浅谈高速HSDPA技术

HSDPA提供了行动通讯系统实现多媒体服务所需的高数据传输速率，将提高系统的频谱效率和资源利用率，有效提升网路性能和容量。HSDPA在3G产业链上的价值，促使全球主要的通信设备商皆加速支援HSDPA技术的WCDMA基础设备的研发和生产。

对高速行动数据传输的支援能力是3G系统最重要的特点之一。WCDMA Release 99版本可以提供384kbps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上够用。然而，对于许多对流量和迟延要求较高的数据作业如视讯、串流媒体和下载等，需要系统提供更高的传输速率和更短的时间延迟。在第三代行动通讯的技术标准中，以欧洲主导的W-CDMA、美国主导的CDMA 2000以及中国的TD-SCDMA将成为三大主流技术。

W-CDMA标准化主要是由区域性的标准化组织3GPP负责，该组织由：
●ETSI（欧洲）European Telecommunications Standards Institute；
●CWTS（中国）China Wireless Telecommunication Standard Group；
●ARIB（日本）Association for Radio Industries and Business；
●TTC（日本）Telecommunication Technology Committee；
●TTA（韩国）Telecommunications Technology Association；
●T1（美国）Standards Committee T1 Telecommunication。

等成员组成的第三代合作组织，其目标是制定与GSM/GPRS相容的第三代行动通讯标准W-CDMA，在欧洲又称为UMTS。

目前的W-CDMA标准可以提供最高2Mbps的数据传输速率，支援高速的封包交换和电路交换，并能提供许多特殊网路应用服务，充分满足IMT-2000关于第三代行动通讯的要求。而诸如下载或串流媒体等功能，需要系统提供更高的传输速率和更少的延迟。为满足此要求，W-CDMA从这两方面对空中界面作了改进，引进HSDPA技术，使之可以支援高达8Mbps的最高传输速率。

HSDPA技术强化W-CDMA的传输速率。导入HSDPA技术后的W-CDMA，在Node B增加一个新的MAC-h子层，但基本结构仍与Release 99保持一致。而且，导入HSDPA后，只是在原有的物理通道上增加新的通道。因此，支援HSDPA技术的终端可以和Release 99终端在一个载波内共存，这点与CDMA 2000 EV-DO不同，无须在独立的载波上操作。

HSDPA导入W-CDMA标准
W-CDMA从Release 5开始导入HSDPA，其目的是为了适应未来大量的行动数据传输而在无线介面增加下传路径的数据传输速率。加入HSDPA后，无线部分的整体结构虽与Release 99基本上一致，但仍存在部分差异。

W-CDMA R5导入HSDPA的概念，使用AMC，HARQ和快速调变等技术来提高下传路径的传输速率，最高可达10Mbps。目前，3GPP正在研究MIMO、高阶调变等技术，进一步提高传输速率。MIMO（Multiple Input Multiple Output）技术是指Node B採用多个发射机天线，终端採用多个接收天线。在Release 5中，对HSDPA只定义QPSK和16QAM这两种调变方案，目前3GPP也正就是否用64QAM的调变方式进行研究。

■HSDPA对W-CDMA Release 99结构的影响
为了支援HSDPA，在MAC（Media Access Control）层新增MAC-hs（high speed）实体，位于Node B，负责HARQ操作以及相应的调度，并在物理层加入三种新的通道，如(图一)所示：
(1)HS-DSCH（High Speed Downlink Shared Channel）通道，下传路径，负责传输用户数据。
(2)HS-SCCH（High Speed Shared Control Channel）通道，下传路径，负责传输对HS-DSCH通道解码所必须的控制讯息的物理层控制通道。
(3)HS-DPCCH（Uplink High Speed Dedicated Physical Control Channel）通道，上传路径，负责传输必要的控制讯信息，主要是对ARQ的响应以及下传路径品质的回应讯息。

HS-DSCH通道的共享方式有两种，最基本的方式是TDM（Time Division Multiplexing），即按时间段分给不同的用户使用，这样HS-DSCH通道码（HS-SDCH code）每次只分配给一个用户使用。另一种就是CDM（Code Division Multiplexing），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。
　

图一　HSDPA产生的新通道
　

HSDPA的关键技术
■自适应的编码AMC和调变（Adaptive modulation and coding）
AMC的原理就是根据瞬间通道条件的改变而相应地改变调变和编码格式。因此，当通道条件较好时，AMC会选择一个需要较高Ec/Ior的调变与编码格式以充分利用现有的通道条件。反之，当通道条件较差时，AMC会选择一个低阶的调变和较低的编码速率。

为了达到提高下传分组数据速率和减少时间延迟的目的，HSDPA主要採用了自适应的编码和调变（Adaptive modulation and coding；AMC）、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。

在W-CDMA R99中，下传路径的功率控制动态范围大约是20dB，而上传路径的功率控制动态范围可达70dB。这主要是由于下传路径的功率受限于小区域内干扰（并行码道上的用户间干扰），同时也意味着当用户靠近Node B时，基地台的发射功率会有所降低但不会在短时间内大幅度下降。使用AMC后，对于靠近Node B的用户，充分利用现有的通道条件，使用高阶的调变方案和较高的编码速率，来最大化下传链路的数据吞吐量。

■HARQ
快速混合自动重传（HARQ）是指接收方在解码失败的情况下，保存接收到的数据，并要求发送方重传数据，接收方将重传的数据和先前接收到的数据在解码之前进行组合。混合自动重传技术可以提高系统性能，并可灵活地调整有效码位元速率，还可以补偿由于採用路径配适所带来的错误码。

如果在一个TTI时段内的数据解码错误，那么重新传送操作会在后面几个TTI时段内执行。一旦数据被重传，用户设备将对先前版本的数据和当前重传的数据进行组合，这大幅提高重传成功的机率。直到数据成功解码或达到预先定义的最大尝试次数，重传操作才会结束。由于混合自动重传机制是在Node B中执行的，因此重传请求操作可以非常迅速。

HARQ有两种运作方式。一是在重传时，与初次发射时相同，这种方式又被称之为chase或soft combining。另一种就是重传时的数据与前次发射有所不同，这种方式又被称之为IR（Incremental Redundancy）。第二种的性能要优于第一种，但在接收端则需要更大的内存。终端的内存容量是根据终端所能支持的最大数据速率和soft combining方式设计的，因而在最大数据速率时，只可能使用soft combining。而在使用较低的数据速率传输数据时，两种方式都可以使用。

■快速调度
调度算法控制着共享资源的分配，在很大程度上决定了整个系统的行为。调变时应主要基于通道条件，同时考虑等待发射的数据量以及业务的优先等级等情况，并充分发挥AMC和HARQ的能力。

调变算法应向瞬间具有最好通道条件的用户发射数据，这样在每个瞬间都可以达到最高的用户数据速率和最大的数据吞吐量，但同时也应考虑到对每个用户的公平性。因此，在短期内以通道条件为主，而在长期内应兼顾到对所有用户的传输量。

为了使系统能更好地适应通道的短期变化，因此在HSDPA中，调变算法位于Node B而不是位于RNC。 结论
作为UMTS-FDD的一种演进技术，HSDPA提供了行动通讯系统实现多媒体服务所需的高数据传输速率，将提高系统的频谱效率和资源利用率，有效提升网路性能和容量。HSDPA在3G产业链上的价值，促使全球主要的通信设备商皆加速支援HSDPA技术的WCDMA基础设备的研发和生产。一场以HSDPA为主题的3G加速运动正在随着3G产业的发展在全球蔓延。（作者任职于R&S罗德史瓦兹；本文原载于零组件杂志）

参考资料：

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7] 3GPP TS 25.121；Terminal conformance specification；Radio transmission/reception（FDD）（Release 5）

[8] 3GPP TS 34.123；UE conformance specification（Release 5）

[9] 3GPP TS 25.212；Multiplexing and channel coding（FDD）（Release 5）