HSDPA中的關(guān)鍵技術(shù)及特性分析
http://www.dcyhziu.cn 2007/6/5 源自:中華職工學(xué)習(xí)網(wǎng) 【字體：
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目前,移動通信領(lǐng)域中存在各種無線接入技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn),3GPP協(xié)議的R99版本和R4版本可以提供最高2Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率,3GPP2協(xié)議的EV-DO版本則可以提供最大2.4Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率,WiMAX(802.16e)技術(shù)則將提高數(shù)據(jù)傳輸速率到30Mbps。因此為了使WCDMA可以與其他技術(shù)相抗衡,WCDMA引入了HSDPA(High Speed Downlink Packet Access)技術(shù),使之可以支持高達(dá)14.4Mbps的下行峰值速率。HSDPA 可以作為WCDMA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)后期提高下行容量和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率的一種重要技術(shù)。本文主要討論HSDPA技術(shù)特征與性能,同時(shí)與WiMAX無線接入技術(shù)進(jìn)行了一定的比較,從而期望獲得對HSDPA更清晰的認(rèn)識。
HSDPA協(xié)議棧結(jié)構(gòu)
3GPP中對于HSDPA協(xié)議規(guī)范的描述主要在25.855、25.950和25.308中,下圖給出了HSDPA無線接口協(xié)議結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出,NodeB中新增加了MAC層的功能,增加了MAC-hs功能模塊,MAC-hs主要完成HARQ功能、調(diào)度和優(yōu)先級處理。RNC繼續(xù)保留原有的R99/R4的功能,包括RLC層的重傳控制,而HARQ的重傳機(jī)制在物理層和MAC層中實(shí)現(xiàn)。
HSDPA中的關(guān)鍵技術(shù)
眾所周知,WCDMA中采用了可變SF技術(shù)和功率控制技術(shù)來克服CDMA的遠(yuǎn)近效應(yīng),但是HSDPA沒有采用R99版本中的鏈路自適應(yīng)技術(shù),而采用了自適應(yīng)調(diào)節(jié)速度更快的自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)(AMC, adaptive modulation and coding)、混合自動重傳(HARQ, hybrid ARQ)和快速資源調(diào)度算法,這主要是為了達(dá)到高速下行分組數(shù)據(jù)速率和減少時(shí)延的目的。
1.自適應(yīng)編碼調(diào)制(AMC)
AMC是根據(jù)無線信道變化選擇合適的調(diào)制和編碼方式,網(wǎng)絡(luò)側(cè)根據(jù)用戶瞬時(shí)信道質(zhì)量狀況和目前無線資源,選擇最合適的下行鏈路調(diào)制和編碼方式,使用戶達(dá)到盡量高的數(shù)據(jù)吞吐率。當(dāng)用戶處于有利的通信地點(diǎn)時(shí)(如靠近NodeB或存在視距鏈路),用戶數(shù)據(jù)發(fā)送可以采用高階調(diào)制和高速率的信道編碼方式,例如:16QAM和3/4編碼速率,從而得到高的峰值速率;而當(dāng)用戶處于不利的通信地點(diǎn)時(shí)(如位于小區(qū)邊緣或者信道深衰落),網(wǎng)絡(luò)側(cè)則選取低階調(diào)制方式和低速率的信道編碼方案,例如:QPSK和1/4編碼速率,來保證通信質(zhì)量。
2.HARQ技術(shù)
HARQ是HSDPA系統(tǒng)中采用的又一種新技術(shù),它可以提高系統(tǒng)性能,并可靈活地調(diào)整有效編碼速率,還可以補(bǔ)償由于采用鏈路適配所帶來的誤碼。HSDPA將AMC和HARQ技術(shù)結(jié)合起來可以達(dá)到更好的鏈路自適應(yīng)效果。HSDPA先通過AMC提供粗略的數(shù)據(jù)速率選擇方案,然后再使用HARQ技術(shù)來提供精確的速率調(diào)節(jié),從而提高自適應(yīng)調(diào)節(jié)的精度和提高資源利用率。HARQ機(jī)制本身的定義是將FEC和ARQ結(jié)合起來的一種差錯控制方案,HARQ機(jī)制的形式很多,而HSDPA技術(shù)中主要是采用三種遞增冗余的HARQ機(jī)制:TYPE-I HARQ,TYPE-II HARQ,TYPE-III HARQ。其中:
TYPE-I HARQ:主要采用了chase合并算法,這種算法是chase博士在1985年提出,發(fā)送方每次都發(fā)送整個(gè)完整的編碼碼字,接收端將每次收到的數(shù)據(jù)包與之前收到的所有數(shù)據(jù)包進(jìn)行chase合并,組合成一個(gè)具有更強(qiáng)糾錯能力的碼字,從而達(dá)到遞增冗余的目的。
TYPE-II HARQ:又稱為完全遞增冗余機(jī)制,這種機(jī)制在1988年被首次提出,系統(tǒng)信息經(jīng)過編碼后,將編碼比特按照一定的周期穿孔,根據(jù)碼率兼容原則分批發(fā)送給接收端,接收端每次都進(jìn)行碼組合,將之前接收的所有比特組合形成更低碼率的碼字,從而達(dá)到遞增冗余的目的。
TYPE-III HARQ:又稱為部分遞增冗余機(jī)制,這種方案與TYPE-II的主要區(qū)別在于,發(fā)送端每次發(fā)送的碼字都是可以獨(dú)立譯碼的碼字,重傳包不但包含與之前幀不同的冗余比特,還包含所有的系統(tǒng)比特。接收機(jī)每次也同樣進(jìn)行碼組合,由于重傳包中含有增加的冗余比特,同時(shí)系統(tǒng)比特每次都進(jìn)行了優(yōu)化選擇,從而達(dá)到了遞增冗余的目的。
HSDPA中采用的重傳協(xié)議為stop-and-wait(SAW)協(xié)議,這種機(jī)制簡單可靠,同時(shí)降低了對于接收機(jī)的緩存空間的要求,但是信道利用效率較低,為了避免這種不利,HSDPA采用了N channel SAW協(xié)議,這種方案是發(fā)送端在信道上并行地運(yùn)行N套不同的SAW協(xié)議,利用不同信道間的間隙來交錯地傳遞數(shù)據(jù)和信令,從而提高了信道利用率。
3.快速調(diào)度
調(diào)度算法控制著共享資源的分配,在很大程度上決定了整個(gè)系統(tǒng)的行為。調(diào)度時(shí)應(yīng)主要基于信道條件,同時(shí)考慮等待發(fā)射的數(shù)據(jù)量與可分配資源的關(guān)系、UE的能力級和緩沖器狀態(tài)以及業(yè)務(wù)優(yōu)先級等情況,并充分發(fā)揮AMC和HARQ的能力。調(diào)度算法應(yīng)向瞬間具有最好信道條件的用戶發(fā)射數(shù)據(jù),這樣在每個(gè)瞬間都可以達(dá)到最高的用戶數(shù)據(jù)速率和最大的數(shù)據(jù)吞吐量,但同時(shí)還要兼顧每個(gè)用戶的等級和公平性。HSDPA技術(shù)為了能更好地適應(yīng)信道的快速變化,將調(diào)度功能單元放在NodeB而不是RNC,同時(shí)也將TTI縮短到2ms(3個(gè)時(shí)隙),這使得在重傳過程中對于終端和NodeB之間的往返時(shí)延能夠更小。
HSDPA性能
使用HSDPA技術(shù)的小區(qū)數(shù)據(jù)吞吐量與小區(qū)內(nèi)、小區(qū)間的干擾分布,信道的時(shí)間色散特性,系統(tǒng)中無線資源管理算法的準(zhǔn)確性和合理性,終端的檢測性能和多碼支持程度等都有著直接、密切的關(guān)系。對于宏蜂窩的情況,時(shí)延擴(kuò)展和其他小區(qū)干擾可能限制HSDPA小區(qū)容量到達(dá)其峰值,但是由于HARQ提高了譜效率、更強(qiáng)大的編碼方案、高分辨率的多碼傳輸?shù)燃夹g(shù),還是可以明顯的提高小區(qū)的吞吐量。對于微蜂窩的情況,由于鏈路自適應(yīng)技術(shù)和高效編碼調(diào)制可以更充分的利用有利的信道環(huán)境,用戶峰值速率迅速提高,所以HSDPA的增益可以超過200%,大大提高了小區(qū)的數(shù)據(jù)吞吐量。HSDPA在不同調(diào)制和編碼配置下的速率(不包含開銷)如下表:
通過以上對HSDPA技術(shù)性能分析可以看出,HSDPA技術(shù)作為WCDMA的增強(qiáng)型無線技術(shù)將提高系統(tǒng)的頻譜效率和碼資源效率,是一種提升網(wǎng)絡(luò)性能和容量的有效方式。為了使HSDPA可以盡可能多地承載各種類型的業(yè)務(wù),保證各種業(yè)務(wù)類型的QoS,HSDPA的分組調(diào)度不再由RNC負(fù)責(zé),而是改由NodeB來直接管理,這樣可以使資源調(diào)度更接近空中接口,緩解Iub信令產(chǎn)生的延遲限制。更快的調(diào)度方式使得不需要通過DCH承載,就可以采用分組調(diào)度提供恒定比特速率的業(yè)務(wù),所以HSDPA不僅能有效地支持Interactive,Background等非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù),同樣可以用于支持某些實(shí)時(shí)業(yè)務(wù),如Streaming業(yè)務(wù)等。
HSDPA對于無線網(wǎng)絡(luò)的影響
WCDMA從R5開始引入HSDPA,其目的是為了適應(yīng)未來大量的移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而在無線接口增加下行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率。引入HSDPA后,無線部分的總體結(jié)構(gòu)雖與R99基本一致,但仍存在部分差異。在R99系統(tǒng)中引入HSDPA技術(shù),在MAC層新增了MAC-hs實(shí)體,MAC-hs位于NodeB而不位于RNC,其作用主要是負(fù)責(zé)處理HARQ操作以及快速調(diào)度算法。HSDPA在R99的UTRAN增加了三個(gè)新的物理信道.
HSDPA協(xié)議棧結(jié)構(gòu)
3GPP中對于HSDPA協(xié)議規(guī)范的描述主要在25.855、25.950和25.308中,下圖給出了HSDPA無線接口協(xié)議結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出,NodeB中新增加了MAC層的功能,增加了MAC-hs功能模塊,MAC-hs主要完成HARQ功能、調(diào)度和優(yōu)先級處理。RNC繼續(xù)保留原有的R99/R4的功能,包括RLC層的重傳控制,而HARQ的重傳機(jī)制在物理層和MAC層中實(shí)現(xiàn)。
HSDPA中的關(guān)鍵技術(shù)
眾所周知,WCDMA中采用了可變SF技術(shù)和功率控制技術(shù)來克服CDMA的遠(yuǎn)近效應(yīng),但是HSDPA沒有采用R99版本中的鏈路自適應(yīng)技術(shù),而采用了自適應(yīng)調(diào)節(jié)速度更快的自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)(AMC, adaptive modulation and coding)、混合自動重傳(HARQ, hybrid ARQ)和快速資源調(diào)度算法,這主要是為了達(dá)到高速下行分組數(shù)據(jù)速率和減少時(shí)延的目的。
1.自適應(yīng)編碼調(diào)制(AMC)
AMC是根據(jù)無線信道變化選擇合適的調(diào)制和編碼方式,網(wǎng)絡(luò)側(cè)根據(jù)用戶瞬時(shí)信道質(zhì)量狀況和目前無線資源,選擇最合適的下行鏈路調(diào)制和編碼方式,使用戶達(dá)到盡量高的數(shù)據(jù)吞吐率。當(dāng)用戶處于有利的通信地點(diǎn)時(shí)(如靠近NodeB或存在視距鏈路),用戶數(shù)據(jù)發(fā)送可以采用高階調(diào)制和高速率的信道編碼方式,例如:16QAM和3/4編碼速率,從而得到高的峰值速率;而當(dāng)用戶處于不利的通信地點(diǎn)時(shí)(如位于小區(qū)邊緣或者信道深衰落),網(wǎng)絡(luò)側(cè)則選取低階調(diào)制方式和低速率的信道編碼方案,例如:QPSK和1/4編碼速率,來保證通信質(zhì)量。
2.HARQ技術(shù)
HARQ是HSDPA系統(tǒng)中采用的又一種新技術(shù),它可以提高系統(tǒng)性能,并可靈活地調(diào)整有效編碼速率,還可以補(bǔ)償由于采用鏈路適配所帶來的誤碼。HSDPA將AMC和HARQ技術(shù)結(jié)合起來可以達(dá)到更好的鏈路自適應(yīng)效果。HSDPA先通過AMC提供粗略的數(shù)據(jù)速率選擇方案,然后再使用HARQ技術(shù)來提供精確的速率調(diào)節(jié),從而提高自適應(yīng)調(diào)節(jié)的精度和提高資源利用率。HARQ機(jī)制本身的定義是將FEC和ARQ結(jié)合起來的一種差錯控制方案,HARQ機(jī)制的形式很多,而HSDPA技術(shù)中主要是采用三種遞增冗余的HARQ機(jī)制:TYPE-I HARQ,TYPE-II HARQ,TYPE-III HARQ。其中:
TYPE-I HARQ:主要采用了chase合并算法,這種算法是chase博士在1985年提出,發(fā)送方每次都發(fā)送整個(gè)完整的編碼碼字,接收端將每次收到的數(shù)據(jù)包與之前收到的所有數(shù)據(jù)包進(jìn)行chase合并,組合成一個(gè)具有更強(qiáng)糾錯能力的碼字,從而達(dá)到遞增冗余的目的。
TYPE-II HARQ:又稱為完全遞增冗余機(jī)制,這種機(jī)制在1988年被首次提出,系統(tǒng)信息經(jīng)過編碼后,將編碼比特按照一定的周期穿孔,根據(jù)碼率兼容原則分批發(fā)送給接收端,接收端每次都進(jìn)行碼組合,將之前接收的所有比特組合形成更低碼率的碼字,從而達(dá)到遞增冗余的目的。
TYPE-III HARQ:又稱為部分遞增冗余機(jī)制,這種方案與TYPE-II的主要區(qū)別在于,發(fā)送端每次發(fā)送的碼字都是可以獨(dú)立譯碼的碼字,重傳包不但包含與之前幀不同的冗余比特,還包含所有的系統(tǒng)比特。接收機(jī)每次也同樣進(jìn)行碼組合,由于重傳包中含有增加的冗余比特,同時(shí)系統(tǒng)比特每次都進(jìn)行了優(yōu)化選擇,從而達(dá)到了遞增冗余的目的。
HSDPA中采用的重傳協(xié)議為stop-and-wait(SAW)協(xié)議,這種機(jī)制簡單可靠,同時(shí)降低了對于接收機(jī)的緩存空間的要求,但是信道利用效率較低,為了避免這種不利,HSDPA采用了N channel SAW協(xié)議,這種方案是發(fā)送端在信道上并行地運(yùn)行N套不同的SAW協(xié)議,利用不同信道間的間隙來交錯地傳遞數(shù)據(jù)和信令,從而提高了信道利用率。
3.快速調(diào)度
調(diào)度算法控制著共享資源的分配,在很大程度上決定了整個(gè)系統(tǒng)的行為。調(diào)度時(shí)應(yīng)主要基于信道條件,同時(shí)考慮等待發(fā)射的數(shù)據(jù)量與可分配資源的關(guān)系、UE的能力級和緩沖器狀態(tài)以及業(yè)務(wù)優(yōu)先級等情況,并充分發(fā)揮AMC和HARQ的能力。調(diào)度算法應(yīng)向瞬間具有最好信道條件的用戶發(fā)射數(shù)據(jù),這樣在每個(gè)瞬間都可以達(dá)到最高的用戶數(shù)據(jù)速率和最大的數(shù)據(jù)吞吐量,但同時(shí)還要兼顧每個(gè)用戶的等級和公平性。HSDPA技術(shù)為了能更好地適應(yīng)信道的快速變化,將調(diào)度功能單元放在NodeB而不是RNC,同時(shí)也將TTI縮短到2ms(3個(gè)時(shí)隙),這使得在重傳過程中對于終端和NodeB之間的往返時(shí)延能夠更小。
HSDPA性能
使用HSDPA技術(shù)的小區(qū)數(shù)據(jù)吞吐量與小區(qū)內(nèi)、小區(qū)間的干擾分布,信道的時(shí)間色散特性,系統(tǒng)中無線資源管理算法的準(zhǔn)確性和合理性,終端的檢測性能和多碼支持程度等都有著直接、密切的關(guān)系。對于宏蜂窩的情況,時(shí)延擴(kuò)展和其他小區(qū)干擾可能限制HSDPA小區(qū)容量到達(dá)其峰值,但是由于HARQ提高了譜效率、更強(qiáng)大的編碼方案、高分辨率的多碼傳輸?shù)燃夹g(shù),還是可以明顯的提高小區(qū)的吞吐量。對于微蜂窩的情況,由于鏈路自適應(yīng)技術(shù)和高效編碼調(diào)制可以更充分的利用有利的信道環(huán)境,用戶峰值速率迅速提高,所以HSDPA的增益可以超過200%,大大提高了小區(qū)的數(shù)據(jù)吞吐量。HSDPA在不同調(diào)制和編碼配置下的速率(不包含開銷)如下表:
通過以上對HSDPA技術(shù)性能分析可以看出,HSDPA技術(shù)作為WCDMA的增強(qiáng)型無線技術(shù)將提高系統(tǒng)的頻譜效率和碼資源效率,是一種提升網(wǎng)絡(luò)性能和容量的有效方式。為了使HSDPA可以盡可能多地承載各種類型的業(yè)務(wù),保證各種業(yè)務(wù)類型的QoS,HSDPA的分組調(diào)度不再由RNC負(fù)責(zé),而是改由NodeB來直接管理,這樣可以使資源調(diào)度更接近空中接口,緩解Iub信令產(chǎn)生的延遲限制。更快的調(diào)度方式使得不需要通過DCH承載,就可以采用分組調(diào)度提供恒定比特速率的業(yè)務(wù),所以HSDPA不僅能有效地支持Interactive,Background等非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù),同樣可以用于支持某些實(shí)時(shí)業(yè)務(wù),如Streaming業(yè)務(wù)等。
HSDPA對于無線網(wǎng)絡(luò)的影響
WCDMA從R5開始引入HSDPA,其目的是為了適應(yīng)未來大量的移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而在無線接口增加下行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率。引入HSDPA后,無線部分的總體結(jié)構(gòu)雖與R99基本一致,但仍存在部分差異。在R99系統(tǒng)中引入HSDPA技術(shù),在MAC層新增了MAC-hs實(shí)體,MAC-hs位于NodeB而不位于RNC,其作用主要是負(fù)責(zé)處理HARQ操作以及快速調(diào)度算法。HSDPA在R99的UTRAN增加了三個(gè)新的物理信道.
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