0、引言

　　WCDMA是全球領先的3G標準之一，能在5MHz頻寬上支持特征各異的、廣泛的業務種類。目前3GPP組織發布的R4/R99標準定義的WCDMA系統在理想情況下能支持最高可達2Mbit/s的用戶數據速率。然而，對于諸如視頻、流媒體和下載等對流量和延時要求較高的數據業務，需要系統提供更高的傳輸速率和更短的處理時延。為更好發展數據業務，能與CDMA 1X EVDO、Wi-Fi、WiMAX等寬帶無線接入技術相競爭，3GPP從兩方面對空中接口作了改進，在R5版本中適時引入了高速下行分組接入解決方案——HSDPA使其能支持高達14.4Mbit/s的下行峰值速率^[1]。

　　HSDPA技術是WCDMA在無線部分的增強與演進，理論上，其數據吞吐量約是R99網絡的5倍，小區容量約是R99系統的3倍^[2]，被視為“超3G”的3.5G技術。它不但支持高速率不對稱數據服務，而且在增大網絡容量的同時還能使運營商成本最小化。引入HSDPA后的WCDMA網絡僅在無線接口部分作了微小的變動，基本結構仍與R99保持一致，且支持其終端與R99終端在同一載波上共存，因此可為WCDMA更高數據傳輸速率和更高容量提供一條平穩的演進途徑，就如同在GSM網絡中引入EDGE一樣。

　　本文首先對HSDPA系統的技術特點進行了簡要分析，在此基礎上，針對現階段全球HSDPA系統及終端的商用進展、網絡演進策略及其技術演進作了歸納、總結和展望，從而獲得對HSDPA網絡更為清晰而全面的認識。

1、HSDPA技術特點

　　在R99版本的空中接口中，采用擴頻因子可變的方式滿足多業務數據速率的需求，同時采取功率控制技術克服WCDMA的遠近效應。而在HSDPA系統中，通過在新增的業務信道上采取擴頻因子固定、多碼并行傳輸的方式提供不同等級的數據速率，同時采用自適應調節速度更快的自適應編碼調制(AMC)技術、混合自動重傳(HARQ)和快速資源調度算法代替功控技術，并將重傳與資源調度從RNC移植入NodeB中新增的MAC-hs功能實體上^[3]，從而達到盡可能提高下行分組數據速率和減少處理時延的目的。

　　1.1　新增業務信道

　　在R5版本的無線接口部分，新增了高速下行共享信道(HS-DSCH)，用以獨立承載HSDPA分組數據業務。其傳輸時間間隔(TTI)定義為2ms(3個時隙)，與R99支持的10ms、20ms等TTI相比，能大大降低重傳過程中終端與NodeB之間的往返時延。在碼域上，其信道擴頻因子(SF)固定為16，并支持最多15個碼并行的多碼傳輸，用戶之間以碼分和時分的方式加以區分。同時結合AMC及HARQ等技術，通過在一個TTI間隔內為用戶分配不同碼道數、調制及重傳方式來提供多種業務速率。HSDPA與R99共載頻方式下的多用戶傳輸復用如圖1所示。

圖1　共載頻方式下HSDPA多用戶傳輸復用

　　1.2　AMC

　　AMC的基本原理是依據信道情況的瞬時變化進行調制方式和編碼格式的調整，使用戶達到盡可能高的數據吞吐率。這時信道情況會基于接收方的反饋或者與NodeB專用控制信道相關的功率控制信息進行估計。使用AMC技術能有效減少干擾，此時靠近基站的用戶設備(UE)通常選用高階調制和高速率的信道編碼方式(如16QAM調制和3/4速率的Turbo編碼)，從而得到較高的峰值速率；而靠近小區邊緣的用戶則選取低階調制方式和低速率的編碼方案(如QPSK調制和1/2速率的Turbo編碼)，保證通信質量。HSDPA系統在不同調制與編碼配置下的最大數據傳輸速率(包括信令開銷)見表1^[4]。

　　1.3　HARQ

　　HARQ機制本身的定義是將FEC和ARQ技術相結合的一種差錯控制方案，是指接收方在解碼失敗的情況下，保存接收到的數據，并要求發送方重傳數據，接收方將重傳的數據與先前接收到的數據在解碼之前進行組合。混合自動重傳技術能提高系統性能，并能靈活調整有效碼元速率，還可以補償由于采用鏈路適配所帶來的誤碼。

表1　HSDPA系統在不同調制與編碼配置下的速率

　　HSDPA將AMC與HARQ技術結合可以得到更好的鏈路自適應效果。HSDPA先通過AMC提供粗略的數據速率選擇方案，然后再使用HARQ技術提供精確的速率調節，從而提高自適應調節的精度和資源利用率。HARQ有軟合并(soft combing)和增量冗余(IR)兩種運行方式。前者重傳時的數據與初次發射時相同，而后者重傳時數據與前次發射有所不同，其性能要優于第一種方式，但在接收端則需要更大的內存。

　　1.4　快速資源調度

　　調度算法控制共享資源的分配，在很大程度上決定了整個系統行為。調度時應主要基于信道條件，同時考慮等待發射的數據量與可分配資源的關系、UE的能力及其緩沖器狀態和業務優先級等情況，并充分發揮AMC和HARQ的能力。調度算法應向瞬間具有最好信道條件的用戶發射數據，這樣在每個瞬間都可以達到最高的用戶數據速率和最大的數據吞吐量，與此同時，還必須兼顧每個用戶的等級和公平性。

　　為了能更好適應信道的快速變化，HSDPA技術將資源調度的功能單元MAC-hs放在NodeB而不是RNC中，同時也將最小TTI縮短到2ms(3個時隙)，這使得在重傳過程中終端與NodeB之間的往返時延能更小，從而增強了用戶對信道變化的快速響應能力。

2、HSDPA系統商用進展及其演進策略

　　2.1　HSDPA系統商用進展

　　作為WCDMA的數據增強版本，HSDPA目前正處于預規模商用階段，與CDMA2000的增強型技術1X EV-DO及WiMAX等其他寬帶無線接入技術的競爭和爭奪技術制高點是業界支持HSDPA發展的主要動機。依靠其峰值高達14.4Mbit/s的下行速率，原WCDMA系統的移動運營商將能擺脫過去在移動網絡速率方面遭遇的瓶頸，并取得與固網運營商在寬帶市場進行差異化競爭的技術手段。實際上，移動運營商的支持已成為HSDPA加速演進的最重要動力。截至2005年3月底，全球范圍內已有超過20個運營商對HSDPA明確表示支持或進行測試/部署中。在這些運營商中最為積極的推動者無疑是DoCoMo等領先的3G運營商，但中國移動等在2G市場領先的3G潛在進入者同樣值得關注。由于運營商對HSDPA的規模需求已經初步形成，WCDMA設備廠商都較全面地支持HSDPA的網絡設備，且宣稱目前出產的基于R4版本的設備均可平滑過渡為HSDPA設備。與網絡設備環節相比，終端的商用進程要稍微滯后一些，但與當年WCDMA終端對商用構成嚴重瓶頸有所不同，目前國際上前四大3G終端套片廠商都完成了HSDPA終端套片樣品的研發，WCDMA手機廠商也已開始樣機的調測，按照以往終端的研發進度經驗，支持HSDPA的終端將能夠在2005年底或2006年初上市。因此，HSDPA終端未來還是能夠基本保證商用的順利開展。但由于協議中規定的終端等級達12種，鑒于技術實現的復雜度，因此終端廠商會分階段地推出其產品，最早的應該是支持16QAM調制及5個并行的HS-DSCH碼道的最高速率為3.6Mbit/s的終端類型。目前HSDPA網絡設備和終端產品研發情況見表2和表3。

表2　HSDPA網絡設備商用進程

表3　HSDPA終端產品商用進程

　　2.2　HSDPA網絡演進策略

　　由于HSDPA僅在無線接口上增加了部分新的信道及功能，并可支持與原R99、R4設備在同一載頻或不同載頻上工作，所以可以通過直接升級無線網絡子系統軟件方式實現HSDPA功能。而且HSDPA與3GPP R99及R4都有很好的兼容性，因此運營商可以在現存網絡中平滑引入HSDPA業務，但這些必須建立在原基站架構滿足可以使用QAM調制方式、對HS-DSCH信道要有足夠的硬件支持以及具備帶功率控制的移動IP功能等基礎上，因此，若原有部分R99設備廠商的NodeB及RNC設備并不具有這些功能，則需對其硬件進行改進，升級到HSDPA。而對于絕大部分R4設備廠商來說，基本上都具備了這些功能，因此僅對NodeB及RNC進行相應的軟件升級或內置新的信道板(用于與原R4設備分載頻工作方案)即可將網絡過渡到HSDPA系統，且無需對網絡結構作很大調整。

　　考慮到市場的逐步成熟過程，在HSDPA網絡初始引入階段，其業務可以在網絡的部分數據業務熱點區域先行開通。在這種情況下，當用戶從HSDPA業務區移動到非業務區，正在進行的通話將平穩切換，用戶只感覺到通信質量有些下降(如數據傳輸速率有所降低)。這樣，運營商不必同時升級所有的小區設備，可以先進行試點，再根據市場情況逐步推廣，從點到面，在很大程度上降低了網絡演進的風險，同時提高了運營商的投入產出比。而在HSDPA網絡的全面建設階段，在高速業務用戶集中并且頻率資源豐富的重點地區，可以使用雙載頻建網方式，即HSDPA單頻組網，所有高速用戶在基站近點使用HSDPA能大大提升系統流量，并且因為使用不同的頻點，所以對同覆蓋的R99 DCH CS業務影響不大。而在頻率資源緊張且HSDPA業務要求不是很高的環境中，可以考慮采用HSDPA與R99使用同頻組網，既可以滿足某些重要用戶對高速業務的需求，又可以節約寶貴的頻率資源。

　　同時，根據參考文獻^[5]的仿真結果，在距小區最大覆蓋半徑45%左右的位置，HSDPA的平均吞吐量下降到與R99網絡相仿的水平，而當距小區半徑70%的位置時，由于進入了R99的切換區，因此R99的信道獲得了切換增益，吞吐量得到了補償，而HSDPA無法實現軟切換，因此在其遠端吞吐量將急劇下降。所以HSDPA的特點是在近點可以提供極大的系統流量，而在遠點，HSDPA的流量優勢將不明顯。因此，在進行HSDPA網絡規劃時，要詳盡分析用戶分布、業務需求及業務模型，并合理規劃HSDPA和R99/R4網絡的服務范圍，以實現優勢互補，這對于網絡演進后的性能是至關重要的。

3、HSDPA技術展望

　　3GPP確定了HSDPA技術發展的3個階段^[6]：基本階段、增強階段及進一步演進階段。第一階段目前已經接近商用，第二階段也正在研發中，第三階段正處于基礎研究期。基本階段即通過采用AMC、HARQ及快速資源調度等先進技術實現下行峰值速率為14.4Mbit/s，該標準在3GPP R5版本中定義，本文所探討的HSDPA網絡，均是基于R5版本的技術。而增強階段的HSDPA則在R6版本中進行了說明，其目的是將峰值數據速率提高到30Mbit/s。關鍵技術主要包括快速小區選擇(FCS)、多輸入多輸出技術(MIM0)和空時編碼技術(STC)。同時，在R6版本的制定中，還提出了上行數據速率的增強型技術——高速上行分組接入(HSUPA)的概念，它通過使用更加靈活的NodeB調度和HARQ等技術，理論上可為用戶提供高達5.8Mbit/s上行數據接入速率，從而提高網絡的上下行業務速率的匹配程度，增強業務應用能力。

　　目前，HSDPA正處在積極研究的第三階段，即進一步演進階段。該階段的目標是通過引進新型空中接口提高數據傳輸速率。其中的關鍵技術包括正交頻分復用(OFDM)技術和64QAM調制方式，它們的引入將使系統峰值速率達50Mbit/s以上。主要的新特性包括采用結合更高調制方案、陣列處理的OFDM物理層及根據空中接口質量為用戶設備選擇專用子載波的特點進行選擇的快速調度算法等，從而達到優化傳輸性能的目標。

　　HSDPA作為WCDMA的一種增強型演進技術，提供了在第三代移動通信系統中實現多媒體服務所需的高速數據速率，并且大大提高系統的頻譜和碼資源利用率，有效提升了無線網絡性能和容量，同時，其技術分步演進的特點亦促進了網絡的平滑過渡。相信HSDPA技術必將在未來的3G及超3G通信系統中得到更靈活的運用，并在移動通信技術實用化領域發揮重要作用。

　　參考文獻

　　1　3GPP Technical Report 25.890.UE Radio Transmission and Reception (FDD) (Release 5)，version 1.0.0，May 2002

　　2　Troels E，Kolding，Frank Frederiksen，Preben E Mogensen.Performance Aspects of WCDMA Systems with High Speed Downlink Packet Access (HSDPA).2002 IEEE

　　3　3GPP Technical Report 25.848. Physical Layer Aspects of UTRA High Speed Downlink Packet Access. version 4.0.0.March 2001

　　4　謝偉良.HSDPA的關鍵技術及特性分析.技術與產品

　　5　韓瑋，孫慧.HSDPA流量和覆蓋研究.郵電設計技術，2005(5)

　　6　王 建.HSDPA關鍵技術演進的研究.電信建設，2004(4)