HSDPA演进“三步走”

　　HSDPA（高速下行分组接入技术）最早是3GPP Release 5规范为了满足上/下行数据业务不对称需求而提出的一种新技术，其目的是在不改变现行WCDMA网络结构的情况下，把下行链路峰值速率提高到10.8M～14.4Mbps。作为WCDMA的演进技术，HSDPA将大大提高系统网络的性能和容量。它不仅能有效地支持非实时业务，同时也可以用于许多实时业务，如流媒体等。

　　根据3GPP 组织的定义，HSDPA的发展将主要分为三个阶段：在HSDPA Phase

　　1（第一阶段），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10.8M～14.4Mbps；在HSDPA Phase ２（第二阶段），通过引入一系列天线阵列处理技术，峰值速率可提高到30Mbps；在HSDPA Phase 3（第三阶段），通过引入OFDM空中接口技术和64QAM等，将峰值速率提高到100Mbps以上。

　　HSDPA的四项“必杀技”

　　HSDPA所实现的性能改进，主要得益于以下几项重要技术：

　　第一，高速下行链路共享信道（HS-DSCH）。正如人们所知，专用信道（DCH）是设计用于需要对话式服务质量（QoS）的电路交换服务的，这样的电路交换应用具有不变比特率和严格的实时要求；而共享信道是设计用于满足下行链路中具有猝发特性的分组服务的，如流数据服务、交互式应用和后台应用等。HSDPA是基于HS-DSCH的，HS-DSCH能够支持高数据率，允许不同用户复用时间和编码，因此非常适用于猝发分组通信较多的多媒体环境。

　　第二，自适应调制和编码方案，如QPSK和16QAM。

　　第三，混合自动检错重发（HARQ）传输协议。

　　第四，Node B中的高速媒体访问控制（MAC-hs）协议负责快速分组调度。MAC-hs的使用使得HSDPA毋需进行硬件修改，就可以在下行链路中实现每个Node B高达35Mbps的下行速率。如果对负责接口 RNC的Iub基站的硬件进行修改，则可以将下行链路的速率进一步增加到65Mbps。

　　在不作任何硬件修改的情况下，MAC-hs通过下列方法实现性能的改进：

　　HSDPA和DCH信道业务在Node B 群集的不同基带处理电路板(BB）中进行处理；

　　可以为HSDPA任务分配多达6个BB，当然这些BB需要下载专用的软件；

　　HSDPA BB可以同时为多达6个信元提供HSDPA服务，每个BB的总速率可达到10.8Mbps，同一信元中的所有HSDPA用户由同一HSDPA　BB进行处理；

　　HSDPA BB上由10个数字信号处理器（DSP）组成的DSP群集和各种现场可编程门阵列(FPGA)负责执行下行链路的业务处理，它们为HSDPA任务提供足够的计算和存储功能。

　　HSDPA演进三阶段

　　3GPP Release 3规范明确规定了HSDPA技术演进的三个阶段：

　　第一阶段（Phase 1）：基本型HSDPA

　　HSDPA第一阶段的功能是由3GPP Release 5规定的，其目标是实现10.8Mbps的峰值速率。为此，它引入了几个新的基本功能：

　　● 控制信道支持高速下行链路共享信道（HS-DSCH）；

　　● 自适应调制（QPSK和16QAM）和速率匹配；

　　● Node B中具有高速共享媒体控制（MAC-hs）协议。

　　第二阶段（Phase 2）：增强型HSDPA

　　HSDPA第二阶段的功能由3GPP Release 6规范定义，其目标是将峰值数据率提高到30Mbps左右，为此，将引入一系列天线阵列处理技术：

　　● 对于单天线的移动设备，将使用具有波束赋形技术的灵巧天线；

　　● 对于具有2～4幅天线的移动设备，将引入MIMO技术。

　　第三阶段（Phase 3）：新空中接口

　　为实现更高的平均速率，HSDPA技术将进一步和OFDM、MIMO等结合，以提供更高的速率。HSDPA第三阶段将引入新的空中接口技术：

　　● 使用与更高阶调制方案（如64QAM）和天线阵列处理相结合的OFDM（正交频分多址复用）物理层；

　　● 引入具有快速调度功能的MAC-hs/OFDM，能够根据空中接口的质量为每个移动设备选择专用子载波集以优化性能；

　　● 使用多标准MAC（Mx-MAC）作为控制实体，以实现正交频分多址复用（OFDMA）和CDMA信道间的快速转换；

　　● 改进的信号处理技术，包括智能天线（SA）、联合检测（JD）、改进的接收机、改进的信道预估和预测及链路自适应能力等。

　　基本型 HSDPA

　　在第一阶段，HSDPA通过码分多址复用技术与3GPP Release 99规范使用的信道共享成对频率波段。与3GPP Release 99规范相比，HSDPA Phase 1（第一阶段）的主要变化在于：

　　1．增加了3个新的物理信道：

　　●高速物理下行链路共享信道（HS-PDSCH）。HS-PDSCH的主要功能和特点包括：携带实际分组数据；扩展因子（SF）=16；采用QPSK和16QAM调制技术；由Node B控制功率；每个信元可以拥有多达15个HS-PDSCH；每个信元峰值速率可达14.4Mbps。

　　● 高速共享控制信道（HS-SCCH）。HS-SCCH主要用于承载下行链路的信令信息。这些信令信息包括信道编码集、调制方案、传输分组大小、HARQ处理号、新数据标志和UE身份。

　　● 高速专用物理控制信道（HS-DPCCH）。HS-DPCCH主要用于携带上行链路的信令信息。这些信令信息包括确认/否认应答（ACK/NACK）、信道质量指示器（CQI）、SF=256、QPSK、端接 Node B。

　　在HS-PDSCH和HS-SCCH中无宏分集传输，但接入HSDPA的用户设备始终具有一个关联的DCH连接，并且有可能使用宏分集传输。

　　每个信元的HS-PDSCH和HS-SCCH的最大发射功率由RNC通过控制层确定。3GPP release 99规范并未使用每个信元的所有可用发射功率，而HS-PDSCH和HS-SCCH可以全部使用这些发射功率。

　　HS-PDSCH、HS-HS-SCCH和HS-DPCCH均使用长度为2毫秒的传输时间间隔（TTI）。这个时间间隔也称为“子帧”。HSDPA系统的调制、编码率、功率和其他传输参数，都可以随每一个子帧而改变。

　　2．HS-PDSCH使用自适应调制（QPSK/16QAM）和Turbo编码技术。

　　自适应调制和编码技术能够根据用户瞬时信道质量状况和当前资源选择最合适的下行链路调制和编码方式，从而使用户获得尽量高的数据吞吐率。当用户处于有利的通信地点时，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，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，网络则选取低阶调制方式和低速率的信道编码方案，例如：QFSK和1/4编码速率，来保证通信质量。Turbo编码不仅在信噪较低的高噪声环境性能优良，而且有抗衰落、抗干扰能力强的特点。在信噪比低的无线信道中，与第二代移动通信中的级联RS加卷积码相比，Turbo码性能可提高1dB以上。链路自适应由Node B完成，它根据用户设备CQI报告的即时广播信道质量来调节HS-DSCH数据分组的传输格式。

　　3．引入一个新的MAC实体MAC-hs来控制HS-DSCH，它位于Node B中。

　　HSDPA MAC-hs业务处理在HSDPA BB中完成。一个HSDPA BB可以支持多达六个独立的MAC-hs实体，每个信元分配一个MAC-hs实体。每个HSDPA　BB配备512个优先队列，可以同时支持64个用户设备且每个用户具有8个不同优先级。每个信元可提供多达32 个HS-SCCH。HSDPA BB上的处理资源和优先队列信息可以被最多六个MAC-hs共享，因此这六个MAC-hs必须能够协调一致地运行。

　　MAC-hs功能和特点包括：

　　● Iub中数据流控制。

　　● 优先队列中的分组数据（MAC-d协议数据单元）的缓存。

　　● 分组调度和优先权处理。

　　● 快速分组调度机制。快速分组调度机制位于Node B中，负责管理HS-DSCH资源。根据用户设备的CQI报告，快速分组调度机制决定在某一个特定的2毫秒时间间隔（TTI）应该调度给哪一个用户设备。快速分组调度机制还负责为HS-DSCH数据包选择调制和编码方案及发射功率。由于快速分组调度机制实时掌握广播信道的质量，因此可以利用多用户分集避免在破坏性的信道衰减期间调度数据包。MAC-hs调度程序随后将存储在优先缓冲器中的数据传送给layer 1。MAC-hs在作出调度决定时将会综合考虑以下参数：QoS参数、来自用户设备的用于指示空中接口质量的CQI反馈、先前发送的数据块的ACK/NACK情况、优先缓冲器填充信息、运营商根据计费模式定义的不同用户优先权等级等。

　　4．HARQ协议。

　　HARQ协议是ARQ协议的改进，它使用增量冗余技术用于分组数据传输，能够比传统的ARQ协议更好更快地进行检错重发。而HARQ可自动根据瞬时信道条件，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。由于HARQ协议端接到Node B中，因此不存在经过Iub的数据重发。使用16QAM时，Node B发射器在EVM（误差矢量振幅）线性要求上比GPP release 99要严格，需要对功率放大器的EVM线性进行改进，改进后必须能够实现更复杂的剪取和预失真算法。

　　HARQ机制的形式很多，而HSDPA技术中主要采用三种增量冗余的HARQ机制：TYPE I HARQ、TYPE II HARQ和TYPE III HARQ。HSDPA允许根据系统性能和设备复杂度来选择相应的HARQ机制。

　　3GPP并不限制接入HSDPA的用户设备数量。然而，实际能够接入的用户设备数量受到物理上上行链路的数量和/或Node B能够处理的MAC-hs队列长度的限制。

　　增强型 HSDPA

　　为了进一步改进HSDPA的覆盖范围、系统输出和频谱效率，需要使用各种新型多天线传输技术，其中有些技术已经包括在3GPP release 5规范之中，而另外一些技术仍在3GPP的研究之中，有可能出现在3GPP Release 6及以后的规范中。HSDPA Phase 2主要使用了以下几种多天线传输技术：

　　1．天线波束赋形技术

　　天线波束赋形技术是移动通信基站应用的一种技术。它使用天线阵列将信号能量聚集为一个很窄的波束，提高天线的传播效率和无线链路的可靠性和频率的复用率。通过将发射功率集中在用户方向获得链路增益，将发射天线的数量增加一倍可获得3dB的增益。半波长空间间距的天线阵列经常用于波束赋形技术。UTRA/FDD能够区分指定用户的波束赋形和固定波束栅格的波束赋形。在后者中，每个波束分配一个专用扰码，从而获得信道化码树。增加的码树可通过给每个波束分配一个分组调度器来加以利用。

　　可以通过空分多址(SDMA)技术为使用不同波束服务的用户同时调度数据包来增加下行链路信元的输出。这样用户就能够复用相同的信道编码资源，并且减少了相互干扰。SDMA实现需要对MAC-hs包调度程序进行扩展以允许空间分离的用户以进行编码复用。上图显示了一种使用SDMA技术的一种传输方案。在图中，UE1和UE3可以使用相同的信道编码同时接收分组数据，而UE1和UE2则不可能这样。

　　2．发射分集和空时编码

　　发射分集技术是在接收分集技术基础上发展来的。它使用多个独立的天线或相关天线阵列，通过非相关衰减信道发射相同的信息以实现空间分集增益，这种增益主要通过在位置或极化方向上分离天线获得。分集发射利用不同基站或同一基站中不同位置的天线发射信号到达用户移动设备的不相关性，借助用户移动设备的分集接收功能，分别接收由不同天线或不同基站发出的信号并且分集合并，从而提高系统性能。

　　空时编码(STC)是近年来移动通信领域出现的一种新的编码和信号处理技术，在发射端和接收端同时使用多个天线进行信息的发射和接收，接收端综合利用时域和空域二维信息进行分集接收。空时编码将空间分集、频率分集及时间分集结合在一起，大大提高了网络的信道质量和容量。

　　3GPP Release 5定义了2种2Tx分集方案用于HS-DSCH传输：开环空时发射分集（STTD）和闭环发射分集方案Mode 1。具有两幅以上天线的开环空时发射分集（STTD）和闭环发射分集方案将在未来的3GPP 规范中定义。

　　3．多入多出(MIMO)系统

　　多入多出(MIMO)或多发多收天线(MTMRA)系统在发射端和接收端均使用多幅天线。MIMO系统能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。信道容量随着天线数量的增大而线性增大，因而在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。如使用2Tx/2Rx MIMO方案（16QAM、15码、30个数据流、编码速率3/4）的HSDPA的峰值速率可达20Mbps。利用MIMO技术不仅可以提高信道容量，同时也提高了信道的可靠性并减少了误码率。

　　MIMO技术也是基于HS-DSCH处理业务。假设 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。如MIMO技术要求在Node B中有1、2、4副天线，在UE 中有1、2、4副天线，那么天线就有(1,1)、(1,2)、(1,4)、(2,1)、(2,2)、(2,4)、(4,1)、(4,2)、(4,4)八种配置。发射机和接收机之间由于天线配置不同，可以满足数据速率从低到高的变化，并根据信道质量来自适应调节数据速率。

　　为了在HSDPA中使用MIMO，必须对快速链路自适应机制进行修改以用于多个数据流，如每个TTI经多个数据流发射一个单独数据块，或者每个TTI单个数据流发射单独的数据块。

　　HSDPA 第三阶段

　　空中接口决定系统的性能和复杂性，因此它的选择对于提高网络的容量和速率非常关键。HSDPA Phase 3的目标是提供100Mbps～1Gbps的速率，这就需要额外的频谱和改进的信号处理技术，其中主要包括：

　　1． 改进的信号处理技术

　　包括智能天线（SA）、联合检测（JD）、改进的接收机、波束赋形、改进的信道预估和预测及链路自适应能力。智能天线利用信号传输的空间特性和数字信号处理技术，通过先进的算法处理，对基站的接收和发射波束进行波束形成和赋形，从而达到降低干扰、增加容量、扩大覆盖、改善通信质量、降低发射功率和提高无线数据传输速率的目的。联合检测技术是在多用户检测（MUD）技术基础上提出的。该技术是减弱或消除多址干扰、多径干扰和远近效应的有效手段，能够简化功率控制，降低功率控制精度，弥补正交扩频码互相关性不理想所带来的消极影响，从而改善系统性能、提高系统容量、增大小区覆盖范围。

　　2．选择OFDM作为OFDMA使用的主要技术。

　　OFDM与自适应调制和编码、快速调度技术等一起进一步优化频谱效率。

作者：文凯 来源：计算机世界报 第08期 D13、D14