WCDMA-HSDPA技術(shù)研究及改進方案

摘要　本文將證明HSDPA缺乏技術(shù)理論基礎(chǔ)，利用現(xiàn)有的CDMA基本原理無法實現(xiàn)HSDPA應(yīng)該達到的目標：在小區(qū)內(nèi)利用一個載波給多個用戶同時提供高速數(shù)據(jù)和語音業(yè)務(wù)的應(yīng)用，顯然此時要求提供的下行業(yè)務(wù)容量應(yīng)比單獨提供語音業(yè)務(wù)時更大。同時給出一種利用碼分多址／時分多址改進HSDPA的方案，它將利用碼分多址區(qū)分語音和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道，在語音和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道中分別選用碼分和時分多址方式。這種方法可改進WCDMA標準上下行容量基本對稱的技術(shù)缺陷，使其符合移動因特網(wǎng)的需求。

1、引言

　　HSDPA（高速下行分組接入）作為WCDMA標準的一個重要演進方式已引起相關(guān)技術(shù)人員的高度關(guān)注。2.5代的GPRS（通用分組無線業(yè)務(wù)）可以給用戶提供的標稱最高速率達171.2kbit/s，但實際可供用戶使用的上、下行速率分別為10～20kbit/s和30～40kbit/s，很難滿足移動因特網(wǎng)的需求。EDGE（用于GSM演進的數(shù)據(jù)速率增強型）標準給出的用戶標稱最高速率達473.6kbit/s，實際可達到的下行速率據(jù)估計為50～60kbit/s，可基本滿足移動因特網(wǎng)的需求，可達到的上行速率估計和GPRS類似，它主要受到手機發(fā)功率的限制，而且從因特網(wǎng)的應(yīng)用特點考慮，也沒有必要提供過高的上行速率。3G標準聲稱在車載、步行和靜止環(huán)境分別能達到144kbit/s、384bit/s和2Mbit/s的用戶速率，甚至未區(qū)分上下行信道。根據(jù)FDD-WCDMA標準原設(shè)計SF的變化范圍和上下行發(fā)信機結(jié)構(gòu)，用戶上下行速率均可達1Mbit/s，理論上已完全可以滿足用戶需求。然而由于WCDMA標準的技術(shù)設(shè)計缺陷，這些理論設(shè)計指標在實際應(yīng)用中根本無法實現(xiàn)，差距極大。多用戶情況下，基站實際的下行容量都很難達到1Mbit/s。為了挽救WCDMA標準，又推出了屬于3.5G的HSDPA標準。應(yīng)該認識到WCDMA標準若能履行標準所規(guī)定的種種指標時，則完全沒有必要推出HSDPA標準。HSDPA號稱最高能提供約14Mbit/s的下行速率，我們認為它大概只能是系統(tǒng)只存在一個用戶時，不切實際的標稱速率。HSDPA屬于B3G系統(tǒng)，它應(yīng)該能夠利用一個載波在小區(qū)內(nèi)同時給多個用戶提供語音和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，此時系統(tǒng)的下行容量顯然應(yīng)該遠遠大于只提供語音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的WCDMA系統(tǒng)。本文將證明利用現(xiàn)有理論無法實現(xiàn)HSDPA標準應(yīng)該達到的目標。HSDPA標準采用了一種與GPRS、EDGE方式不同的可用速率表示方法，在GPRS、EDGE方式中給出的是用戶速率，而在HSDPA標準給出的可用速率卻是基站HSDPA信道可能提供的總的下行速率，若分配到多個高速數(shù)據(jù)用戶的話，用戶速率并不高。還應(yīng)該指出的是，根據(jù)我們的計算結(jié)果即使這些速率在實際應(yīng)用中也很難提供。然而用戶關(guān)心的卻是用戶速率。GPRS和EDGE所用的速率表示方法是合理的。需要提出質(zhì)疑的是HSDPA標準為何要采用這種帶有夸張性的，易使用戶誤解的表示方法。勿用質(zhì)疑，它的良苦用心應(yīng)該是路人皆知的。

　　本文提出的CDMA/TDMA方案，將利用一個載頻同時給多個用戶提供語音和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，可以達到HSDPA的設(shè)計目標。

2、HSDPA簡介

　　HSDPA采用和WCDMA Release 99中語音或低速數(shù)據(jù)信號共享載波的方式引入HS-DSCH信道在下行鏈路方向承載用戶數(shù)據(jù)，傳輸時間間隔（TTI）為2ms，擴頻因子固定為16，因此在使用小區(qū)獨立擾碼時，最大可用地址碼數(shù)為15，此時各碼道的數(shù)據(jù)速率相等。數(shù)據(jù)調(diào)制方法為QPSK或16QAM，信道編碼為1/3碼率的Turbo編碼，并通過各種編碼率匹配參數(shù)得到不同的有效碼率Rco Rc的變化范圍較大，其最大值為0.751，此時的糾錯能力將急劇下降，編碼功率增益也會下降，要求的發(fā)信功率增加，導致系統(tǒng)自干擾上升。HS-DSCH的基本參數(shù)見表1。

表1　HS-DSCH信道主要參數(shù)

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　　表1中的Rb為基站HSDPA下行信道能給出的總速率，表1中第一行給出的Rb為68.5～230.5kbit/s，假定系統(tǒng)中有5個HSDPA用戶時，平均每用戶的速率為13.7～46.1kbit/s，這個速率完全應(yīng)該由WCDMA的普通CDMA信道承擔，是沒有太大實用意義的。當信道質(zhì)量理想且15個碼道捆綁時HSDPA信道可達到的最高總速率約為10Mbit/s，見表1中最后一行。HS-DSCH信道在一個TTI內(nèi)，可以由多個用戶進行碼分多址（CDM），在不同的TTI也可以分配不同的用戶進行時分多址（TDM），因此，HSDPA在下行鏈路中將使用碼分多址和時分多址相結(jié)合的方式。HSDPA容量的大幅提升計劃通過碼道捆綁、高頻譜效率的調(diào)制方式和較高的糾錯編碼率來實現(xiàn)的，后面將證明HSDPA使用的這些設(shè)計方法是達不到其宣稱的Rb標稱值的。

　　CDMA系統(tǒng)中曾使用過多種用戶速率調(diào)整方案。在IS-95系統(tǒng)中，考慮到上、下行信道的不對稱性，上行采用截短發(fā)信時間的方法調(diào)整用戶數(shù)據(jù)速率，下行則采用重復發(fā)送的方法，這兩種方法都能保持擴頻系數(shù)（SF）不變，以避免收端出現(xiàn)強信號淹沒弱信號的不利現(xiàn)象。也曾使用碼道捆綁的方法提高用戶速率，但此種方法極不合理，因為在一個用戶的收信CDMA子信道間也會產(chǎn)生CDMA自干擾，導致系統(tǒng)容量下降。在3G中，引入可變SF（VSF）的方法調(diào)整碼速，此方法雖可避免用戶子信道間的自干擾，但可能會產(chǎn)生SF值較大信號的淹沒現(xiàn)象。所以在CDMA方式中很難找到一種合理的用戶數(shù)據(jù)速率調(diào)整方案。下面還將證明CDMA系統(tǒng)下行信道容量很小，無法滿足移動因特網(wǎng)的需求。

3、CDMA多速率系統(tǒng)中Pr與Rb的關(guān)系和下行容量

　　可證明在碼分多址條件下，當數(shù)據(jù)用戶數(shù)較多，例如M=8時，當數(shù)據(jù)信道和語音信道的速率比K=Rbd/Rbv≤6的情況下，BER一定時，用戶數(shù)據(jù)速率比與語音收信功率比K≈Kˊ，這表明數(shù)據(jù)用戶的收功率比值正比于它們的數(shù)據(jù)速率比，或反比于它們的擴頻系數(shù)比，用戶數(shù)據(jù)速率上升時占用的容量上升，要求的發(fā)功率增大。但當數(shù)據(jù)用戶與語音用戶的速率比K=48且只有一個數(shù)據(jù)用戶時，K/Kˊ=1.86。此時的數(shù)據(jù)速率相當于48個語音用戶數(shù)據(jù)速率的捆綁，所需的發(fā)功率才相當于25.8個語音用戶，約可節(jié)省一半的發(fā)功率，同時使自干擾大幅下降，系統(tǒng)容量上升?，F(xiàn)在由于兩路信道的收信功率要求值差別很大，極可能產(chǎn)生弱信號的淹沒現(xiàn)象。

　　上述結(jié)論可用于VSF CDMA系統(tǒng)。改變SF時，Rb改變，所以當兩個碼道的SF比小于6時，低SF碼道所占的容量正比于多個碼道的捆綁。然而在CDMA/TDMA系統(tǒng)中，TDMA碼道的數(shù)據(jù)速率極高，可以大幅度提高功率利用率，提升系統(tǒng)容量。

　　通過我們的推導和計算，基站單載波下行最大用戶數(shù)Nmax列于表2。

表2　小區(qū)下行最大用戶數(shù)

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　　表2為WCDMA和cdma2000標準的小區(qū)下行語音最大用戶數(shù)Nmax。由于cdma2000傳語音時的配置和IS-95相同，為便于與實用系統(tǒng)比較，在表2中只列出IS-95的計算結(jié)果。表2中Nmax一欄同時給出相鄰小區(qū)干擾因子n分別取0.04/0.6/1.778時的Nmax值。此處求得的Nmax是不能作為小區(qū)的實際用戶數(shù)考慮的，一般而言，只能取它的60%作為可用值。參考文獻中給出的cdma2000 1x小區(qū)的實際用戶數(shù)為13。小區(qū)的最大用戶數(shù)Nmax，即容量由CDMA系統(tǒng)的自干擾決定，此時即使增大基站發(fā)信總功率，亦無法增大小區(qū)容量。表2中還給出經(jīng)碼道捆綁后小區(qū)的最大無線接入Rbmax，可用于估算小區(qū)可能達到的最大數(shù)據(jù)速率。由于3G系統(tǒng)是一個公共多用戶系統(tǒng)，所以該Rbmax是不可能只提供給1或2個用戶使用的。

　　在下行鏈路中也可以采用改變SF的方法改變用戶無線接入速率，改變SF等效于Rb的改變。根據(jù)前面導出的Pr與Rb的關(guān)系，說明改變SF等效于碼道的捆綁，也無法提升系統(tǒng)容量，還可能招致收信端強信號淹沒弱信號的問題。因此CDMA的3G主流標準幾乎不可能提供它所聲稱的步行環(huán)境384kbit/s，靜止環(huán)境2Mbit/s的用戶無線接入速率。

4、HSDPA技術(shù)缺陷研究

　　從第2節(jié)可知，HSDPA采用將碼道捆綁后再使用TDMA這兩種方法和改變調(diào)制方式來增加Rb。首先使用碼道捆綁的方法將導致用戶收信號子信道間的自干擾，很不合理。其次HSDPA多個捆綁碼道的數(shù)據(jù)速率相等，根據(jù)前面導得的系統(tǒng)容量和信道功率比關(guān)系式可以推定利用碼道捆綁的TDMA方式不可能大幅增加系統(tǒng)容量。HSDPA方式選用的SF=16，是語音信號的1/8，可能導致語音信號被淹沒，或收信質(zhì)量下降。

　　在表1最后一行的情況下，小區(qū)內(nèi)至少使用兩個擾碼分別作為HS-DSCH和語音信道的信道地址碼，此時小區(qū)內(nèi)會引入異步地址碼干擾，和使用一個擾碼的同步地址碼小區(qū)容量相比，使用2個擾碼的小區(qū)容量將下降。小區(qū)內(nèi)使用多個擾碼時，可用地址碼數(shù)可以成倍上升，但是會導致小區(qū)容量下降。所以WCDMA在一個小區(qū)中可安排16個擾碼作為信道地址碼的做法也是不合理的。此時HS-DSCH的碼道數(shù)為15，單碼道的速率Rbˊ=10877/15=725kbit/s，取m=O.76，經(jīng)過糾錯編碼取d=5dB（此時并未考慮調(diào)制方式對門限值的影響），利用小區(qū)下行容量公式計算Nmax時，得到的Nmax≈1.8，即不可能使用15個碼道，而且此時已占用該載波的全部容量，因此必須使用一個獨立載波。當語音用戶同時存在時，假設(shè)基站分配30%的功率用于語音業(yè)務(wù)，那么此時基站僅能夠支持一條速率為725kbit/s的碼道，由于HS-DSCH碼道的數(shù)據(jù)速率較高，還可能淹沒語音信道的信號。

　　另一方面在CDMA系統(tǒng)中一般也不易使用高頻譜效率的16QAM調(diào)制方式，因為這些調(diào)制方式的功率利用率較低，將會使要求的門限值d上升，使自干擾上升，系統(tǒng)容量下降。因此，在HSDPA系統(tǒng)中想通過改變調(diào)制方式提高Rb，其作用不大。

　　從上面的分析可以看出HSDPA缺少技術(shù)理論基礎(chǔ)，利用現(xiàn)有的CDMA基本原理無法實現(xiàn)HSDPA應(yīng)該給多個用戶同時提供高速數(shù)據(jù)、語音或低速數(shù)據(jù)的應(yīng)用要求。

5、用干擾抵消器和碼分多址／時分多址實現(xiàn)多速率兼容的方法

　　此處提出一種可行的CDMA/TDMA方案。這種方法的基本特點是從WCDMA分配給一個小區(qū)的16個擾碼中選用兩個擾碼分別用于CDMA或TDMA方式的信道地址碼，也就是說一個小區(qū)內(nèi)只使用一個頻點，TDMA的高速數(shù)據(jù)用戶信道和CDMA的語音或低速數(shù)據(jù)用戶信道各使用一個短PN序列地址碼。顯然TDMA信道的信號將嚴重干擾語音或低速數(shù)據(jù)用戶的接收，因此它們的接收機中必須使用最易實現(xiàn)的干擾抵消器，只用于消除一條TDMA高速數(shù)據(jù)信道產(chǎn)生的自干擾即可；為了提高高速數(shù)據(jù)用戶的服務(wù)質(zhì)量，對于高速數(shù)據(jù)用戶也可使用干擾抵消器，用于消除采用另一短PN序列地址碼的語音用戶信道的集總干擾。當考慮相鄰小區(qū)干擾時，干擾抵消器的復雜度將略有上升。但是和多用戶接收機相比，干擾抵消器的實現(xiàn)難度不大。由于上行鏈路的容量要求較低可繼續(xù)采用WCDMA技術(shù)。此時由于TDMA碼道和語音碼道的速率比極大，可以大幅度減少TDMA碼道的發(fā)信功率，減少系統(tǒng)自干擾，提升發(fā)功率效率。而且所需的關(guān)鍵技術(shù)與現(xiàn)有的B3G技術(shù)相比，極為簡單。

　　這種方法的基站發(fā)信端電路結(jié)構(gòu)見圖1。

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圖1　基站端發(fā)信框圖

　　圖1上部給出語音或低速數(shù)據(jù)用戶在WCDMA系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理過程，仍采用碼分多址的方案。DTCH中的數(shù)據(jù)信號經(jīng)基帶信號處理后，形成碼元速率為60kbit/s專用物理信道（DPCH）。在基帶信號處理中包含糾錯編碼率Rc=1/2.5的糾錯編碼、二次交織編碼處理、插入專用控制信道（DCCH）和專用物理控制信道（DPCCH）信息等處理過程?；鶐盘柼幚?的輸出經(jīng)串并轉(zhuǎn)換后的輸出碼元速率為30kbit/s。圖1中假設(shè)有S11 S21、……、SN1個信號輸入，可用于N個用戶。此時的QAM調(diào)制9用于QPSK調(diào)制。

　　假定SD選用的糾錯編碼和調(diào)制方法與語音數(shù)據(jù)類似，在要求的誤比特率（BER）相同時，移動臺所需的收信門限信噪比d相等。取高速數(shù)據(jù)信道SD輸出的碼元速率為3.84Mbit/s，糾錯編碼率Rc=1/2.5，暫不考慮DCCH和DPCCH的速率要求時假定有M=16個高速數(shù)據(jù)用戶時，則每一用戶的數(shù)據(jù)速率可達3840/（2.5×16）=96kbit/s。合路后的信號SD分為16個時隙，與DPCH在每一幀中的功率控制時隙數(shù)相同。每一個時隙對應(yīng)一個高速數(shù)據(jù)用戶。也可以采用增加時隙數(shù)或改變時隙寬度的方法改變高速數(shù)據(jù)用戶數(shù)或用戶數(shù)據(jù)速率。

　　選用QPSK調(diào)制時，SD經(jīng)串／并轉(zhuǎn)換后的碼元速率為1920kbit/s，后續(xù)的PAM變換將根據(jù)QAM調(diào)制9的要求將輸入的多路二進制信號變換為多電平信號，經(jīng)復擾碼8處理后送QAM調(diào)制?？梢郧蟮么藭r高速數(shù)據(jù)信道和語音或低速數(shù)據(jù)用戶的數(shù)據(jù)速率比為1536/24=64，根據(jù)式（3）可以求得它所占用的發(fā)信功率才相當于29.4個語音用戶。此處取DPCH折合的語音用戶速率為60/2.5=24kbit/s。使得系統(tǒng)的自干擾下降較大，可以取得很高的頻譜和功率利用率。

　　圖2為下行鏈路用戶端的收信電路框圖。圖中包括射頻處理（1）用于將無線接收的射頻信號變換為與發(fā)端信號S9對應(yīng)的中頻信號S9ˊ，送正交幅度相干解調(diào)（2），它的兩路輸出信號S8Iˊ和S8Qˊ送干擾抵消和用戶數(shù)據(jù)解調(diào)（3），由該電路輸出高速數(shù)據(jù)用戶K的信號DK1ˊ，也可以送出語音或低速數(shù)據(jù)用戶因拘信號SK1ˊ。

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圖2　用戶端收信框圖

　　圖2中的干擾抵消和用戶數(shù)據(jù)解調(diào)（3）電路內(nèi)應(yīng)包括兩個干擾抵消器，一個干擾抵消器用于消除TDMA高速數(shù)據(jù)信道對語音或低速數(shù)據(jù)用戶的干擾，從而輸出語音或低速數(shù)據(jù)，另一個干擾抵消器用于消除CDMA語音或低速數(shù)據(jù)用戶信道對高速數(shù)據(jù)信道的干擾，從而輸出高速數(shù)據(jù)用戶的信息數(shù)據(jù)。

　　從上述應(yīng)用例可以看出，由于基站端發(fā)信和用戶收信設(shè)備的簡單性和易實施性，使干擾抵消器得以應(yīng)用，將使高速數(shù)據(jù)用戶的用戶數(shù)和數(shù)據(jù)速率在原有語音或低速數(shù)據(jù)容量的基礎(chǔ)上大幅上升，并可滿足多用戶下行高速率的移動因特網(wǎng)要求。

6、結(jié)束語

　　從上文可知，為實現(xiàn)大容量、多用戶無線接入，HSDPA系統(tǒng)欲采用碼道捆綁TDMA方式和改變調(diào)制方式的做法缺少技術(shù)理論基礎(chǔ)，利用現(xiàn)有的CDMA系統(tǒng)無法實現(xiàn)HSDPA應(yīng)該給多個用戶同時提供高速數(shù)據(jù)和語音業(yè)務(wù)的應(yīng)用要求。本文給出的方法是在小區(qū)所用頻點上同時使用CDMA/TDMA技術(shù)，系統(tǒng)有極好的兼容性。該方法在用于語音或低速數(shù)據(jù)用戶的碼分多址系統(tǒng)的下行鏈路中建立一條多用戶時分多址高速數(shù)據(jù)信道，并給該信道分配一個獨立的短擾碼序列信道地址碼，使干擾抵消器的應(yīng)用成為易事。而且由于TDMA碼道和語音碼道的速率比極大，可以大量減少系統(tǒng)自干擾。應(yīng)用該理論建立的多用戶可變用戶數(shù)據(jù)速率碼分多址/時分多址的移動通信系統(tǒng)具有發(fā)信功率、頻譜利用率大幅度上升的基本特點，使得下行信道的數(shù)據(jù)速率和容量可成十倍增加，完全可以滿足移動因特網(wǎng)的要求，又無需使用B3G中很難實現(xiàn)的種種新技術(shù)。