高速下行链路分组接入技术改变UMTS系统性能和设计
05-08
在近70%的全球市场中，无处不在的宽带无线业务的基础是新近标准化后的通用移动通讯系统(UMTS)扩展技术，即HSDPA技术。HSDPA可提供高达7Mbps的峰值数据速率，但引入HSDPA将带来一些新的技术挑战，如需要对信道卡做出较大修改等。本文分析了解决这些技术挑战的思路，并介绍了UMTS架构的基本原理。
高达7Mbps的峰值速率、以及与传统网络的相对兼容性等，使得高速下行链路分组接入(HSDPA)技术成为迈向3G蜂窝网络的良好起步。在近70%的全球市场中，无处不在的宽带无线业务的基础是新近标准化后的通用移动通讯系统(UMTS)扩展技术，即HSDPA技术。HSDPA可提供高达7Mbps的峰值数据速率，围绕引入HSDPA的各种问题，代表着在蜂窝网络从以语音为中心的2G向以数据为中心的3G发展过程中所面临的主要障碍。尤其是电信运营商们发现，他们正面临既创造出市场对新的面向数据业务的需求，同时又确保能以最少的投资来支持此类业务的挑战。尽管HSDPA似乎为此提供了答案，但其中也涉及到一些对前端基站的改变，网络设计工程师们必须对这些改动的详情有很好的了解。
UMTS基本原理
UMTS网络架构由如下几部分组成：B节点或基站、无线网络控制器(RNC)、GPRS服务节点与网关GPRS服务节点，以及移动交换中心(MSC)(图1)。就本文而言，我们可以将B节点看成是用来完成处理物理层空中接口的功能，将RNC看成是管理无线电资源及大部分移动通话的功能，而将服务及网关节点看成是处理及路由数据流的功能，移动交换中心则负责提供对有线网络的接口。
HSDPA的主要目的是在UMTS内部建立一种经济高效、高带宽、低延时及面向分组的业务。其中向后兼容是关键，故HSDPA架构师们应具有一种发展的眼光。从架构的角度看，HSDPA是UMTS 99版(R99)架构的直接增强版本，只不过在位于R99 媒体访问控制(MAC)层之后的B节点内增加了重复/调度实体(entity)。从蜂窝网络的角度来看，支持HSDPA的网络必须能支持所有R99技术，因为HSDPA移动终端(UE)设计用来与R99 UE共处。
从技术上讲，HSDPA的基本工作原理相对容易理解：RNC将发往特定UE的数据包路由至适当的B节点，而B节点则接收这些数据包，并通过将用户优先级及预估信道工作环境与选择适当的编码及调制方案(即16QAM与QPSK)相匹配，借助空中接口将数据包顺序转发给移动终端。
UE负责对数据包的接收进行确认，并向B节点提供有关信道状况及功率控制等方面的信息。当B节点将数据包转发给UE以后，它会等待UE的确认。如果在规定时间内未收到确认，则它会假设数据包已经丢失并重新发送。
简言之，HSDPA通过一些适度的约束条件来为用户提供最佳信道和最大带宽。HSDPA可达到的数据速率(图2)足以支持多媒体流传输业务。
引入HSDPA需要修改信道卡
尽管HSDPA概念比较简单，但在B节点内的实现上却为设计工程师提出了一些架构上的问题。在一般的网络部署中，B节点无线电机柜位于靠近无线电塔及电源机箱的位置。对于室内部署，无线电机柜可能就是一个简单的机架，但对于室外部署而言，则可能是一个受环境控制的装置。无线电机柜内有天线接口部件(滤波器、功率放大器及类似部件等)、核心处理盒(射频收发器、合路器、高性能信道卡、网络接口及系统控制器卡、时序卡以及背板等)，还有机电系统(如电源、风扇、电缆等)以及其他各种部件。
核心处理盒(CPC)是B节点的基础，并占据其大部分成本。它包括射频收发器、合路器、网络接口与系统控制器卡、时序卡(timing card)、信道卡及底板等。在这些CPC组件中，只有信道卡需要改动以支持HSDPA。
典型的UMTS信道卡由处理各种控制任务的通用处理器组成，其中一组DSP芯片承担符号率处理以及码片率(chip rate)协助功能；而一组专用ASIC或ASSP芯片则负责处理密集的码片率操作，如扩频、加扰、调制、耙式接收(rake receiving)及前同步码检测等。
为支持HSDPA，设计时需要对信道卡进行两方面的改动。首先，必须修改下行链路码片率ASIC(或ASSP)，以支持新的16QAM调制方案以及与HSDPA有关的新型下行链路时隙格式等。一些厂商在其下行码片率ASIC设计中即预先考虑了HSDPA，因此可以直接应用。但也有一些厂商在HSDPA出现以前即已经设计好他们的ASIC，因此现在正在探索对这些芯片的再利用，并指望集成最新推出并支持HSDPA的ASSP。此外，还须对下行符号率处理部分进行修改，以支持HSDPA扩展。
下一步改动要求有新的处理部分(亦即高速MAC)，需将其增加到信道卡中以支持对从RNC上接收的数据块进行缓冲、发送及重发。这是对信道卡最大的改动，因为它要求引入可编程处理实体以及重发缓冲器。
由于信道卡已经含有通用处理器及DSP，因此有人可能会认为高速MAC可用上述两种芯片中的任何一种来有效实现。但很多设计工程师发现，由于高速MAC功能与下一层符号及码片率功能的紧密联系，故DSP是一种更为实用的选择。仿真结果表明，容量大约2.5MB的重发缓冲器足以满足拥有75个用户的标准单元所需的数据缓冲要求。
本文小结
尽管目前语音服务对收入的贡献很高，但运营商们都认识到，随着时间的推移，其网络必须满足对更加成熟的数据业务的更高需求。基于此，运营商们正在测试远端无线电单元、广泛基于光纤的传输、处理服务器组、塔式安装功率放大器以及软件无线电等多项技术。而像功率放大器线性化、自适应天线阵列以及干扰对消等效率增强算法也在研究之中。
参考文献：
"Monitoring Data Throughput in Wireless Apps";
http://www.commsdesign.com/design_co...G20030805S0009.
作者：Tandhoni(Tan) Rao
系统架构经理
Email: trao@ti.com
德州仪器公司无线基础设备事业部
高达7Mbps的峰值速率、以及与传统网络的相对兼容性等，使得高速下行链路分组接入(HSDPA)技术成为迈向3G蜂窝网络的良好起步。在近70%的全球市场中，无处不在的宽带无线业务的基础是新近标准化后的通用移动通讯系统(UMTS)扩展技术，即HSDPA技术。HSDPA可提供高达7Mbps的峰值数据速率，围绕引入HSDPA的各种问题，代表着在蜂窝网络从以语音为中心的2G向以数据为中心的3G发展过程中所面临的主要障碍。尤其是电信运营商们发现，他们正面临既创造出市场对新的面向数据业务的需求，同时又确保能以最少的投资来支持此类业务的挑战。尽管HSDPA似乎为此提供了答案，但其中也涉及到一些对前端基站的改变，网络设计工程师们必须对这些改动的详情有很好的了解。
UMTS基本原理
UMTS网络架构由如下几部分组成：B节点或基站、无线网络控制器(RNC)、GPRS服务节点与网关GPRS服务节点，以及移动交换中心(MSC)(图1)。就本文而言，我们可以将B节点看成是用来完成处理物理层空中接口的功能，将RNC看成是管理无线电资源及大部分移动通话的功能，而将服务及网关节点看成是处理及路由数据流的功能，移动交换中心则负责提供对有线网络的接口。
HSDPA的主要目的是在UMTS内部建立一种经济高效、高带宽、低延时及面向分组的业务。其中向后兼容是关键，故HSDPA架构师们应具有一种发展的眼光。从架构的角度看，HSDPA是UMTS 99版(R99)架构的直接增强版本，只不过在位于R99 媒体访问控制(MAC)层之后的B节点内增加了重复/调度实体(entity)。从蜂窝网络的角度来看，支持HSDPA的网络必须能支持所有R99技术，因为HSDPA移动终端(UE)设计用来与R99 UE共处。
从技术上讲，HSDPA的基本工作原理相对容易理解：RNC将发往特定UE的数据包路由至适当的B节点，而B节点则接收这些数据包，并通过将用户优先级及预估信道工作环境与选择适当的编码及调制方案(即16QAM与QPSK)相匹配，借助空中接口将数据包顺序转发给移动终端。
UE负责对数据包的接收进行确认，并向B节点提供有关信道状况及功率控制等方面的信息。当B节点将数据包转发给UE以后，它会等待UE的确认。如果在规定时间内未收到确认，则它会假设数据包已经丢失并重新发送。
简言之，HSDPA通过一些适度的约束条件来为用户提供最佳信道和最大带宽。HSDPA可达到的数据速率(图2)足以支持多媒体流传输业务。
引入HSDPA需要修改信道卡
尽管HSDPA概念比较简单，但在B节点内的实现上却为设计工程师提出了一些架构上的问题。在一般的网络部署中，B节点无线电机柜位于靠近无线电塔及电源机箱的位置。对于室内部署，无线电机柜可能就是一个简单的机架，但对于室外部署而言，则可能是一个受环境控制的装置。无线电机柜内有天线接口部件(滤波器、功率放大器及类似部件等)、核心处理盒(射频收发器、合路器、高性能信道卡、网络接口及系统控制器卡、时序卡以及背板等)，还有机电系统(如电源、风扇、电缆等)以及其他各种部件。
核心处理盒(CPC)是B节点的基础，并占据其大部分成本。它包括射频收发器、合路器、网络接口与系统控制器卡、时序卡(timing card)、信道卡及底板等。在这些CPC组件中，只有信道卡需要改动以支持HSDPA。
典型的UMTS信道卡由处理各种控制任务的通用处理器组成，其中一组DSP芯片承担符号率处理以及码片率(chip rate)协助功能；而一组专用ASIC或ASSP芯片则负责处理密集的码片率操作，如扩频、加扰、调制、耙式接收(rake receiving)及前同步码检测等。
为支持HSDPA，设计时需要对信道卡进行两方面的改动。首先，必须修改下行链路码片率ASIC(或ASSP)，以支持新的16QAM调制方案以及与HSDPA有关的新型下行链路时隙格式等。一些厂商在其下行码片率ASIC设计中即预先考虑了HSDPA，因此可以直接应用。但也有一些厂商在HSDPA出现以前即已经设计好他们的ASIC，因此现在正在探索对这些芯片的再利用，并指望集成最新推出并支持HSDPA的ASSP。此外，还须对下行符号率处理部分进行修改，以支持HSDPA扩展。
下一步改动要求有新的处理部分(亦即高速MAC)，需将其增加到信道卡中以支持对从RNC上接收的数据块进行缓冲、发送及重发。这是对信道卡最大的改动，因为它要求引入可编程处理实体以及重发缓冲器。
由于信道卡已经含有通用处理器及DSP，因此有人可能会认为高速MAC可用上述两种芯片中的任何一种来有效实现。但很多设计工程师发现，由于高速MAC功能与下一层符号及码片率功能的紧密联系，故DSP是一种更为实用的选择。仿真结果表明，容量大约2.5MB的重发缓冲器足以满足拥有75个用户的标准单元所需的数据缓冲要求。
本文小结
尽管目前语音服务对收入的贡献很高，但运营商们都认识到，随着时间的推移，其网络必须满足对更加成熟的数据业务的更高需求。基于此，运营商们正在测试远端无线电单元、广泛基于光纤的传输、处理服务器组、塔式安装功率放大器以及软件无线电等多项技术。而像功率放大器线性化、自适应天线阵列以及干扰对消等效率增强算法也在研究之中。
参考文献：
"Monitoring Data Throughput in Wireless Apps";
http://www.commsdesign.com/design_co...G20030805S0009.
作者：Tandhoni(Tan) Rao
系统架构经理
Email: trao@ti.com
德州仪器公司无线基础设备事业部
天线设计培训教程推荐
