HSDPA基站部署及容量分析

目前全世界发放的wcdma牌照已超过100张,这其中有52个wcdma网络被计划在2006年升级到hsdpa。在2006年巴塞罗那3gsm大会上,爱立信表示:hsdpa万事俱备,运营商已经能够随时启动hsdpa。中国移动董事长王建宙也公开宣布要采用hsdpa技术。 一、hsdpa技术特点
1.hsdpa主要优势
hsdpa通过在下行链路提供高速数据传输速率来增强3g系统的性能,hsdpa和r99及r4是完全后向兼容的,可基于3gppr99网络直接演进。
hsdpa的主要优势在于:可以有效应对突发数据量;适应多种不同的速率数据流;更快速的响应时间和更高的系统吞吐量;在基于qpsk调制时,最高可支持3.6mbit/s的速率,基于16qam调制时,最高支持14mbit/s速率;可支持dch和hsdpa混合使用相同的载波。
2.hsdpa技术特点
(1)缩短了无线帧长度,hsdpa的无线帧长为2ms,即一个10mswcdma帧中有5个hsdpa子帧,用户数据传输可以在更短的时长内分配给一条或多条物理信道,从而允许网络在时域、码域中重新调节其资源配置。
(2)在编码方面,hsdpa采用了抗衰落、抗干扰能力强的turbo编码。调制方面,除采用qpsk调制外,当信道条件较好时,还可以采用更高效的16qam,以获得更高的频带利用率。和qpsk相比,16qam调制可以使空中接口速率提高一倍。
(3)物理层还增加了新的高速共享信道(hs-dsch),使得传输功率、信道码等资源根据用户实际情况动态分配,从而提高了资源的利用率。信道码采用了时分复用和码分复用相结合的方式,不同终端既可以在不同tti(传输时间间隔),也可以在同一tti内分享信道资源。
(4)采用了自适应调制和编码(amc),使得nodeb能够根据ue反馈的信道状况及时地调整调制方式(qpsk、16qam)和编码速率,从而使数据传输与信道状况相匹配,获得高的传输速率和频谱利用率。
(5)采用了混合自动重复请求(harq)技术。harq可以自动根据瞬时信道条件,灵活调整有效编码速率,还可以补偿因采用链路适配所带来的误码。由于harq协议端接到nodeb中不存在经iub接口的数据重发,达到了减小重传时延的目的。
(6)采用快速分组调度机制。传输层上,在nodeb中引入mac实体mac-hs来控制hs-dsch。通过把分组调度功能从rnc移到nodeb中的mac层,hsdpa系统能更好地适应信道的快速变化。快速分组调度机制能根据终端的cqi报告决定下一个2ms时间间隔应该调度给哪个用户,并向具有瞬间最好信道条件的用户发送数据,使得每个瞬间都可以达到最高的用户数据速率和系统吞吐量。同时,2ms的短时间间隔又增加了调度进程的精确度。
二、hsdpa新增的物理信道
1.hs-pdsch:hs-physicaldownlinkshared channel(高速物理下行共享信道),下行信道
该信道具有以下特性:
(1)高速数据信道(比特速率>10mbit/s);
(2)最高可支持15个hs-pdsch;
(3)sf=16;
(4)dch总是伴随出现(dpch,sf4..512)。
2.hs-scch:hs-sharedcontrolchannel (高速共享控制信道),下行信道
特性如下:
(1)传输格式参数(channelisation-code,modulation,tbssize);
(2)混合自动重传请求信息(process,newdata,redundancy version);
(3)每个终端最多支持4个hs-scch;
(4)终端信息;
(5)sf=128。
3.hs-dpcch:hs-dedicatedphysicalcontrol channel (高速专用物理控制信道),上行信道
该信道具有以下特性:
(1)混合自动重传请求响应(ack/nack);
(2)信道质量指示(cqi);
(3)sf=256。
三、hsdpa覆盖范围计算与容量分析
1.hsdpa覆盖范围计算
hsdpa使用服务小区更新即硬切换,hs-pdsch信道不支持软切换,因此没有切换增益。处于小区边缘的hsdpa用户可以使用硬切换或者使用cell_dch(hs-pdsch)到cell_dch(dch)状态迁移的方式进行小区切换。由于hs-pdsch使用sf=16的扩频因子,其处理增益要小一些,与r99相比,hsdpa覆盖半径比cs12.2k话音(sf=128)要小,但比ps384k(sf=8)大,由于hsdpa可以给一个链接提供较大的信道功率,大致可以认为hsdpa的系统覆盖半径与r99的低速ps业务一致,如ps64k(sf=64)。
由于城区基站的小区半径不一致,在中心热点地区更是通过多重覆盖方法来解决覆盖和容量问题,在本文中不探讨hsdpa的覆盖半径,直接认为hsdpa的低速业务等同于r99的低速ps业务。本文中以覆盖率的方式探讨hsdpa的流量变化,探讨hsdpa用户的速率与基站覆盖率之间的关系。例如当用户业务速率较高时(达到500kbit/s时),用户不应该远离基站,否则hsdpa系统会加大信道功率,对邻区用户造成较大干扰。
2.hsdpa可提供容量计算
hsdpa采用qpsk、16qam调制方式,可以达到的理论峰值吞吐量为14.4mbit/s。当调制方式为qpsk,占用15个码道时,吞吐量为3.6mbit/s,当调制方式为16qam,占用15个码道时,吞吐量为14.4mbit/s。但理论吞吐量往往会受到用户数、可用信道数、终端性能、小区无线资源管理、小区网络配置、无线环境等因素的影响。在现实中,hsdpa的峰值速率比14.4mbit/s要小得多,这与hsdpa基站及终端都有关系。现在有部分厂家宣称,其hsdpa峰值速率可以达到1.8mbit/s。在2006年3gsm大会上,多数设备厂商推出了hsdpapc卡的现场演示,在展会新闻中心,由vodafone提供的hsdpa无线上网业务直接担当了网络接入服务,很多参会的记者就是通过hsdpa无线上网业务将信息、图片还有展会的资料传送回国内。
在qpsk、16qam两种调制方式下,hsdpa基站的数据传送速率如表一和表二所示。
表一 hsdpa两种调制方式可支持的速率
调制方式 编码速率 5 codes 10 codes 15 codes
qpsk 1/4 600kbit/s 1.2 mbit/s 1.8 mbit/s
2/4 1.2mbit/s 2.4 mbit/s 3.6 mbit/s
3/4 1.8 mbit/s 3.6 mbit/s 5.4 mbit/s
4/4 2.4mbit/s 4.8 mbit/s 7.2 mbit/s
16qam 2/4 2.4mbit/s 4.8 mbit/s 7.2 mbit/s
3/4 3.6mbit/s 7.2 mbit/s 10.8 mbit/s
4/4 4.8mbit/s 9.6 mbit/s 14.4 mbit/s
表二 3gpp定义支持hsdpa的12类ue的调制方式及支持速率
调制方式 种类 inter-tti 5 codes 10 codes 15 codes
qpsk only 11 2 0.9mbit/s - -
qpsk only 12 1 1.8mbit/s - -
qpsk/16qam 1 3 1.2mbit/s - -
qpsk/16qam 2 3 1.2mbit/s - -
qpsk/16qam 3 2 1.8mbit/s - -
qpsk/16qam 4 2 1.8mbit/s - -
qpsk/16qam 5 1 3.6mbit/s - -
qpsk/16qam 6 1 3.6mbit/s - -
qpsk/16qam 7 1 - 7.2mbit/s -
qpsk/16qam 8 1 - 7.2mbit/s -
qpsk/16qam 9 1 - - 10.8mbit/s
qpsk/16qam 10 1 - - 14.4mbit/s
从表一、表二中可以看到hsdpa基站、终端分别可以支持的数据速率。其下行的理论峰值14.4mbit/s比同类型技术ev-do的理论峰值2.4mbit/s高了许多。同时hsdpa可以与r99共享载波、共享传输,支持与多种r99数据业务并发使用,更好的qos保证等特点也显得比cdma20001xev-do技术更具竞争优势。
四、hsdpa基站部署及组网方式分析
hsdpa的商用网络在2005年11月问世,终端方面也逐渐成熟,多家设备厂商开始推出终端和数据卡。截至2006年3月15日,全球已经有10家运营商推出hsdpa商用网络,正在部署的运营商有23家,计划部署hsdpa的运营商有53家。市场上共有25款hsdpa终端设备(包括手机终端和数据卡)。预计到2006年下半年,随着各运营商渐次展开商用网络部署,hsdpa将在全球范围内进入规模商用化阶段。
目前hsdpa的组网方式主要有hsdpa与r99/r4混合载频组网与单独载频组网,笔者认为在建设hsdpa初期,不应该在全网范围内考虑使用hsdpa与r99/r4混合载频组网或是单独组网,因为3g其实刚刚进入初级发展阶段,从全球范围来看,语音业务仍然是支柱业务,数据业务也在逐步增加。在hsdpa建设初期,运营商应充分结合已有的运营经验,参考用户的发展情况,最大程度地降低建设成本。
hsdpa组网方式规划应遵从一定的原则:在原有r99/r4网络上建设hsdpa,要考虑在对原有r99/r4网络的覆盖、容量、性能质量影响最小的前提下提升网络的容量。在引入hsdpa后,要不影响原r99/r4网络的拓扑结构、覆盖范围及原r99/r4网络cs业务和容量,保证原有网络性能质量。hsdpa承载原r99/r4网络部分ps业务后,码资源和功率资源应采用合理的算法,充分发挥hsdpa优势,提升网络的数据吞吐量。
对于hsdpa基站部署,笔者有以下建议:
1.在原r99/r4网络的基础上增加hsdpa独立载频
该方式适合于以下地点:
(1)hsdpa体验中心,保证hsdpa用户的服务质量及用户体验,并积累运营经验;
(2)话音、数据需求都非常大的场所,可保证语音、数据业务各自的通信质量;
(3)行业应用、数据需求特别大的场所,保证数据业务的突发需求。
独立载频组网的优势在于:与wcdmar99/r4网络互不影响,在容量和覆盖上相互独立,避免了复杂的码资源、功率资源规划,r99/r4网络用户服务不受影响。hsdpa独立载频上所有资源都可以用于hs-pdsch,便于无线资源管理,可以获得全部hsdpa吞吐量。
独立载频组网的缺点在于:hsdpa业务与r99/r4业务不能共享载频资源,载频的资源利用率较低;不能支持hsdpa+ps或者hsdpa+cs的并发业务。当用户处于hsdpa的频段内要使用cs业务时,系统需要将用户切换到r99/r4频段,当用户处于r99/r4频段而发起hsdpa的业务时,系统要将用户切换到hsdpa频段,增加了资源的消耗与时延。
2.部署r99/r4与hsdpa混合载频
该方式适合于以下地点:
(1)在数据量需求较大的市中心热点地区、cbd商务区;
(2)在已经建设室内覆盖的酒店、写字楼内。
混合载频组网的优势在于:
(1)wcdma支持的cs、ps业务与hsdpa支持的高速数据业务共享频率及发射功率,做到资源利用最大化;
(2)业务选择灵活,避免不同载频导致的ue小区选择、驻留等问题;
(3)可以保证wcdma的低速数据业务覆盖范围;
(4)避免了hsdpa建网初期多数手机终端不支持hsdpa的情况(截至2006年2月28日,已有305款wcdma终端,支持hsdpa的只有25款);
(5)在不影响原有语音、视频电话等实时业务的前提下,由hsdpa承载数据业务提高系统的容量。
混合载频组网需要考虑的问题有:需要考虑如何对r99/r4与hsdpa各自的业务进行合理的功率分配,采用何种码资源分配策略及调度策略;需要考虑hsdpa和r99/r4的切换关系,采用何种切换策略来保证不同切换条件下的切换功率;需要考虑解决引入hsdpa后原r99/r4小区的覆盖范围、小区容量收缩的问题。
市场竞争是运营商推动hsdpa发展的最现实因素,在实施hsdpa基站部署的规划中,需要考虑hsdpa与原有r99/r4网络的融合,在尽量低的成本前提下,最大化地提高资源利用率。

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