HSDPA、WiMAX和LTE關鍵技術比較與分析

摘要　HSDPA，WiMAX和LTE是目前的技術熱點，本文從調制、重傳、組網方式以及技術成熟度等幾個方面對三者進行分析和比較，并給出相應的結論。

隨著移動通信與因特網的快速發展，通信市場正在呈現出話音業務移動化，數據業務寬帶化的發展趨勢。到2007年底，中國移動通信用戶數已經接近5億，互聯網寬帶用戶數已經超過1億。在新增的因特網用戶中，63%為寬帶用戶。同時，WiFi，GPRS，EDGE，cdma1x等技術的發展使得無線數據業務應用日益廣泛。

HSDPA與WiMAX作為能夠提供高速移動數據業務的兩種技術，正在引起越來越多的重視。而LTE作為3G長期演進方案，也引起了大家廣泛的關注。LTE雖然是3G下一步的演進方向，但其采用了多種新技術，尤其是在物理層有革命性的變化，在網絡結構上也有很大改變，其向扁平化方向有了很大的發展。

從市場定位上，WiMAX與HSDPA都是提供高速數據業務，同時也都支持移動性，因此兩者存在一定的競爭關系。但兩者又有其各自的技術特點，所以還在一定程度上可以互為補充。而LTE雖然目前還處于標準研究階段，但作為未來3G的發展方向，需要運營商給予足夠的重視。本文從調制、重傳、組網方式以及技術成熟度等幾個方面對三者進行分析和比較，為下一步在網絡演進和技術方案選擇提供參考。

1、調制技術

為了適應不斷變化的無線信道，HSDPA、WiMAX和LTE都采用了多種調制方式，同時都可以根據無線信道質量的變化，動態改變調制方式，以使得傳輸的性能最優。WiMAX采用了BPSK、QPSK、16QAM和64QAM四種調整方式，而HSDPA采用了QPSK和16QAM兩種調制方式。802.16系列標準規定了在不同的信道帶寬下，系統中為了達到10-6的誤碼率要求，各種調制和編碼方式所需要的最低信號強度。對于HSDPA系統，3GPP規范定義了12類能力不同的終端。針對每種終端統一規定了30種CQI類別。而這不同CQI級別反映了不同的信道質量條件，同時也對應著一種傳輸格式，并且分別規定了所使用的傳輸塊大小、編碼速率、調制方式、碼道數等。LTE支持最高到64QAM的調制方式，同時也采用CQI方式，利用終端報告無線網絡質量，網絡根據其報告值決定采用相應的網絡參數，進而決定最終的數據傳輸速率。

在物理層技術中，HSDPA采用單載波CDMA方式接入。而WiMAX采用多載波的方式，數據經過交織和星座映射后根據頻偏序號按遞增順序調制到分配數據的子載波上。從數據星座映射器中送出的第一個符號應該被調制到具有最低頻偏序號的子載波上。同時WiMAX還允許使用OFDMA進行接入，這些都在一定程度上提高了WiMAX系統的頻率利用率。LTE標準下行方案包括OFDMA和MC-WCDMA。OFDMA目前是最有可能采用的物理層技術。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，其中MIMO天線個數的基本配置是下行2×2、上行1×2，但也在考慮4×4的高階天線配置。

2、ARQ機制

由于無線移動信道具有時變和多徑導致的衰落特點，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，降低時延，WiMAX、HSDPA和LTE都采用前向糾錯（FEC）和自動重傳請求（ARQ）兩種差錯控制方法以確保服務質量（QoS），HSDPA和LTE更進一步采用了HARQ機制。

ARQ機制中，在發送方一個ARQ塊有4種狀態：未發送、未完成、等待重傳和丟棄。這4種狀態之間的轉換如圖1所示。

圖1　ARQ狀態轉換圖

3個標準ARQ協議是SAW停等協議，GBN回退N步協議和SR選擇性重傳協議，3種ARQ基本機制中，SAW停等協議最簡單，也是對信頭要求最少的協議。它的特點是發端一直對當前數據分組進行處理直到它被成功接收。協議的正確性由一比特（用來表示當前和下一個數據分組）信息就可以表述。所以，它的控制頭很小，確認頭也很小。而且由于一次只能傳送一個數據分組，所以對用戶端存儲容量的要求就很小。GBN方式在發端可連續發送多個數據分組。發端發送第一個分組后不必等待回執，經過一個往返延遲后，該分組的回執才到達發端。往返延遲定義為送出一個分組到收到其回執之間的時間間隔。在此時間間隔內，另外N-1個分組已被傳送。當接收端反饋回來的是NAK時，發端退到此NAK對應的分組，重發該分組及其后的N-1個分組。GBN方式因為采用連續的發送和重傳，提高了停等式的效率，并且接收端只需儲存當前分組即可。但當往返延遲較大、數據傳輸速率較高時，由于要重傳許多無錯分組，GBN方式就不太有效了。SR協議相比之下，效率最高，但要求存儲容量很大而且實現起來復雜。它的特點是只傳送錯誤數據分組，要求用序列號識別數據分組。而且，在等待響應的時候，為了充分利用信道容量發端要發送大量數據分組。另外，收端在組合那些分隔重傳的信息前必須知道序列號，因此，序列號要和數據分別編碼，而且序列號需要更可靠的編碼以克服任何時候出現在數據里的錯誤，這樣就增加了對信令要求的帶寬。

HARQ技術綜合了FEC和ARQ兩種差錯控制方式的優點而克服了各自的缺點，將二者進行適當的組合，使SW-ARQ，GBN-ARQ或者SR-ARQ系統嵌入一個FEC子系統，便構成了HARQ系統。目前HARQ技術分為type-I和type-II。而HSDPA系統主要采用基于RCPT碼的Chase合并方法和遞增冗余方法實現type-II HARQ技術。

3、資源調度機制

為了能夠高效的利用無線資源，HSDPA、WiMAX和LTE都采用了有效資源調度機制。

WiMAX的MAC層支持點對多點的寬帶無線接入應用，主要是在上行和下行鏈路上進行高速傳輸。為了讓多個用戶共享一個物理信道，MAC層必須要有有效的接入和帶寬分配算法以支持各種業務的QoS保證。每個連接與單個數據業務關聯，每個數據業務與一系列的QoS參數關聯，這些QoS參數量化了數據業務的行為。這些參數通過DSA和DCS消息對話管理。標準支持4種不同的業務類型，它們分別為主動授予服務（UGS）、實時輪詢業務（rtPS）、非實時輪詢業務（nrlPS）、盡力傳輸業務（BE）。WiMAX可以根據不同的QoS動態分配帶寬，具有較大的靈活性。WiMAX的MAC層是基于連接的，為了映射各個用戶站（SS）的服務，提供不同級別的QoS，所有的數據通信都是建立在連接的基礎之上的。因此，業務流實際上提供了上下行QoS管理的機制，并且和帶寬分配的進程緊密聯系。一個SS以基于每個連接的方式請求上行帶寬。BS在某個時間調度間隔內，或者對一個SS的所有請求總地授予一個帶寬，或者按每個連接來授予帶寬。因此從以上的分析可以看出，WiMAX可以在無線接入網部分為不同業務提供不同質量的服務。

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

輪詢式調度算法對所有激活用戶公平服務，處于小區不同位置的用戶都將等概率的獲得無線資源。公平吞吐量調度算法優先選擇當前吞吐量最低的用戶。平均C/I調度算法選擇在一個調度周期內平均C/I值最大的用戶進行服務。最大C/I式調度算法選擇在一個TTI間隔內無線環境最好的用戶進行服務，這種方法對無線信道變化相應快，能夠獲得最大的小區吞吐量性能，但公平性較差。部分公平性調度算法進行折衷，綜合考慮用戶當前所處無線環境質量以及歷史吞吐量情況，選擇相對質量較好的用戶進行服務。快速公平吞吐量調度算法結合考慮信道的快速變化特性的同時盡量為小區內的所有用戶提供公平的吞吐量分布。

LTE采用多種資源調度方式來保障網絡的高效運行，主要包括以下方面。

（1）無線承載控制（RBC）；

（2）無線接納控制，（RAC）；

（3）連接移動性控制（CMC）；

（4）分組調度（PSC）；

（5）小區間干擾協調（ICIC）；

（6）負荷均衡（LB）。

4、網絡結構

WiMAX的網絡結構如圖2所示，其中包括接入網絡（ASN）和連接服務網絡（CSN）。ASN的功能是管理空中接口。主要功能包括發現網絡并選擇合適的CSN；在基站和移動用戶臺（MSS）之間建立層2連接；協助完成鑒權、業務授權和計費；協助高層與MSS建立層3連接，分配IP地址；無線資源管理；根據分級結構進行ASN內移動性管理；ASN內尋呼和位置管理；ASN和CSN之間隧道建立和管理；存儲臨時用戶信息。一個ASN由基站（BS）和接入網關（ASN GW）組成，可以連接到多個CSN，為不同NSP的CSN提供服務。

CSN為WiMAX用戶提供IP連接，為一套網絡功能的組合，主要包括Internet接入；為用戶提供會話連接；基于用戶參數的QoS和許可控制；ASN與CSN之間隧道的建立和管理；用戶計費和結算；ASN之間的移動性管理；WiMAX服務等。CSN可以由路由器、AAA代理或服務器、用戶數據庫、Internet網關設備等組成。CSN可以作為全新的WiMAX系統的一個新建網絡實體，也可利用部分現有網絡設備實現CSN功能。

圖2　WiMAX網絡結構示意圖

UMTS基本構成如圖3所示，核心網分為電路域（CS）和分組域（PS）。網絡單元包括移動業務交換中心（MSC）、訪問位置寄存器（VLR）、網關移動業務交換中心（GMSC），HSDPA使用的分組域網絡單元包括業務GPRS支持節點（SGSN）、網關GPRS支持節點（GGSN），歸屬位置寄存器（HLR）、鑒權中心（AuC）和設備標識寄存器（EIR）為電路域和分組域共用網元。無線接入網絡的網絡單元包括無線網絡控制中心（RNC）和WCDMA的收發信基站（Node B）兩部分。此外核心網PS域通過Gi、Gp接口接入其它PLMN網絡或PDN網絡，CS域通過PSTN接入固定網絡或其它PLMN。RNS（無線網絡子系統）通過無線接口（Uu）直接與移動臺相接，負責無線信號的發送接收和無線資源管理。另一方面，RNS與MSC、SGSN相連，實現移動用戶之間或移動用戶與固定網用戶之間的通信連接，傳送系統信號和用戶信息等。RNS子系統包括RNC和Node B兩部分。

圖3　UMTS網絡結構示意圖

LTE相比WCDMA（HSDPA）網絡采用了更為扁平化的網絡架構，這一方面減少了設備的數量，同時也大大的降低了業務時延。LTE網絡架構如圖4所示。

圖4　LTE網絡結構示意圖

其中：eNode B主要功能包括無線資源管理、無線承載控制、無線接納控制、連接移動性控制和動態資源分配（調度）。

而aGW包括原來3G網絡中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，而UPE功能用于IP頭壓縮和用戶數據加密，用戶面數據包的終結和支持UE移動性的用戶面數據的交換。關于RNC功能在aGW和eNode B中功能的劃分，一直存在很大的爭論，截至到2007年，最新的LTE標準進展為未來的3GPP系統采用兩層網絡架構，原來位于RNC的頭壓縮和加密功能上移到接入網關，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eNodeB和接入網關（AGW）設備中的分配

5、結束語

本文從多種關鍵技術對HSDPA，WiMAX和LTE進行了對比和分析。為了在移動的環境下提供高速數據業務，三者都采用了一些關鍵技術，使用了多種調制方式，同時可以根據無線信道質量的變化來調整調制方式。相比HSDPA的160AM，WiMAX和LTE最高可以支持64QAM，還支持OFDM。在網絡結構上，WiMAX的組網方式顯得更為靈活，每個ASN可以同時為屬于不同NSP的CSN服務。而HSDPA在具體的技術上定義的更加細致，例如在重選機制上使用HARQ來提高傳輸的效率，同時移動性管理做的更好。LTE則采用了更為扁平化的網絡架構，在減少系統設備降低業務時延方面有很大的提高。在系統性能上，在5Mbit/s的帶寬情況下，HSDPA最高可達到15Mbit/s左右的速率，而WiMAX和LTE允許使用更大的帶寬，同時由于采用了OFDM技術，兩者的頻譜利用率更高。

在產品成熟度方面，HSDPA技術成熟度最高，已經有超過100個商用網絡。WiMAX中802.16D的設備已經可以實現商用，802.16E設備08年基本可以實現商用，截止到2006年6月，進行WiMAX試驗和提供商用的運營商全球已超過150個，進入商用的網絡超過20個。而LTE距離商用還需要一段時間。目前WiMAX已經被納入3G標準，同時高速無線接入方面有一定的優勢，但HSDPA基于現有的3G網絡架構，在移動性、用戶管理和網絡管理等考慮更加全面。綜上所述，HSDPA與WiMAX均采用了多種先進技術，大幅度提高了移動通信數據業務的接入速率，而LTE吸取了HSDPA和WiMAX的技術優點，同時符合3GPP標準，是未來移動通信網絡發展的方向，所以應當積極跟蹤LTE標準的發展，為未來網絡的發展打下良好基礎。