原创 HSDPA中的高速传输技术

    1引言

    HSDPA的标准主要是由3GPP组织制定的，用于在WCDMA系统的下行链路中提供基于分组的数据业务，其数据传输速率可达10Mbit/s，使用的是5MHz的信道带宽。它引入了一种全新的信道类型（高速下行链路共享信道），这种信道能够有效利用无线频率资源，并充分考虑到猝发分组数据的传输需求。

    这种传输信道在若干个用户之间共享多址码、传输功率和基础设施硬件。无线网络资源能够被有效利用来为用户访问猝发数据提供服务。用户可以通过时分复用的方式，来使得空闲时隙的资源能够为其他用户所用。例如，一旦某个用户通过网络发送完一个数据包，其他用户就能够访问这些资源。

    为达到在下行链路中高速传输数据的目的，HSDPA采用了自适应调制编码（AMC）、混合自动请求重传（HARQ）和快速蜂窝选择（FCS）等技术。cdma2000系统也引入了类似的技术。表1将HSDPA与cdma20001xEV-DV进行对比。

    2自适应调制编码

表1

图1

    HSDPA中的链路自适应是指系统依据无线链路状况动态改变采用调制方案和编码速率的能力。图1给出了自适应调制编码的基本原理。AMC能够根据用户链路状况，自动改变扩展因子、复用扩展码的数量、纠错码的编码速率以及达成高速传输的调制等级。

    移动台首先估计下行链路的传输状况，然后将传输状况周期性地向基站报告，收到信道质量指示信号后，基站依据当时的信道状况，恰当地选择调制方式、编码速率以及码长。无论是对于那些信号质量好（尤其当靠近基站时）和编码速率高的用户，还是对于那些信号质量差（尤其当远离基站靠近小区边缘）和编码速率低的用户，链路自适应都能够保证数据速率在任何时候都能达到最高。

图2

    图2给出了使用不同调制方案的一般误比特率（BER）性能。例如，考虑QPSK和QAM方案的BER。不难发现，在两种方案中，为达到同样的BER，16QAM方案的Eb/N0（每比特信号能量与环境噪声功率谱密度之比）要高于QPSK方案，但是，16QAM符号中信息位的数目是QPSK符号的两倍。因此，使用16QAM方案可以获取比QPSK更高的频谱效率。使用编码速率大的高级调制方法可以得到比较高的数据速率，但它提高了信干比（SIR）。在直扩码分多址（DS-CDMA）系统中，多径干扰（MPI）的结果可降低至1/SF。

    然而，在使用5MHz信道的WCDMA系统中，多径传输会导致严重的频率选择性衰落。在码速为3.84chip/s的WCDMA系统中，为使得吞吐量达到2Mbit/s，扩展因子（SF）接近于1，由于多径干扰（MPI）的存在，使得信干比（SIR）大大降低。这意味着高速通信仅限于基站（BS）附近的区域，在该区域中不存在多径干扰（MPI）问题，且系统的平均吞吐量不会提高。多径干扰消除（MPIC）的提出主要就是用于解决这个问题的。

图3

表2

    MPIC由多级信道估计与干扰生成单元（ChannelEstimationandInterference Generation Unit，CEIGU）组成。信道估计与干扰生成单元（CEIGU）的结构如图3所示。

    在每个信道估计与干扰生成单元（CEIGU）中，每根天线输入的抽样序列由匹配滤波器（MF）进行解扩展，并传送到分解后的多径构件中。通常使用相同分组的导频符号和决策反馈数据符号对信道变化进行评估，信道的变化主要是由分解后的每条路径衰落造成的，然后补偿每条路径的相位变化，并使用联合Rake接收机接收该信息。联合Rake接收机的输出数据序列需要进行解交织和软决策Viterbi解码。多径干扰补偿器（MPIC）复制品通常使用决策数据序列、信道评估结果以及每条路径的接收功率来生成。在该方案中，由于信道评估的改进、数据判决误差的减小以及信道评估结果和数据判决在每级都进行更新，因而使得多径干扰（MPI）复制品的精确性提高。通过将多径干扰补偿器（MPIC）与正交码复用结合起来，当数据判决误差在某个特定代码信道发生时，由于信干比（SIR）的改善，这种决策误差能够在下一级被纠正。已经证明，使用多径干扰补偿器（MPIC），可以大大地提高吞吐量性能。

    3混合自动请求重传

    当链路误差（如由干扰造成的误差）发生时，移动台迅速请求数据分组重发。有3种基本的自动请求重传方案：停止等待（SW）、返回到N（BTN）和选择重传（SR）。

    表2对这些方案进行了比较。

    SR具有最好的吞吐量性能，但需要的缓冲区比较大，开销也大。相比之下，SW具有最小的缓冲区和开销。将这些基本方案与转发误差纠正组合起来，提出了I类和II类混合自动请求重传方案（HARQ）。

    l在I类混合自动请求重传方案（HARQ）中，首先传输经信道编码的分组。如果分组接收后误差完全无法纠正，则接收方将分组丢弃，并发送一条重传请求给发送方。

    l在II类混合自动请求重传方案（HARQ）中，发送方只在第一次传输具有误差检测码的分组，如果分组接收后存在误差，则接收方将分组存储在缓冲区中，并发送一条重传请求。如果重传的分组被正确接收，则接受该分组并丢弃缓冲区中的错误分组。另外，两个错误分组也可以通过解码算法进行纠正。

    两种方案不断地重复这个过程直到分组被接收。前期的研究表明II类混合自动请求重传方案（HARQ）具有较好的吞吐性能，但需要的缓冲区比较大。

图4

图5

    图4和图5给出了针对HSDPA提出的I类和II类混合自动请求重传方案（HARQ）的工作原理。

    HSDPA接受的重传方案是具有分组组合功能的、基于SW的N信道I类混合自动请求重传（HARQ）方案。一个数据分组被分为N个部分，并在N个信道上进行独立传输和处理。此过程可以提高时延性能，同时也具有开销小的优点。传统的I类混合自动请求重传方案（基本的I类HARQ）通常丢弃错误分组，与之相比，新方案在对分组进行解码时，通常存储软决策结果。当重传分组仍包含无法纠正的错误时，接收机将使用Chase合并算法将两个错误的分组组合起来，以提高SIR。

    在提出的II类混合自动请求重传（HARQ）方案中，接收机端首先对信息数据序列进行编码，编码速率为R1。接着，具有收缩码的分组被传输，该分组的编码速率为R，此处R>R1。如果分组没有被接受，则分组需要使用另外的收缩码进行重传。将新收到的分组与所存储的分组进行组合，接收机将能够对组合序列进行解码，解码速率为R1。因此，II类混合自动请求重传（HARQ）方案能够提高系统性能，既具有时间分集的效果，又能够提高编码增益。

图6

    图6举出了两个实例来对混合自动请求重传（HARQ）方案的吞吐性能进行对比。

    显而易见，与基本类型I相比，前面提出的两种混合自动请求重传（HARQ）方案都做了较大的改进。同时，在Ec/No值较低的范围内，类型II混合自动请求重传（HARQ）方案的性能要比使用PC的类型I混合自动请求重传（HARQ）方案好。但是，由于在HSDPA系统中，混合自动请求重传（HARQ）需要与自适应调制和编码（AMC）一起使用，因而在Ec/No值较低的范围内使用一种调制方式（QPSK），而在Ec/No值较高范围内使用另一种调制方式（64QAM）。类型II混合自动请求重传（HARQ）方案的优势不够明显，且它必须存储所有的解扩展序列压缩图案，来进行码字组合。这意味着使用类型II混合自动请求重传（HARQ）需要一个比使用PC的类型I混合自动请求重传（HARQ）复杂的处理机制。由于这个原因，HSDPA系统选择使用PC的类型I混合自动请求重传（HARQ）作为快速重传方案。

    在目前的WCDMA网络中，采用了一种基于选择性重复的类型I混合自动请求重传（HARQ），重传请求通常由无线网络控制器（RNC）进行处理。长的处理延迟导致应用具有很大的时延。在HSDPA系统中，上述使用PC的类型I混合自动请求重传（HARQ）方案被引入，并由基站对重传请求进行处理，从而提供了尽可能快的响应。

    4快速蜂窝选择

    快速蜂窝选择（FCS）主要与适当的调度算法结合用于部门间分集，以减小高速下行共享信道（HS-DSCH）的传输功率。HSDPA使用快速蜂窝选择用于站点选择分集发射（SSDT）功率控制。在此项选择中，需要考虑以下两大问题。

    l快速蜂窝选择（FCS）的效果取决于调度算法，该算法主要用于分配下行共享信道（DSCH）。调度算法主要有3种：最大载波/干扰（C/I）算法、轮询算法和比例公平算法。每种算法都有自己的优缺点。

    l自动请求重传（ARQ）的引入增大时延，提高了复杂性。

    在HSDPA系统的5MHz信道中，能够提供的峰值速率为10Mbit/s。但是，比峰值速率更重要的是分组数据吞吐量能力大大提高，从而增加了系统用户的数目，系统能够通过单个无线载波以较高数据速率为用户提供支持。在HSDPA系统的共享分组信道上，高数据速率也能够提高流应用的质量，且缩短了回程时间使得Web浏览业务从中受益。

    HSDPA系统的另一个重要特性是减小了下行链路传输时延。对于诸多应用（如交互式游戏）来说，能够保证足够小的时延是非常重要的。总而言之，HSDPA系统功能的增强，能够有效地实现3GPP制定的交互式和环境QoS等级。

    5结论

    HSDPA是无线接口基于WCDMA的演进，能提高系统容量和分组数据的吞吐量，还可以进一步提高系统性能，能够提供高速下行分组接入。该技术是WCDMA网络建设后期提高下行容量和数据业务速率的一种重要技术。HSDPA技术的应用可以充分满足运营商在3G网络成熟期面临容量需求特别大时进行扩容的实施。