1  HSDPA的技术特点
1.1  HSDPA引入的新技术
        在R99/R4的基础上，HSDPA中应用了诸多改进的关键技术来提升系统容量。
1.1.1  高速共享信道
        在物理层，HSDPA引入了3种新的信道类型：高速下行链路共享信道（HS-PDSCH）、高速共享控制信道（HS-SCCH）、上行链路高速专用物理控制信道（HS-DPCCH）。
        HS-PDSCH在下行链路方向用于承载用户数据。与R99/R4已有的信道相比，HS-PDSCH的传输时间间隔（TTI）更短（2 ms），可以缩短重传进程，并为实现快速链路适配、快速无线信道调度、快速混合重传打下基础。SF=16，允许多码传输和不同用户间的“时分＋码分”复用（CDMA2000 1x EV-DO下行信道不能进行码分复用，只能时分复用），提高了码资源利用率和数据速率。
        终端通过HS-DPCCH把下行信道情况反馈给Node B，然后Node B根据所收集的所有终端的信道情况，通过一定的调度策略，为各终端分配下行数据传输物理资源（HS-PDSCH），同时选择最合适的调制编码方案（通过HS-SCCH信道通知手机），以此来实现系统吞吐量最大化、用户QoS保证等目标。
1.1.2  更高阶的调制方式
        为进一步提高分组速率，HSDPA在保存QPSK的基础上，又引入了更高阶的调制方式16QAM（将来还有计划引入更高阶的调制方式64QAM）。调制阶数越高，也就需要干扰越小的无线环境，因此系统将根据干扰情况选择相应的调制方式。
1.1.3  自适应调制编码（AMC）
        当用户处于有利的通信环境时，采用高阶调制和高速率的信道编码方式，从而得到较高的数据速率；当用户处于不利的通信环境时，可以选择低阶调制方式和低速率的信道编码方案，降低数据速率，以保证通信质量。即最大限度地发送数据信息，实现高的速率和频谱利用率。
1.1.4  RNC、Node B关于控制功能的调整
        在R99/R4版本中，所有传输信道都终止于RNC，分组数据的重传也由服务RNC来控制。在R5版本中，为支持HSDPA，MAC层增加了MAC-hs，位于Node B，使Node B负责优先级处理、ARQ功能和调度。这样，Node B可以直接控制重传，加快了重传速度、缩小重传所需的延迟。
1.1.5  快速混合自动请求重传（HARQ）
        HARQ是指接收方先对接收到的数据包进行检错纠错，如果错误可以进行自我纠正，就正确接收；否则保存本次接收的数据包，并请求发送方重传。接收方将重传的数据包和先前接收到的数据包在解码前进行合并，充分利用它们携带的相关信息，以提高正确译码的概率（不同于R99的抛弃错误数据包）。由于HSDPA中重传不需上报RNC，而是由Node B控制完成，大大缩短了重传时延，提高了无线信道的利用率。
1.1.6  快速无线信道调度（FS）
        在R99/R4网络中，由RNC来控制分组调度，而在HSDPA中，则由位于Node B的MAC-hs层负责对数据的调度管理。由于Node B比RNC更加靠近空中接口，使得其调度反应比RNC更快、更有效。具体来说，Node B根据用户所处的无线环境的好坏、用户带宽需求、用户的等待时间等等因素，决定某一特定的TTI调度给哪一个用户使用，最快可以实现每2 ms一次的快速无线信道调度，大大提高了系统的吞吐率。
1.2  功率资源分配和R99/R4的差异
1.2.1  功率分配原则
        CDMA及其各种衍生系统中，对于下行链路，每个小区的基站发射功率都是有限的，由其控制的用户所共享。因此功率资源也往往是下行链路容量的瓶颈，这些系统发展中，需要不断寻找更加有效的功率资源利用方法。
        在R99/R4版本中，为了保证每个接入用户信道的速率更均衡，采用的功率控制使信道质量差的用户得到了更多的发射功率，也就是R99/R4的功率控制为了保障每个接入用户的速率，而牺牲了整个小区的容量的最大化，或者说为了均衡每个接入用户的感受，减小了部分用户得到更高速服务的可能性。
        HSDPA版本是这样处理的：在固定发射功率条件下，为了小区容量的最大化，需要根据每个用户的信道条件，来决定分配给它功率资源的大小和时间，这样每个用户可获得基站功率资源的大小与其所受干扰大小存在着反对应的关系，也就是对于遭受干扰大的用户分配其较低的发射功率，对于干扰小的用户分配其较高的功率，即注水原理。这样，为了提高系统的总容量，HSDPA对信道条件好的用户，尽量多分配功率、码道等资源，这就是HSDPA提升系统容量的核心思想与根本理论基础。
1.2.2  HSDPA和R99/R4共载波时功率分配方式
        当共享功率资源时，可以采用给HSDPA分配固定比例功率的方法，也可以采用根据R99/R4对功率资源占用情况动态分配HSDPA功率的方法。显然，静态分配方法对功率资源的整体利用率不如动态分配方法，并且对静态分配方法，在R99/R4功率资源不够时，将有可能造成R99/R4承载的相对更重要业务的损失，当然同时在R99/R4功率资源富裕的时候，HSDPA也无法对其进行重复利用。虽然动态分配方法有可能因为更高级别R99/R4业务的影响降低HSDPA的服务水平（类似GSM/GPRS网的TCH和动态PDCH的互相影响），但采用合理的用户、业务级别分类、资源分配措施可以减轻这种损害。目前大部分设备厂家均采用动态分配方法，并部分兼顾静态分配方法，即设定HSDPA的功率分配比例门限，此门限可以根据运营情况进行调整。
        图1示出的是功率分配方式示意图。

图1：功率分配方式示意图

2  HSDPA的覆盖性能
        在进行HSDPA组网规划之前，首先需要了解HSDPA引入后的网络覆盖性能。
        HSDPA上行链路增加了HS-DPCCH，用来传送ACK/NACK以及CQI信息，导致额外上行功率的消耗。另外，由于下行高速数据的应用，会导致上行RRC信令、RLC确认消息、核心网的非接入层消息的增加，从而使得上行DPDCH数据量增加、承载速率提升。
        因此和R99/R4相比，HSDPA的引入会加大上行链路负荷，但具体分析表明，其对上行链路的负荷影响不大，即使在上行负荷达到对应连续覆盖的设计值时，造成的上行覆盖收缩也很有限，可以忽略不计。
        根据相关测试和仿真（见参考文献2），上行链路反馈信息的传输速率与下行高速数据传输速率是相关的，PS64kbit/s上行速率大致和2 Mbit/s下行速率相匹配。另外，由于受到下行功率限制，典型城区室外热点单小区环境下HSDPA的小区平均吞吐量一般在2 Mbit/s左右，在小区边缘的吞吐率则更低，故而上行PS64kbit/s信道基本能配合HSDPA在小区边缘提供高速数据业务。R99/R4一般设计标准为CS64kbit/s连续覆盖，由于CS64kbit/s的BLER要求较高，一般在0.1%～0.5%附近（高于5%～10%的PS64kbit/s分组业务），相应的解调门限要求比PS 64kbit/s高0.5 dB。因此小区在满足CS64kbit/s上行覆盖的要求下，必然满足PS64kbit/s的上行覆盖要求。
        R99/R4与HSDPA共享载波组网模式下，引入HSDPA后小区负载高于原R99/R4规划负载，下行干扰随之增加，导致覆盖区内Ec/Io恶化，原R99/R4小区覆盖半径将缩小，但可以根据干扰上升量同比增加公共信道和专用信道功率配比，来保证原R99/R4的覆盖不变。
3  HSDPA和R99/R4组网方案
3.1  3G建网初期的组网方案
        目前各设备厂家基本均能提供兼容R99/R4、HSDPA甚至HSUPA的RNC和Node B硬件，区别就在于达到的速率等级、使用的软件、实现的功能不同，各种版本产品投资成本的区别也主要在此。由于3G网络必须在R99提供的话音和CS64kbit/s业务基础上视情况提供R99中速数据业务或HSDPA高速数据业务，因此3G网络初期工程的组网方式一般是在全网GSM/GPRS基础上选择有R99业务需求的区域搭建R99网络，在更高速数据业务需求明确区域同时建设HSDPA，待后续工程根据业务发展情况各自进行区域扩展，并在需要的时候升级第二载波、第三载波等。当然，如果HSDPA成本低到一定程度，或者为了在竞争中取得优势，也不排除在有高速数据需求的区域初期就建成HSDPA和R99/R4共同覆盖的网络。
        主要的组网方案有2种：HSDPA和R99/R4混合组网、共享载波；二者独立组网、单独使用载波。
3.1.1  混合组网方式
        1） 优点
        a） 共享一个载波，网络部署成本较低，需要的频率资源少。
        b） 在网络负载较轻的情况下，可以获得更高的频谱利用率。
        c） 和独立组网方式相比，由于不涉及异频切换，在HSDPA覆盖区域边缘，和R99/R4小区的切换成功率比较高。
        d） 业务选择灵活，可以更好地支持CS/PS并发业务。
        e） 可以避免多个频点带来的UE小区选择、驻留等问题。
        2） 缺点
        a） 在R99/R4负载较重的情况下， HSDPA业务可获得的码资源和数据速率比较有限，用户体验比较差。
        b） HSDPA业务的开展也会对R99/R4业务造成影响，需对HSDPA功率分配比例进行适当限制。
        c） 由于信道码资源的限制，不能充分发挥支持更大码字数的终端（如支持10、15个码字的终端）的能力。
3.1.2  独立组网方式
        1） 优点
        a） HSDPA和R99/R4业务互不影响，可获得各自最高的速率，容量更充裕，用户体验好。
        b） 可充分发挥支持更大码字数的终端（如支持10、15个码字的终端）的能力。
        2） 缺点
        a） 至少需要2个载波，网络部署成本较高。
        b） 初期工程业务量较低，加上很难实现载波间业务量均衡，整体频谱利用率较低。
        c） 由于涉及异频切换，在HSDPA覆盖区域边缘，和R99/R4小区的切换成功率低于混合组网方式。
        d） 网络RRM算法较为复杂，HSDPA载波很难实现CS/PS并发业务（有的厂家在HSDPA载波上预留了DCH信道资源以避免这种情况）。
        e） 当HSDPA载波上的手机收到CS业务寻呼时需要转移到R99频点，增加了网络切换与重选。
3.1.3  组网方案建议
        综上所述，在建网初期，一般的室外场景，在HSDPA用户及业务量不高时，重点关注的是少数用户的高速体验，可以考虑HSDPA与R99/R4共享载波混合组网；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/R4的设计负载门限时，就应考虑部署新载波。目前国外HSDPA商用网络初期工程基本都采用混合组网方式。
        对数据卡用户特别多的室内场景：如建网初期就出现个别室内场景数据卡用户特别多、数据业务特别密集的情况，则可以考虑在这种场景下进行R99与HSDPA各自单独载波的独立组网方式，利用专门的载波来承载大量的分组高速业务，给用户提供优质的速率服务。
3.2  组网方案的演进
        和CDMA 1x网的发展类似，升级第二、第三载波也应根据业务开展情况选择相应的业务承载策略。例如升级第二载波是由于R99/R4业务和HSDPA业务均迅猛发展导致的，则第二载波可同样采用HSDPA和R99/R4共享方式；如果是由于高速数据业务发展导致的，则第二载波可采用HSDPA专用方式等等。也可以根据不同环境对业务需求的不同采取不同的方式，例如高速数据业务需求占较大比例的场所第二载波采用HSDPA专用方式。总之，后期演进过程中的组网方式是比较灵活的。
        HSDPA的单站成本可能高于R99单站成本，但就数据业务而言，由于前者的频谱利用率大于后者，因此前者的单位比特成本可能反而低于后者。网络建设和升级载波时，对二者均可承担的业务，用哪种资源来承载，应根据业务开展需求和设备价格及后期网络发展计划综合确定。
        需要注意的是，和CDMA 1x网面临的问题相同，高速数据业务的开展对无线资源的消耗巨大，业务量的开展和资源投入应该取得合理平衡，国外的商用R99/R4/HSDPA网络在运营中也面临着这个问题。由于数据业务的特点和资费政策等原因，数据业务的效费比远低于传统语音业务，不建议盲目降低资费扩大数据业务量。
3.3  HSDPA的连续覆盖问题
        HSDPA区域内的连续覆盖可以保证HSDPA业务的连续性，减少HSDPA和R99/R4间的切换，提高用户的满意度。对于HSDPA单站成本高于R99/R4的担心，鉴于前者单位比特成本可能低于后者，综合连续覆盖的优点，在密集市区、数据热点区域做到连续覆盖更为可取，在普通市区及其他地区可根据需求仅进行数据热点覆盖。后期根据数据业务发展情况逐步扩展HSDPA覆盖区域。如果全网初期就建成R99/R4/HSDPA共同覆盖的网络，那么连续覆盖就更理所当然。
4  引入HSUPA的问题
        随着HSUPA产品的日益成熟和商用网络逐步增加，我国建设WCDMA网络时也有必要考虑HSUPA的引入需求和应注意的问题。
4.1  HSUPA技术特点
        与HSDPA类似，HSUPA引入了5条新的物理信道E-DPDCH、E-DPCCH、E-AGCH、E-RGCH、E-HICH和2个新的MAC实体MAC-e（位于NodeB）和MAC-es（位于SRNC），并把上行分组调度功能从RNC下移到Node B，实现了基于Node B的快速分组调度，并通过混合自动重传HARQ、2 ms无线短帧及多码传输、启用上行SF=2的扩频因子等关键技术，使得上行链路的数据吞吐率理论最高可达到5.76 Mbit/s，大大提高了上行链路数据业务的承载能力。
        HSUPA所采用的关键技术如下：
        a） 基于Node B的快速分组调度：HSUPA的核心技术，通过基于Node B的快速分组调度，使得调度周期更短，可在吞吐量公平、资源公平、相对优先调度和最大优先调度等不同算法之间选择以达到系统总体吞吐量、多用户公平性及每用户吞吐率之间的平衡。Node B随时以提供的物理层测量信息和UE上报的信息作为调度依据实现最新的调度判决，更好地利用了上行空中接口容量。
        b） HARQ技术：在HSUPA中，通过HARQ快速重传机制，降低了对无线信道质量的要求，实现了对上行链路干扰的控制。HARQ所带来的重传合并增益有效降低了传输时延，提高了上行链路传输速率。
        c） 10 ms、2 ms短帧技术：HSUPA新增物理信道可支持10 ms和2 ms两种TTI。仿真和理论分析表明，在无线环境较好的条件下，2 ms能给系统带来更高的吞吐率，并提高资源利用效率。
        d） 多码传输技术：E-DPDCH可以支持SF2到SF256的扩频码，并支持2×SF4，2×SF2，2×SF2+2×SF4等多码传输组合方式，配合QPSK调制、Turbo编码及两级速率匹配，使得增强上行链路的最大传输速率达到5.76 Mbit/s。
        HSUPA和HSDPA技术上的主要不同之处在于：
        a） HSDPA是对下行链路的码资源和时隙进行快速调度，实现速率控制，而不是功率控制；HSUPA是对上行链路各UE的发射功率进行快速调度。
        b） 由于HSDPA要占用大量的下行基站的资源，为了节省基站的码资源和功率资源，同时考虑到不同小区的调度环境不同，因此HSDPA的HS-PDSCH只能做硬切换；而由于HSUPA只占有终端的码和功率资源，在软切换时并不占有额外的码和功率资源，因此上行E-DPDCH可以做软切换。
        c） 由于更高阶的调制方式对无线环境和解调能力要求更高，R6版本中的HSUPA仅采用QPSK调制方式。
4.2  HSUPA对网络的影响
        a） HSUPA新增的下行信道需要占用下行码资源和功率资源，因此对下行覆盖或容量有一定影响。
        b） HSUPA对上行数据速率的增强，反过来也减小了HSDPA下行速率受上行速率影响的瓶颈。
        c） HSUPA提高上行数据速率，抬高了上行链路干扰电平，对R99的上行覆盖和容量有一定影响。
4.3  R99/R4/HSDPA/HSUPA组网和覆盖速率选取
        和R99/R4/HSDPA组网方案类似，初期建议一般共享载波，待业务量增长到一定程度再升级第二载波，或在室内等数据热点使用单独的载波承载HSUPA。建网初期一般会采用的覆盖方式是：HSDPA覆盖区域包含在R99/R4覆盖区域内（或者和R99/R4覆盖区域相同），HSUPA覆盖区域包含在HSDPA覆盖区域内（见图2）。

图2：R99/HSDPA/HSUPA组网示意图

        基站布局方式（决定连续覆盖速率指标）有2种。
4.3.1  以R99/R4上行覆盖为基准
        HSUPA的上行连续覆盖数据速率采用和R99/R4类似的指标，在小区边缘提供中、低速上行数据速率，在接近基站的区域提供高速上行数据速率。
        1） 优点
        a） 对R99/R4网络上行覆盖、容量影响小。
        b） 相对下面的方式，投资小些。
        2） 缺点
        a） HSUPA小区边缘上行速率不够高，在一定程度上影响用户感知。
        b） 长远来讲，如果用户对高速数据业务有较强需求（例如开发出广受欢迎的上行数据业务），更改基站布局的难度可能比下面的方式大。
4.3.2  综合考虑R99/R4和HSUPA上行覆盖指标
        根据业务发展需求，选择合适的HSUPA上行连续覆盖数据速率指标，结合R99/R4的速率指标，决定基站设置密度。在小区边缘提供中速上行数据速率，在接近基站的区域提供高速上行数据速率。
        1） 优点
        a） HSUPA小区边缘上行速率高，更好地满足用户感知。
        b） 长远来讲，如果用户对高速数据业务有较强需求（例如开发出广受欢迎的上行数据业务），可能不需更改基站布局就能满足要求。
        2） 缺点
        a） 对R99/R4网络上行覆盖、容量影响更大些，需要更密集的基站布局才可避免。
        b） 平均站距大于上面的方式，投资更大。
        由于目前可预见的HSUPA业务的开展需求不如HSDPA业务那么广泛和迫切，低速率对用户感知的影响也小于HSDPA，并且受调度算法的影响HSUPA的速率保证很难确定，建议初期采用前一种覆盖方式，不建议花费较大的代价去追求高速上行数据速率的连续覆盖。
5  结束语
        本文的分析尤其是HSUPA分析主要限于理论方面，是否合理和有其他选择还需根据相关仿真数据、网络运营经验来进一步推敲和论证。
参 考 文 献
1    Harri Holma，Antti Toskala.  WCDMA技术与系统设计第3版. 北京：机械工业出版社，2005
2    Effects of UE Capabilities on High Speed DownlinkPacket Access in WCDMA Systems. Hiroyuki Ishii, Akihito Hanaki, Yoshimasa Imamura, Shinya Tanaka, Masafumi Usuda, and Takehiro Nakamura

作者：谷磊　毕猛