HSDPA、WiMAX和LTE關(guān)鍵技術(shù)比較與分析

摘要　HSDPA，WiMAX和LTE是目前的技術(shù)熱點(diǎn)，本文從調(diào)制、重傳、組網(wǎng)方式以及技術(shù)成熟度等幾個(gè)方面對(duì)三者進(jìn)行分析和比較，并給出相應(yīng)的結(jié)論。

隨著移動(dòng)通信與因特網(wǎng)的快速發(fā)展，通信市場(chǎng)正在呈現(xiàn)出話音業(yè)務(wù)移動(dòng)化，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)寬帶化的發(fā)展趨勢(shì)。到2007年底，中國(guó)移動(dòng)通信用戶數(shù)已經(jīng)接近5億，互聯(lián)網(wǎng)寬帶用戶數(shù)已經(jīng)超過(guò)1億。在新增的因特網(wǎng)用戶中，63%為寬帶用戶。同時(shí)，WiFi，GPRS，EDGE，cdma1x等技術(shù)的發(fā)展使得無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用日益廣泛。

HSDPA與WiMAX作為能夠提供高速移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的兩種技術(shù)，正在引起越來(lái)越多的重視。而LTE作為3G長(zhǎng)期演進(jìn)方案，也引起了大家廣泛的關(guān)注。LTE雖然是3G下一步的演進(jìn)方向，但其采用了多種新技術(shù)，尤其是在物理層有革命性的變化，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上也有很大改變，其向扁平化方向有了很大的發(fā)展。

從市場(chǎng)定位上，WiMAX與HSDPA都是提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，同時(shí)也都支持移動(dòng)性，因此兩者存在一定的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。但兩者又有其各自的技術(shù)特點(diǎn)，所以還在一定程度上可以互為補(bǔ)充。而LTE雖然目前還處于標(biāo)準(zhǔn)研究階段，但作為未來(lái)3G的發(fā)展方向，需要運(yùn)營(yíng)商給予足夠的重視。本文從調(diào)制、重傳、組網(wǎng)方式以及技術(shù)成熟度等幾個(gè)方面對(duì)三者進(jìn)行分析和比較，為下一步在網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)和技術(shù)方案選擇提供參考。

1、調(diào)制技術(shù)

為了適應(yīng)不斷變化的無(wú)線信道，HSDPA、WiMAX和LTE都采用了多種調(diào)制方式，同時(shí)都可以根據(jù)無(wú)線信道質(zhì)量的變化，動(dòng)態(tài)改變調(diào)制方式，以使得傳輸?shù)男阅茏顑?yōu)。WiMAX采用了BPSK、QPSK、16QAM和64QAM四種調(diào)整方式，而HSDPA采用了QPSK和16QAM兩種調(diào)制方式。802.16系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在不同的信道帶寬下，系統(tǒng)中為了達(dá)到10-6的誤碼率要求，各種調(diào)制和編碼方式所需要的最低信號(hào)強(qiáng)度。對(duì)于HSDPA系統(tǒng)，3GPP規(guī)范定義了12類能力不同的終端。針對(duì)每種終端統(tǒng)一規(guī)定了30種CQI類別。而這不同CQI級(jí)別反映了不同的信道質(zhì)量條件，同時(shí)也對(duì)應(yīng)著一種傳輸格式，并且分別規(guī)定了所使用的傳輸塊大小、編碼速率、調(diào)制方式、碼道數(shù)等。LTE支持最高到64QAM的調(diào)制方式，同時(shí)也采用CQI方式，利用終端報(bào)告無(wú)線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)其報(bào)告值決定采用相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，進(jìn)而決定最終的數(shù)據(jù)傳輸速率。

在物理層技術(shù)中，HSDPA采用單載波CDMA方式接入。而WiMAX采用多載波的方式，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)交織和星座映射后根據(jù)頻偏序號(hào)按遞增順序調(diào)制到分配數(shù)據(jù)的子載波上。從數(shù)據(jù)星座映射器中送出的第一個(gè)符號(hào)應(yīng)該被調(diào)制到具有最低頻偏序號(hào)的子載波上。同時(shí)WiMAX還允許使用OFDMA進(jìn)行接入，這些都在一定程度上提高了WiMAX系統(tǒng)的頻率利用率。LTE標(biāo)準(zhǔn)下行方案包括OFDMA和MC-WCDMA。OFDMA目前是最有可能采用的物理層技術(shù)。而上行包括SC-FDMA和OFDMA兩種接入方式。LTE已確定采用了多天線技術(shù)，其中MIMO天線個(gè)數(shù)的基本配置是下行2×2、上行1×2，但也在考慮4×4的高階天線配置。

2、ARQ機(jī)制

由于無(wú)線移動(dòng)信道具有時(shí)變和多徑導(dǎo)致的衰落特點(diǎn)，常有較高的誤碼率。因此為了減小高層重傳，提高正確接收的概率，降低時(shí)延，WiMAX、HSDPA和LTE都采用前向糾錯(cuò)（FEC）和自動(dòng)重傳請(qǐng)求（ARQ）兩種差錯(cuò)控制方法以確保服務(wù)質(zhì)量（QoS），HSDPA和LTE更進(jìn)一步采用了HARQ機(jī)制。

ARQ機(jī)制中，在發(fā)送方一個(gè)ARQ塊有4種狀態(tài)：未發(fā)送、未完成、等待重傳和丟棄。這4種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換如圖1所示。

圖1　ARQ狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)ARQ協(xié)議是SAW停等協(xié)議，GBN回退N步協(xié)議和SR選擇性重傳協(xié)議，3種ARQ基本機(jī)制中，SAW停等協(xié)議最簡(jiǎn)單，也是對(duì)信頭要求最少的協(xié)議。它的特點(diǎn)是發(fā)端一直對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)分組進(jìn)行處理直到它被成功接收。協(xié)議的正確性由一比特（用來(lái)表示當(dāng)前和下一個(gè)數(shù)據(jù)分組）信息就可以表述。所以，它的控制頭很小，確認(rèn)頭也很小。而且由于一次只能傳送一個(gè)數(shù)據(jù)分組，所以對(duì)用戶端存儲(chǔ)容量的要求就很小。GBN方式在發(fā)端可連續(xù)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)分組。發(fā)端發(fā)送第一個(gè)分組后不必等待回執(zhí)，經(jīng)過(guò)一個(gè)往返延遲后，該分組的回執(zhí)才到達(dá)發(fā)端。往返延遲定義為送出一個(gè)分組到收到其回執(zhí)之間的時(shí)間間隔。在此時(shí)間間隔內(nèi)，另外N-1個(gè)分組已被傳送。當(dāng)接收端反饋回來(lái)的是NAK時(shí)，發(fā)端退到此NAK對(duì)應(yīng)的分組，重發(fā)該分組及其后的N-1個(gè)分組。GBN方式因?yàn)椴捎眠B續(xù)的發(fā)送和重傳，提高了停等式的效率，并且接收端只需儲(chǔ)存當(dāng)前分組即可。但當(dāng)往返延遲較大、數(shù)據(jù)傳輸速率較高時(shí)，由于要重傳許多無(wú)錯(cuò)分組，GBN方式就不太有效了。SR協(xié)議相比之下，效率最高，但要求存儲(chǔ)容量很大而且實(shí)現(xiàn)起來(lái)復(fù)雜。它的特點(diǎn)是只傳送錯(cuò)誤數(shù)據(jù)分組，要求用序列號(hào)識(shí)別數(shù)據(jù)分組。而且，在等待響應(yīng)的時(shí)候，為了充分利用信道容量發(fā)端要發(fā)送大量數(shù)據(jù)分組。另外，收端在組合那些分隔重傳的信息前必須知道序列號(hào)，因此，序列號(hào)要和數(shù)據(jù)分別編碼，而且序列號(hào)需要更可靠的編碼以克服任何時(shí)候出現(xiàn)在數(shù)據(jù)里的錯(cuò)誤，這樣就增加了對(duì)信令要求的帶寬。

HARQ技術(shù)綜合了FEC和ARQ兩種差錯(cuò)控制方式的優(yōu)點(diǎn)而克服了各自的缺點(diǎn)，將二者進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合，使SW-ARQ，GBN-ARQ或者SR-ARQ系統(tǒng)嵌入一個(gè)FEC子系統(tǒng)，便構(gòu)成了HARQ系統(tǒng)。目前HARQ技術(shù)分為type-I和type-II。而HSDPA系統(tǒng)主要采用基于RCPT碼的Chase合并方法和遞增冗余方法實(shí)現(xiàn)type-II HARQ技術(shù)。

3、資源調(diào)度機(jī)制

為了能夠高效的利用無(wú)線資源，HSDPA、WiMAX和LTE都采用了有效資源調(diào)度機(jī)制。

WiMAX的MAC層支持點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的寬帶無(wú)線接入應(yīng)用，主要是在上行和下行鏈路上進(jìn)行高速傳輸。為了讓多個(gè)用戶共享一個(gè)物理信道，MAC層必須要有有效的接入和帶寬分配算法以支持各種業(yè)務(wù)的QoS保證。每個(gè)連接與單個(gè)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)，每個(gè)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與一系列的QoS參數(shù)關(guān)聯(lián)，這些QoS參數(shù)量化了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的行為。這些參數(shù)通過(guò)DSA和DCS消息對(duì)話管理。標(biāo)準(zhǔn)支持4種不同的業(yè)務(wù)類型，它們分別為主動(dòng)授予服務(wù)（UGS）、實(shí)時(shí)輪詢業(yè)務(wù)（rtPS）、非實(shí)時(shí)輪詢業(yè)務(wù)（nrlPS）、盡力傳輸業(yè)務(wù)（BE）。WiMAX可以根據(jù)不同的QoS動(dòng)態(tài)分配帶寬，具有較大的靈活性。WiMAX的MAC層是基于連接的，為了映射各個(gè)用戶站（SS）的服務(wù)，提供不同級(jí)別的QoS，所有的數(shù)據(jù)通信都是建立在連接的基礎(chǔ)之上的。因此，業(yè)務(wù)流實(shí)際上提供了上下行QoS管理的機(jī)制，并且和帶寬分配的進(jìn)程緊密聯(lián)系。一個(gè)SS以基于每個(gè)連接的方式請(qǐng)求上行帶寬。BS在某個(gè)時(shí)間調(diào)度間隔內(nèi)，或者對(duì)一個(gè)SS的所有請(qǐng)求總地授予一個(gè)帶寬，或者按每個(gè)連接來(lái)授予帶寬。因此從以上的分析可以看出，WiMAX可以在無(wú)線接入網(wǎng)部分為不同業(yè)務(wù)提供不同質(zhì)量的服務(wù)。

HSDPA可以采用多種資源調(diào)度算法，每種算法在服務(wù)效率和服務(wù)公平性上有不同的特點(diǎn)。這些算法包括輪詢式調(diào)度算法、公平吞吐量調(diào)度算法、平均C/I調(diào)度算法、最大C/I調(diào)度算法、部分公平性調(diào)度算法以及快速公平吞吐量調(diào)度算法，其中前3種算法不考慮信道質(zhì)量的變化，而后3種變化考慮信道環(huán)境的變化，同時(shí)根據(jù)這些變化調(diào)整分配策略。

輪詢式調(diào)度算法對(duì)所有激活用戶公平服務(wù)，處于小區(qū)不同位置的用戶都將等概率的獲得無(wú)線資源。公平吞吐量調(diào)度算法優(yōu)先選擇當(dāng)前吞吐量最低的用戶。平均C/I調(diào)度算法選擇在一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)平均C/I值最大的用戶進(jìn)行服務(wù)。最大C/I式調(diào)度算法選擇在一個(gè)TTI間隔內(nèi)無(wú)線環(huán)境最好的用戶進(jìn)行服務(wù)，這種方法對(duì)無(wú)線信道變化相應(yīng)快，能夠獲得最大的小區(qū)吞吐量性能，但公平性較差。部分公平性調(diào)度算法進(jìn)行折衷，綜合考慮用戶當(dāng)前所處無(wú)線環(huán)境質(zhì)量以及歷史吞吐量情況，選擇相對(duì)質(zhì)量較好的用戶進(jìn)行服務(wù)。快速公平吞吐量調(diào)度算法結(jié)合考慮信道的快速變化特性的同時(shí)盡量為小區(qū)內(nèi)的所有用戶提供公平的吞吐量分布。

LTE采用多種資源調(diào)度方式來(lái)保障網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)行，主要包括以下方面。

（1）無(wú)線承載控制（RBC）；

（2）無(wú)線接納控制，（RAC）；

（3）連接移動(dòng)性控制（CMC）；

（4）分組調(diào)度（PSC）；

（5）小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)（ICIC）；

（6）負(fù)荷均衡（LB）。

4、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

WiMAX的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中包括接入網(wǎng)絡(luò)（ASN）和連接服務(wù)網(wǎng)絡(luò)（CSN）。ASN的功能是管理空中接口。主要功能包括發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)并選擇合適的CSN；在基站和移動(dòng)用戶臺(tái)（MSS）之間建立層2連接；協(xié)助完成鑒權(quán)、業(yè)務(wù)授權(quán)和計(jì)費(fèi)；協(xié)助高層與MSS建立層3連接，分配IP地址；無(wú)線資源管理；根據(jù)分級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行ASN內(nèi)移動(dòng)性管理；ASN內(nèi)尋呼和位置管理；ASN和CSN之間隧道建立和管理；存儲(chǔ)臨時(shí)用戶信息。一個(gè)ASN由基站（BS）和接入網(wǎng)關(guān)（ASN GW）組成，可以連接到多個(gè)CSN，為不同NSP的CSN提供服務(wù)。

CSN為WiMAX用戶提供IP連接，為一套網(wǎng)絡(luò)功能的組合，主要包括Internet接入；為用戶提供會(huì)話連接；基于用戶參數(shù)的QoS和許可控制；ASN與CSN之間隧道的建立和管理；用戶計(jì)費(fèi)和結(jié)算；ASN之間的移動(dòng)性管理；WiMAX服務(wù)等。CSN可以由路由器、AAA代理或服務(wù)器、用戶數(shù)據(jù)庫(kù)、Internet網(wǎng)關(guān)設(shè)備等組成。CSN可以作為全新的WiMAX系統(tǒng)的一個(gè)新建網(wǎng)絡(luò)實(shí)體，也可利用部分現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)CSN功能。

圖2　WiMAX網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

UMTS基本構(gòu)成如圖3所示，核心網(wǎng)分為電路域（CS）和分組域（PS）。網(wǎng)絡(luò)單元包括移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心（MSC）、訪問(wèn)位置寄存器（VLR）、網(wǎng)關(guān)移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心（GMSC），HSDPA使用的分組域網(wǎng)絡(luò)單元包括業(yè)務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（SGSN）、網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（GGSN），歸屬位置寄存器（HLR）、鑒權(quán)中心（AuC）和設(shè)備標(biāo)識(shí)寄存器（EIR）為電路域和分組域共用網(wǎng)元。無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)單元包括無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制中心（RNC）和WCDMA的收發(fā)信基站（Node B）兩部分。此外核心網(wǎng)PS域通過(guò)Gi、Gp接口接入其它PLMN網(wǎng)絡(luò)或PDN網(wǎng)絡(luò)，CS域通過(guò)PSTN接入固定網(wǎng)絡(luò)或其它PLMN。RNS（無(wú)線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)）通過(guò)無(wú)線接口（Uu）直接與移動(dòng)臺(tái)相接，負(fù)責(zé)無(wú)線信號(hào)的發(fā)送接收和無(wú)線資源管理。另一方面，RNS與MSC、SGSN相連，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)用戶之間或移動(dòng)用戶與固定網(wǎng)用戶之間的通信連接，傳送系統(tǒng)信號(hào)和用戶信息等。RNS子系統(tǒng)包括RNC和Node B兩部分。

圖3　UMTS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

LTE相比WCDMA（HSDPA）網(wǎng)絡(luò)采用了更為扁平化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，這一方面減少了設(shè)備的數(shù)量，同時(shí)也大大的降低了業(yè)務(wù)時(shí)延。LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。

圖4　LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

其中：eNode B主要功能包括無(wú)線資源管理、無(wú)線承載控制、無(wú)線接納控制、連接移動(dòng)性控制和動(dòng)態(tài)資源分配（調(diào)度）。

而aGW包括原來(lái)3G網(wǎng)絡(luò)中GGSN和SGSN中的所有功能和RNC中的一部分功能。其中新增加的MME功能主要用于向eNode B的尋呼消息的分發(fā)，而UPE功能用于IP頭壓縮和用戶數(shù)據(jù)加密，用戶面數(shù)據(jù)包的終結(jié)和支持UE移動(dòng)性的用戶面數(shù)據(jù)的交換。關(guān)于RNC功能在aGW和eNode B中功能的劃分，一直存在很大的爭(zhēng)論，截至到2007年，最新的LTE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展為未來(lái)的3GPP系統(tǒng)采用兩層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，原來(lái)位于RNC的頭壓縮和加密功能上移到接入網(wǎng)關(guān)，Outer ARQ和RRC功能則下移到eNodeB，具體如圖5所示。

圖5　RNC功能在未來(lái)eNodeB和接入網(wǎng)關(guān)（AGW）設(shè)備中的分配

5、結(jié)束語(yǔ)

本文從多種關(guān)鍵技術(shù)對(duì)HSDPA，WiMAX和LTE進(jìn)行了對(duì)比和分析。為了在移動(dòng)的環(huán)境下提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，三者都采用了一些關(guān)鍵技術(shù)，使用了多種調(diào)制方式，同時(shí)可以根據(jù)無(wú)線信道質(zhì)量的變化來(lái)調(diào)整調(diào)制方式。相比HSDPA的160AM，WiMAX和LTE最高可以支持64QAM，還支持OFDM。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上，WiMAX的組網(wǎng)方式顯得更為靈活，每個(gè)ASN可以同時(shí)為屬于不同NSP的CSN服務(wù)。而HSDPA在具體的技術(shù)上定義的更加細(xì)致，例如在重選機(jī)制上使用HARQ來(lái)提高傳輸?shù)男?，同時(shí)移動(dòng)性管理做的更好。LTE則采用了更為扁平化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在減少系統(tǒng)設(shè)備降低業(yè)務(wù)時(shí)延方面有很大的提高。在系統(tǒng)性能上，在5Mbit/s的帶寬情況下，HSDPA最高可達(dá)到15Mbit/s左右的速率，而WiMAX和LTE允許使用更大的帶寬，同時(shí)由于采用了OFDM技術(shù)，兩者的頻譜利用率更高。

在產(chǎn)品成熟度方面，HSDPA技術(shù)成熟度最高，已經(jīng)有超過(guò)100個(gè)商用網(wǎng)絡(luò)。WiMAX中802.16D的設(shè)備已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)商用，802.16E設(shè)備08年基本可以實(shí)現(xiàn)商用，截止到2006年6月，進(jìn)行WiMAX試驗(yàn)和提供商用的運(yùn)營(yíng)商全球已超過(guò)150個(gè)，進(jìn)入商用的網(wǎng)絡(luò)超過(guò)20個(gè)。而LTE距離商用還需要一段時(shí)間。目前WiMAX已經(jīng)被納入3G標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)高速無(wú)線接入方面有一定的優(yōu)勢(shì)，但HSDPA基于現(xiàn)有的3G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在移動(dòng)性、用戶管理和網(wǎng)絡(luò)管理等考慮更加全面。綜上所述，HSDPA與WiMAX均采用了多種先進(jìn)技術(shù)，大幅度提高了移動(dòng)通信數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的接入速率，而LTE吸取了HSDPA和WiMAX的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)，是未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的方向，所以應(yīng)當(dāng)積極跟蹤LTE標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展打下良好基礎(chǔ)。