HSDPA中的關鍵技術及特性分析
http://www.dcyhziu.cn 2007/6/5 源自:中華職工學習網 【字體：
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目前,移動通信領域中存在各種無線接入技術與標準,3GPP協議的R99版本和R4版本可以提供最高2Mbps的數據傳輸速率,3GPP2協議的EV-DO版本則可以提供最大2.4Mbps的數據傳輸速率,WiMAX(802.16e)技術則將提高數據傳輸速率到30Mbps。因此為了使WCDMA可以與其他技術相抗衡,WCDMA引入了HSDPA(High Speed Downlink Packet Access)技術,使之可以支持高達14.4Mbps的下行峰值速率。HSDPA 可以作為WCDMA網絡建設后期提高下行容量和數據業務速率的一種重要技術。本文主要討論HSDPA技術特征與性能,同時與WiMAX無線接入技術進行了一定的比較,從而期望獲得對HSDPA更清晰的認識。
HSDPA協議棧結構
3GPP中對于HSDPA協議規范的描述主要在25.855、25.950和25.308中,下圖給出了HSDPA無線接口協議結構。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、調度和優先級處理。RNC繼續保留原有的R99/R4的功能,包括RLC層的重傳控制,而HARQ的重傳機制在物理層和MAC層中實現。
HSDPA中的關鍵技術
眾所周知,WCDMA中采用了可變SF技術和功率控制技術來克服CDMA的遠近效應,但是HSDPA沒有采用R99版本中的鏈路自適應技術,而采用了自適應調節速度更快的自適應編碼調制技術(AMC, adaptive modulation and coding)、混合自動重傳(HARQ, hybrid ARQ)和快速資源調度算法,這主要是為了達到高速下行分組數據速率和減少時延的目的。
1.自適應編碼調制(AMC)
AMC是根據無線信道變化選擇合適的調制和編碼方式,網絡側根據用戶瞬時信道質量狀況和目前無線資源,選擇最合適的下行鏈路調制和編碼方式,使用戶達到盡量高的數據吞吐率。當用戶處于有利的通信地點時(如靠近NodeB或存在視距鏈路),用戶數據發送可以采用高階調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;而當用戶處于不利的通信地點時(如位于小區邊緣或者信道深衰落),網絡側則選取低階調制方式和低速率的信道編碼方案,例如:QPSK和1/4編碼速率,來保證通信質量。
2.HARQ技術
HARQ是HSDPA系統中采用的又一種新技術,它可以提高系統性能,并可靈活地調整有效編碼速率,還可以補償由于采用鏈路適配所帶來的誤碼。HSDPA將AMC和HARQ技術結合起來可以達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技術來提供精確的速率調節,從而提高自適應調節的精度和提高資源利用率。HARQ機制本身的定義是將FEC和ARQ結合起來的一種差錯控制方案,HARQ機制的形式很多,而HSDPA技術中主要是采用三種遞增冗余的HARQ機制: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,發送方每次都發送整個完整的編碼碼字,接收端將每次收到的數據包與之前收到的所有數據包進行chase合并,組合成一個具有更強糾錯能力的碼字,從而達到遞增冗余的目的。
TYPE-II HARQ:又稱為完全遞增冗余機制,這種機制在1988年被首次提出,系統信息經過編碼后,將編碼比特按照一定的周期穿孔,根據碼率兼容原則分批發送給接收端,接收端每次都進行碼組合,將之前接收的所有比特組合形成更低碼率的碼字,從而達到遞增冗余的目的。
TYPE-III HARQ:又稱為部分遞增冗余機制,這種方案與TYPE-II的主要區別在于,發送端每次發送的碼字都是可以獨立譯碼的碼字,重傳包不但包含與之前幀不同的冗余比特,還包含所有的系統比特。接收機每次也同樣進行碼組合,由于重傳包中含有增加的冗余比特,同時系統比特每次都進行了優化選擇,從而達到了遞增冗余的目的。
HSDPA中采用的重傳協議為stop-and-wait(SAW)協議,這種機制簡單可靠,同時降低了對于接收機的緩存空間的要求,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協議,這種方案是發送端在信道上并行地運行N套不同的SAW協議,利用不同信道間的間隙來交錯地傳遞數據和信令,從而提高了信道利用率。
3.快速調度
調度算法控制著共享資源的分配,在很大程度上決定了整個系統的行為。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的能力級和緩沖器狀態以及業務優先級等情況,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,但同時還要兼顧每個用戶的等級和公平性。HSDPA技術為了能更好地適應信道的快速變化,將調度功能單元放在NodeB而不是RNC,同時也將TTI縮短到2ms(3個時隙),這使得在重傳過程中對于終端和NodeB之間的往返時延能夠更小。
HSDPA性能
使用HSDPA技術的小區數據吞吐量與小區內、小區間的干擾分布,信道的時間色散特性,系統中無線資源管理算法的準確性和合理性,終端的檢測性能和多碼支持程度等都有著直接、密切的關系。對于宏蜂窩的情況,時延擴展和其他小區干擾可能限制HSDPA小區容量到達其峰值,但是由于HARQ提高了譜效率、更強大的編碼方案、高分辨率的多碼傳輸等技術,還是可以明顯的提高小區的吞吐量。對于微蜂窩的情況,由于鏈路自適應技術和高效編碼調制可以更充分的利用有利的信道環境,用戶峰值速率迅速提高,所以HSDPA的增益可以超過200%,大大提高了小區的數據吞吐量。HSDPA在不同調制和編碼配置下的速率(不包含開銷)如下表:
通過以上對HSDPA技術性能分析可以看出,HSDPA技術作為WCDMA的增強型無線技術將提高系統的頻譜效率和碼資源效率,是一種提升網絡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務,保證各種業務類型的QoS,HSDPA的分組調度不再由RNC負責,而是改由NodeB來直接管理,這樣可以使資源調度更接近空中接口,緩解Iub信令產生的延遲限制。更快的調度方式使得不需要通過DCH承載,就可以采用分組調度提供恒定比特速率的業務,所以HSDPA不僅能有效地支持Interactive,Background等非實時業務,同樣可以用于支持某些實時業務,如Streaming業務等。
HSDPA對于無線網絡的影響
WCDMA從R5開始引入HSDPA,其目的是為了適應未來大量的移動數據業務而在無線接口增加下行鏈路的數據傳輸速率。引入HSDPA后,無線部分的總體結構雖與R99基本一致,但仍存在部分差異。在R99系統中引入HSDPA技術,在MAC層新增了MAC-hs實體,MAC-hs位于NodeB而不位于RNC,其作用主要是負責處理HARQ操作以及快速調度算法。HSDPA在R99的UTRAN增加了三個新的物理信道.
HSDPA協議棧結構
3GPP中對于HSDPA協議規范的描述主要在25.855、25.950和25.308中,下圖給出了HSDPA無線接口協議結構。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、調度和優先級處理。RNC繼續保留原有的R99/R4的功能,包括RLC層的重傳控制,而HARQ的重傳機制在物理層和MAC層中實現。
HSDPA中的關鍵技術
眾所周知,WCDMA中采用了可變SF技術和功率控制技術來克服CDMA的遠近效應,但是HSDPA沒有采用R99版本中的鏈路自適應技術,而采用了自適應調節速度更快的自適應編碼調制技術(AMC, adaptive modulation and coding)、混合自動重傳(HARQ, hybrid ARQ)和快速資源調度算法,這主要是為了達到高速下行分組數據速率和減少時延的目的。
1.自適應編碼調制(AMC)
AMC是根據無線信道變化選擇合適的調制和編碼方式,網絡側根據用戶瞬時信道質量狀況和目前無線資源,選擇最合適的下行鏈路調制和編碼方式,使用戶達到盡量高的數據吞吐率。當用戶處于有利的通信地點時(如靠近NodeB或存在視距鏈路),用戶數據發送可以采用高階調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;而當用戶處于不利的通信地點時(如位于小區邊緣或者信道深衰落),網絡側則選取低階調制方式和低速率的信道編碼方案,例如:QPSK和1/4編碼速率,來保證通信質量。
2.HARQ技術
HARQ是HSDPA系統中采用的又一種新技術,它可以提高系統性能,并可靈活地調整有效編碼速率,還可以補償由于采用鏈路適配所帶來的誤碼。HSDPA將AMC和HARQ技術結合起來可以達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技術來提供精確的速率調節,從而提高自適應調節的精度和提高資源利用率。HARQ機制本身的定義是將FEC和ARQ結合起來的一種差錯控制方案,HARQ機制的形式很多,而HSDPA技術中主要是采用三種遞增冗余的HARQ機制: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,發送方每次都發送整個完整的編碼碼字,接收端將每次收到的數據包與之前收到的所有數據包進行chase合并,組合成一個具有更強糾錯能力的碼字,從而達到遞增冗余的目的。
TYPE-II HARQ:又稱為完全遞增冗余機制,這種機制在1988年被首次提出,系統信息經過編碼后,將編碼比特按照一定的周期穿孔,根據碼率兼容原則分批發送給接收端,接收端每次都進行碼組合,將之前接收的所有比特組合形成更低碼率的碼字,從而達到遞增冗余的目的。
TYPE-III HARQ:又稱為部分遞增冗余機制,這種方案與TYPE-II的主要區別在于,發送端每次發送的碼字都是可以獨立譯碼的碼字,重傳包不但包含與之前幀不同的冗余比特,還包含所有的系統比特。接收機每次也同樣進行碼組合,由于重傳包中含有增加的冗余比特,同時系統比特每次都進行了優化選擇,從而達到了遞增冗余的目的。
HSDPA中采用的重傳協議為stop-and-wait(SAW)協議,這種機制簡單可靠,同時降低了對于接收機的緩存空間的要求,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協議,這種方案是發送端在信道上并行地運行N套不同的SAW協議,利用不同信道間的間隙來交錯地傳遞數據和信令,從而提高了信道利用率。
3.快速調度
調度算法控制著共享資源的分配,在很大程度上決定了整個系統的行為。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的能力級和緩沖器狀態以及業務優先級等情況,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,但同時還要兼顧每個用戶的等級和公平性。HSDPA技術為了能更好地適應信道的快速變化,將調度功能單元放在NodeB而不是RNC,同時也將TTI縮短到2ms(3個時隙),這使得在重傳過程中對于終端和NodeB之間的往返時延能夠更小。
HSDPA性能
使用HSDPA技術的小區數據吞吐量與小區內、小區間的干擾分布,信道的時間色散特性,系統中無線資源管理算法的準確性和合理性,終端的檢測性能和多碼支持程度等都有著直接、密切的關系。對于宏蜂窩的情況,時延擴展和其他小區干擾可能限制HSDPA小區容量到達其峰值,但是由于HARQ提高了譜效率、更強大的編碼方案、高分辨率的多碼傳輸等技術,還是可以明顯的提高小區的吞吐量。對于微蜂窩的情況,由于鏈路自適應技術和高效編碼調制可以更充分的利用有利的信道環境,用戶峰值速率迅速提高,所以HSDPA的增益可以超過200%,大大提高了小區的數據吞吐量。HSDPA在不同調制和編碼配置下的速率(不包含開銷)如下表:
通過以上對HSDPA技術性能分析可以看出,HSDPA技術作為WCDMA的增強型無線技術將提高系統的頻譜效率和碼資源效率,是一種提升網絡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務,保證各種業務類型的QoS,HSDPA的分組調度不再由RNC負責,而是改由NodeB來直接管理,這樣可以使資源調度更接近空中接口,緩解Iub信令產生的延遲限制。更快的調度方式使得不需要通過DCH承載,就可以采用分組調度提供恒定比特速率的業務,所以HSDPA不僅能有效地支持Interactive,Background等非實時業務,同樣可以用于支持某些實時業務,如Streaming業務等。
HSDPA對于無線網絡的影響
WCDMA從R5開始引入HSDPA,其目的是為了適應未來大量的移動數據業務而在無線接口增加下行鏈路的數據傳輸速率。引入HSDPA后,無線部分的總體結構雖與R99基本一致,但仍存在部分差異。在R99系統中引入HSDPA技術,在MAC層新增了MAC-hs實體,MAC-hs位于NodeB而不位于RNC,其作用主要是負責處理HARQ操作以及快速調度算法。HSDPA在R99的UTRAN增加了三個新的物理信道.
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