HSDPA基本原理及专业技术.docx

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HSDPA基本原理及专业技术

HSDPA基本原理及关键技术

课程目标：

●理解HSDPA基本原理

●理解HSDPA关键技术

●了解HSDPA规划

参考资料：

●谢显中.TD-SCDMA第三代移动通信系统技术与实现

●

第1章HSDPA原理及关键技术1

1.1基本原理1

1.2主要的关键技术介绍3

1.2.1HARQ3

1.2.2AMC6

1.2.3快速调度8

第2章HSDPA网络规划1

2.1规划步骤1

2.2规划方法1

2.3覆盖规划2

2.3.1HSDPA上行覆盖能力分析2

2.3.2HSDPA下行覆盖能力分析2

2.3.3结论3

2.4容量规划3

2.4.1HSDPA理论容量与影响HSDPA容量的因素3

2.4.2不同环境下HSDPA吞吐量仿真3

2.4.3总结4

2.5推荐的组网方式5

2.6配置方式5

第一章HSDPA原理及关键技术

&知识点

●基本原理

●HARQ、AMC、快速调度

1基本原理

3GPPR5版本中的HSDPA技术是为了满足高速下行数据业务而设计的，它在不改变原有3GPPR4版本网络架构的情况下，通过引入自适应调制编码AMC、混合自动重传HARQ，把下行数据业务速率提高到10Mbps以上，HSDPA是TD-SCDMA系统提高下行容量和数据业务速率的一种重要技术。

HSDPA技术的基本原理是，当UE接入到HSDPA无线网络，需要传输下行数据时，UE周期性地向NodeB上报信道质量指示CQI。

NodeB接收到UE上报的数据后，根据所要传输数据的QoS和UE上报的CQI，选择合适的调制方式，QPSK或16QAM，并在HSDPA专用信道HS-PDSCH上传输用户的下行数据。

UE接收到NodeB的下行数据包后，通过HSDPA专用信道HS-SICH，向NodeB发送确认信息ACK/NACK，如下图所示。

与R4架构相比，HSDPA引入了AMC、HARQ，并将分组调度器从RNC移到NodeB中，以便在NodeB中实现MAC-hs协议控制的快速分组调度。

通过UE上报的确认信息ACK/NACK，NodeB可以了解什么时间、以什么方式重发数据。

通过小区内各UE上报的CQI，快速分组调度器就可优化用户间的数据传输。

下图显示了基于用户信道质量的调度。

图11HSDPA的基本原理以及相关信道

通过HSDPA技术，下行PS数据业务速率达到10.2Mbps；而且，HSDPA技术可以和OFDM、MIMO等新技术结合，提供更高的数据速率。

R4和HSDPA的技术比较如下表所示。

表11R4/HSDPA的技术特点

比较工程

R4

HSDPA

下行理论峰值速率

384kbps

19.3Mbps（10M带宽、1：

5时隙、1×2.8+5×3.3）

码资源分配

DPCH，尽量保持码表利用率高。

HS-PDSCH：

从右向左连续分配SF=16；

HS-SCCH：

同DPCH

系统切换

硬切换；

软切换/更软切换；

系统间切换

硬切换、接力切换

功率控制

开环功控、闭环功控；（慢速功控、快速功控）

HS-PDSCH不使用功控

调制方式

QPSK

QPSK/16QAM

链路适应技术

使用快速功控

AMC、HARQ

MAC-hs

N/A

用来进行快速调度

HSDPA的高速下行链路共享信道HS-DSCH可以承载流类（S类）、交互类（I类）、背景类（B类）等高速PS分组业务；专用信道（DCH）承载数据和实时话音业务。

其中，S类业务为IPTV、视频点播等流媒体业务；I类业务为网络教育、手机银行、在线游戏、位置服务等用户请求—服务器响应模式业务；B类业务为数据下载、E-mail、SMS等时延不敏感、差错敏感业务。

各业务特性见下表。

表12业务类型特性

业务

承载方式

速率要求

时延要求

数据差错要求

对网络资源要求

流媒体

HS-DSCH

高；需要保证比特速率

较低时延

较高

较多

互动类

低

低时延

高

较少

背景类

无要求

很长时延

很高

有空闲资源即可

实时话音

DCH

很低

低时延

低

较多

2主要的关键技术介绍

2.1.1HARQ

3HARQ概述

HARQ（HybridAutomaticRepeatreQuest）是一种前向纠错FEC和自动请求重传ARQ相结合的技术。

ARQ技术在R99中已有应用，在R99中是在RLC层实现的，只能进行简单的重传，不能对重传数据进行合并，所以没有合并增益，并且UTRAN侧RLC层是在RNC实现的，所以重传时延较长。

而在HSDPA中HARQ技术是在物理层引入的，所以可以对重传进行合并，而且由于物理层是在NodeB实现的、并且HSDPA采用5ms，所以还可以使重传时延降低。

HARQ发送功能如下图所示。

图12HARQ发送功能模块

HARQ发送功能模块主要完成速率匹配的功能，该模块包含两级速率匹配：

第一级速率匹配在编码后的数据与虚拟缓冲区（Nir代表虚拟缓冲区的大小）之间匹配，如果编码后的比特小于等于虚拟缓冲区，则数据第一级速率匹配透传；如果编码后的比特大于虚拟缓冲区，则透传系统比特，打孔校验比特。

第二次速率匹配在第一次速率匹配之后的数据与物理信道比特之间匹配，系统比特和校验比特都会出现打孔或重复的操作。

第二次速率匹配受冗余版本参数RV控制，RV参数决定了重传时使用CC、PIR或FIR中的哪种合并方式。

HARQ利用快速重传合并技术，使每次传输都得到充分利用，不仅得到了时间分集增益，而且由于快速重传降低了对首传BLER的要求，也就降低首传功率的要求，所以还会得到一部分功率增益，从而提高系统性能和功率利用效率。

4HARQ的引入目的

HARQ技术是HSPDA系统中关键的技术之一，它的引入主要目的有三个：

一是通过使用速率匹配，使AMC机制的精度更高，更佳匹配信道条件；

二是为了补偿CQI测量误差和上报时延对AMC性能的影响；

AMC技术尽管可以根据CQI调整调制和编码方式进行链路自适应，但缺点在于其对CQI的测量误差和上报时延敏感，而在移动通信系统中，信道特性的动态变化常常使得准确地进行信道质量估计十分困难。

而HARQ技术则具有对信道测量误差和上报时延不敏感的特性，它可以对重传的数据进行软比特合并，从而在AMC基础上对系统性能进一步改善。

三是通过软合并，减少对第一次传输Es/NO的要求，从而获得一部分功率增益。

5HARQ的重传机制

HARQ技术主要有两种重传机制：

一种是在重传时，重传数据与初次传输时相同，这种方式称为ChaseCombine（CC）或软合并；

另一种是重传时的数据与初次传输的有所不同，这种方式称为增量冗余（IR：

IncrementalRedundancy）。

IR又分为部分增量冗余（PIR：

PartialIncrementalRedundancy）和全增量冗余（FIR，FullIncrementalRedundancy）。

PIR指重传时校验比特与初次传输不同，系统比特不变，重传的数据是可以自译码的。

FIR则优先传输校验比特，系统比特不完整，故不可以自译码。

6多进程并发

HSDPA系统支持多个HARQ进程并行传输，以连续为某个用户发送数据。

每个HARQ进程只有收到其反馈信息（ACK/NACK）后，才可以重新传输数据。

基站使用一个HARQ进程发送数据后，大约在3个TTI后收到该HARQ进程的反馈信息，再加上基站处理时间2个TTI，需要5个TTI时间才能重新调度该HARQ进程。

所以为了连续的发送数据至少需要5个HARQ进程。

图13多HARQ进程处理示意图

6.1.1AMC

7内外环控制

在NODEB侧，AMC的处理过程见下图所示，

图14HSDPA内、外环速率控制系统结构

上图为经典的HSDPA内、外环速率控制系统结构框图。

内环控制算法实现的主要功能是，从UE反馈的HS-SICH获得其CQI（RTBS,RMF）信息。

当NodB决定调度该UE时，采用该信息为HS-DSCH选择合适传输格式。

外环控制算法的主要功能是统计UE上报ACK/NACK信息，来计算BLER，并把该BLER与

目标值相比较，从而成生CQI的调整量

，用于内环控制算法CQI的调整。

8AMC过程

UE在HS-SICH上所发送的CQI质量指示信息，实际上是TFRC组和。

推荐的TFRC是基于NodeB分配给当前UE使用的资源。

由UE接收数据，然后根据接收信息质量得到CQI，再在上行信道反馈处理，最后NodeB参考反馈信息，做出下行资源分配，主要流程如下：

UE监听HS-SCCH，根据HS-SCCH上的UEID判断出发送消息给自己的HS-SCCH，读取信息，得到HS-PDSCH发送数据所使用的资源信息。

UE接收HS-PDSCH信息，作出必要的质量测量，然后查表产生CQI推荐值，这个推荐值应保证在当前信道条件且HS-PDSCH的BLER<=10%条件下，系统可以获得最大吞吐量的CQI。

在最近的属于该UE的HS-SICH上，UE上报最新的质量指示CQI给NodeB，以便NodeB在下次调度该UE时，选择合理的HS-PDSCH传输格式。

而UE上报的ACK/NACK信息则必须在指定定时关系的HS-SICH上发送。

这意味着，CQI信息可以提前上报，以降低反馈处理时延。

NodeB将UE上报的CQI中的作为该用户下一次调度的参考依据。

9CQI闭环反馈

CQI和ACK/NACK信息产生框图如下：

图15CQI和ACK/NACK信息产生框图

UE接收到HS-DSCH信息后，估计出接收信干比SIRrev，然后查表，得到接收BLERrev，与目标BLER值比较，如果高于目标BLER值，则观察SIRrev与目标BLER的交点曲线，该点对应的MF和TBS值即为当前估计的CQI参数。

在实际系统中对当前数据块进行译码，根据译码结果，判定当前应答ACK/NACK。

在仿真中，如果有重传的话，将当前接收SIRrev与前次SIR合并，使用合成SIR查表，得到BLER，进行ACK/NACK判断。

如果没有重传，则同样使用当前接收SIRrev来查表。

CQI和ACK/NACK应答延迟不一定相同，将当前得到的应答组装成HS-SICH，上报到NodeB。

在图中，ACK/NACK应答判断流程是仿真设计实现过程。

9.1.1快速调度

10快速调度原理

MAC-hs分组调度器在NodeB所处的位置如下图所示。

从MAC-hs流控输出的优先级队列数据存储到一个缓冲区中，调度器从该缓冲区中读取各个优先级队列的数据。

调度器根据各个UE的信道状况、UE的历史吞吐率、UE的等待时间等来调度各个UE的分组数据。

图16MAC_hs分组调度器在系统中的位置

物理层反馈信息的及时获得和使用对于分组调度非常重要。

例如，ACK/NACK及时获得后可及时调度进程进行数据重传或发送新数据，根据得到的CQI及时地适应无线链路的变化。

11原型调度算法

●RoundRobin调度算法

该算法不考虑各UE的信道质量，而是采用轮循调度的方法，即将所有的UE排成序列，为每个UE分配相同的服务时间片，当前被服务的UE在该时间片结束后，将退至序列末尾等待下次服务。

该算法的目标是保障每个用户都能得到一定的服务时间和满足最低时延要求。

特点是算法实现简单，但难以充分利用系统资源以达到较高的系统容量。

●ProportionalFair调度算法

该算法是根据各UE的相关信道质量计算得到其资源分配的优先级，假设在一个服务时间窗内（如，一个TTI）第ｋ用户的吞吐量为Tk，同时假设第ｋ用户目前的信道条件为：

（C/I）k。

　那么，其公平因子为：

从式中可以看出，具有比较好的信道条件而且得到的服务相对较少的用户的综合优先级得到较高，用户服务优先级是由公平因子

决定的，所以具有最大公平因子的用户将首先得到调度。

比例公平调度算法解决了小区吞吐量和服务公平性之间矛盾。

实际上，该算法还有实现容易、反映速度快等的优点，是所有分组调度算法中相对较好的。

●MaxC/I调度算法

该算法将UE的信道质量作为分配资源的首要准则。

调度器首先把等待服务的UE按信道质量即对应帧传输期间的载干比（C/I）值进行排序，调度器传输具有最高C/I值的UE的数据，直到该UE数据队列为空，或者有更高C/I值的用户数据到来，或者有更高优先级别的重传被调度。

该类调度算法总是将资源优先分配给信道条件最好的UE，以达到最大限度的提高小区的数据吞吐量，不利的是根本不考虑资源分配的公平性问题，从而导致信道条件不好的UE会被长期阻塞。

第二章HSDPA网络规划

&知识点

●HSDPA规划步骤

●HSDPA规划方法

二.1规划步骤

步骤一、确定规划地HSDPA话务模型，确定业务量；

步骤二、在R4规划的基础上，统计各种配置、路损的小区个数；

步骤三、根据业务量需求查表确定需要增加的载波数；

二.2规划方法

Ø规划方式

从实际应用看，HSDPA不存在独立组网的情况。

我们只考虑在R4网络规划的基础上，进行HSDPA的组网，如果R4和HSDPA同时规划，那么，先进行R4网络规划，再在R4网络规划的基础上，进行HSDPA的规划。

Ø干扰

在规划时，我们采用独立时隙、异频组网，其它方式不采用，就是说，HSDPA与R4相互影响的组网方式，可以通过组网策略规避。

ØHSDPA容量估算方法

影响HSDPA容量的因素较多，无法按照固定的公式进行计算。

我们可以采用查表的方法，确定HSDPA的容量。

通过仿真，得到各种配置、各种路损情况下的吞吐量，在实际规划时，根据规划地的具体情况，查表确定HSDPA的容量。

二.3覆盖规划

二.3.1HSDPA上行覆盖能力分析

从下表可以看出，HSDPA的HS-SICH和A-DPCH信道的最大允许路损都大于R4的三种业务CS12.2k、CS64k和PS64k的最大允许路损。

所以，从上行链路预算看，上行HSDPA覆盖能力强于R4业务覆盖能力。

表21密集城区HSDPA上行信道和R4业务最大允许路损

业务类型

CS12.2k

CS64k

PS64k

HS-SICH

A-DPCH

最大允许

路损（dB）

144.99

139.59

143.19

155.29

146.99

二.3.2HSDPA下行覆盖能力分析

从下表可以看出，HSDPA的HS-SCCH和A-DPCH信道的最大允许路损都大于R4的业务信道和公共控制信道PCCPCH，所以，HSDPA这两个信道的覆盖能力也好于这几种业务和PCCPCH信道。

HSDPA的业务信道HS-DSCH的最大允许路损小于R4各业务信道和PCCPCH的最大允许路损，但是，HSDPA的HS-DSCH采用的是AMC，可以根据具体无线环境，调整编码、调制方式，以保证覆盖，所以，HSDPA的业务信道HS-DSCH的覆盖能力比R4下行业务和公共控制信道PCCPCH强。

所以，从下行链路预算看，下行HSDPA覆盖能力强于R4业务覆盖能力。

表22密集城区HSDPA下行信道、R4业务和公共控制信道最大允许路损

业务类型

CS12.2k

CS64k

PS64k

PS128k

PS384k

PCCPCH

HS-SCCH

A-DPCH

HS-DSCH

最大允许路损（dB）

145.69

140.29

143.89

143.19

142.49

145.59

154.19

154.79

135.59

二.3.3结论

从上面分析可知，HSDPA覆盖能力好于R4业务和公共控制信道。

在现在的R4和HSDPA混合组网的情形下，在对R4业务进行了覆盖估算后，对HSDPA无需再进行覆盖估算。

只需着重考虑容量规划方面。

二.4容量规划

二.4.1HSDPA理论容量与影响HSDPA容量的因素

Ø理论容量

单个时隙，16个SF16码道，理论容量约560Kbps。

Ø影响容量的因素

实际容量与环境、UE数量、同时调度的UE数量、调度算法、业务类型相关。

1）选择信道质量最好的用户调度，将获得额外的增益（20％－40％）；

2）同时调度的用户数过多，资源利用率下降；

3）不同的调度算法，其控制的目标不同，吞吐量也不同；

4）在计算HS-PDSCH传输效率时，应考虑HS-SCCH/HS-SICH/伴随DPCH所占的资源开销。

二.4.2不同环境下HSDPA吞吐量仿真

主要仿真条件如下，

19个基站组成1簇，共57个扇区；

Ø天线数：

8；

ØHARQ数：

8；

Ø最大重传次数：

4；

Ø每小区撒入用户数：

8；

Ø2:

4时隙比；

Ø室内用户概率：

40%；

Ø单载波发射功率：

34dBm；

Ø每时隙同时调度用户数：

2；

Ø调度方式：

比例公平；

仿真结果如下图所示：

二.4.3总结

HSDPA容量规划的方法不能按照R4业务容量规划的方法进行。

由于影响容量规划的因素太多，因此不能利用公式进行计算。

通过仿真，可以得到各种配置、各种路损情况下的吞吐量，在实际规划时，根据规划地的具体情况，查表确定HSDPA的容量。

二.5推荐的组网方式

现在推荐的组网方式为单独时隙，同频组网。

采用单独时隙的组网方式，R4业务和HSDPA业务独占时隙、码道、功率资源，互不干扰；采用同频组网方式，配置灵活，易于平滑升级，而且提高了资源利用率。

二.6配置方式

配置图例如下，其他类似：

：

表示公共控制信道

：

表示TS0空闲不使用的码道

：

表示如果接入纯HS业务可以分配的伴随DPCH（只传输信令，TPC，SS）

：

HS的控制信道

：

HS-DSCH信道

下面给出三载波，时隙比分别为2:

4和3:

3的配置方式。

辅载波2：

4配置，hsdpa时隙数：

1

辅载波2：

4配置，hsdpa时隙数：

2

主载波2：

4配置，hsdpa时隙数：

3

辅载波3：

3配置，hsdpa时隙数：

1

主载波3：

3配置，hsdpa时隙数：

2