HSDPA

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HSDPA(High Speed Downlink Packet Access,高速下行分组接入技术)

目录

什么是HSDPA

  HSDPA是3GPP在R5协议中引入的一种能够提高下行容量和数据业务速率的增强技术。

HSDPA的基本原理[1]

  WCDMA R5版本高速数据业务增强方案新增加一条高速共享信道(HS-DSCH),同时采用了自适应链路层技术。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,从而尽可能地提高系统的吞吐率。

  在R99的空中接口体系中,数据重传方式是由RNC来负责完成的,数据重传需要绕经lub接口,数据重传的周期较长;NodeB仅仅起到一个根据RNC的指令完成物理层编码、传输的功能,NodeB本身基本不具有对物理资源的控制和调度能力。而在HSDPA中,为了在空中接口上实现更大的吞吐能力,对NodeB的功能进行了增强,在NodeB的层面引入了物理层重传和快速资源调度的概念。通过在更靠近空中接口的NodeB上引入这些原本只有RNC才具有的功能,加快了重传以及对空中资源调度的效率。同时,结合AMC(Adaptive Moduiation and Coding,自适应调制编码)、HARQ(Hybrid Automatic Repeat request)等新技术,采用了更短的TTI(Transmit Time Interval)长度(2ms)、固定扩频因子的多码道传输,从而在下行方向上实现了远高于R99的高速的分组数据传输能力。为了加快系统响应速度,在NodeB结点增加MAC-hs实体:RNC的MAC-d将DTCH/DCCH上的数据映射到HS-DSCH数据帧通过MAC-d流发送给MAC-hs。MAC-hs需要完成与MAC-d之间的流量控制(共享Iub传输)、小区内用户数据的调度、传输格式选择等动作,见图1。

  Image:HSDPA协议线.jpgImage:HSDPA的基本原理及相应的信道.jpg

  图2描述了HSDPA的基本工作原理以及实现相应功能的物理信道。NodeB通过用户从上行专用控制信道HS-DPCCH中反馈的信息得到用户的下行信道情况,然后NodeB根据所收集的所有用户的信道情况,通过一定的调度策略,为它所服务的所有用户分配HSDPA的下行数据传输的物理资源(HS-DSCH、HS-SCCH),同时选择相应的最合适的AMC方案,以此来实现系统吞吐量最大化、用户吞吐量最大化、用户Qos保证等资源调度目标。

HSDPA的技术特点[2]

  在3G应用里,运营商的主要业务和收入都将来自数据业务。在数据业务中,大家尤其看好视频流媒体和背景下载类业务,但这些业务对下行传输速率的要求非常高。而现在的WCDMA网络下行传输速率理论上是384kbit/s,实际环境中的速率为150~250kbit/s,远远不能满足要求。运营商迫切需要提高传输速率,高速下行分组接入(HSDPA,HighSpeedDownlinkPacketAccess)作为3GPP的Release5中提出的无线解决方案,理论传输速率可达到14Mbit/s。HSDPA是在3GPPR99/R4网络结构上自然演进,旨在满足上下行数据业务不对称的需求而提出的。HSDPA采用的关键技术包括自适应调制编码(AMC)、混合自动重发请求(HARQ)、单独的共享信道和快速调度(Fast Scheduling)等。AMC是根据无线信道变化选择合适的调制和编码方式,使用户达到尽量高的数据传输速率。不同的编码和调制方式的组合,产生不同的传输速率。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。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技术增加了高速下行共享信道(HS—DSCH),不同的用户在时间和码字空间上共享HS.DSCH信道。调度算法控制着共享资源的分配,调度时主要基于信道条件,同时考虑等待发送的数据量以及业务的优先等级等情况。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NodeB而不是RNC,同时也将TTI(Transmission Time Interval)缩短到2ms。采用此类手机时,用户峰值理论速率可达到14Mbit/s。由于HSDPA是在WCDMA网络上无线部分的增强技术,所以不需要升级和改变WCDMA核心网络的设备。

HSDPA的关键技术[3]

  (1)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7已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,语音通信业务通常采用功率控制技术以抵消信道衰落对系统的影响,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(高速下行共享信道)每隔2ms就更新一次信道状况信息,因此,链路层调整单元司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,高阶QAM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,高阶QAM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,可以得到高阶QAM调制方法带来的好处。

  (2)HARQ技术

  HARQ是将FEC和ARQ结合起来的一种误码控制方案,它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5ms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,如软合并和增量冗余。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加权合并来获得分集接收,再进行译码,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。

  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)快速调度算法

  HSDPA技术为了更好地适应信道的快速变化,将调度功能单元从RNC转移到Node B。调度根据信道条件、等待发射的数据量、UE的能力及业务优先级等情况对系统资源在各个用户之间的分配进行动态的调整,从而实现系统性能的最优化。在实现HSDPA快速分组调度算法事先需要掌握的信息:每个传输时隙(TTI)可用的码资源和功率资源;UE上报的无线信道质量(CQI);以前发送数据是否被正确接收的反馈信息(ACK/NACK);将要发送数据块的优先级等。实现快速调度算法可以使AMR技术和HARQ技术更好地发挥效能。

  以上是HSDPA Phase 1采用的主要技术,在HSDPA后续阶段还采用了快速小区切换(FCS)技术、MIMO技术和OFDM技术等,以进一步提高系统性能。

HSDPA的发展前景[4]

  ①HSDPA移动互联网业务的发展

  目前的3G系统在容量、速率和成本方面都不足以支持包月的移动互联网业务,迫切需要高容量、低成本的HSDPA。而HSDPA能否成功的关键是看其能否满足包月移动互联网的业务的需求。

  HSDPA移动互联网业务已经超出蜂窝移动电话数据业务进入宽带无线接入市场,应用对象包括PDA和笔记本电脑。运营商采用HSDPA来搭建无线网络,可以在网络潜力较低的情况下提供更大的分区和用户数据处理量,而数据传输能力的改进可以使运营商为用户提供更多的具有更强吸引力、内容更丰富的新服务和新应用,并满足消费者对视频点播、音频点播、图像/视频短信和基于位置的服务等内容丰富的媒体业务日益高涨的需求。HSDPA技术的频谱效率优势可以使运营商以较低的成本提供这类服务,给用户带来优于传统技术的体验。

  HSDPA的引进还可为运营商开辟新的业务门类:运营商可以进一步考虑企业消费群体膝上型电脑高速接入、电缆和数字用户线路(DSL)无法达到的地区的固定无线宽带接入等需求。

  ②HSDPA——3G/WCDMA移动运营商的必然选择

  目前,Wi-Fi、CDMA2000 1x EV-DO等移动宽带技术已经为人们所熟悉,WiMAX等新的移动宽带技术正在浮出水面。考虑到WCDMA网络向移动宽带的进一步发展,HSDPA将是移动运营商的最佳选择。

  HSDPA是基于现有WCDMA网络的演进,引入HSDPA只要在WCDMA无线网络部分作相应升级,将WCDMA下行速率从384 kbit/s提升到14 Mbit/s,而整个网络架构及整个核心网络都保持不变;另一方面,HSDPA将继续使用WCDMA的频率而不需要单独的载频。HSDPA不但有效地保护了运营商的投资成本(CAPEX),还扩大了运营商的业务范围,为提高APRU创造了条件。

  所以说HSDPA是3G/WCDMA运营商采取的一种既具有前瞻性又具有保护作用的发展策略,是未来发展的必然选择。

  ③HSDPA——移动产业的革命性发展

  从消费需求角度看,HSDPA是移动和宽带结合的产物。

  随着消费者对有线宽带(ADSL)、有线局域网(LAN)和无线局域网(WLAN)使用的增多,用户对移动宽带的需求越来越大。同时,3G时代以视频为主的多媒体业务,例如移动电视、音乐电视及电影片段的下载、具有3D效果的互动式多方游戏、大容量邮件的传递等,在超高速3G网络的承载下会达到更好的效果。而HSDPA正满足了用户这种需求,不但使用户在移动的情况下享受与固定宽带相当甚至更好的业务体验,而且为用户提供更广范围内的漫游功能。

  引入HSDPA的划时代意义在于,HSDPA为移动业务的拓展提供了广阔的空间,并将改变移动业务收入结构,使目前移动业务以语音业务收入为主转为以数据业务收入为主。

  ④HSDPA——机遇与挑战共存

  HSDPA所提供的高速数据下载性能不但为运营商带来无限商机,同时也将带动电信产业链上的各个环节的全面发展,包括设备供应商、终端制造商和内容提供商等。目前包括爱立信在内的各大厂商纷纷推出HSDPA网络设备,终端和芯片制造商也推出支持HSDPA的产品

  HSDPA给产业链上各个环节提供机会的同时也带来了挑战。概括地说,由于HSDPA提供高速数据下载的新型业务,原有WCDMA商业模型要改进,而且整个网络规划建设,包括话务模型、容量建设、业务集成、终端定制、资费策略等各个方面都将受到影响。面对机遇和挑战,移动运营商在决策之际关键是要选择最佳的合作伙伴。

HSDPA与WiMAX的对比[2]

  目前在各大通信展与技术论坛上,两种后3G技术——WiMAX和HSDPA正在成为新的技术焦点。在蜂窝移动通信的阵营中,由于数据业务的比例不断增加,移动通信在向提供无线高速数据业务的方向演进,移动通信设备制造商也相应地优化系统结构,不断提高数据传输速率。例如GSM的演进路线,传输速率从GPRS的40kbit/s到EDGE的130kbit/s以及UMTS的384kbit/s和即将到来的HSDPA3Mbit/s发展,最终实现话音和数据的移动宽带。在另一阵营中,一些业内的主要设备制造商期望用WiMAX标准为固定数据通信(如DSL),即线缆通信中增加无线移动接入功能,允许话音通信通过IP传输,并且在WiMAX的下一步扩展中增加移动性,最终使WiMAX能够实现话音和数据的移动宽带。WiMAX和HSDPA在标准、技术特点和市场定位等方面各有千秋,也尽显移动通信宽带化和宽带网络无线接入的不同。

  尽管WiMAX的理论传输速率远远大于HSDPA,理论覆盖范围比HSDPA更大,但实际上如果只是简单地将传输速率和覆盖范围做比较是很片面和主观的,其实两者在根本上存在巨大的差异。

  1.数据传输速率和覆盖范围

  HSDPA技术最终将能够在5MHz频带上为采用MIMO智能天线技术的系统提供20Mbit/s左右的传输速率。在理想状态下,WiMAX技术在50km范围内的最高传输速率为70Mbit/s。

  2.移动性和网络漫游

  虽然WiMAX提供的传输速率高,但更倾向于固定位置的游牧式使用,移动性差,切换/漫游能力欠缺。802.16e是移动WiMAX标准,增加了一定的移动功能。由于3G/HSDPA移动通信网络从设计之初就是要支持快速切换/漫游,因此实际部署的无线网络能够满足高质量的无缝覆盖,这使得其小区半径远小于WiMAX,投资远大于WiMAX,这也是目前一些呼声称WiMAX是3G终结的原因之一。但是从技术自身的角度来看,WiMAX还不具备像3GmSDPA这样的公众移动通信网络的广域漫游、安全特性和终端便携等移动特性,最终将限制其作为公众移动通信的应用。

  3.技术标准成熟度

  尽管WiMAX技术已经成为新的热点,但兼容WiMAX的设备在市场上非常少。受限于芯片成熟度、发射功率等问题,目前WiMAX基本没有手机产品。据市场分析人士和设备供应商分析预测,从移动WiMAX芯片问世到变成廉价产品而嵌入笔记本电脑,这一系列工作将需要数年时间。而HSDPA标准已经在R5中确定,基本标准已经冻结。截至2007年6月份,全球已建成128张HSDPA商用网。HSDPA标准发展和商用都大大早于WiMAX移动标准。

  4.无线频谱

  国外的运营商已经进行了3G牌照的拍卖,国内的运营商为了得到3G网络的频率营运执照,也已经投入了大量人力、财力用于网络建设的前期工作。而WiMAX无线频谱可能是免费的,对于申请不到3G频率的运营商,这是他们青睐WiMAX的理由之一。然而,目前WiMAX最主要的问题是没有一个统一的全球频段规划,所以目前整个业内都致力于实现WiMAX频段的统一化。最起码形成几个有限的选择,以避免出现传统无线宽带市场各种频谱、各样结构充斥市场的局面,导致市场的规模小、成本高,影响应用的普及。HSDPA是在WCDMAR99/R4网络基础上的无线增强技术,采用的仍然是WCDMA的频谱,无需额外的频谱资源,初期高速数据的业务量要求不高时,也可以与R99共载波。

  5.市场应用定位

  3G/HSDPA网络的基本市场定位是提供公众语音及多媒体业务,实现个人手机终端全球、区域和国家漫游。HSDPA的典型应用是Internet浏览和视频点播。WiMAX市场定位从长期而言,可以支持“最后lkm”以及携带式宽带无线,有效延伸WLAN的连接,也更加适合于部署在城郊、农村和边缘地带xDSL以及Cable Modem不能有效覆盖的区域。在802.16a基础上增强改进的802.16e标准更有助于有效延伸WLAN的连接,实现步行速度具有有限的切换能力,主要面向家庭接入和企业市场,容量较大。总之,HSDPA旨在覆盖广域,而WiMAX更多针对核心城市地区。

  另外,两种技术设备在成本方面也有较大的区别,HSDPA不需要任何新的网络设备,只是在现有的WCDMAR99的网络基础上平滑地软件升级而已;WiMAX则需要全新的网络设备。

参考文献

  1. 中国通信学会青年工作委员会主编.2008通信理论与技术新发展.国防工业出版社,2008
  2. 2.0 2.1 尹纪新编著.第三代移动通信射频技术及设备检测.人民邮电出版社,2009
  3. 陈威兵,何松华,彭曙光编著.移动通信系统.清华大学出版社,2010
  4. 宋燕辉主编.第三代移动通信技术.人民邮电出版社,2009.11
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