HSDPA無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃探討

摘要　文章重點(diǎn)探討了HSDPA無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的策略、覆蓋和容量規(guī)劃，對(duì)HSDPA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)有一定的指導(dǎo)意義。

1、引言

　　3G WCDMA作為GSM/GPRS的演進(jìn)正在步入成熟期，那么有3.5G之稱的HSDPA作為WCDMA的演進(jìn)正成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。雖然3G R99/R4網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)能夠?yàn)橛脩籼峁└咚俚腤AP、流媒體等數(shù)據(jù)增值業(yè)務(wù)，但對(duì)于高端的企業(yè)、行業(yè)用戶以及使用PDA和數(shù)據(jù)卡類用戶而言，往往對(duì)業(yè)務(wù)速率和質(zhì)量提出了更高的要求。國內(nèi)外許多運(yùn)營商為了取得在3G方面的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，陸續(xù)開始了HSDPA的商用。根據(jù)全球移動(dòng)設(shè)備供應(yīng)商協(xié)會(huì)（GSA）最新的報(bào)告，截至2006年8月，全球已經(jīng)有52個(gè)HSDPA網(wǎng)絡(luò)在35個(gè)國家投入了商業(yè)使用。HSDPA作為3GPP的R5版本，是對(duì)R4無線網(wǎng)絡(luò)的平滑演進(jìn)，并不影響R4核心網(wǎng)和已有的業(yè)務(wù)定義，與R4網(wǎng)絡(luò)相比，在峰值速率、吞吐量、業(yè)務(wù)時(shí)延、每比特投資等方面都有明顯的提高。但是在部署HSDPA網(wǎng)絡(luò)時(shí)，必需在處理HSDPA與R4網(wǎng)絡(luò)的共存、部署策略、載頻使用、覆蓋問題、容量估算等方面進(jìn)行深入而全面的考慮。本文針對(duì)以上問題，著重對(duì)HSDPA的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃進(jìn)行探討。

2、HSDPA原理及特點(diǎn)

　　根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，WCDMA系統(tǒng)容量受限于下行容量，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：實(shí)際下行吞吐量需求遠(yuǎn)大于上行吞吐量需求；信道配置方式不靈活使得下行容量的實(shí)際利用率非常低。

　　HSDPA技術(shù)，全稱高速下行分組接入（High Speed Downlink Packet Access），通過增加下行共享信道HS-DSCH等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了下行的高速數(shù)據(jù)傳輸，其理論最大物理層速率可達(dá)14.4 Mb/s。如圖1所示，為了加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，在Node B結(jié)點(diǎn)增加MAC-hs實(shí)體：RNC的MAC-d將DTCH/DCCH上的數(shù)據(jù)映射到HS-DSCH數(shù)據(jù)幀通過MAC-d流發(fā)送給MAC-hs。MAC-hs需要完成與MAC-d之間的流量控制（共享Iub傳輸）、小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)據(jù)的調(diào)度、傳輸格式選擇等動(dòng)作。

?

圖1　HSDPA協(xié)議棧

　　HSDPA具有以下關(guān)鍵技術(shù)與特點(diǎn)：

　?。?）HSDPA的高速下行共享傳輸信道可以承載背景業(yè)務(wù)、流業(yè)務(wù)、交互式業(yè)務(wù)等，并使編碼和功率資源得到更加有效的使用；

　?。?）HS-DSCH采用16QAM高階調(diào)制方式提供更高的數(shù)據(jù)速率，并且更加有效地利用帶寬；

　　（3）采用2 ms的短幀進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，減少了環(huán)路時(shí)間（RTT），極大地提高了鏈路適配性能；

　?。?）在物理層采用HARO混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求和AMC自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)，使得用戶在解碼前能夠快速請(qǐng)求丟失的信息和進(jìn)行軟合并，提高容錯(cuò)能力；

　?。?）采用快速調(diào)度算法，使得小區(qū)吞吐量最大化和用戶平等共享吞吐量；

　?。?）快速動(dòng)態(tài)功率分配，使得系統(tǒng)功率資源得到最有效利用，從而達(dá)到節(jié)省網(wǎng)絡(luò)綜合成本的目的。

3、HSDPA規(guī)劃策略

　　根據(jù)HSPDA的特點(diǎn)，要進(jìn)行HSDPA網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃一般需要遵循以下基本流程，如圖2所示：

?

圖2　HSDPA規(guī)劃流程

　?。?）首先需要對(duì)已建的或?qū)⒁ǖ腞99/R4網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)硬件單元進(jìn)行評(píng)估，以驗(yàn)證該網(wǎng)絡(luò)是否支持HSDPA或如何進(jìn)行HSDPA升級(jí)。HSDPA雖然是WCDMA的平滑演進(jìn)，但是還是要對(duì)Node B和傳輸系統(tǒng)進(jìn)行必要的硬件升級(jí)，對(duì)Node B和RNC進(jìn)行必要的軟件升級(jí)。目前，由于牌照的原因，我國尚未建立商用的3G網(wǎng)絡(luò)。而運(yùn)營商在獲得牌照后，為了能迅速趕上國際移動(dòng)通信的發(fā)展步伐，提升3G網(wǎng)絡(luò)的競爭優(yōu)勢(shì)，勢(shì)必在WCDMA建網(wǎng)的第一階段引入HSDPA。因此在建網(wǎng)初期，在軟硬件設(shè)備的選取上必須有一定的前瞻性，避免日后頻繁地升級(jí)或更換軟硬件。

　?。?）其次，要通過現(xiàn)場測量的方法了解HSDPA網(wǎng)絡(luò)的各方面性能，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)因素：Node B平均發(fā)射功率，載頻使用情況、Node B和RNC處理板卡以及Iub接口的占用率、軟切換區(qū)和軟切換開銷、業(yè)務(wù)分布等。同時(shí)還要考慮引入HSDPA對(duì)原R99/R4網(wǎng)絡(luò)性能的影響。對(duì)于HSDPA和R99/R4網(wǎng)絡(luò)同步建設(shè)的情況，可以適當(dāng)參照GSM網(wǎng)絡(luò)性能，力爭規(guī)劃一次性到位。

　?。?）然后要制定HSDPA網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展目標(biāo)和部署策略。發(fā)展目標(biāo)包括HSDPA網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域、系統(tǒng)容量和支持業(yè)務(wù)。在HSDPA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，新的業(yè)務(wù)種類較為有限。鑒于HSDPA承載的頻譜效率高，可以將大部分PS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)遷移到HSDPA上承載，使得系統(tǒng)容量得到提升。由于HSDPA滲透率比較低，大部分手機(jī)還不具備HSDPA功能，大的數(shù)據(jù)吞吐量預(yù)計(jì)只存在熱點(diǎn)地區(qū)（如室內(nèi)），密集城區(qū)和一般城區(qū)。因此在第一階段，宜采用共享載頻的組網(wǎng)策略?？紤]到用戶的發(fā)展情況和話務(wù)量的情況以及低成本3G建網(wǎng)，在大多數(shù)普通無HSDPA需求地區(qū)依然采用R99/R4網(wǎng)絡(luò)覆蓋；在熱點(diǎn)地區(qū)和重點(diǎn)城市會(huì)有少量HSDPA需求，可以采用HSDPA和R99/R4共用一個(gè)載頻的混合載頻組網(wǎng)方式。在WCDMA已有小區(qū)的基礎(chǔ)上，加入HSDPA的支持，提高下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的容量，在不影響原有語音、視頻電話等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的前提下，將背景類、交互類等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載到HSDPA上可以提高系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，避免過早地升級(jí)設(shè)備到第二個(gè)載頻。隨著HSDPA技術(shù)和承載的寬帶PS業(yè)務(wù)的發(fā)展，3G數(shù)據(jù)用戶也有了很高的滲透率，在城市中心商務(wù)區(qū)CBD、密集市區(qū)等熱點(diǎn)地區(qū)會(huì)出現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)應(yīng)用要求，為了提升網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)服務(wù)能力和容量（語音和數(shù)據(jù)），以及在某種程度上提供與無線局域網(wǎng)進(jìn)行既競爭又補(bǔ)充的服務(wù)，建議增加第二個(gè)載頻，并且使用載波間的負(fù)荷共享分擔(dān)負(fù)荷。在此階段，可以引入多載頻混合組網(wǎng)或HSDPA獨(dú)立載頻組網(wǎng)的靈活組網(wǎng)方式，以滿足各種特殊場景的需求。

　?。?）在確定了目標(biāo)和策略之后，就要進(jìn)行具體的系統(tǒng)配置和小區(qū)規(guī)劃。根據(jù)HSDPA的建網(wǎng)計(jì)劃和小區(qū)平均吞吐量要求，配置Iub接口和基站設(shè)備。對(duì)于Node B要求其分別支持單載波和多載波、HSDPA功能、足夠的Iub容量、ATM或IP等多種接口。對(duì)于RNC要求其支持基于小區(qū)的功能激活和管理、足夠的軟硬件處理能力和多種接口。有關(guān)小區(qū)規(guī)劃的具體內(nèi)容將在下一節(jié)中進(jìn)行詳細(xì)闡述。

　?。?）最后要科學(xué)地定義適用于HSDPA的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)指標(biāo)，以評(píng)估和考核HSDPA網(wǎng)絡(luò)性能。

4、HSDPA網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

　　4.1　規(guī)劃特點(diǎn)

　　HSDPA采用了不同于R99/R4的技術(shù)方案，因此也帶來了以下幾點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃上的差異。

　　（1）連續(xù)覆蓋業(yè)務(wù)要求

　　HSDPA關(guān)注小區(qū)邊緣處的連續(xù)覆蓋數(shù)據(jù)速率，在一定的小區(qū)HSDPA功率規(guī)劃下，小區(qū)邊緣處HSDPA用戶可獲得的數(shù)據(jù)吞吐率不同，一般對(duì)于室外宏蜂窩場景，初期建議的具體指標(biāo)是在小區(qū)邊緣處滿足不低于64kb/s承載的覆蓋要求。HSDPA關(guān)注的是小區(qū)的平均吞吐率，而不是單用戶的速率。

　?。?）切換差異

　　HS-DSCH和HS-SCCH信道的切換都是硬切換。從切換角度看，HSDPA的鏈路預(yù)算不需要考慮軟切換帶來的增益，但對(duì)切換區(qū)域和切換開銷有更高的要求，不同于R99/R4網(wǎng)絡(luò)。

　?。?）功控差異

　　HS-DSCH采用動(dòng)態(tài)功率分配，不支持快速功控，因此在鏈路預(yù)算中無需考慮功控余量。

　?。?）下行負(fù)載

　　由于功控上的差異，HSDPA總的下行負(fù)載比R99/R4高。為了保證覆蓋不受影響，應(yīng)該提高CCH和DCH的功率。

　　4.2　覆蓋規(guī)劃

　　鏈路預(yù)算是網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的第一步，分為上行及下行鏈路預(yù)算。根據(jù)研究表明，對(duì)于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，HSDPA與R99/R4網(wǎng)絡(luò)基本上可以實(shí)現(xiàn)同覆蓋，因此在建網(wǎng)初期可以認(rèn)為HSDPA覆蓋也是上行受限的，同時(shí)依據(jù)R99/R4業(yè)務(wù)選取的站址也可以得到充分利用。HSDPA鏈路預(yù)算的目的是通過上行鏈路預(yù)算估算小區(qū)邊緣最大下行速率。根據(jù)HSDPA網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展策略，本文主要討論在R99/R4網(wǎng)絡(luò)升級(jí)到HSDPA的覆蓋規(guī)劃。HSDPA峰值數(shù)據(jù)速率的計(jì)算主要取決于以下幾個(gè)參數(shù)：路徑損耗、HSDPA功率配比、調(diào)度余量以及正交因子等。如表1所示為HSDPA鏈路預(yù)算的一個(gè)實(shí)例。為了保證與R99/R4網(wǎng)絡(luò)相同的覆蓋范圍，路徑損耗（Path Loss）直接通過WCDMA上行鏈路預(yù)算獲得（假設(shè)65%負(fù)載，90%邊緣覆蓋概率以及64 kb/s速率下）。HSDPA功率配比取為80%，并假設(shè)15個(gè)碼可用以計(jì)算最大的邊緣速率。由于HSDPA采用了AMC和HARQ技術(shù)，允許其在初始發(fā)射功率一定的條件下選擇不同的操作方式，即可以使用更多的功率以減少重傳次數(shù)或者更少的功率而可能增加重傳次數(shù)。調(diào)度余量（Scheduler Margin）的引入就是用來設(shè)置上述策略的。正交因子（Orthogonality Factor）可以反映出在多徑環(huán)境下服務(wù)小區(qū)接收到的非正交干擾。

　　通過鏈路預(yù)算可以估計(jì)出最大可獲得的物理數(shù)據(jù)速率時(shí)的用戶的信道質(zhì)量。得到的MAC層速率則可以計(jì)算出HARQ的重傳次數(shù)。通過計(jì)算表明：當(dāng)HSDPA分配到80%功率和設(shè)定兩次重傳時(shí)，單用戶在邊緣的最大物理層數(shù)據(jù)速率可能達(dá)到2 Mb/s，大大高于R99/R4網(wǎng)絡(luò)的速率。此外，通過仿真發(fā)現(xiàn)小區(qū)的平均用戶吞吐量與Node B分配給HSDPA信道的功率成線性關(guān)系。

　　4.3　容量規(guī)劃

　　HSDPA容量估算的目的是得到在特定HSDPA功率、碼資源及調(diào)度算法情況下的小區(qū)平均吞吐率。HSDPA容量估算的關(guān)鍵是小區(qū)平均吞吐率的計(jì)算。而幾何因子（Geometry Factot）是影響平均吞吐量的一個(gè)重要因素，其定義為：G=Ior/Ioc，其中Ior表示本小區(qū)總帶寬接收功率，Ioc表示從其他小區(qū)接收的功率及噪聲的疊加。根據(jù)地形地貌，仿真得出全網(wǎng)的G值的分布概率。然后根據(jù)下式： ?

　　，其中由分配給HS-DSCH的功率決定，α為正交化因子。

　　可以計(jì)算出Ec/Io值，而后通過查表得出吞吐率，再加權(quán)得到整個(gè)小區(qū)的平均吞吐率。

　　同載頻混合組網(wǎng)時(shí)，采用動(dòng)態(tài)的功率分配方案，即HSDPA動(dòng)態(tài)使用R99/R4業(yè)務(wù)以外的功率。同時(shí)HSDPA承載的業(yè)務(wù)初期都是BE業(yè)務(wù)，不像R99/R4業(yè)務(wù)一樣有相應(yīng)的Target Eb/No，因此Monte Carlo仿真的過程實(shí)際上就是計(jì)算HSDPA用戶可用功率及干擾的過程，根據(jù)可用功率以及網(wǎng)絡(luò)干擾，計(jì)算出HSDPA業(yè)務(wù)信道的Ec/Io值。

　　由于上面的結(jié)果是基于單用戶的仿真結(jié)果，實(shí)際中還要考慮多用戶情況下的調(diào)度增益，要根據(jù)系統(tǒng)仿真結(jié)果對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行修正。HSDPA一般采用三種調(diào)度算法：MAX C/I，Round Robin，Proportional Fair。MAX C/I算法實(shí)現(xiàn)的吞吐量最高，Round Robin吞吐量最低，而Proportional Fair則介于上述兩者之中，也是符合資源使用的最佳調(diào)度方案。但是在實(shí)際計(jì)算中，一般規(guī)劃軟件在資源分配上還是采用Round Robin方式，然后在該基礎(chǔ)得出的Ec/Io值上增加幾個(gè)dB，即固定增加一定的吞吐量。隨著HSDPA商用/試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的增多，HSDPA經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲得以及各種調(diào)度算法的性能差異，會(huì)更準(zhǔn)確地解決Ec/Io與吞吐量之間的關(guān)系，滿足HSDPA的容量規(guī)劃需求。

5、結(jié)束語

　　HSDPA在下行數(shù)據(jù)速率、小區(qū)吞吐率、每比特的投資等方面的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為3G建網(wǎng)的重要組成部分。在市場和技術(shù)的雙重驅(qū)動(dòng)下，HSDPA已成為3G運(yùn)營商的必然選擇。

　　HSDPA網(wǎng)絡(luò)在帶來吸引力的同時(shí)，也帶來了諸多的挑戰(zhàn)。概括地說，引入HSDPA后，將對(duì)WCDMA網(wǎng)絡(luò)的覆蓋、容量、傳輸、業(yè)務(wù)集成、終端定制、資費(fèi)策略等各個(gè)方面帶來影響。因此如何有效地對(duì)HSDPA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃和優(yōu)化是打造3G精品網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。