- 易迪拓培训,专注于微波、射频、天线设计工程师的培养
HSDPA终端的发展现状及问题
录入：edatop.com 点击：
随着商用脚步的加快和网络技术研究的深入，业界逐步将视线转移到HSDPA终端。本文从HSDPA终端现状，决定HSDPA终端的关键要素和发展趋势出发，来探讨HSDPA终端的相关问题。
一、HSDPA终端的发展现状
2005年，运营商测试的HSDPA终端主要是12类别的终端和峰值1.8Mbit/s的数据卡，在2006的巴塞罗那通信展上，LG、NEC公司已经展示了12类别的终端。目前部分厂商已经可以提供峰值3.6Mbit/s的终端及数据卡，如日本最大的移动运营商NTTDoCoMo已于8月31日推出3.5Gbit/s的HSDPA服务，下载速度达3.6Mbit/s，上行384kbit/s，公司已经发售HSDPA手机3GFOMAN902iX。此外，中兴通讯公司推出的3.6Mbit/s的高速下行链路分组接入(HSDPA)数据卡MF330开始为欧洲主流运营商批量供货。芯片方面，高通支持7.2Mbit/s和HSDPA芯片已面世，杰尔宣布推出3.6Mbit/s HSDPA芯片组，英飞凌则面向中端多媒体电话市场推出了7.2Mbit/s HSDPA处理器样品。
据GSA统计，截至2006年7月31日，HSDPA的终端已发展到51款，包括25款数据卡、3款路由器、3款USB接口卡和20款手持终端。25款数据卡的生产厂商分布分别是：华为、中兴、摩托各1款，共3款；西门子2款；NovatelWireless6款；OptionWireless6款；SierraWireless7款；NTT Docomo1 FOMA数据卡款。3款路由器分别是：Topex、Option、Sarian各一款；3款USB接口卡ZadaCOM、华为、Option各1款。20款手持终端生产厂商分别是：BenQ-Siemens1款；LG5款；三星5款；Motorola 3款；HTC(包括Qtek)3款；NEC1款；Fujisu 1款；Dopod 1款。相对过去的6个月，终端种类增长了80%。
此外，已经内置HSDPA数据卡功能的PC机品牌已达到7家，分别是Acer、Dell、Dialogue、Fujitsu-Siemens、HPCompaq、Lenovo、Panasonic，他们以与运营商，如Vodofone、T-Mobile、Cingular等合作的方式为用户提供HSDPA的服务。随着HSDPA网络的进一步建设，商用模式的成功，将会有越来越多的HSDPA终端提供商及更多类型的终端面世。
二、决定HSDPA终端性能的要素
按照3GPP25.306的定义，HSDPA(FDD)的终端共分为12类，如表1所示。
表1详细列出了不同类别的终端对应的峰值速率以及影响峰值速率的各种因素。影响HSDPA终端的关键因素包括如下各种。
1.支持的最大码字数
HSDPA采用固定SF=16的码道，单小区除公共信道占用一个SF=16的码字外，HSDPA最大可用的码字数为15个。从表1可见，12类终端支持的最大码字数分别为5、10、15。依据WCDMA的通信原理，信号从信源编码到信道编码，再进行扩频调制到3.84Mchips/s的带宽上，因此如果是QPSK调制，HSDPA单码道的极限传输能力是480kbit/s。
如果是16QAM调制，HSDPA单码道极限传输能力是960kbit/s。
由此可见，HSDPA的速率与可使用的码道数紧密相关，在其它条件一致的情况下，使用的码道数越多，能够达到的峰值速率越大。
2.软信道容量
针对上述12类终端，规范分别定义了相应的软信道容量，HARQ的虚拟IR缓存，即HS-DSCH能传输的总信息量。
混合ARQ是HSDPA的关键技术之一。它完成信道编码后的输出比特数与映射进HS-PDSCH物理信道集合的总比特数的匹配。HARQ功能由冗余版本(RV)参数控制。混合ARQ的输出比特的精确设置依赖于输入比特数、输出比特数和RV参数。
HARQ功能包括2次速率匹配和1个虚拟IR缓存，也称为软信道容量组成，如图1所示。
第一次速率匹配过程将输入比特数匹配到虚拟IR缓存，虚拟IR缓存由高层配置。如果输入比特数不超过虚拟IR缓存的能力，那么这一步是透明的，不需被打掉任何比特，否则需要去掉多余的比特。
第二次速率匹配过程将第一次速率匹配后的比特数匹配到该TTI中多个HS-PDSCH物理信道集合的总比特数。速率匹配输出的所有比特被平均分配到多个物理信道。
由此可见，软信道容量决定了混合ARQ的第一次速率匹配，会影响网络侧使用的传输格式(RV)，一定程度上影响了UE的传输能力，当然该容量越大对应有效的传输信息越大，UE的速率会越高。
例如，当基站采用“显示”方式来处理时，UTRAN根据资源占用情况及终端能力分配终端最大进程数，并且给终端的每个HARQ进程配置相应的传输量，即通过HS-SCCH携带的信令信息逐一告知终端每个HARQ进程可携带的最大信息量；如果基站采用“隐式”方式处理时，UTRAN根据资源占用情况及终端能力分配终端最大进程数，但是每个进程数承载的信息量相同，以避免每2msUE就对HS-SCCH的相应信息进行一次解码，节省了信令流程，减小了系统的复杂度。目前大部分厂商是采用“隐式”的处理方式。但上述两种方式都必须满足HS-DSCH内的软信道容量要大于或等于UE所有进程承载的信息量之和。
3.HARQ的进程数
上面提到，HSDPA关键技术之一就是采用了混合ARQ技术，同时混合ARQ进程数的多少也严重影响UE的性能，从上述列表也可见。HARQ的进程数(即在一个信道上同时并列进行SAW(stopandwait)传输的个数)越多，并列传输的信息量越大，单位时间内能达到的速率越高。当然进程数太多，会增加UE的内存并且可能增加业务的延迟。一般推荐采用4～6个进程，既保证了解码的效率同时也兼顾了时延。
4.最小TTI的间隔
HSDPA采用资源共享的方式，帧长TTI为2ms，码分方式下，每个TTI可同时容纳4个用户。假如在资源分配许可的情况下，UE可以一直占用资源，而且每个TTI都有信息发送，那么可实现资源利用率的最大化。但是UE在占用TTI的情况下，却不能发送数据，就会浪费系统资源。例如最小TTI间隔为2或3的UE，与TTI间隔为1的相比，在传输同等信息量的情况下，前者的速率是后者的1/2或1/3，因为它占用的时间比别的长2～3倍。因此最小TTI间隔也影响终端的性能。当最小TTI的间隔越小，代表可发送信息的机会越多，可实现的速率越大。性能低的手机在网时，即较高的Inter-TTI会造成网络侧基站频谱利用效率降低。
当然从目前的各芯片厂商的研发来看，开发最小TTI间隔较大的终端不太可能，如Category1、2、3、4类的终端。
三、技术难点及存在问题
1.高效的解调性能
HSDPA的终端不同于cdma20001xEV-DO的终端，后者单纯地使用一个新频点，不存在与1x的语音业务相互干扰的问题，而前者可以而且强烈推荐使用在与原R99/R4混合载频组网的网络里(因为混合载频的承载效率要高于单载频组网的效率)，但是对目前普遍以话音为主的网络来说，在混合载频的配置中，资源的使用上R99/R4的原CS业务，如语音、视频享有较高优先级，而HSDPA的业务优先级低，通常是充分利用R99/R4剩余的资源，如功率、码字等。因此在引入HSDPA后，引入网络整体干扰的情况下，要保证原业务容量、覆盖等因素的不变，同时充分发挥各技术的优势，需要提高终端的解调性能，提高灵敏度。
2.高性能电池
众所周知，目前3G终端耗电量略高于2G终端，这与3G技术的复杂性相关。3G的CDMA技术复杂，基带数据处理量大，射频功率放大器的线形度要求很高，导致3G终端基带处理芯片和射频芯片组的耗电量相对增加。但是HSDPA提供了比R99/R4更加复杂的基带及射频技术，更短的帧结构、物理层的HARQ软合并，动态的功率及码资源调整，16QAM的引入等导致HSDPA具有较R99/R4更高的功耗。此外，速率越快，对手机天线的性能要求越高，所消耗的电量也越大。目前的手机电池基本满足不了Category9和Category10的手机长时间单独上网的要求。
3.芯片滞后
目前高通、EMP等主要芯片开发厂家的已上市芯片只能支持Category12(最大传输速率为1.8Mbit/s)，支持Category5和Category6(最大传输速率为3.6Mbit/s)的芯片预计在今年年底会有生产。
更高速率的芯片(Category9,Category10)还在研发阶段。高通宣布的芯片计划的主要信息如表2所示。
四、HSDPA终端的发展展望
HSDPA终端的下一步发展主要集中在接收机的增强上，根据3GPP的定义，将HSDPA的终端分为三类：类型一，接收分集；类型二，LMMSE均衡，即码片级均衡；类型三3，类型一+类型二。
1.接收分集
从CDMA的发展来看，接收分集一直都是作为终端的一个可选项在进行研究，由于接收分集至少需要在终端上安装2根天线，会增加终端的体积。由于手持的方便性，小巧轻薄类的终端一直受到客户的青睐，因此，在终端体积及接收性能上，行内厂商普遍选择了非接收分集。但是随着HSDPA的引入，高速数据的传输进而对终端提出了更高的要求，接收分集的引入势在必行。
2.LMMSE接收机
WCDMA系统是直扩CDMA系统的典型应用，其接收机能够在受到衰落和其他信道失真影响下有效地实现无线接收。当从不同用户接收到的信号不能完全正交或信号功率值大小不同，TD-SCDMA系统中就会出现远近问题。在这种情况下，多址干扰(MAI)可能会完全破坏低功率用户的接收。为了防止性能的恶化，可靠的做法是采用抗远近效应的接收机。这样即使在有理想功率控制的情况下，也能进一步提高接收性能。
MMSE检测器在解调用户信号(去除MAI)和不增强背景噪声之间作出平衡,它考虑了背景噪声并利用了接收信号的功率值，它的基本思想是使实际数据与传统检测器软输出之间的均方差最小。
线性LMMSE-RAKE接收机基于线性均衡，需要使用短扩频码序列以保证在足够短周期内MAI的循环不变性。此时不必要知道干扰用户的所有信息，所以非常适合下行使用。因此，LMMSE已成为WCDMA下行链路最有实用前景的接收机，是HSDPA终端的发展的目标之一。
当然，如果考虑终端性能的进一步增强，可考虑上述两者的结合。
五、总结
我们讨论了HSDPA终端的现状及存在的问题，当然终端的发展是与网络的应用及发展密切相关，有了一定的网络规模，必定会有大量的芯片及终端厂商的加入，为用户提供高性能和高质量的终端。不可否认，在网络发展的初期，终端的缺陷会给网络的运营带来一定的制约。
----《通信世界》
作者：中国电信广州研究院 朱红梅
一、HSDPA终端的发展现状
2005年，运营商测试的HSDPA终端主要是12类别的终端和峰值1.8Mbit/s的数据卡，在2006的巴塞罗那通信展上，LG、NEC公司已经展示了12类别的终端。目前部分厂商已经可以提供峰值3.6Mbit/s的终端及数据卡，如日本最大的移动运营商NTTDoCoMo已于8月31日推出3.5Gbit/s的HSDPA服务，下载速度达3.6Mbit/s，上行384kbit/s，公司已经发售HSDPA手机3GFOMAN902iX。此外，中兴通讯公司推出的3.6Mbit/s的高速下行链路分组接入(HSDPA)数据卡MF330开始为欧洲主流运营商批量供货。芯片方面，高通支持7.2Mbit/s和HSDPA芯片已面世，杰尔宣布推出3.6Mbit/s HSDPA芯片组，英飞凌则面向中端多媒体电话市场推出了7.2Mbit/s HSDPA处理器样品。
据GSA统计，截至2006年7月31日，HSDPA的终端已发展到51款，包括25款数据卡、3款路由器、3款USB接口卡和20款手持终端。25款数据卡的生产厂商分布分别是：华为、中兴、摩托各1款，共3款；西门子2款；NovatelWireless6款；OptionWireless6款；SierraWireless7款；NTT Docomo1 FOMA数据卡款。3款路由器分别是：Topex、Option、Sarian各一款；3款USB接口卡ZadaCOM、华为、Option各1款。20款手持终端生产厂商分别是：BenQ-Siemens1款；LG5款；三星5款；Motorola 3款；HTC(包括Qtek)3款；NEC1款；Fujisu 1款；Dopod 1款。相对过去的6个月，终端种类增长了80%。
此外，已经内置HSDPA数据卡功能的PC机品牌已达到7家，分别是Acer、Dell、Dialogue、Fujitsu-Siemens、HPCompaq、Lenovo、Panasonic，他们以与运营商，如Vodofone、T-Mobile、Cingular等合作的方式为用户提供HSDPA的服务。随着HSDPA网络的进一步建设，商用模式的成功，将会有越来越多的HSDPA终端提供商及更多类型的终端面世。
二、决定HSDPA终端性能的要素
按照3GPP25.306的定义，HSDPA(FDD)的终端共分为12类，如表1所示。
表1详细列出了不同类别的终端对应的峰值速率以及影响峰值速率的各种因素。影响HSDPA终端的关键因素包括如下各种。
1.支持的最大码字数
HSDPA采用固定SF=16的码道，单小区除公共信道占用一个SF=16的码字外，HSDPA最大可用的码字数为15个。从表1可见，12类终端支持的最大码字数分别为5、10、15。依据WCDMA的通信原理，信号从信源编码到信道编码，再进行扩频调制到3.84Mchips/s的带宽上，因此如果是QPSK调制，HSDPA单码道的极限传输能力是480kbit/s。
如果是16QAM调制，HSDPA单码道极限传输能力是960kbit/s。
由此可见，HSDPA的速率与可使用的码道数紧密相关，在其它条件一致的情况下，使用的码道数越多，能够达到的峰值速率越大。
2.软信道容量
针对上述12类终端，规范分别定义了相应的软信道容量，HARQ的虚拟IR缓存，即HS-DSCH能传输的总信息量。
混合ARQ是HSDPA的关键技术之一。它完成信道编码后的输出比特数与映射进HS-PDSCH物理信道集合的总比特数的匹配。HARQ功能由冗余版本(RV)参数控制。混合ARQ的输出比特的精确设置依赖于输入比特数、输出比特数和RV参数。
HARQ功能包括2次速率匹配和1个虚拟IR缓存，也称为软信道容量组成，如图1所示。
第一次速率匹配过程将输入比特数匹配到虚拟IR缓存，虚拟IR缓存由高层配置。如果输入比特数不超过虚拟IR缓存的能力，那么这一步是透明的，不需被打掉任何比特，否则需要去掉多余的比特。
第二次速率匹配过程将第一次速率匹配后的比特数匹配到该TTI中多个HS-PDSCH物理信道集合的总比特数。速率匹配输出的所有比特被平均分配到多个物理信道。
由此可见，软信道容量决定了混合ARQ的第一次速率匹配，会影响网络侧使用的传输格式(RV)，一定程度上影响了UE的传输能力，当然该容量越大对应有效的传输信息越大，UE的速率会越高。
例如，当基站采用“显示”方式来处理时，UTRAN根据资源占用情况及终端能力分配终端最大进程数，并且给终端的每个HARQ进程配置相应的传输量，即通过HS-SCCH携带的信令信息逐一告知终端每个HARQ进程可携带的最大信息量；如果基站采用“隐式”方式处理时，UTRAN根据资源占用情况及终端能力分配终端最大进程数，但是每个进程数承载的信息量相同，以避免每2msUE就对HS-SCCH的相应信息进行一次解码，节省了信令流程，减小了系统的复杂度。目前大部分厂商是采用“隐式”的处理方式。但上述两种方式都必须满足HS-DSCH内的软信道容量要大于或等于UE所有进程承载的信息量之和。
3.HARQ的进程数
上面提到，HSDPA关键技术之一就是采用了混合ARQ技术，同时混合ARQ进程数的多少也严重影响UE的性能，从上述列表也可见。HARQ的进程数(即在一个信道上同时并列进行SAW(stopandwait)传输的个数)越多，并列传输的信息量越大，单位时间内能达到的速率越高。当然进程数太多，会增加UE的内存并且可能增加业务的延迟。一般推荐采用4～6个进程，既保证了解码的效率同时也兼顾了时延。
4.最小TTI的间隔
HSDPA采用资源共享的方式，帧长TTI为2ms，码分方式下，每个TTI可同时容纳4个用户。假如在资源分配许可的情况下，UE可以一直占用资源，而且每个TTI都有信息发送，那么可实现资源利用率的最大化。但是UE在占用TTI的情况下，却不能发送数据，就会浪费系统资源。例如最小TTI间隔为2或3的UE，与TTI间隔为1的相比，在传输同等信息量的情况下，前者的速率是后者的1/2或1/3，因为它占用的时间比别的长2～3倍。因此最小TTI间隔也影响终端的性能。当最小TTI的间隔越小，代表可发送信息的机会越多，可实现的速率越大。性能低的手机在网时，即较高的Inter-TTI会造成网络侧基站频谱利用效率降低。
当然从目前的各芯片厂商的研发来看，开发最小TTI间隔较大的终端不太可能，如Category1、2、3、4类的终端。
三、技术难点及存在问题
1.高效的解调性能
HSDPA的终端不同于cdma20001xEV-DO的终端，后者单纯地使用一个新频点，不存在与1x的语音业务相互干扰的问题，而前者可以而且强烈推荐使用在与原R99/R4混合载频组网的网络里(因为混合载频的承载效率要高于单载频组网的效率)，但是对目前普遍以话音为主的网络来说，在混合载频的配置中，资源的使用上R99/R4的原CS业务，如语音、视频享有较高优先级，而HSDPA的业务优先级低，通常是充分利用R99/R4剩余的资源，如功率、码字等。因此在引入HSDPA后，引入网络整体干扰的情况下，要保证原业务容量、覆盖等因素的不变，同时充分发挥各技术的优势，需要提高终端的解调性能，提高灵敏度。
2.高性能电池
众所周知，目前3G终端耗电量略高于2G终端，这与3G技术的复杂性相关。3G的CDMA技术复杂，基带数据处理量大，射频功率放大器的线形度要求很高，导致3G终端基带处理芯片和射频芯片组的耗电量相对增加。但是HSDPA提供了比R99/R4更加复杂的基带及射频技术，更短的帧结构、物理层的HARQ软合并，动态的功率及码资源调整，16QAM的引入等导致HSDPA具有较R99/R4更高的功耗。此外，速率越快，对手机天线的性能要求越高，所消耗的电量也越大。目前的手机电池基本满足不了Category9和Category10的手机长时间单独上网的要求。
3.芯片滞后
目前高通、EMP等主要芯片开发厂家的已上市芯片只能支持Category12(最大传输速率为1.8Mbit/s)，支持Category5和Category6(最大传输速率为3.6Mbit/s)的芯片预计在今年年底会有生产。
更高速率的芯片(Category9,Category10)还在研发阶段。高通宣布的芯片计划的主要信息如表2所示。
四、HSDPA终端的发展展望
HSDPA终端的下一步发展主要集中在接收机的增强上，根据3GPP的定义，将HSDPA的终端分为三类：类型一，接收分集；类型二，LMMSE均衡，即码片级均衡；类型三3，类型一+类型二。
1.接收分集
从CDMA的发展来看，接收分集一直都是作为终端的一个可选项在进行研究，由于接收分集至少需要在终端上安装2根天线，会增加终端的体积。由于手持的方便性，小巧轻薄类的终端一直受到客户的青睐，因此，在终端体积及接收性能上，行内厂商普遍选择了非接收分集。但是随着HSDPA的引入，高速数据的传输进而对终端提出了更高的要求，接收分集的引入势在必行。
2.LMMSE接收机
WCDMA系统是直扩CDMA系统的典型应用，其接收机能够在受到衰落和其他信道失真影响下有效地实现无线接收。当从不同用户接收到的信号不能完全正交或信号功率值大小不同，TD-SCDMA系统中就会出现远近问题。在这种情况下，多址干扰(MAI)可能会完全破坏低功率用户的接收。为了防止性能的恶化，可靠的做法是采用抗远近效应的接收机。这样即使在有理想功率控制的情况下，也能进一步提高接收性能。
MMSE检测器在解调用户信号(去除MAI)和不增强背景噪声之间作出平衡,它考虑了背景噪声并利用了接收信号的功率值，它的基本思想是使实际数据与传统检测器软输出之间的均方差最小。
线性LMMSE-RAKE接收机基于线性均衡，需要使用短扩频码序列以保证在足够短周期内MAI的循环不变性。此时不必要知道干扰用户的所有信息，所以非常适合下行使用。因此，LMMSE已成为WCDMA下行链路最有实用前景的接收机，是HSDPA终端的发展的目标之一。
当然，如果考虑终端性能的进一步增强，可考虑上述两者的结合。
五、总结
我们讨论了HSDPA终端的现状及存在的问题，当然终端的发展是与网络的应用及发展密切相关，有了一定的网络规模，必定会有大量的芯片及终端厂商的加入，为用户提供高性能和高质量的终端。不可否认，在网络发展的初期，终端的缺陷会给网络的运营带来一定的制约。
----《通信世界》
作者：中国电信广州研究院 朱红梅
上一篇：HSDPA无线网络规划设计方法
下一篇：移动信息化解决方案浅析
