WCDMA无线网络平滑演进及HSDPA的部署考虑

发布: 2010-10-19 15:19 | 作者: | 来源: | 字体: 小中大

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　　目前WCDMA无线网络的规划设计都是以R99版本为基础的，但是WCDMA技术的技术演进已经有了十分清晰的路标，尤其是向HSDPA演进与部署已成了业界关注的重心，WCDMA无线网络的规划设计应该充分考虑到网络的平滑演进，为网络的发展留下空间和余地。

　　从技术演进的路标来看，R99版本之后的是R4版本的网络，它与R99版本的差异最主要体现在：核心网方面将信令与承载分离，即将“软交换”的概念引入移动网的核心电路域，原来在R99版本中的MSC被分离成MSC服务器（MSC-S）和电路域媒体网关（CS-MGW），并定义了与此相关的各项接口。对于FDD WCDMA而言，R4版本在无线接入网部分没有变化，所以基于R99版本的WCDMA无线网络的规划设计同样适用于R4版本。

　　R5版本是接着R4版本的下一个演进路标，它在无线接入网方面引入了频谱利用率更高的接入技术－高速下行分组接入（HSDPA），使R5版本能支持更高速率的下行数据业务，大大增强了对下行数据应用如交互类，背景类，和流媒体业务的支持。另外在接入网的传输承载协议上，R5版本建议了IP传输作为选项之一。

　　如何才能实现无线网络的平滑演进及HSDPA应如何部署？其实，HSDPA 与1xEVDO具有十分相似的基本技术机制，而北电在1xEVDO市场上有超过66%的市场份额，在网络的规划设计，运营和优化积累了丰富的工程经验，因而可以为用户提供完整的，经济有效的HSDPA解决方案。本文从以下几个主要方面探讨无线网络的演进及HSDPA的部署。

　　HSDPA技术概述

　　类似于1xEVDO，HSDPA引入的最主要的几项核心技术为：
·自适应调制与编码（Adaptive Modulation and Coding or AMC）
·混合自动重发请求（Hybrid Automatic Request or H-ARQ）
·快速调度算法（Fast Scheduling）

　　自适应调制与编码是基于无线条件和终端能力进行自适应调制和编码，它可以根据UE所测量的下行信道条件优选调制和编码方式,提高下行链路的吞吐量。比如，当信道条件差时或干扰强时，选择更高保护性的调制和编码方式，而当信道条件好时或干扰弱时，选择高阶调制如16-QAM和低编码率如7/8等。换句话说，自适应调制与编码提供适应无线条件的链路适配，每次调制及编码的选择均基于UE上报的CQI（Channel Quality Indicator 即无线信道质量）和UE类别（即UE能力）做出判断。在UE可以支持的范围内，无线环境好，便使用抗信道衰落能力较差的高速率调制编码，提高峰值速率；反之则需要较多的编码比特和低阶调制用于对抗信道衰落。每一2ms无线子帧中，HSDPA业务信道上的码字的数量、编码速率和调制方式(QPSK or 16QAM)都可以重新选择。

　　混合自动重发请求技术是前向纠错编码FEC和ARQ技术的结合，即结合了自动重发与前向纠错的容错恢复机制，并使用合并前后含有相同数据单元的机制或重传信息块的增量冗余机制，带来更低的剩余误块率，从而减少高层协议RLC层的重发和降低下行分组包的发送时延与环回时延(round trip delay)。H-ARQ 重传是在物理层上实现的，它能有效的增加无线链路的数据吞吐量，减小重传的时延，从而提高整个扇区的吞吐量。HSDPA支持两种合并机制：对基站重发相同的分组包进行前后合并或对基站重发含有不同编码（即冗余信息）的分组包进行增量冗余合并。HSDPA终端要求同时支持前后合并和增量冗余两种方式，然而增量冗余要求HSDPA终端具有专供高速数据业务使用的更大的内存空间。

　　快速调度算法是在动态复杂的无线环境下使多用户更有效地使用无线资源, 提高整个扇区的吞吐量。调度算法功能实现于基站，采用了时分加码分的技术，而且用户对于共享信道的使用权每一个2ms无线子帧都可以重新调度，反应速度大大提高。调度算法可以综合评估多方因素，在实施HSDPA分组调度时, 调度算法会根据事先掌握的信息如：
·每个传输时间间隔（TTI）阶段可用的码资源和功率资源
·UE上报的无线信道质量CQI
·以前发送数据是否被正确接收的反馈信息 (ACK/NACK)
·将要传送数据块的优先级等

　　在多用户中实施快速调度和无线资源的最优使用，提高频谱的使用效率。

　　HSDPA引入的新增信道有：
·上行引入了 1 个专用控制信道（HS-DPCCH），供UE上报H-ARQ要求的ACK/NACK和所测下行信道的质量CQI，使用的扩频因子为SF256；
·下行引入了最多15个码分多址的共享业务信道（HS-PDSCH），用以承载数据比特，使用的扩频因子为SF16，注意这些业务信道可以供单用户使用或供多用户共享，仿真分析显示当同时使用的业务信道增多时，码间干扰增加很快；
·下行还引入了最多4个公用控制信道（HS-SCCH），用以承载业务信道的控制信令，使用的扩频因子为SF128，下行公用控制信道要消耗一定的功率，影响系统的容量，如何配置该信道的数目及功率要十分慎重，在HSDPA和R99共享载频的情况下尤为关键。

　　HSDPA的覆盖考虑

　　对于无线网络覆盖规划所依据的上行链路而言，R99版的设计中城市一般是以CS64为上行保证的业务承载，也就是说小区的最大覆盖半径是以该业务承载为基准的，因而可提供该业务承载的连续覆盖，小区边缘可以以上行PS64配合下行PS64， PS128或PS384提供分组高速数据业务。由于R5在上行增加了物理层的HS-DPCCH信道用于传送UE上报的下行无线信道质量CQI和以前发送数据是否被正确接收的反馈信息 (ACK/NACK)，它要占用一定的UE功率。对比R99版本信道DPDCH/DPCCH 的QoS要求，HS-DPCCH 信道在保持不变的ACK/NACK的误码率及CQI的误块率要求的情况下需要较高的 Eb/No，从而影响原先以R99版本设计的的上行覆盖。

　　根据在城区典型环境下的仿真研究结果看，由此引起的差异很小，所以基于R99版本中上行CS64为覆盖基准设计的无线网络应该基本适用于R5版本，相应的R5版本可以用上行PS64专用信道配合下行HSDPA在小区边缘提供分组高速数据业务。况且，部署HSDPA的小区大都在城市发达区域，这些区域又大都是容量或干扰受限的区域，这时小区的覆盖半径是基于容量仿真的结果，所以基于链路预算的上行覆盖差异更不应成为问题。无线网络由R99版本到R5版本是渐进式的演进，网络保证业务的QoS保持不变，在这个意义上，一个规划合理的R99版本的无线网络，其结构应该对技术的演进具有良好的可演进性，并不需要对网络结构做大的调整。

　　HSDPA的容量考虑

　　根据WCDMA无线网络覆盖，质量和容量的相互关系，HSDPA的容量同样不是孤立的容量，而是基于前述的覆盖半径和网络保证业务的QoS不变情况下的容量。由于引入了前述的三项核心技术，HSDPA的下行容量大大提高。如果用吞吐量来表征容量，它可以从几个方面来衡量：单用户峰值数据速率，多用户时平均每用户吞吐量，多用户时扇区平均吞吐量，扇区可支持的用户数等。此外，容量还受到终端能力，无线环境，接入下行共享信道的用户数，公用信道的功率配置，功率资源，码资源等许多因素的影响。

　　单用户峰值数据速率一般是指在理想的无线环境下，系统所支持的各类终端的最高下行速率，体现的是系统和终端所能实现的功能和最大能力，它可以直接测试验证，但一般不作为网络规划的参考点。多用户时平均每用户吞吐量，多用户时扇区平均吞吐量，扇区可支持的用户数等容量指标通常取为网络规划的依据。实际环境下的容量需要借助仿真来估计，它是网络规划设计要考虑的着重点。仿真的目的是确定在基于R99版的网络设计条件下HSDPA的容量及其分布特性。目前的商用WCDMA网络规划工具还不能支持HSDPA的仿真，尤其困难的是快速调度算法的仿真，多数相关的仿真使用了其它工具平台。例如在基于R99版的网络设计条件下，取步行用户速度及无接收分集的终端（6类UE），通过对典型市区环境的仿真可得出HSDPA的平均扇区吞吐量约为1～2Mbps之间；接收分集的增益约为15％。

　　HSDPA的部署考虑

　　R5版本具有对R99版本的兼容性，它是对R99功能的增强。它既可以以单独载频方式部署，也可以和R99共享同一个载频，这时需要HSDPA和R99信道间的动态功率共享才能有效的工作。如前述HSDPA下行可以引入一个或多个公用控制信道（HS-SCCH），用以承载控制信令，使用的扩频因子为SF128，下行公用控制信道要消耗一定的功率，影响系统的容量。所以该公用控制信道的个数及功率配置都需认真考虑，因为基站功率为HSDPA，R99和其它公用信道共享。过高的HSDPA公用控制信道配置，使业务信道可用功率大为减少，仿真分析显示HSDPA的吞吐量随它的可用功率增加而明显增大。

　　还需注意的是HSDPA对下行功率使用的突发特性会对R99业务造成影响，在功率资源的分配上应给R99业务保留适当的余量以减轻这种影响，但这又会影响HSDPA吞吐量，这是一个难以两全其美的矛盾。在载频共享的部署方式下，应该尽量把非实时的分组域业务用HSDPA承载，而不是用R99的PS384，PS128等专用信道承载。这是因为HSDPA下行吞吐量的高效率，带来无线资源的使用效率提高，业务应用的时延降低，网络平均下行负载降低的优势。比如，在相同无线环境下，下载一个2Mbit的文件，使用HSDPA承载的时间要比使用PS384承载大大缩短。

　　在HSDPA和R99载频共享的部署方式下，OVSF码的分配也是需要考虑的因素。如采用静态预留码资源管理算法，预留给HSDPA的码资源要兼顾HSDPA下行吞吐量和R99业务需求，尽可能不局限R99的可用码资源，以保证电路域业务不受影响。预留码资源可以根据混合业务的比例通过参数适当配置，比如预留10个SF＝16的OVSF码给HSDPA的配置选择，它可以支持足够大的HSDPA下行速率，又可兼顾R99的需求，这时剩余的码资源可以支持2个 HS-SCCH和42 个SF128(s) (话音 + 信令)。

　　在网络商用初期，HSDPA用户及业务量不高时，与R99共享同一个载频的部署方式比较经济，无线资源利用率较高。根据初期网络实际应用的需求和成本，可以考虑先将城市发达区域的R99基站实施软件升级开通HSDPA功能，实现基于R99网络结构的HSDPA平滑演进。部署的原则是使具有HSDPA能力的小区连片，以避免频繁的R99和R5间的信道切换，即HSDPA与R99信道间的切换应集中在HSDPA部署区域的边界，否则会引起系统开销过大和影响用户体验。

　　当HSDPA用户及业务量增高后，下行负载升高，下行干扰也相应升高。当升高的水平达到R99的设计负载门限时，就应考虑部署新载频，如果HSDPA用户及业务量较高，就应考虑把原先共享同一个载频的部署方式改为单独载频方式，即HSDPA、R99分别使用其专用载频，这样即避免了载频共享时对R99业务的影响，又能满足HSDPA的高业务量要求。更加重要的是无线网络演进的全过程是保持网络的结构的平滑过程。这是北电丰富的CDMA无线网络升级扩容（IS-95->CDMA2000->1xEVDO）经验的总结，最有利于无线网络的部署，优化，运营和维护。

由CHINA通信网组稿

作者：北电中国　张长钢