个Release版本应以年为周期进行正式发布，但是由于在WCDMA Release’99版本的制定过程中花费时间过长，以致Release’5版本在2002年才最终冻结。随着Release’5版本的冻结，也标志着HSDPA技术标准的成熟化。 2.设备 目前业界还没有一个厂家可提供商用HSDPA功能，部分厂家的现有产品在硬件上已经具有了处理HSDPA功能的能力，已经为软件升级到HSDPA做好了准备。目前大多数厂家对于HSDPA功能的研发比较积极，主要是他们认为很多厂家CDMA2000设备已经有EV-DO功能，如果不实现HSDPA，WCDMA将缺少这方面的竞争力。但是，HSDPA功能的引入还需要考虑终端的研发进度和能力，各大厂家也在与终端设备开发商和芯片设计公司协商研发时间表，以便进行互操作试验。 随着HSDPA技术的成熟和发展，其良好的应用前景和平滑的演进能力正在引起越来越多人们的热切关注。作为超3G的主流技术之一，很多人甚至将HSDPA称为3.5G技术。目前，很多移动运营商都在高度关注它的商用化进展情况，在世界范围内，众多的通信产品供应商也都开始启动了HSDPA技术的商用化进程。 四、结论 通过以上对HSDPA的介绍和分析，可以看出HSDPA技术作为WCDMA的增强型无线技术是一种提升网络性能和容量的有效方式。HSDPA不仅能有效地支持非实时业务，同样可以用于支持某些实时业务，如流媒体业务等。HSDPA还可以支持高速不对称数据服务，而且在大大增加网络容量的同时还能使运营商投入成本最小化。它为UMTS更高数据传输速率和更高容量提供了一条平稳的演进途径，就如在GSM网络中引入EDGE一样。(end)

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