WCDMA-HSDPA技术研究及改进方案

1、引言

HSDPA（高速下行分组接入）作为WCDMA标准的一个重要演进方式已引起相关技术人员的高度关注。2.5代的GPRS（通用分组无线业务）可以给用户提供的标称最高速率达171.2kbit/s，但实际可供用户使用的上、下行速率分别为10～20kbit/s和30～40kbit/s，很难满足移动因特网的需求。EDGE（用于GSM演进的数据速率增强型）标准给出的用户标称最高速率达473.6kbit/s，实际可达到的下行速率据估计为50～60kbit/s，可基本满足移动因特网的需求，可达到的上行速率估计和GPRS类似，它主要受到手机发功率的限制，而且从因特网的应用特点考虑，也没有必要提供过高的上行速率。3G标准声称在车载、步行和静止环境分别能达到144kbit/s、384bit/s和2Mbit/s的用户速率，甚至未区分上下行信道。根据FDD-WCDMA标准原设计SF的变化范围和上下行发信机结构，用户上下行速率均可达1Mbit/s，理论上已完全可以满足用户需求。然而由于WCDMA标准的技术设计缺陷，这些理论设计指标在实际应用中根本无法实现，差距极大。多用户情况下，基站实际的下行容量都很难达到1Mbit/s。为了挽救WCDMA标准，又推出了属于3.5G的HSDPA标准。应该认识到WCDMA标准若能履行标准所规定的种种指标时，则完全没有必要推出HSDPA标准。HSDPA号称最高能提供约14Mbit/s的下行速率，我们认为它大概只能是系统只存在一个用户时，不切实际的标称速率。HSDPA属于B3G系统，它应该能够利用一个载波在小区内同时给多个用户提供语音和高速数据业务，此时系统的下行容量显然应该远远大于只提供语音和低速数据业务的WCDMA系统。本文将证明利用现有理论无法实现HSDPA标准应该达到的目标。HSDPA标准采用了一种与GPRS、EDGE方式不同的可用速率表示方法，在GPRS、EDGE方式中给出的是用户速率，而在HSDPA标准给出的可用速率却是基站HSDPA信道可能提供的总的下行速率，若分配到多个高速数据用户的话，用户速率并不高。还应该指出的是，根据我们的计算结果即使这些速率在实际应用中也很难提供。然而用户关心的却是用户速率。GPRS和EDGE所用的速率表示方法是合理的。需要提出质疑的是HSDPA标准为何要采用这种带有夸张性的，易使用户误解的表示方法。勿用质疑，它的良苦用心应该是路人皆知的。  

本文提出的CDMA/TDMA方案，将利用一个载频同时给多个用户提供语音和高速数据业务，可以达到HSDPA的设计目标。  

2、HSDPA简介  

HSDPA采用和WCDMA Release 99中语音或低速数据信号共享载波的方式引入HS-DSCH信道在下行链路方向承载用户数据，传输时间间隔（TTI）为2ms，扩频因子固定为16，因此在使用小区独立扰码时，最大可用地址码数为15，此时各码道的数据速率相等。数据调制方法为QPSK或16QAM，信道编码为1/3码率的Turbo编码，并通过各种编码率匹配参数得到不同的有效码率Rco Rc的变化范围较大，其最大值为0.751，此时的纠错能力将急剧下降，编码功率增益也会下降，要求的发信功率增加，导致系统自干扰上升。HS-DSCH的基本参数见表1。  



表1　HS-DSCH信道主要参数  

表1中的Rb为基站HSDPA下行信道能给出的总速率，表1中第一行给出的Rb为68.5～230.5kbit/s，假定系统中有5个HSDPA用户时，平均每用户的速率为13.7～46.1kbit/s，这个速率完全应该由WCDMA的普通CDMA信道承担，是没有太大实用意义的。当信道质量理想且15个码道捆绑时HSDPA信道可达到的最高总速率约为10Mbit/s，见表1中最后一行。HS-DSCH信道在一个TTI内，可以由多个用户进行码分多址（CDM），在不同的TTI也可以分配不同的用户进行时分多址（TDM），因此，HSDPA在下行链路中将使用码分多址和时分多址相结合的方式。HSDPA容量的大幅提升计划通过码道捆绑、高频谱效率的调制方式和较高的纠错编码率来实现的，后面将证明HSDPA使用的这些设计方法是达不到其宣称的Rb标称值的。  

CDMA系统中曾使用过多种用户速率调整方案。在IS-95系统中，考虑到上、下行信道的不对称性，上行采用截短发信时间的方法调整用户数据速率，下行则采用重复发送的方法，这两种方法都能保持扩频系数（SF）不变，以避免收端出现强信号淹没弱信号的不利现象。也曾使用码道捆绑的方法提高用户速率，但此种方法极不合理，因为在一个用户的收信CDMA子信道间也会产生CDMA自干扰，导致系统容量下降。在3G中，引入可变SF（VSF）的方法调整码速，此方法虽可避免用户子信道间的自干扰，但可能会产生SF值较大信号的淹没现象。所以在CDMA方式中很难找到一种合理的用户数据速率调整方案。下面还将证明CDMA系统下行信道容量很小，无法满足移动因特网的需求。