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HSDPA技术详解
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1、HSDPA简介
对高速移动分组数据业务的支持能力是3G系统最重要的特点之一。WCDMA R99版本可以提供384 kbit/s的数据速率，这个速率对于大部分现有的分组业务而言基本够用。然而，对于许多对流量和迟延要求较高的数据业务如视频、流媒体和下载等业务，需要系统提供更高的传输速率和更短的时延。为了更好地发展数据业务，3GPP从这两方面对空中接口作了改进，在R5版本中引入高速下行分组接入（HSDPA）技术。HSDPA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，被誉为后3G时代的主要解决方案之一，为UMTS向更高数据传输速率和更高容量演进提供了一条平稳途径，就如在GSM网络中引入EDGE一样。
根据3GPP的定义，HSDPA的发展将主要分为3个阶段：在HSDPA Phase 1（基本HSDPA阶段），通过使用链路自适应和适应性调制（QPSK/16QAM）、HARQ及快速调度等技术，将峰值速率提高到10.8-14.4 Mbit/s；在HSDPA Phase 2（增强HSDPA阶段），通过引入一系列天线阵列处理技术，峰值速率可提高到30 Mbit/s；在HSDPA Phase 3（HSDPA进一步演进阶段），通过引入OFDM空中接口技术和64QAM等，将峰值速率提高到100 Mbit/s以上。
2、HSDPA基本原理
HSDPA是一个非对称解决方案，允许下行吞吐能力远远超过上行吞吐能力，从而有效提高频谱效率。HSDPA技术的理论数据传输速率最高可达14.4 Mbit/s（HSDPA Phase 1），平均可提供2-3 Mbit/s的下行速率。该技术允许充分覆盖地区内的用户共享带宽，从而为每位用户提供300 kbit/s-1 Mbit/s的下行链路，足以媲美当前的无线局域网和国内固定宽带线路。
在WCDMA网络中，基站扮演着传输及接收站的角色，其作用是提供用户到网络的接入点，同时负责处理网络流量；无线网络控制器（RNC）负责总体控制基站的资源，同时负责网络中的切换；服务GPRS支撑节点（SGSN）负责分组交换数据流量的处理和选路；而移动交换中心（MSC）则负责电路交换流量（即语音或视频会议）的处理。HSDPA技术主要在基站和RNC两地实施，通过将主要处理过程留在基站，从距离上更接近无线接口和最终用户，确保了传输延迟的最小化。
HSDPA在设计时参考了cdma2000 1x EV-DO的设计思想与经验，新增加了一条高速共享信道（HS-DSCH）。与现有的WCDMA相比，HS-DSCH允许若干用户共享整个下行链路信道，因而可以大幅度提高网络的性能，同时还采用了一些更高效的自适应链路层技术。共享信道使得传输功率、PN码等资源可以统一利用，根据用户实际情况动态分配，从而提高了资源的利用率。自适应链路层技术根据当前信道的状况对传输参数进行调整，如快速链路调整技术、结合软合并的快速混合重传技术、集中调度技术等，从而尽可能地提高系统的吞吐率。
基于演进考虑，HSDPA设计遵循的准则之一是尽可能地兼容R99版本中定义的功能实体与逻辑层间的功能划分。在保持R99版本结构的同时，在基站增加了新的媒体接入控制（MAC）实体MAC-hs，负责调度、链路调整以及混合ARQ控制等功能。这样使得系统可以在RNC统一对用户在HS-DSCH信道与专用数据信道DCH之间的切换进行管理。HSDPA功能主要是对基站修改比较大，对RNC主要是修改算法协议软件，硬件影响很小。如果在原有设备中考虑了HSDPA功能升级要求，一般来讲实现HSDPA功能不需要硬件升级，只要软件升级即可。
3、HSDPA关键技术
数据业务与语音业务具有不同的特性。语音业务通常对延时敏感。对速率恒定性要求较高，而对误码率要求则相对较弱；数据业务则相反，通常可以容忍短时延时，但对误码率要求高。作为WCDMA体系的后续演进技术，HSDPA中的许多关键技术充分考虑到了数据业务的特点。在HSDPA Phase 1技术方案中，涉及到的关键技术主要包括自适应调制编码（AMC）、混合重传（HARQ）和集中调度技术。
3.1 自适应调制编码（AMC）技术
AMC属于链路自适应的范畴。AMC的基本原理是通过改变调制和编码的格式使它在系统限制范围内和信道条件相适应，而信道条件则可以通过发送反馈来估计。通过使用AMC技术，用户可以在理想信道条件下使用较高阶的调制编码方式和较高的编码速率，而在不太理想的信道条件下则使用较低阶的调制编码方式和较低的编码速率。
由于数据业务与语音业务具有不同的特性，语音通信系统通常采用功率控制技术以抵消信道衰落对于系统的影响，以获得相对稳定的速率，而数据业务相对可以容忍延时，可以容忍速率的短时变化。因此，HSDPA不是试图去对信道状况进行改善，而是根据信道情况采用相应的速率。由于HS-DSCH每隔2 ms就更新一次信道状况信息，因此，链路层调整单元可以快速跟踪信道变化情况，并通过采用不同的编码调制方案来实现速率的调整。
当信道条件较好时，HS-DSCH采用更高效的调制方法，即16QAM，以获得更高的频带利用率。理论上，xQAM调制方法虽然能提高信道利用率，但由于调制信号间的差异性变小，因此需要更高的码片功率，以提高解调能力。因此，xQAM调制方法通常用于带宽受限而非功率受限的场合。在HSDPA中，通常靠近基站的用户接收信号功率相对较强。可以得到xQAM调制方法带来的好处。
3.2 混合重传（HARQ）技术
HARQ也是一种链路自适应的技术。在AMC中，采用显式的C/I测量来设定调制编码的格式，而在HARQ中，链路层的信息用于进行重传判决。
终端通过HARQ机制快速请求基站重传错误的数据块，以减轻链路层快速调整导致的数据错误带来的影响。终端在收到数据块后5 ms内向基站报告数据正确解码或出现错误。终端在收到基站重传数据后，在进行解码时，结合前次传输的数据块以及重传的数据块，充分利用它们携带的相关信息。以提高译码概率。基站在收到终端的重传请求时，根据错误情况以及终端的存储空间，控制重传相同的编码数据或不同的编码数据（进一步增加信息冗余度），以帮助提高终端纠错能力。
有很多方法可以实现HARQ：软合并和增量冗余。软合并的策略是发送有相同编码的数据组，然后在接收端可以将这些多个重发信息进行SNR（Signal to Noise Ratio）加权合并来获得分集接收再进行译码，使用软合并的HARQ过程如图1所示。增量冗余是实现HARQ的另一种方式，这种策略是在第一次译码失败时另外再传送附加冗余信息而不是再将整个数据码组重发一次。
对高速移动分组数据业务的支持能力是3G系统最重要的特点之一。WCDMA R99版本可以提供384 kbit/s的数据速率，这个速率对于大部分现有的分组业务而言基本够用。然而，对于许多对流量和迟延要求较高的数据业务如视频、流媒体和下载等业务，需要系统提供更高的传输速率和更短的时延。为了更好地发展数据业务，3GPP从这两方面对空中接口作了改进，在R5版本中引入高速下行分组接入（HSDPA）技术。HSDPA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，被誉为后3G时代的主要解决方案之一，为UMTS向更高数据传输速率和更高容量演进提供了一条平稳途径，就如在GSM网络中引入EDGE一样。
根据3GPP的定义，HSDPA的发展将主要分为3个阶段：在HSDPA Phase 1（基本HSDPA阶段），通过使用链路自适应和适应性调制（QPSK/16QAM）、HARQ及快速调度等技术，将峰值速率提高到10.8-14.4 Mbit/s；在HSDPA Phase 2（增强HSDPA阶段），通过引入一系列天线阵列处理技术，峰值速率可提高到30 Mbit/s；在HSDPA Phase 3（HSDPA进一步演进阶段），通过引入OFDM空中接口技术和64QAM等，将峰值速率提高到100 Mbit/s以上。
2、HSDPA基本原理
HSDPA是一个非对称解决方案，允许下行吞吐能力远远超过上行吞吐能力，从而有效提高频谱效率。HSDPA技术的理论数据传输速率最高可达14.4 Mbit/s（HSDPA Phase 1），平均可提供2-3 Mbit/s的下行速率。该技术允许充分覆盖地区内的用户共享带宽，从而为每位用户提供300 kbit/s-1 Mbit/s的下行链路，足以媲美当前的无线局域网和国内固定宽带线路。
在WCDMA网络中，基站扮演着传输及接收站的角色，其作用是提供用户到网络的接入点，同时负责处理网络流量；无线网络控制器（RNC）负责总体控制基站的资源，同时负责网络中的切换；服务GPRS支撑节点（SGSN）负责分组交换数据流量的处理和选路；而移动交换中心（MSC）则负责电路交换流量（即语音或视频会议）的处理。HSDPA技术主要在基站和RNC两地实施，通过将主要处理过程留在基站，从距离上更接近无线接口和最终用户，确保了传输延迟的最小化。
HSDPA在设计时参考了cdma2000 1x EV-DO的设计思想与经验，新增加了一条高速共享信道（HS-DSCH）。与现有的WCDMA相比，HS-DSCH允许若干用户共享整个下行链路信道，因而可以大幅度提高网络的性能，同时还采用了一些更高效的自适应链路层技术。共享信道使得传输功率、PN码等资源可以统一利用，根据用户实际情况动态分配，从而提高了资源的利用率。自适应链路层技术根据当前信道的状况对传输参数进行调整，如快速链路调整技术、结合软合并的快速混合重传技术、集中调度技术等，从而尽可能地提高系统的吞吐率。
基于演进考虑，HSDPA设计遵循的准则之一是尽可能地兼容R99版本中定义的功能实体与逻辑层间的功能划分。在保持R99版本结构的同时，在基站增加了新的媒体接入控制（MAC）实体MAC-hs，负责调度、链路调整以及混合ARQ控制等功能。这样使得系统可以在RNC统一对用户在HS-DSCH信道与专用数据信道DCH之间的切换进行管理。HSDPA功能主要是对基站修改比较大，对RNC主要是修改算法协议软件，硬件影响很小。如果在原有设备中考虑了HSDPA功能升级要求，一般来讲实现HSDPA功能不需要硬件升级，只要软件升级即可。
3、HSDPA关键技术
数据业务与语音业务具有不同的特性。语音业务通常对延时敏感。对速率恒定性要求较高，而对误码率要求则相对较弱；数据业务则相反，通常可以容忍短时延时，但对误码率要求高。作为WCDMA体系的后续演进技术，HSDPA中的许多关键技术充分考虑到了数据业务的特点。在HSDPA Phase 1技术方案中，涉及到的关键技术主要包括自适应调制编码（AMC）、混合重传（HARQ）和集中调度技术。
3.1 自适应调制编码（AMC）技术
AMC属于链路自适应的范畴。AMC的基本原理是通过改变调制和编码的格式使它在系统限制范围内和信道条件相适应，而信道条件则可以通过发送反馈来估计。通过使用AMC技术，用户可以在理想信道条件下使用较高阶的调制编码方式和较高的编码速率，而在不太理想的信道条件下则使用较低阶的调制编码方式和较低的编码速率。
由于数据业务与语音业务具有不同的特性，语音通信系统通常采用功率控制技术以抵消信道衰落对于系统的影响，以获得相对稳定的速率，而数据业务相对可以容忍延时，可以容忍速率的短时变化。因此，HSDPA不是试图去对信道状况进行改善，而是根据信道情况采用相应的速率。由于HS-DSCH每隔2 ms就更新一次信道状况信息，因此，链路层调整单元可以快速跟踪信道变化情况，并通过采用不同的编码调制方案来实现速率的调整。
当信道条件较好时，HS-DSCH采用更高效的调制方法，即16QAM，以获得更高的频带利用率。理论上，xQAM调制方法虽然能提高信道利用率，但由于调制信号间的差异性变小，因此需要更高的码片功率，以提高解调能力。因此，xQAM调制方法通常用于带宽受限而非功率受限的场合。在HSDPA中，通常靠近基站的用户接收信号功率相对较强。可以得到xQAM调制方法带来的好处。
3.2 混合重传（HARQ）技术
HARQ也是一种链路自适应的技术。在AMC中，采用显式的C/I测量来设定调制编码的格式，而在HARQ中，链路层的信息用于进行重传判决。
终端通过HARQ机制快速请求基站重传错误的数据块，以减轻链路层快速调整导致的数据错误带来的影响。终端在收到数据块后5 ms内向基站报告数据正确解码或出现错误。终端在收到基站重传数据后，在进行解码时，结合前次传输的数据块以及重传的数据块，充分利用它们携带的相关信息。以提高译码概率。基站在收到终端的重传请求时，根据错误情况以及终端的存储空间，控制重传相同的编码数据或不同的编码数据（进一步增加信息冗余度），以帮助提高终端纠错能力。
有很多方法可以实现HARQ：软合并和增量冗余。软合并的策略是发送有相同编码的数据组，然后在接收端可以将这些多个重发信息进行SNR（Signal to Noise Ratio）加权合并来获得分集接收再进行译码，使用软合并的HARQ过程如图1所示。增量冗余是实现HARQ的另一种方式，这种策略是在第一次译码失败时另外再传送附加冗余信息而不是再将整个数据码组重发一次。
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图1 使用软合并的HARQ过程 AMC可以根据UE的测定或者网络提供的信息条件来灵活地选择适当的调制编码方式，但需要UE进行准确信道测量并且受到相应延迟的影响。HARQ能够自动地适应信道条件的变化并且对测量误差和时延不敏感。AMC和HARQ二者结合起来可以得到最好的效果，AMC提供粗略的数据速率选择，而HARQ可以根据数据信道条件对数据速率进行较精细的调整。 3.3 集中调度技术 集中调度技术是决定HSDPA性能的关键因素。HSDPA追求的是系统级的最优，如最大扇区吞吐率，集中调度机制使得系统可以根据所有用户的情况决定哪个用户可以使用信道，以何种速率使用信道。集中调度技术使得信道总是为与信道状况相匹配的用户所使用，从而最大限度地提高信道利用率。 信道状况的变化有慢衰落与快衰落2类。慢衰落主要受终端与基站间距离影响，而快衰落则主要受多径效应影响。数据速率相应于信道的这2种变化也存在短时抖动与长时变化，数据业务对于短时抖动相对可以容忍，但对于长时抖动要求则较严。好的调度算法既要充分利用短时抖动特性，也要保证不同用户的长时公平性。亦即，既要使得最能充分利用信道的用户使用信道以提高系统吞吐率，也要使得信道条件相对不好的用户在一定时间内能够使用信道，也保证业务连续性。 常用的调度算法包括比例公平算法、乒乓算法、最大CIR算法。比例公平算法既利用短时抖动特性也保证一定程度的长时公平性；乒乓算法不考虑信道变化情况；最大CIR算法使得信道条件较好的少数用户可以得到较高的吞吐率，多数用户则有可能得不到系统服务。 在HSDPA Phase 2中。还将引入多入多出天线处理（MIMO）等关键技术，以进一步提高系统性能。 4、HSDPA物理层结构 HSDPA物理信道的使用与DCH加DSCH的配合使用相似。它承载需要更高时延限制的业务。为了支持HSDPA，在MAC层新增了MAC-hs实体，位于基站，负责HARQ操作以及相应的调度，并在物理层引入下列3种新的信道。 4.1 高速下行链路共享信道（HS-DSCH） 与R99已有的信道相比，HS-DSCH在许多方面有其特有的特点。传输时间间隔（TTI）或交织周期定义为2 ms（3个时隙），这使得在重传过程中对于终端和基站之间的往返时延能够更小。从码域来看，SF固定为16，且多码传输和不同用户间的码复用是允许的。最大码字数目由终端的能力级决定，规范给出的最大值为15，终端可以选择5、10和15个码字。图2给出了一个简单的流程，说明了2个用户同时使用一个HS-DSCH的情况。2个用户监听HS-SCCH信令以决定采用哪个HS-DSCH码字解扩，以及接收其他必要的检测参数。
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