HSDPA和HSUPA技术应用探讨

1/1/2008来源:无线技术人气:2739

北京邮电大学通信网络综合技术研究所 李美玲 袁超伟 刘鸣 高建波 江西联通鹰潭分公司 黄守勇

2006年是中国3G发展的最要害一年,技术的选择关系到建网成本和网络质量。对HSDPA/HSUPA的技术应用进行探讨,不论是对运营商还是普通用户都将会带来极大的好处。对于运营商来说,HSDPA/HSUPA可以提高WCDMA和TD-SCDMA网络数据容量和频谱效率、实现性价比高的网络,实现更低的每比特传输成本。对于普通用户来说,它们可以提供更高的数据速率、更短的服务响应时间、更好的服务可靠性。

一、HSDPA、HSUPA技术性能分析

1.HSDPA技术性能分析

HSDPA的性能与信道条件(如时间色散、小区环境、终端车速、小区内与小区间的干扰分布)、终端基本检测性能(敏感性、干扰抑制能力等)有关,还受到无线资源治理(RRM)算法的影响,如功率和码资源的分配、载干比估计的准确性及分组调度算法的选择和实施等。

在WCDMA R99中,所有传输信道都是在RNC侧终止,数据的重传功能位于RNC侧,每次重传都要经过Iub接口,增加了数据传输的延迟;HSDPA中的HARQ(Hybrid ARQ,混合自动请求重传)协议位于Node-B中,数据重传无需经过Iub接口,有效增加了无线链路的数据吞吐量,从而提高整个扇区的吞吐量。

在WCDMA R99中,下行链路功率控制的动态范围大约是20dB,而上行链路的功控动态范围可达70dB,这主要是由于下行链路的功率受限于小区内干扰,同时也意味着当用户靠近Node-B时,基站的发射功率会有所降低但不可能在短时间内大幅度下降;HSDPA中使用自适应调制编码(AMC)技术,对于靠近Node-B的用户,充分利用现有的信道条件,使用高阶的调制方案和较高的编码速率,以最大化下行链路的数据吞吐量。

在HSDPA中,小区吞吐量随调制方式、可使用的码信道数量和信道编码速率而不同,它所能达到的理论峰值速率为R99的5倍,如采用3/4编码速率和16QAM调制,能达到的峰值速率为10.7Mbit/s。由于多个用户是时间复用和码字复用,因此理论的速率可以由单个用户达到或多个用户分配达到,网络可根据终端性能和终端数据需求进行功率和码字分配。HSDPA技术作为WCDMA的增强型无线技术可以提高系统的频率效率和码资源效率,是一种提升网络性能和容量的有效方式。为了使HSDPA可以尽可能多地承载各种类型的业务,保证各种业务类型的QoS,HSDPA的分组调度不再由RNC负责,而是改由Node-B来直接治理,这样可以使资源调度更接近空中接口,缓解Iub产生的延迟限制。更快的调度方式使得不需要通过专用信道(DCH)承载,就可以采用分组调度提供恒定比特速率的业务,所以HSDPA不仅能有效支持交互式等非实时业务,同样可以用于支持某些实时业务,如流媒体业务等。

2.HSUPA性能分析

考虑到上行链路自身的特点,如上行软切换、功率控制和UE的峰均比(PAR)问题,HSUPA主要采用物理层快速重传和快速调度等技术来提高上行链路的数据速率和小区容量。

在WCDMA R99中,数据包重传是由RNC控制下的RLC重传完成的。在透明模式(AM)下,RLC的重传涉及RLC信令和Iub接口传输,重传延时超过100ms;HSUPA使用增量冗余重传机制,使得数据包的重传可以在移动终端和基站间直接进行,绕开了Iub接口传输,大大降低了时延,快速重发还答应上行链路以更高的误块率(BLER)运行,答应在给定的数据速率下以更低的功率级开始传输,最终使得小区的覆盖面扩大。

在WCDMA R99中,移动终端传输速率的调度由RNC控制,移动终端可用的最高传输速率在DCH建立时由RNC确定,RNC不能够根据小区负载和移动终端的信道状况变化灵活控制移动终端的传输速率;HSUPA通过在上行链路中使用快速调度可以对网络业务负载和数据做出快速反应,减少了上行链路噪声增长的变化率,有可能减少上行链路为了保护超负荷预留的峰值储备,充分利用了R99解决方案里保留的容量,这样一来就实现了更高的用户数据速率和小区容量。

HSUPA向后充分兼容于3GPP的WCDMA R99,可以逐步引入到网络中,其终端可以和R99的终端共享同一无线载体。HSUPA不依靠HSDPA,也就是说没有升级到HSDPA的网络也可以引入HSUPA。虽然WCDMA引入HSUPA需要对现有的无线接入系统做一定程度的升级,但是由于HSUPA极大地提高了上行传输速率,无论对于发送Email,文件上传还是交互式游戏这样的应用,用户都将体会到HSUPA提供的高速率和短延迟。

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二、HSDPA、HSUPA的要害技术

在HSDPA和HSUPA中使用一些要害技术来提高WCDMA下行链路和上行链路的业务数据传输速率满足不同业务的QoS需求。

1.HSDPA中的要害技术

目前已经得到广泛应用的是基本型HSDPA,在基本型HSDPA种,为了达到提高下行分组数据速率和减少时延的目的,HSDPA主要采用了一系列链路自适应技术如自适应的编码和调制、快速重传、快速调度等技术,替代了R99中的可变扩频码和快速功率控制,同时在UTRAN侧原有的物理信道上增加了三个信道以支持要害技术的实现。

(1)新增的三个物理信道

WCDMA在R5中开始引入HSDPA,其目的主要是为了提高频带利用率、适应未来大量的移动数据业务、在无线接口增加下行链路的数据传输速率。引入HSDPA后,无线部分的总体结构与R99基本一致,只是略有不同。

HSDPA物理信道的使用与DCH和下行共享信道(DSCH)的配合使用相似,它承载需要更高时延限制的业务,例如AMR语音业务。为了实现HSDPA功能特性,在MAC层新增了MAC-hs实体,位于Node-B,负责HARQ操作以及相应的调度,并在物理层引入以下三种新的信道。

HS-DSCH(High Speed Downlink Shared Channel)信道:负责传输用户分组数据,采用固定的扩频因子SF=16,无线帧长为2ms。信道共享方式有时分复用和码分复用。最基本的方式是时分复用,即按时间段分给不同的用户使用,这样HS-DSCH信道码每次只分配给一个用户使用。另一种就是码分复用,在码资源有限的情况下,同一时刻,多个用户可以同时传输数据。

HS-SCCH(High Speed Shared Control Channel)信道:主要用于承载下行链路所需要的信令信息,负责传输HS-DSCH信道解码所必需的控制信息;采用固定的扩频因子SF=128。

HS-DPCCH(Uplink High Speed Dedicated Physical Control Channel)信道:负责传输必要的控制信息,主要是对ARQ的响应以及下行链路质量的反馈信息。采用固定的扩频因子SF=256。

HSDPA功能主要是对Node-B修改比较大,对RNC主要是修改算法协议软件,硬件影响很小。假如在原有设备中考虑了HSDPA功能升级要求(如16QAM、缓冲器及处理器的性能等),一般来讲实现HSDPA功能不需要硬件升级,只要软件升级即可,所以现在很多厂家都宣称可通过软件升级支持HSDPA功能。实现这个功能难度不是太大,要害是实现的性能,所以HSDPA技术实现后的真正性能需要验证。有两点需要注重:一是目前硬件所能达到的处理性能将决定将来的HSDPA性能,升级后实现的HSDPA的性能需要明确;二是需考证实现HSDPA功能时,HSDPA技术对于网络性能的影响。

(2)自适应调制编码(AMC)

HSDPA采用AMC作为基本的链路自适应技术对调制编码速率进行粗略的选择。AMC的原理就是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。靠近基站的用户接收信号功率强,采用高阶调制方式(如16QAM)和高速率信道编码(3/4编码速率),使用户获得尽量高的数据吞吐率;当信号较差时,则选取低阶调制方式(如QPSK)和低速率信道编码(1/4编码速率)来保证通信质量。

(3)混合自动请求重传(HARQ)

为了进一步提高系统性能,HSDPA在采用AMC对调制编码方式进行粗略的选择之后,采用HARQ技术进行精确的调节。混合自动请求重传技术是前向纠错编码FEC和ARQ技术的结合,它结合了自动重发与前向纠错的容错恢复机制,并使用合并前后含有相同数据单元的机制或重传信息块的增量冗余机制,带来更低的剩余误块率,从而减少高层协议RLC层的重发和降低下行分组包的发送时延与环回时延(round trip delay)。HARQ重传是在物理层上实现的,它可以自动根据瞬时信道条件,灵活调整有效编码速率,补偿因采用链路适配所带来的误码。HSDPA将AMC和HARQ相结合,首先通过AMC对速率进行粗略的选择,然后再由HARQ进行精确的调节,从而更好地达到链路自适应的效果。HSDPA支持两种合并机制:对基站重发相同的分组包进行前后合并或对基站重发含有不同编码(即冗余信息)的分组包进行增量冗余合并。

(4)快速调度

快速调度算法是在动态复杂的无线环境下使多用户更有效地使用无线资源, 提高整个扇区的吞吐量。调度算法功能实现于基站,采用了时分加码分的技术,而且用户对于共享信道的使用权每一个2ms无线子帧都可以重新调度,反应速度大大提高。调度算法可以综合评估多方因素,在实施HSDPA分组调度时, 调度算法会根据事先把握的信息,如每个传输时间间隔(TTI)阶段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);将要传送数据块的优先级等在多用户中实施快速调度和无线资源的最优使用,从而提高频谱的使用效率。

2.HSUPA中的要害技术

HSUPA采用了三种主要的技术:物理层混合重传、基于Node B的快速调度及2msTTI短帧传输。同时还新增了一个专用信道以支持HSUPA的传输。

新增的专用传输信道E-DCH:在HSUPA中,新增了一个专用传输信道E-DCH来传输HSUPA业务。R99中DCH和E-DCH可以共存,因此用户可以享受在DCH上传统的R99语音服务的同时,利用HSUPA在E-DCH进行突发的数据传输。

(1)物理层混合重传[L1(Fast) HARQ]:在HSUPA中定义了一种物理层的数据包重传机制,数据包的重传在移动终端和基站间直接进行,基站收到移动终端发送的数据包后会通过空中接口向移动终端发送ACK/NACK信令,假如接收到的数据包正确则发送ACK信号,假如接收到的数据包错误就发送NACK信号,移动终端通过ACK/NACK的指示,可以迅速重新发送传输错误的数据包。由于绕开了Iub接口传输,在10msTTI下,重传延时缩短为40ms。在HSUPA的物理层混合重传机制中,还使用到了软合并(soft combing)和增量冗余技术(Incremental Redundancy),提高了重传数据包的传输正确率。

(2)基于Node B的快速调度(Node-B Scheduling):基于Node B的快速调度的核心思想是由基站来控制移动终端的传输数据速率和传输时间。基站根据小区的负载情况,用户的信道质量和所需传输的数据状况来决定移动终端当前可用的最高传输速率。当移动终端希望用更高的数据速率发送时,移动终端向基站发送请求信号,基站根据小区的负载情况和调度策略决定是否同意移动终端请求。假如基站同意移动终端的请求,基站将发送信令提高移动终端的最高可用传输速率。当移动终端一段时间内没有数据发送时,基站将自动降低移动终端的最高可用传输速率。由于这些调度信令是在基站和移动终端间直接传输的,所以基于Node B的快速调度机制可以使基站灵活快速地控制小区内各移动终端的传输速率,使无线网络资源更有效地服务于访问突发性数据的用户,从而达到增加小区吞吐量的效果。

(3)2msTTI 和10 ms TTI::WCDMA R99上行DCH的传输时间间隔(TTI)为10ms,20ms,40ms,80ms。在HSUPA中,采用了10msTTI以降低传输延迟。虽然HSUPA也引入了2ms TTI的传输方式,进一步降低传输延迟,但是基于2msTTI的短帧传输不适合工作于小区的边缘。

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三、HSDPA与1X EV-DO的比较

从设计目的来看,HSDPA和1xEV-DO两种技术解决问题的技术手段基本相同,都是通过提供高速的下行(前向)链路数据来支持非对称业务的需求。高速的下行(前向)链路十分有利于诸如广播、组播、流媒体等非对称业务的开展与应用;在标准兼容性方面,两种技术都考虑了与现有标准版本的兼容,最大程度地保护了运营商的现有投资与利益,减少了由现有网络技术升级带来的开销与代价;另外,两种技术都是面向提供高速分组数据传输设计的,都在上行(反向)链路采用专用信道对下行(前向)高速数据包进行确认(ACK/NACK)。若基站收到NACK,两种技术都采用HARQ机制进行重传,从而提高了接收增益;此外,两种技术在调制方法、编码方案也基本相同。表1给出了两种技术的一些要害参数的比较结果。

特性

HSDPA

CDMA2000 1x EV-DO

下行链路帧大小

2ms(3个时隙)传输时间间隔

1.25、2.5、5和10ms可变帧大小

信道反馈

信道质量为2ms速率即500Hz

C/I反馈达到800Hz

数据用户多路复用

TDM/CDM

TDM/CDM(可变帧)

自适应调制和编码

QPSK&16-QAM

QPSK、8-PSK&16-QAM

重传机制(均为HARQ)

Chase合并或递增冗余

异步递增冗余

控制信道方法

专用信道指向共享信道

公共控制信道

表1 HSDPA与CDMA2000 1x EV-DO技术的对比


四、HSDPA和HSUPA商用前景分析

目前的3G系统在容量、速率和成本方面都不足以满足高速发展的多媒体业务,迫切需要可提供高速率数据传输的技术以支持高容量、低成本的数据业务。HSDPA/HSUPA是对WCDMA技术上的增强,可满足上下行的高速率数据业务,是完全后向兼容WCDMA R99的,无需对现有的WCDMA网络进行较大的改动,不会对现有WCDMA网络用户造成影响,这也是许多WCDMA厂商积极参与其技术探讨和设备研发的主要原因。截至目前,全球范围内提供商用服务的WCDMA网络已经达到71个,而处于预商用与部署中的网络也超过了75个。目前,虽然HSDPA/HSUPA技术已经比较成熟,可以进行商用,WCDMA向HSDPA/HSUPA升级是必然的,但决定这个演进过程的除了技术本身的成熟度外,更为重要的是商用需求,即整个WCDMA市场的商用进展及规模。从运营商的角度来说,HSDPA/HSUPA部署面临的不仅是技术产品问题,更是业务市场问题。

事实上,当我们今天在谈论HSDPA的时候,不能忽视EV-DO全球发展对HSDPA的影响。在美国、韩国、日本及中国市场上,EV-DO正期望通过平滑的演进吸引更多CDMA 1x用户使用高速移动数据新业务。

那么,在WCDMA市场稳步加速发展的背景下,不同的WCDMA运营商将会根据竞争环境与自身发展战略等因素选择HSDPA/HSUPA的商用策略,概括来看,目前运营商推动HSDPA/HSUPA发展的因素主要在市场竞争与市场需求两大方面。

1.市场竞争驱动

市场竞争是目前部分运营商推动HSDPA/HSUPA发展的最现实因素,根据运营商所处竞争环境的差异性,运营商发展HSDPA/HSUPA的动机分可为两类:利用HSDPA/HSUPA与CDMA2000运营商的竞争和利用HSDPA与其它WCDMA运营商的竞争。对于前者,由于目前CDMA2000运营商在3G网络规模上已经取得了领先地位,Verizon Wireless的CDMA2000 1x EV-DO网络已经覆盖了32个区域市场。WCDMA面临着短期内重铺网络,扭转网络规模的难度,在这种竞争环境下,WCDMA运营商普遍选择从高起点的制式版本起步以寻求差异化竞争优势。除了Cingular已决定2005年开始部署HSDPA/HSUPA外,目前尚未建设3G网络的T-Mobile也已表示将从WCDMA R5与HSDPA/HSUPA开始建网。对于后者,西欧的部分WCDMA运营商或是较晚切入3G市场,或是本身实力有限,从而面临3G业务难以实现突破的挑战。因此,有些运营商就选择了积极部署HSDPA/HSUPA的策略,以争取3G业务上的后发优势。

2.市场需求驱动

与WCDMA系统相比,提供更高的接入速率是HSDPA/HSUPA最大的技术优势,这也是运营商希望利用HSDPA/HSUPA提升竞争力的前提。然而,目前全球电信业已从原来的技术驱动型转为业务驱动型,WCDMA的发展与演进过程也表明脱离市场需求的技术竞争轻易引起泡沫。因此,市场需求的规模也将成为影响HSDPA/HSUPA发展甚至决定它最终成败的重要因素。

从目前的移动业务发展看,对网络速率高于200kbit/s的应用主要有大流量音乐下载、视频会议、视频文件下载、多媒体互动游戏、高速无线上网以及发送Email,文件上传和交互式游戏等,这些业务也将成为未来支撑HSDPA/HSUPA生存与发展的需求基础。从目前的全球3G市场发展看,日韩等国家不仅3G商用进程领先,而且3G已开始走向主流市场,对这些高速移动多媒体应用的需求也最现实,因此这些国家中的WCDMA运营商普遍对HSDPA/HSUPA持比较积极的态度。

在日本,DoCoMo不仅是目前国际上3G用户最多的运营商,也是较早开始对HSDPA/HSUPA进行测试与部署的。DoCoMo一开始就把HSDPA/HSUPA定位于向普通客户提供手机服务,以更好的满足3G用户对多媒体应用的需求。

TD-SCDMA是由中国提出并被ITU所接受的第三代无线通讯标准,并已成为第三代无线通讯系统(IMT2000)国际电信标准大家庭中的重要成员。虽然相比WCDMA、CDMA2000它的起步比较晚,但由于它独特的技术特点很适合未来频谱资源有限的情况下对网络的扩容及对不同业务的支持,最重要的是它受到中国政府的大力支持,因此在未来3G发展中它具有极强的竞争力。

大唐移动TD-SCDMA系统率先实现HSDPA业务,其5MHz的频率可以传输8.4 Mbit/s的业务;1.6MHz的频率可以传输2.8Mbit/s的业务。HSDPA业务性能的实现,充分验证了TD-SCDMA频谱利用率高的优势,说明TD-SCDMA系统是适合数据传输的移动通信系统。此外,不仅有大唐移动的终端支持HSDPA业务,天碁科技也提供实验终端支持此业务。