HSPA+技术及系统分析

作者：中国电信广州研究院 朱红梅 李宝荣   

     随着全球移动通信的快速发展，各大标准组织紧锣密鼓地开展相关标准的制定工作。为了应付WiMAX的竞争，3GPP/3GPP2开始改变自己的网络演进路标，分别提出LTE、AIE（现已更名为UMB）的网络发展思路。但这些是以未经实际移动网络验证的OFDM/OFDMA为核心的标准，实际网络性能如何，业界还没有定论。因此为了发挥自身的优势，WCDMA在HSPA与LTE之间引入了以传统CDMA技术为核心的全IP网络演进思路HSPA+。本文重点介绍HSPA+的网络结构，它与HSPA/LTE的关系，相对HSPA而言增加的关键技术以及业务承载能力。

     一、设计目标

     HSPA+是一部分拥有较多HSDPA、HSUPA专利的厂商希望继续发挥相关专利的价值，同时部分已部署或即将部署HSDPA网络的运营商希望3G拥有一个较长的生命周期而有针对性地提出的技术方案。但它提出的时间晚于LTE，因此引起了很大的疑问：它是否会影响LTE的进程，是否能平滑演进到LTE。因此，在3GPPRAN#31次会议最终确定了HSPA+的设计目标。

     1．HSPA+要在5MHz内达到与LTE一样的频谱效率；

     2．HSPA+要尽可能实现与LTE共享部分资源，如LTE的核心网SAE；

     3．简化或减少网络节点数量；

     4．HSPA+要作为一个仅仅使用高速数据信道（HS-DSCH，E-DCH）的分组网络；

     5．HSPA+网络应该后向兼容R99/HSPA的终端；

     6．希望能在现有的3G网络上进行小规模的升级即可支持HSPA+的功能。

     经过为期一年半的发展，HSPA+在技术、网络方面取得了一些成绩。

     二、网络架构

     1．网络结构

     按照2006年3月3GPPRAN#31次会议的提案，HSPA的演进主要有3种方案：HSPA路由器方式、HSPA+SAE方式和节点优化HSPA方式。HSPA路由器方式是将NodeB、RNC、SGSN、GGSN合一，引进了mobileIP，增加了业务的时延；HSPA+SAE方式是保留Iub接口，将原有的Iu接口改为S1，即希望能与LTE共享核心网。最终的评估结果是后边方案的难度很大，如果要采用S1，无线侧基本不能保证HSPA向后的平滑演进。

     经过一年多的研究评估，目前基本认可的方式是节点优化式的HSPA（NodeOptimizedHSPA）。如图1所示，该方式实现简单，将RNC/NodeB合二为一，不改变原有的Iu接口，只是对无线侧进行简单的软件升级，增加了容量，缩短了时延。

图1 HSPA+网络结构

     2．与HSPA的关系

     HSPA是HSDPA与HSUPA的综合缩写，它的网络结构如图1所示。

     HSPA的引入没有改变原有WCDMAR99网络结构，只是进行了软件升级，如图2所示。

图2 HSPA网络结构

     HSPA+与HSPA网络结构具有如下异同：

     （1）可共享核心网络，Iu接口没有改变；

     （2）HSPA+NodeB具有RNC的功能，消除了Iub，增加了Iur处理量；

     （3）降低了用户面时延，HSPA+用户面协议终止于NodeB+，而后者终止于RNC；

     （4）降低了控制面（RRCSetup）时延，HSPA+控制面协议终止于NodeB+，而后者终止于RNC；

     （5）由于移动而导致的信令处理量加大；

     （6）HSPA+网络兼容HSPA下的UE，但是对于基于CS的语音需要转移到原有的SRNC下进行处理；

     （7）由于引入频繁的SRNC重定位，移动性变弱。

     总之，HSPA可以实现向HSPA+的部分平滑演进，至少核心网络不需要更改。

     3．与LTE的关系

     LTE的网络架构如图2所示，对比HSPA+可发现，两者之间没有任何共同点：后者是S1接口，前者是Iur/Iu的方式；eNodeB是全新的以OFDM/OFDMA为核心的技术，HSPA+以CDMA为基础。因此，不可能实现HSPA+到LTE的平滑升级，两者之间是彻底的更新换代关系。

     三、关键技术

     HSPA+是在HSPA基础上的演进，在关键技术上，它保留了HSPA的如下特征：快速调度、混合自动重传+软合并（HARQ）、下行短帧2ms、上行10ms/2ms、自适应调整和编码，同时保留了HSDPA/HSUPA的所有信道及特征：HS-PDSCH、HS-SCCH、HS-DPCCH、E-DPCCH、E-DPDCH、E-RGCH、E-AGCH、E-HICH、F-DPCH等。因此，它向下完全兼容HSPA技术，但为了支持更高的速率和更丰富的业务，HSPA+也引入了更多的新技术。

     1．MIMO技术

     MIMO（多输入、多输出，MultipleInput/Multiple Output）技术是针对多径无线信道来说的，是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，从而提高数据速率，减少误比特率，改善无线信号传送质量。

     但是MIMO的多天线会增加体积，同时也需要多功放的配合驱动，耗电增加。在以个人用户为主导的3G移动通信中，终端的体积和耗电始终是困扰众多芯片/设备厂商的难点。经过初步讨论，HSPA+最终确定了只在基站侧采用2×2模式的MIMO天线，终端沿用原有的单天线模式。

     MIMO在基站侧，即HS-PDSCH信道上的应用原理如下：信道编码、交织以及扩频是在非MIMO模式下完成；NodeB的调度能够决定在一个TTI里给UE传输一个或两个TB（TransportBlock），扩频后的复值传输到MIMO的2根天线分支中，然后通过预编码的w1、w2、w3和w4进行加权处理，如图3所示。

图3 LTE/SAE网络结构

图3 支持SH-PDSCH信道上进行MIMO操作的发射机结构

     2．分组数据的连续传输

     以分组为导向的HSDPA/HSUPA的技术能极大地提升用户的传输速率，但潜在的传输间断、频繁的连接终止以及重连等不可保证的QoS机制也让它失去了与固定宽带网络（如DSL）竞争的机会。CPC（ContinuousConnectivityforPacket Data Users）分组数据的连续传输正是基于此而提出的解决方案。该方案采取如下措施：

     下行，限制多用户接入的是码资源，每个用户必须有一条（SF=256）A-DCH；

     上行，限制更多用户接入的因素是干扰。

     实际上在大量用户接入的情况下，很多用户在某一段时间内没有传输数据（如网页浏览VoIP周期发送数据包）。因此产生干扰的因素是为了维持连接的控制信道而产生。此外，在非激活状态下完全释放专用信道导致重新激活的时间过长。

     CPC的主要改进内容如下：引入F-DPCH（Fractional-DedicatedPhisicalChannel），它能较好地代替原有的A-DCH信道，实现码资源的高效利用；上行DPCCH时隙格式进行了新的优化，优化为4bitsTPC和6bits Pilot，以降低控制信令的开销，提升了VoIP上行业务容量；增加了处于CELL_DCH状态的分组数据用户，降低了数据用户从暂时的非激活态转到激活态的切换时间；延长了用户处于CELL_DCH状态的时间，延长了手机电池的使用时间。

     3．下行64QAM高阶调制

     WCDMAR99/R4下行采用了QPSK的调制方式，一个符号代表2bit，最高速率达到384kbit/s。R5HSDPA引入了16QAM高阶调制，一个符号代表4bit，最高速率达到14.4Mbit/s。为进一步提高速率，HSPA+在下行引入64QAM，一个符号代表6bit，同时它与MIMO的有效配合，将使下行峰值速率达到42Mbit/s。引入64QAM的方式也涉及到L1/L2/L3三层以及Iub/Iur接口规范的修订。

     4．上行16QAM高阶调制

     下行MIMO及64QAM的引入，在一定的环境下给提供用户更高的速率，为了配合下行速率的增加，HSPA+在上行引入了16QAM的调制方案，使上行峰值速率从HSUPA时的5.76Mbit/s提升到28Mbit/s。同样，它的引入也涉及到L1/L2/L3三层以及Iub/Iur接口规范的修订。

     5．增强的CELL_FACH

     在现代通信网络中，运营商的目标是给用户提供更高的QoS。QoS是业务性能的的综合指标，它决定了用户满意度。随着“always-on”（如Pushemail以及VPN连接）业务的出现，CELL_FACH的应用将越来越广泛。但是伴随着CPC方案的推进，更多的用户占用CELL_DCH状态，又将出现CELL_FACH容量瓶颈。HSPA+引入增强型的CELL_FACH方案，主要改进内容如下：

     （1）通过HSDPA的使用增加UE在CELL_FACH状态下的峰值速率；

     （2）通过增大高层数据速率，减小CELL_FACH、CELL_PCH及URA_PCH信道用户面/控制面时延；

     （3）减小CELL_FACH，CELL_PCH及URA_PCH状态到CELL_DCH状态的转换时延；

     （4）通过DTX不连续传输减小CELL_FACH状态下的UE功率消耗。

     6．层二增强

     层一新技术的引入极大地提高了下行的峰值速率，但是HSDPA在RLC层的峰值速率的确要受限于RLCPDU的大小、RTT以及RLC窗尺寸。

     当前的320bit和640bit两种大小的RLCPDU并不能满足引入MIMO和64QAM后的下行HSDPA的要求。此外，新技术的引入，使RLC层协议也不能满足需求。因此层二技术的主要改动如下：

     （1）通过引入可变大小的RLCPDU模式、MAC-hs的复用和MAC-hs的分割增加对高速数据链路层的支持；

     （2）提供2套协议格式，保证新旧系统的平滑演进；

     （3）增加MAC-d复用及RLC级联。

    四、承载业务

     HSPA+采用了一系列的新技术，增加了容量，减小了时延，支持可变RLCPDU，提高了系统使用效率，在很大程度上实现了全IP的方案。从标准的角度看，它对应于CDMA2000EV-DORevA，因此它是全业务的移动标准，不仅支持高速数据下载，还支持实时业务VoIP/VT等。它在一定程度上彻底颠覆了HSPA技术只能支持BE业务的固有模式，给运营商带来更加灵活、简化的网络架构，而不用像引入HSPA后，还必须依赖于原R99网络来提供实时的语音、流媒体等业务。

     五、总结

     本文介绍了HSPA+的网络结构、与HSPA/LTE的关系以及能够承载的业务。HSPA+是一个全IP、全业务网络，同时它后向兼容原有R99/HSPA网络以及相应的终端，因此HSPA+的网络部署不会带来旧用户终端的更换，较好地保护了用户的原有投资。它与LTE不具有兼容扩展性，同时它们的标准进度基本相似。因此，运营商是选择直接部署LTE还是选择某种过度阶段的HSPA+技术，最终取决了业务的发展、频率的规划等问题。

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