摘要　基于用戶對高速分組數據業務的需求，3GPP在R5引入了HSDPA（FDD、TDD）技術。在國外已經運營的WCDMA網絡中，HSDPA的引入確實大大提高了下行數據速率，而國內正在規模建設中的TD-SCDMA實驗網絡也將逐步引入HSDPA，充分體現出3G在數據業務上的優勢。主要通過理論分析結合系統仿真的手段來考察基于TD-SCDMA的HSDPA系統網絡的性能，作為實際網絡規劃的參考。

1、基本原理與關鍵技術

　　高速下行分組接入（HSDPA）技術作為3G的一種后續演進技術，被稱為3.5G。HSDPA對于下行數據速率的大幅提高主要得益于引入了幾種關鍵技術，如物理層的自適應編碼和調制（AMC）、快速混合自動重傳（HARQ）和共享信道技術、快速小區選擇（FCS）調度技術。

　　AMC根據無線信道的變化選擇合適的調制和編碼方式，當用戶處于有利的通信地點時（如靠近NodeB），用戶數據發送可以采用高階調制和高速率的信道編碼方式（例如：16QAM和3/4編碼速率），從而得到高的峰值速率；而當用戶處于不利的通信地點時（如小區邊緣或信道深衰落），則選取低階調制方式和低速率的信道編碼方案（例如：QPSK和1/4編碼速率）來保證通信質量。

　　HARQ技術可以提高系統性能，并可靈活地調整有效編碼速率，還可以補償由于采用鏈路適配所帶來的誤碼。HSDPA將AMC和HARQ技術結合起來可以達到更好的鏈路自適應效果。HSDPA先通過AMC提供粗略的數據速率選擇方案，然后使用HARQ技術提供精確的速率調解，從而提高自適應調精度和資源利用率。HARQ機制本身的定義是將FEC和ARQ結合起來的一種差錯控制方案，HARQ機制的形式很多，而HSDPA技術中主要是采用三種遞增冗余的HARQ機制。

　　調度算法控制著共享資源的分配，在很大程度上決定了整個系統的行為。調度時應主要基于信道條件，同時考慮業務的優先等級等情況，并充分發揮AMC和HARQ的能力。調度算法應向瞬間具有最好信道條件的用戶發射數據，這樣在每個瞬間都可以達到最高的用戶數據速率和最大的數據吞吐量，但同時還要兼顧每個用戶的等級和公平性。

　　HSDPA對原有的系統架構也做了一些改進，在Node B側加入了MAC-hs子層，負責AMC、HARQ等功能，將原本在RNC側完成的調度與重傳搬到了Node B側，同時也將傳輸時間間隔TTI縮短到5 ms。實現了物理層的快速調度重傳，大大縮短了時延，提高了傳輸效率。并在物理層引入了以下三種新的傳輸信道：①HS-DSCH信道，用于承載數據業務；②下行DSCH信道的共享控制信道HS-SCCH，用于承載發送數據的相關參數；③上行共享信息指示信道HS-SICH，用于承載DSCH的信道質量指示信息，由用戶終端（UE）發送到Node B報告信道質量。

2、系統流量的理論計算

　　TD-SCDMA的幀結構如圖1所示。首先計算1個下行時隙所能承載的理論最高數據速率。根據協議，1個時隙的數據塊大小是704 chips，承載數據的HS-PDSCH物理信道擴頻因子SF=1或16，我們按SF=16計算（SF=1結果一樣）：

圖1　TD-SCDMA幀結構

　　得到1個時隙的理論最高速率為563.2 kbit/s，如果最多用5個下行時隙（除廣播信道TSO外，還必須留有1個下行時隙承載下行信令和控制信息，如HS-SCCH）來承載HSDPA，那么單載波的理論速率將達到563.2 kbit/s×5=2.8 Mbit/s，在TD-SCDMA引入N頻點組網技術后，還可以實現多載波捆綁HSDPA，用戶終端同時接收多個載波的數據，數據速率將得到成倍提高（N×2.8 Mbit/s）。

3、系統仿真結果

　　3.1　仿真原理

　　實際的HSDPA系統通過自適應調制和編碼調整數據速率以滿足信道質量。而信道質量主要反應在UE的接收載干比C/I上，C/I的計算公式為：

　　其中：P_i為用戶單碼道i的接收功率；a為本小區干擾抑制因子，a=聯合檢測因子×非正交因子；I_own為本小區干擾功率；I_other為來自其他小區的干擾功率N_O為下行熱噪聲功率。

　　UE通過測量當前接收的C/I來判斷信道質量的好壞，根據當前的信道質量在協議規定的傳輸格式及資源組合（TFRC）表中選擇合適的數據塊大小（TBS）以及調制編碼方式，同時UE還將對當前TTI接收到的數據塊進行解碼，最后將ACK/NAK信息以及TFRC信息一起作為信道質量指示（CQI）通過HS-SICH信道上報給Node B，Node B根據收到的CQI信息在下一個TTI內發送合適的數據塊。當多UE在線時，還要考慮到使用的調度算法，使用最多的是以下3種基本調度算法：①基于最大載干比的MAX-C/I調度算法；②對用戶輪詢調度的Round Robin算法；③兼顧時間與資源的部分公平調度PF算法。具體采用哪種調度算法取決于運營商的策略，協議并沒有作硬性的規定。

　　在上述系統基本原理的基礎上對TD-HSDPA進行系統建模仿真。主要仿真參數如表1所示。

表1　主要仿真參數

圖2　單用戶吞吐量與路損關系

　　3.2　單用戶性能

　　仿真考察在孤島條件下，HSDPA用戶只受本小區干擾和接收機熱噪聲的影響時，HSDPA單用戶吞吐量與路徑損耗的關系，由于仿真中HSDPA占3個下行時隙（考慮實際保留部分時隙承載12.2k語音業務），所以理論的最高速率為563.6 kbit/s×3=1.6 Mbit/s。從圖2的仿真結果可以看到，用戶吞吐量隨路損的增大而減小，當用戶所處的無線環境較好、路徑損耗在80 dB左右時，吞吐量可以接近理論上限1.6 Mbit/s（仿真中考慮10%的誤塊率影響），當用戶處于小區邊緣、路徑損耗大于150 dB時，流量則下降到500 kbit/s以下。

　　3.3　多用戶性能

　　仿真考察在多小區多用戶環境下的吞吐量性能，此時用戶將同時受到本小區和相鄰小區的干擾。小區內有多個用戶在線時，隨著小區用戶數的增加，MAX-C/I和PF調度算法下的小區吞吐量都有所上升，這種由小區用戶數增加而帶來的吞吐量上升，被稱為多用戶分集增益。從圖3可以看到，MAX-C/I下的吞吐量上升最為明顯，這和調度算法本身的特性是相吻合的，在多用戶下，MAX-C/I算法總能調度到信道質量最好的用戶，選用高階的調制方式以及更大的TBS傳輸，從而提高小區吞吐量。而RR調度算法與用戶信道質量無關，被輪循調度到的用戶的信道質量可能會比較差，而這種情況在多用戶數下出現的幾率更大，所以影響了小區吞吐量的提升。PF算法由于兼顧了用戶信道質量以及調度的公平性，所以吞吐量上升不如MAX-C/I算法顯著。多用戶分集增益也比較有限，隨著在線用戶數的進一步增加，小區吞吐量也將趨于平穩。

圖3　3種調度算法下小區吞吐量與用戶數的關系

4、結語

　　基于TD-SCDMA的HSDPA系統繼承了TD-SCDMA的先進技術，如智能天線技術、聯合檢測技術等，融入了HSDPA特有的一些關鍵技術，大大提高了系統網絡的下行數據速率。文章通過理論分析結合系統仿真，考察了HSDPA系統的性能，為實際的HSDPA網絡規劃與建設提供參考。