HSDPA.docx

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HSDPA

概述

HSDPA（High Speed Downlink Packet Access）高速下行分组接入,是一种移动通信协议，亦称为3.5G（3½G）。

该协议在WCDMA下行链路中提供分组数据业务，在一个5MHz载波上的传输速率可达8-10 Mbit/s（如采用MIMO技术，则可达20 Mbit/s）。

在具体实现中，采用了自适应调制和编码（AMC）、多输入多输出（MIMO）、混合自动重传请求（HARQ）、快速调度、快速小区选择等技术。

1.HSDPA概述

　　HSDPA（HighSpeedDownlinkPacketAccess）表示高速下行分组接入技术。

　　在3G的三大标准的角逐中，WCDMA商用在运营商的支持数量上取得了领先，但在其网络所支持的数据速率上却长期停留在理论上的384kbps水平，而其网络建设也一直处于缓慢发展的状态。

　　与此形成鲜明对照的是，在韩国、日本等国家实现商用的CDMA20001XEV-DO网络系统上，已经实现了2.4Mbps的峰值速率，其宽带接入服务能为客户提供300kbps-500kbps平均下载速率，这足以与有线宽带的速率相媲美。

　　比较而言，同为已经实现商用的3G网络系统，面对现有的3G业务，WCDMA已经稍显力不从心，在数据传输速率上的巨大落差，以及由此带来的业务能力上的弱势，自然使得WCDMA阵营不甘落后，必须寻找一种赶超CDMA20001XEV-DO的有力武器。

　　HSDPA（高速下行分组接入，HighSpeedDownlinkPackagesAccess）技术是实现提高WCDMA网络高速下行数据传输速率最为重要的技术，是3GPP在R5协议中为了满足上下行数据业务不对称的需求提出来的，它可以在不改变已经建设的WCDMA系统网络结构的基础上，大大提高用户下行数据业务速率（理论最大值可达14.4Mbps），该技术是WCDMA网络建设中提高下行容量和数据业务速率的一种重要技术。

　　对高速移动分组数据业务的支持能力是3G系统最重要的特点之一。

　　WCDMAR99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够用。

然而，对于许多对流量和迟延要求较高的数据业务如视频、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延。

　　在未来几年内，数据服务将会取得大幅度增长，并成为第三代（3G）移动通信的主要应用和主要收入来源。

目前日本和韩国的3G经营商已经在体验3G服务中获得了巨大的成功。

日本DoCoMo公司于2001年推出的WCDMA-FOMA服务所创造的收入已经占到其总收入的20%以上，截止到2004年5月已拥有400万用户。

韩国电信公司（SKT）2003年第3季度，在部署了1xEV-DO网络之后，该公司数据服务收入占据每用户平均收入（ARPU）值的比例上升到了34%。

　　为了适应多媒体服务对高速数据传输日益增长的需要，第三代移动通信合作项目组（3GPP）已经公布了一种新的高速数据传输技术，叫做高速下行分组接入技术（HSDPA）。

该技术是WCDMAR’99（也就是我们常说的WCDMA）的强化版本，大大加强了下行链路传输的功能。

　　日本的NTTDoCoMo是最早试验HSDPA技术的运营商之一，在2004年3GSM全球大会上，HSDPA也同样改变了所有主要欧洲运营商的日程。

在美国，GSM运营商当然也在寻求更多的武器，以便在越来越具有攻击性的市场中确保领先地位。

2004年12月1日，Cingular正式与朗讯科技签署了一项为期4年的3GW-CDMA设备、软件和服务供货协议，其中就包括了HSDPA技术的部署。

协议将使Cingular公司从2005年起得以为消费者提供范围广泛的多媒体服务。

　　PA咨询公司和Yankee集团最近认为，HSDPA需求可能首先来自企业市场。

PA咨询公司相信，HSDPA将在面向企业市场的W-CDMA案例中扮演核心角色。

Yankee集团则将HSDPA技术视为一个可以使运营商面向企业市场推出高利润服务的重要差别化因子，并将在向更快的3G服务演进中扮演极为突出的角色。

Gartner集团更关注新技术对网络效率的影响，认为部署HSDPA技术的运营商将获得相当的竞争优势。

　　为了更好地发展数据业务，3GPP从这两方面对空中接口作了改进，引入了HSDPA技术。

HSDPA不但支持高速不对称数据服务，而且在大大增加网络容量的同时还能使运营商投入成本最小化。

它为UMTS更高数据传输速率和更高容量提供了一条平稳的演进途径，就如在GSM网络中引入EDGE一样。

HSDPA的发展分为三阶段，即基本HSDPA阶段、增强HSDPA阶段以及HSDPA进一步演进阶段，其中HSDPA进一步演进阶段目前还未最终确定，仍在3GPP内进行研究。

2.基本原理

　　WCDMAR5版本高速数据业务增强方案充分参考了cdma20001XEV-DO的设计思想与经验，新增加一条高速共享信道（HS-DSCH），同时采用了一些更高效的自适应链路层技术。

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，如快速链路调整技术、结合软合并的快速混合重传技术、集中调度技术等，从而尽可能地提高系统的吞吐率。

　　基于演进考虑，HSDPA设计遵循的准则之一是尽可能地兼容R99版本中定义的功能实体与逻辑层间的功能划分。

在保持R99版本结构的同时，在NodeB（基站）增加了新的媒体接入控制（MAC）实体MAC-hs，负责调度、链路调整以及混合ARQ控制等功能。

这样使得系统可以在RNC统一对用户在HS-DSCH信道与专用数据信道DCH之间切换进行管理。

HSDPA引入的信道使用与其它信道相同的频点，从而使得运营商可以灵活地根据实际业务情况对信道资源进行灵活配置。

HSDPA信道包括高速共享数据信道（HS-DSCH）以及相应的下行共享控制信道（HS-SCCH）和上行专用物理控制信道（HS-DPCCH）。

下行共享控制信道（HS-SCCH）承载从MAC-hs到终端的控制信息，包括移动台身份标记、H-ARQ相关参数以及HS-DSCH使用的传输格式。

这些信息每隔2ms从基站发向移动台。

上行专用物理控制信道（HS-DPCCH）则由移动台用来向基站报告下行信道质量状况并请求基站重传有错误的数据块。

　　共享高速数据信道（HS-DSCH）映射的信道码资源由15个扩频因子固定为16的SF码构成。

不同移动台除了在不同时段分享信道资源外，还分享信道码资源。

信道码资源共享使系统可以在较小数据包传输时仅使用信道码集的一个子集，从而更有效地使用信道资源。

此外，信道码共享还使得终端可以从较低的数据率能力起步，逐步扩展，有利于终端的开发。

从共用信道池分配的信道码由RBS根据HS-DSCH信道业务情况每隔2ms分配一次。

与专用数据信道使用软切换不同，高速共享数据信道（HS-DSCH）间使用硬切换方式。

3.技术特点

3.1.数据业务与语音业务的技术特点

　　数据业务与语音业务具有不同的业务特性。

语音业务通常对延时敏感，对于速率恒定性要求较高，而对误码率要求则相对较弱；数据业务则相反，通常可以容忍短时延时，但对误码率要求高。

HSDPA参考cdma20001XEV-DO体制，充分考虑到数据业务特点，采用了快速链路调整技术、结合软合并的快速混合重传技术、集中调度技术等链路层调整技术。

3.1.1.快速链路调整技术

　　如前所述，数据业务与语音业务具有不同的业务特性。

语音通信系统通常采用功率控制技术以抵消信道衰落对于系统的影响，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每隔2ms就更新一次信道状况信息，因此，链路层调整单元可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---16QAM，以获得更高的频带利用率。

理论上，xQAM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，xQAM调制方法通常用于带宽受限的场合，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能相对较强，可以得到xQAM调制方法带来的好处。

　　此外，WCDMA是语音数据合一型系统，在保证语音业务所需的公共以及专用信道所需的功率外，可以将剩余功率全部用于HS-DSCH，以充分利用基站功率。

3.1.2结合软合并的混合重传（HARQ）技术

　　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。

3.1.3集中调度技术

　　集中调度技术是决定HSDPA性能的关键因素。

cdma20001XEV-DO以及HSDPA追求的是系统级的最优，如最大扇区通过率，集中调度机制使得系统可以根据所有用户的情况决定哪个用户可以使用信道，以何种速率使用信道。

集中调度技术使得信道总是为与信道状况相匹配的用户所使用，从而最大限度地提高信道利用率。

　　信道状况的变化有慢衰落与快衰落两类。

慢衰落主要受终端与基站间距离影响，而快衰落则主要受多径效应影响。

数据速率相应于信道的这两种变化也存在短时抖动与长时变化。

数据业务对于短时抖动相对可以容忍，但对于长时抖动要求则较严。

好的调度算法既要充分利用短时抖动特性，也要保证不同用户的长时公平性。

亦即，既要使得最能充分利用信道的用户使用信道以提高系统吞吐率，也要使得信道条件相对不好的用户在一定时间内能够使用信道，也保证业务连续性。

　　常用的调度算法包括比例公平算法、乒乓算法、最大CIR算法。

乒乓算法不考虑信道变化情况；比例公平算法既利用短时抖动特性也保证一定程度的长时公平性；最大CIR算法使得信道条件较好的少数用户可以得到较高的吞吐率，多数用户则有可能得不到系统服务。

　　对系统性能的影响HSDPA对系统性能的影响包括两个业务与系统吞吐率两个层面。

快速链路层调整技术最大限度地利用了信道条件，并使得基站以接近最大功率发射信号；集中调度技术使得系统获得系统级的多用户分集好处；高阶调制技术则提高了频谱利用率以及数据速率。

这些技术的综合使用使得系统的吞吐率获得显著提高。

同时，用户速率的提高以及HARQ技术的使用使得TCP/UDP性能得到改善，从而提高了业务性能。

但是，业务性能的提高程度与业务模型有关。

　　作为WCDMAR5版本高速数据业务增强技术，HSDPA通过采用时分共享信道以及快速链路调整、集中调度、HARQ等技术提高了系统的数据吞吐率以及业务性能，同时保证系统的前向兼容，除在RBS增加相应的MAC模块外，不对系统结构带来其它影响，从而有利于系统的灵活部署。

3.2.无线接口技术运用特点：

　　为改善WCDMA系统性能，HSDPA在无线接口上作出了大量变化，这主要影响到物理层和传输层：

　　缩短了无线电帧；新的高速下行信道；除QPSK调制外，还使用了16QAM调制；码分复用和时分复用相结合；新的上行控制信道；采用自适应调制和编码（AMC）实现快速链路适配；使用混合自动重复请求HARQ）。

介质访问控制（MAC）调度功能转移到Node-B上。

　　HSDPA无线帧（在WCDMA结构中实际是子帧）长2ms，相当于目前定义的三个WCDMA时隙。

一个10msWCDMA帧中有五个HSDPA子帧。

用户数据传输可以在更短的时长内分配给一条或多条物理信道。

从而允许网络在时域及在码域中重新调节其资源配置。

3.2.1下行传输信道编码

　　HS-DSCH从WCDMAR99引入的下行共享信道（DSCH）演变而来，允许在时间上复用不同的用户传输。

为有效实现更高的数据速率和更高的频谱效率，DSCH中的快速功率控制和可变展宽系数在R5中被代之以HS-DSCH上的短分组长度、多码操作和AMC以及HARQ等技术。

　　根据R991/3增强编码器，信道编码一直采用1/3速率。

但是，根据两阶段HARQ速率匹配流程中应用的参数，有效的码速率会变化。

　　在这一过程中，信道编码器输出上的位数与HS-DSCH上映射的HS-PDSCH的总位数相匹配。

HARQ功能通过冗余版本（RV）参数控制。

输出上确切的位集取决于输入位数、输出位数和RV参数。

在使用一个以上的HS-PDSCH时，物理信道分段功能在不同物理信道之间划分比特位。

它对每条物理信道单独进行交织。

　　HSDPA采用正交相移键控调制（WCDMA中规定的技术），在无线电条件良好时，采用16正交幅度调制（16QAM）。

3.2.2下行物理信道结构

　　物理信道的第一个时隙承载HS-PDSCH接收的关键信息，如信道化代码集和调制方案。

在收到第一个时隙后，UE只有一个时隙解码信息，准备接收HS-PDSCH。

　　映射到一个HS-DSCH上的HS-PDSCHs（或码信道）数量可能会在1-15之间明显变化。

它使用正交可变展宽系数（OVSF）代码。

多码数量和从给定HS-DSCH上映射的HS-PDSCH的相应偏置信息在HS-SCCH上传送。

偏置（0）时的多码（P）分配如下：

　　Cch，16，0…Cch，16，O+P-1。

第二个时隙和第三个时隙承载HS-DSCH信道编码信息，如传输码组长度、HARQ信息、RV和星座版本及新的数据指示符。

使用16位UE标识涵盖三个时隙的数据。

3.2.3自适应调制和编码

　　链路适配是HSDPA改善数据吞吐量的一种重要途径。

采用的技术是自适应调制和编码（AMC）。

在每个用户传输过程中，把系统的调制编码方案与平均信道条件相匹配。

传输的信号功率在子帧周期期间保持不变，它改变调制和编码格式，以与当前收到的信号质量或信号条件相匹配。

在这种情况下，BTS附近地区的用户一般会配置速率较高的高阶调制（例如，有效码速率为O.89的16QAM），但随着距BTS的距离增大，调制阶和码速率将下降。

如前所述，可以采用1/3码速增强编码，通过各种速率匹配参数获得不同的有效码速率。

　　3.2.4混合ARQ

　　混合自动重复请求（HARQ）技术把前馈纠错（FEC）和ARQ方法结合在一起，保存以前尝试失败中的信息，用于未来解码中。

HARQ是一种暗示链路适配技术。

AMC采用明示的C/I或类似措施，设置调制和编码格式，而HARQ则采用链路层确认制定重传决策。

从另一个角度讲，AMC提供了粗数据速率选择，而HARQ则根据信道条件提供数据速率微调功能。

3.2.5分组调度功能

　　除信道编码及物理层和传输层变化外，HSDPA还实现了另一个变化，以支持快速传送分组。

它把分组调试功能从网络控制器移到了Node-B（BTS）中的MAC层。

　　分组调度算法考虑无线信道条件（根据涉及的所有UE的CQI）和传输到不同用户的数据数量。

3.3.技术实际运用上的表现：

　　3.3.1.高速数据传输和大用户容量

　　通过实施若干快速而复杂的信道控制机制，包括物理层短帧、自适应编码调制（AMC）、快速混合自动重传技术（Hybrid-ARQ）和快速调度技术，HSDPA使峰值数据传输速率达到10Mbps，改善了最终用户使用数据下载服务的体验，缩短了连接与应答的时间。

更为重要的是，HSDPA使分区数据吞吐量增加了三至五倍，这便可以在不占用更多网络资源的基础上大幅度增加用户数量。

　　3.3.2.支持服务质量水平控制

　　HSDPA较高的吞吐量和峰值数据传输速率有助于激励和促进WCDMA所不支持的数据密集型应用的发展。

事实上，HSDPA可以更加有效地实施由3GPP标准化的服务质量水平（QoS）控制，通信网络可以更加智能地对不同优先级的应用与服务进行排序与资源调拨，首先保证话音通信的质量，其次保证对于实时性要求较高的应用的数据传输需求如实时视频、网络游戏等，而网页浏览、下载等应用的数据传输则可以设置为较低的优先级。

通过这样的QoS管理，HSDPA可以根据用户业务的需求，做不同的网络安排并进行网络容量分配，更有效地支持和管理多种多样的实时高速数据传输业务。

　　3.3.3.后向兼容，无缝建设

　　HSDPA的另一个重要优点是WCDMAR’99的后向兼容性，运营商可以根据网络建设发展的需要进行逐级部署，而不会对现有的WCDMA用户造成影响。

　　3.3.4.低成本网络部署

　　此外，运营商还将体验到HSDPA的低成本所带来强大的竞争优势。

由于HSDPA网络建设所带来的成本主要用于基站（NodeBs或BTS）和无线网络控制系统（RNC）的软/硬件升级，因此HSDPA的部署具备很高的性价比。

事实上，在用户密度高、用户数据处理量大的城市环境中，通过HSDPA网络传输1兆字节的数据成本只需3美分，而WCDMA网络则需要7美分。

以较低的用户成本支持广泛的多媒体应用、服务内容和诱人功能的能力可以使早期采用该技术的运营商脱颖于其他竞争对手，增加已有用户的业务量和新用户的数量，提高数据市场占有率和盈利能力。

4.前景分析

　　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。

　　目前，大多数WCDMA厂商都在积极参与HSDPA技术的探讨和设备的研发，不少厂家已经实验室实验，系统集成测试，开始进入场地测试。

一般认为HSDPA将在2006年开始商业部署。

　　数据传输的成本定义为网络运营成本和资本折旧的总合。

网络开销在很大程度上决定于基站的总体分区吞吐量。

假定每个基站的成本一定的话，那么通过一个基站传输的数据量越大，传送每兆字节数据的成本就越低。

与EDGE和WCDMA相比，HSDPA在频谱效率方面的改进降低了每个兆比特数据的传输成本，成本从使用EDGE时的大约11美分每MB下降到使用HSDPA后的不到3美分每MB。

这样以来，运营商就可以以较低的价格向更广大的用户群提供内容更广泛的服务。

　　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的日益高涨的需求。

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和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等。

4.1.HSDPA的进一步发展

　　随着均等化和先进的多入多出（MIMO）等新功能和新技术的引进，可以预见，HSDPA性能将继续改进和提高。

　　前面所述HSDPA的各种优点之所以适用于下行链路，是因为人们所期待的3G数据业务在初始阶段大部分要靠下行链路驱动，如流媒体观看、应用和内容下载等等。

HSDPA的新版本将包括对上行链路进行强化，这被称作增强的上行链路（EUL）。

EUL的标准化正在进行之中，将在2004年12月份完成。

　　上行链路分区的吞吐量提高50%到70%。

　　用户分组时延减少20%到55%。

　　用户分组呼叫吞吐量增加50%。

4.2.HSDPA对移动宽带发展的影响

　　高速下行分组接入，即HSDPA（HighSpeedDownloadPacketAccess）是基于WCDMA的移动宽带解决方案，在WCDMA的无线接入部分增加相应基带处理功能，即可将WCDMA系统下行速率大幅度提升，峰值速率可达14Mb/s，同时增加系统容量并大大降低时延。

4.2.1.后3G时代的到来

　　截至2004年底，全球移动用户数已达到17亿，其中75％为GSM用户，在全球26个国家和地区中的60个3G/WCDMA网络已经商用，用户数超过1600万。

　　如果说WCDMA作为GSM的演进正在步入成熟期，那么HSDPA作为WCDMA的演进正成为业界关注的焦点，全球范围内已经商用3G（WCDMA）和准备商用3G（WCDMA）的运营商，更表现出对HSDPA的极大兴趣。

　　最先吃WCDMA这只螃蟹的日本运营商NTTDoCoMo目前拥有全球50％的WCDMA用户，但DoCoMo并不满足于3G的领先优势，正在紧锣密鼓地准备HSDPA的商用。

美国移动运营商Cingular在成功并购了AT＆TWireless之后，也将HSDPA列入商业化进程，其WCDMA/HSDPA网络正在建设当中。

其他知名的移动运营商包括沃达丰、和记黄埔“3”、西班牙电信等都在不同程度地进行HSDPA试验。

　　4.2.2.HSDPA——3G/WCDMA移动运营商的必然选择

　　目前，Wi－Fi、CDMA20001xEV－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384kbps提升到14Mbps，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。

4.2.3.HSDPA——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，使目前移动业务以话音业务收入为主转为以数据业务收入为主。

4.2.4.HSDPA——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表示将推出支持HSDPA的产品。

　　从商用的角度看，今年下半年将出现HSDPA商用终端，用于HSDPA的首批终端将是易于安装和使用的HSDPAPC