宽带无线技术HSDPA

宽带无线通信技术BroadbandWirelessCommunicationTechnology李卓明HarbinInstituteofTechnologySchoolofElectr[e-mail]2020/1/2CommunicationResearchCenter1第5章HSPA技术5.1HSPA概述5.2高速下行链路分组接入（HSDPA）5.3高速上行链路分组接入（HSUPA）5.4HSPA的演进（HSPA+）2020/1/2CommunicationResearchCenter2Chapter5HSPA技术5.1HSPA概述2020/1/2CommunicationResearchCenter35.1HSPA概述WCDMA如何应对流量的飙涨？HSPA（HSDPA、HSUPA）Web1.0时代，网络上体现的特点就是下行数据流量激增，而上行流量的增长曲线要平滑得多。移动网络下行流量的飞速增长催生了HSDPA（Highspeeddownlinkpacketaccess，高速下行链路分组接入）。Web2.0时代，出现了了上行流量的爆炸性增长。随着Twitter和微博的兴起，在移动网上这种趋势也越发明显，HSUPA（Highspeeduplinkpacketaccess，高速上行链路分组接入）也开始换发强大的生命力。无线宽带再提速–HSPA+2020/1/2CommunicationResearchCenter4Web1.0是拨号上网，50K平均带宽，Web2.0是1M平均宽带，那Web3.0就该是10M带宽，全视频的网络，这才感觉像Web3.0。”──ReedHastingsWeb1.0：群雄并起、逐鹿网络用户通过浏览器获取信息，巨大的点击流量，向综合门户合流（个人网站、大英百科全书在线、发布、目录）Web2.0：英雄集结、信息聚合用户既是网站内容的浏览者，也是网站内容的制造者（博客、wiki百科、参与、标签、社群、开放平台）Web3.0：开放智能、无处不网定义争论，将互联网转化为数据库，人工智能进化（无处不联网、开放技术、开放身份）2020/1/2CommunicationResearchCenter5WCDMA/HSPA用户的增长情况在缓慢的起步阶段后，从2006年开始，增长速度加快，到2009年底，用户总数达到4.5亿。2020/1/2CommunicationResearchCenter6HSDPA（R5）为无线网络带来的变化HSDPA在3GPPR5中引入，由于分组调度和重传从RNC挪到基站里，使得网路结构更为扁平，峰值速率从最初0.384Mbit/s增加到1.8~3.6Mbit/s，直到目前的7.2~14.4Mbit/s，频谱效率和网络效率都得到大幅提升，而且等待时间从200ms降低到100ms以下。HSUPA在3GPPR6版本中引入。2020/1/2CommunicationResearchCenter7HSPA数据用量的增长情况HSPA全球部署情况2010年5月，全球共有341个HSPA网络在143个国家运行，380个单位承诺推出HSPA服务（中国联通运营着最大的HSPA网络，2009年首次建网就有接近15万个基站，2010年全球HSPA基站总数超过100万个）。WCDMA网络在亚洲和欧洲起步于2100MHz频段，在美国则是1900MHz频段。这样的高频段使得小区尺寸较小，这就制约了覆盖范围。因此WCDMA/HSPA网络最近在850MHz和900MHz这种低频段的部署日渐增加。2020/1/2CommunicationResearchCenter8WCDMA/HSPA衍生频段典型的HSPA终端支持2~3个衍生频段，两个在高端（2100MHz和1900MHz），一个在低端（900MHz或850MHz）。一些高端终端甚至支持5个频段。HSPA的演进3GPP在Release5和6版本中对移动宽带接入定义了基准眼球，而在R7、8和9版本中HSPA的演进内容进一步提升了HSPA的能力，并且于2010年在R10版本中持续有所发展。3G网络的能力从R99到R9已经有了极大地改进。简单的原因就是天线方面已经从WCDMA的电路续接工作方式完全改变为HSPA的全分组。2020/1/2CommunicationResearchCenter9HSPA极限峰值速率的演进路线图HSPA未来展望HSPA的威力在于能够以一种有效的方式使用一个网络支持所有的应用，从简单的CS域话音业务，到高速宽带数据业务，以及智能终端的永远在线应用。3GPP的一些工作内容在HSPA和LTE之间是相通的，诸如针孔小区等。某些LTE-A方面的内容也在考虑加入HSPA的技术规范。从长远角度看，数据速率和容量的演进需要用到LTE技术。HSPA可以平滑地演进到LTE，并且这样两个无线网络可以长期共存。2020/1/2CommunicationResearchCenter10几种广域无线技术预期的用户增长Chapter5HSPA技术5.2高速下行链路分组接入（HSDPA）2020/1/2CommunicationResearchCenter115.2高速下行链路分组接入（HSDPA）5.2.1R99版本WCDMA下行链路分组数据的能力5.2.2HSDPA概念5.2.3HSDPA对无线接入网络体系结构的影响5.2.4HSDPA物理层结构5.2.5HSDPA移动性5.2.6HSDPA性能5.2.7Release6版本的演进2020/1/2CommunicationResearchCenter12HSDPA是WCDMA规范R5版本中包含的关键性的新特征。通过使用NodeB（收发信基站BTS）控制的快速物理层（L1）重传传输合并技术以及快速链路自适应技术，HSDPA的概念在设计时是要提高下行链路分组数据的吞吐量。HSDPA的关键技术：自适应调制编码（AMC，AdaptiveModulationandCoding）混合自动重传请求（HARQ，HybridAutomaticRepeatRequest）快速小区切换（FCS，FastCellSelection）分组调度算法（PS，PacketScheduling）2020/1/2CommunicationResearchCenter135.2.1R99版本WCDMA下行链路分组数据的能力R99/R4版本的WCDMA规范中，有三种不同信道用于传送下行链路分组数据：o专用信道（DCH）；o下行链路共享信道（DSCH）；o前向接入信道（FACH）。DCH基本上可以用于承载任何类型的业务，它在下行链路中有固定的SF。因此，它根据接续的峰值速率来预留码树资源。DSCH是动态变化的（与DCH或FACH相反），这个SF以10ms逐帧的方式在相关联的DCH上由传输格式组合指示（TFCI）信令来通知（R5以后删除）。S-CCPCH承载的FACH也可以用于下行链路分组数据的传输，但是不能同时承载语音和分组数据业务。2020/1/2CommunicationResearchCenter145.2.2HSDPA概念HSDPA技术的核心概念是通过使用从GSM/EDGE标准时就已知的方法来提高分组数据的吞吐量，这些方法包括链路自适应和物理层快速重传合并技术。采用HSDPA方式承载用户数据的传输信道称为高速下行链路共享信道（HS-DSCH）。2020/1/2CommunicationResearchCenter152020/1/2CommunicationResearchCenter16NodeB根据功率控制、ACK/NACK比率以及HSDPA特定的用户反馈等相关信息来估计每个激活用户的信道质量，并根据当前采用的调度算法和用户优先级算法，快节奏地进行调度和链路自适应。使用HSDPA，WCDMA的两个最基本特征，即可变SF和快速功率控制就不起作用了，取而代之的是自适应编码、广泛使用的多码工作方式以及频谱有效的快速重传策略。HSDPA的一般工作原理以及相关信道5.2.3对无线接入网络体系结构的影响R99版本所有传输信道终止于RNC。因此，分组数据的重传进程是在服务RNC中进行，SRNC（ServingRadioNetworkController）还处理特定用户到核心网的接续。随着HD-DSCH的出现，NodeB中还新增了HSDPA媒体接入控制（MAC）层提供的功能。这样，NodeB可以直接控制重传，在分组数据需要重传时可以加快重传速度，缩短所需的延迟。2020/1/2CommunicationResearchCenter17HSDPA的协议结构图中包括HS-DSCH不同的协议层。RNC仍然保留RLC的功能，比如重传功能的管理。NodeB新增的MAC层功能（MAC-hs）的关键内容不仅有有限级处理，而且包括ARQ功能和调度机制。任何情况下的加密工作均由RLC层负责，以确保每次重传采用一致的加密掩码，使物理层能够将重传结果进行合并。2020/1/2CommunicationResearchCenter185.2.4HSDPA物理层结构HSDPA工作方式类似于DCH加DSCH的混合使用，它承载业务时有更为严格的时延限制。HSDPA物理层技术规范引入了三种新的信道：1.高速下行链路共享信道（HS-DSCH）：在下行方向承载用户数据，采用16QAM时，其峰值数据速率可以达到10Mbit/s。2.高速共享控制信道（HS-SCCH）：承载必需的物理层控制信息，以确保能够对HS-DSCH上的数据进行解码。3.上行链路高速专用物理控制信道（HS-DPCCH）：承载上行链路中必要的控制信令，即ARQ确认（肯定/否定）和下行链路质量反馈信息。2020/1/2CommunicationResearchCenter195.2.4.1高速下行链路共享信道与Release99版本中已有的信道相比，高速下行链路共享信道（HS⁃DSCH）在许多方面有其特有的特征：传输时间间隔（TTI）或交织周期已经规定为2ms（3个时隙），这使得在重传过程中终端和NodeB之间可以有较短的往返时延。与Release99版本支持的10ms、20ms、40ms和80ms长的TTI相比，HS⁃DSCH2ms长的TTI显然要短。引入如16QAM这样的高阶调制方案以及降低编码冗余是为了增加瞬时的峰值数据速率。从码域来看，SF固定为16，而且多码传输和不同用户间的码复用都是可能出现的。可以分配的最大码字数目取决于终端的能力，最大值为15。终端可以接收的最大码字数为5、10和15。扩频因子SF为16时信道化码的总数为16（在同一加扰码字下），但是由于需要给公共信道、HS⁃SCCH以及相关联的DCH预留可用的信道码，最大可用信道码数就设置为15。2020/1/2CommunicationResearchCenter20两个用户同时使用一个HS⁃DSCH的情况：两个用户都要监听HS⁃SCCH信息，以决定采用哪些HS⁃DSCH码字来解扩，并且还要接收其他正确检测所必要的参数。2020/1/2CommunicationResearchCenter21两个激活用户的码复用示例A.HS-DSCH的调制除R99版本中的QPSK调制，HSDPA还引入了16QAM调制。与QPSK相比，16QAM的峰值速率是其两倍，而且当采用SF为16的15个码字时，峰值速率可以达到10Mbit/s。高阶调制在移动环境下的使用代价：使用16QAM时，还需要用幅度估计来区分坐标点，而且需要更加准确的相位信息（QPSK只需要相位估计值）。2020/1/2CommunicationResearchCenter22QPSK和16QAM的坐标图B.HS-DSCH信道编码与R99版本相比，HS-DSCH的信道编码进行了简化。因为激活的H