HSPA+64QAM引入帶來的網優問題探討

史文祥，方俊利 ，肖衛東（.中訊郵電咨詢設計院有限公司，北京00048；.中國人民解放軍后勤學院，北京00858）

0 前言

從2009年2月開始，全球主流WCDMA運營商陸續啟動向HSPA+技術演進，中國聯通也計劃于2011年在全國部分城市進行HSPA+64QAM的網絡升級改造工作。引進HSPA+64QAM需要現網做些什么準備，開通HSPA+64QAM是否會對現網有所影響，對網絡優化又會提出什么挑戰，本文將據此對64QAM的技術原理、設備升級情況以及網絡優化等方面的考慮進行分析和探討。

1 HSPA+64QAM技術原理

HSPA+64QAM是3GPP R7引入的HSPA演進技術，其核心思想是在HS-PDSCH使用64QAM調制方式的技術。引入64QAM后，系統的調制采用了6個連續符號（nk、nk+1、nk+2、nk+3、nk+4、nk+5），并通過串并轉換成I、Q 2路分支，其中I路分支上3個連續的符號 （i1=nk、i2=nk+2、i3=nk+4），Q 路分支上 3 個連續的符號 (q1=nk+1、q2=nk+3、q3=nk+5)，I、Q 2 路上的符號通過調制映射出64個星座（見圖1）。

64QAM采用了6個連續符號的表征方式，相對于16QAM調制的4個連續符號，調制效率提高了50%，從而使得理論上單用戶峰值速率相比R5的HSDSCH能夠提高50%，達到21.6 Mbit/s。

但是如同16QAM相對于QPSK一樣，采用更高階調制方式對網絡接入信道的質量要求更高，也就是說只有在信道條件非常好的區域才能使用64QAM的高階調制，在信道條件不夠好的區域，終端還只能采用16QAM，甚至QPSK的調制方案。因此，從小區平均吞吐率提升的角度來看，64QAM相對于16QAM無法達到50%的提升。

圖1 QPSK,16QAM和64QAM星座圖

2 HSPA+64QAM對網絡的要求

2.1 設備產品的要求

開通HSPA+64QAM后，主要的產品升級在于要支持64QAM以及L2的增強功能，這是因為3GPP協議規定為了達到14.4 Mbit/s以上的峰值速率，RNC使用64QAM時必須同時配置L2增強，以提高協議可承載的最大信息量。

在硬件升級完成后，需要對新的版本進行數據配置，不同的設備商會有不同的操作及要求（見表1）。

表1 HSPA+64QAM的軟件數據配置要求

2.2 傳輸資源的要求

傳輸資源的要求主要是針對Iub接口而言，假設單用戶達到了64QAM極限速率21 Mbit/s，因為Iub接口不同的傳輸方式會有不同的開銷 （如E1大約為20%的開銷，IP傳輸只有10%的開銷），則其對Iub帶寬的要求如表2所示。

對于常規的三扇區站點而言，由于3個扇區共享傳輸，如果想要充分發揮64QAM的優勢，建議Iub帶寬不低于35 Mbit/s，且應以IP傳輸為主，但由于物業、施工等原因，理想的帶寬常常很難達到，因此，現網64QAM升級建設的難點在于傳輸的保障。

表2 一個HSPA+64QAM用戶Iub帶寬的峰值速率

2.3 無線環境的要求

HSPA+升級主要是新增64QAM調制方式以及與此相對應的下行L2增強。由于HSDPA是采用自適應編碼，也就是根據無線環境、傳輸塊大小等由調度算法來選擇合適的調制方式，而64QAM調制方式是1個符號代表6 bit，星座圖上有64種幅度與相位的組合，其判決條件相對苛刻，要求判決門限相對精準，因此對無線環境也就提出了更高的要求。只有滿足了一定的條件，才可能使用64QAM調制方式。

根據3GPP TS25.214的規定，支持64QAM調制方式的終端目前有Category 13/14/17/18 4類，在這4類終端網絡側支持64QAM的條件下，會按照表3上報CQI。

從表3可以看到，只有在上報的CQI為30時，會有微小的差別，其余的完全一致，且只有在CQI>25的情況下，網絡側才可能采用64QAM進行調度。因此，可以說CQI>25是64QAM啟動的必要條件。

3 HSPA+64QAM的網絡優化

HSPA+64QAM的引入主要是為了提升下行速率，那么針對HSPA+64QAM的優化就主要是下行吞吐率的優化。HSDPA下行吞吐率的計算公式為

當然，式（1）并不是嚴格意義上的精確公式，只是一個基于統計的近似公式，因為TBSize、BLER、調度率以及頭開銷在每個2 ms的TTI內都是不同的，都是由快速調度算法來支配的，但是可以基于統計規律來對其作近似的計算。

從式（1）分析，HSDPA下行速率主要涉及到HSDPA傳輸塊大小、HSDPA誤塊率和HSDPA調度率3個方面。當然，HSDPA實際的速率還涉及到移動時帶來的切換、時延、無線掉線等的影響。依次將這些主要因素進行提煉，總結出主要影響以上3個方面的幾大關鍵因素（見圖2）。

由于TFRC算法等均封裝于設備內部，因此可以優化的網絡方面只有無線環境、相關資源以及容量及負荷的控制。

表3 支持64QAM終端類型表

3.1 網絡層面的優化

3.1.1無線環境的優化

HSDPA無線環境優化和R99無線環境優化不同，R99業務支持軟切換，享受軟切換增益，應該以提升Total RSCP和Total Ec/Io為目標優化無線環境；而HSDPA不支持軟切換，主服務小區以外的信號都是干擾，所以必須以主服務小區RSCP和Ec/Io（特別是Ec/Io）為目標優化無線環境。在某些情況下，HSDPA的無線環境優化方向和R99的無線環境優化方向可能是相反的，所以必須在兩者之間做出權衡，在優化HSDPA無線環境的同時兼顧R99的質量。

HSDPA無線環境優化的主要手段往往是通過調整小區天線傾角、方向角等方式來減少小區交疊，降低鄰區干擾，提高主服務小區Ec/Io，從而提高HS-DSCH所在主服務小區上報的CQI。但CQI上報一定要真實反映主服務小區的無線環境，從而提高小區內無線資源調度的效率。可以這么說，HSDPA下行速率的優化在提升無線覆蓋的同時，手機上報的CQI一定要精確反映無線環境質量。常規的無線環境提升的優化手段這里不再累述。

3.1.1.1 MPO設置的優化

MPO是HS-PDSCH與PCPICH之間的功率偏置，MPO就是告訴UE假設最大可使用的HS-PDSCH的功率有多少，從而根據無線環境來計算上報CQI。但MPO設置過高，非但不能享受到更多的資源，反而會降低整個小區內無線資源調度的效率，因為在一開始，過多的無線資源被分配給了無線環境質量并不好的用戶，降低了CQI對無線環境質量反映的精準程度。當然，MPO也不能設置過低，如果設置過低，也會導致無線環境質量好的UE上報的CQI偏低，從而無法使用較多的無線資源。

MPO設置的經驗值通常為7~8 dB，一般不會超過10 dB，因此通常小區最大發射功率為43 dBm，而CPICH導頻信道發射功率為33 dBm，則HS-DSCH可用的功率不可能超過二者之差，即10 dBm。

3.1.1.2主服務小區變更優化

UE與網絡側建立了HSDPA連接后，UE與網絡側之間其實還存在著2種類型的連接，一個是HSDPA連接，也就是HS-DSCH/HS-SCCH/HS-DPCCH這3條信道的連接，用于實際數據的傳輸和控制。另一個是R99專用信道的連接，用于傳輸RRC信令、RLC確認消息、核心網的非接入層消息等，也就是通常所說的DPCH伴隨信道，簡而言之，它是用來承載SRB的。由于是R99連接，DPCH可以進行軟切換，因此UE可能與多個小區存在著多個DPCH，以進行信令面的交互，但提供HSDPA數據傳輸的3個HS信道則只存在于UE和主服務小區之間，這3個信道由于快速調度的原因并不能進行軟切換，只能進行硬切換，也就是通常所說的HSDPA“信令面軟切，用戶面硬切”。

因此，在信令面的軟切換過程中，要盡量保證HSDPA的連接只做一次主服務小區的變更，以保證連接的連續性，從而提高速率。過多的主服務小區變更會造成資源浪費、CQI處理無效率，從而造成下行速率降低。通常采用的主服務小區變更優化手段有以下幾種。

a）延遲1D事件的觸發時間：1D事件的觸發時間不宜過短，否則可能出現頻繁的1D事件被觸發，則需要不斷進行主服務小區變更，影響下行速率。當然，1D事件的觸發時間也不能過長，否則會造成主服務小區變更不及時，使HSDPA連接建立在一個無線環境并不好的小區內，也影響下行速率。

b）設置HSDPA切換保護時長：也就是1D事件的保護時長，即在一次1D事件觸發之后的一定時間內，即使再次滿足條件，也不會上報1D事件，避免頻繁進行主服務小區變更。

另外，對于沒有使用1D事件觸發進行主服務小區變更切換的廠家而言，通常采用的方式是在1A事件觸發信令面的軟加之后，開啟周期性的測量上報，由RNC來判決是否進行主服務小區變更，也有相應的判決及保護參數，依此原理進行設置即可。

3.1.1.3控制上行鏈路干擾

由于上行反饋機制的存在，終端需要在上行專用信道HS-DPCCH中上報CQI以及ACK和NACK的信息，以通知Node B當前的信道質量指示和下行數據是否被正確接收。如果上行鏈路負荷較重，或者存在較強的反向干擾，將會影響Node B正確解調HS-DPCCH的數據。在Node B錯誤解調HS-DPCCH數據的情況下，Node B會向終端重復發送相同的數據，導致下行數據速率的降低，因此必須控制上行鏈路的干擾。

另外，如果上行SRB是HSUPA承載，則HSUPA的上行質量也會影響到HSDPA下行的RLC層狀態報告及TCP層的ACK應答，特別是在室內，某些室分系統由于天線及施工問題，造成上行底噪抬升過快，較容易造成上行干擾受限，也會影響HSDPA的下行，而且HSDPA對下行正交性的要求也較高，天線或室分的質量還會影響信號的正交性，從而降低Ec/Nt和CQI，進而降低下行速率，因此室分系統的天線及施工質量也是充分發揮HSPA+64QAM優化作用的一個重要保證。

3.1.2資源和容量控制的優化

3.1.2.1傳輸資源的優化

傳輸資源是一種固定資源，對網絡性能有著制約性。HSPA+64QAM升級的傳輸資源建設指導意見見表4。

表4 HSPA+64QAM升級傳輸要求

傳輸建設指導意見主要是依據實際網絡現狀制定的，本身對HSPA+64QAM的啟動就存在一定的制約性，而實際通過全國網絡多個重點城市的實際調查可知，本次HSPA+64QAM升級的傳輸要求滿足情況不容樂觀（見表5）。

表5 全國傳輸資源調查匯總表

由此可見室內分布情況下，單載扇的傳輸資源相對較容易滿足16M的HSPA+傳輸要求，多載扇的資源很難滿足28M的HSPA+傳輸要求；而室外多載扇宏站，基本上都不滿足28M的傳輸要求。因此在后續的HSPA+64QAM網絡優化中，如遇到64QAM調用比例偏低，應優先考慮是否是傳輸資源的問題。

3.1.2.2無線資源的優化

無線資源是一種可控資源，如何最大化利用無線資源以及無線資源管理一直是無線通信的重要課題。

對于HSDPA來講，功率是最主要的無線資源之一，在很多情況下，HSDPA的可用功率直接決定了小區的吞吐率，因此HSDPA可用功率的提升就顯得很重要。通常提升HSDPA可用功率的方式有以下幾種。

a）動態功率分配。動態功率的分配方式可將除R99專用信道、公共信道及功率余量之外的所有功率均分配給HSDPA來使用，保證了HSDPA隨時可使用到可以使用的最大功率，功率使用的效率達到了最高。

b）提高小區總發射功率。采用40 W大功率發射可以提高HSDPA的可用功率，此種方式并不適合全網開展，只適用于部分熱點區域，如果下行干擾控制較好，大功率的發射不會帶來底噪的大幅提升，但是此種方式在負荷過高時可能在一定程度上會影響Ec/Io，從而影響CQI及下行速率。

c）分布式RRU上塔。為了盡可能減少整個路徑上的功率損耗，可以將分布式基站RRU統一上塔，天線至RRU采用3~5 m跳線連接，從而降低機頂口至天線的功率損失。根據經驗，RRU上塔后對下行覆蓋及HSDPA的吞吐率均有不同程度的提升。當然，RRU上塔也涉及到天面的改造及物業協調的難度，所以在現網部署中可操作的空間不會太大。

d）適當降低SCH信道功率。提升HSDPA可用功率的方式就是想辦法降低公共信道的開銷，CPICH主導頻信道通常都是占用小區10%的功率，P-CCPCH主公共控制信道承載BCH廣播信道消息，S-CCPCH輔公共控制信道承載FACH和PCH尋呼消息均有較固定配置，只有SCH同步信道功率可作適當調整，隨著網絡質量的穩步提升，覆蓋基本不成為問題時，SCH信道只是為了使UE能進行同步從而駐留網絡，因此在覆蓋好的地區可以適當降低，但基本上也就只能節省1%左右的總功率。

而碼字資源也是WCDMA系統中一種重要的無線資源。在HSDPA中，最大可用碼字數目和最大可用調制方式決定了最大的物理通道的大小，從而決定了最大傳輸塊大小TBSize。當然，最大可用碼字數目是由終端能力和網絡側剩余碼字資源共同決定的，在無線環境好的時候，使用更多的碼字和更高的調制方式可以達到更高的吞吐速率。

HSDPA網絡的碼資源分配基本上是考慮HSPDSCH的分配，因其使用SF=16的信道化碼，而R99網絡的數據業務使用了從SF=8到SF=32的各個碼字，則其與R99網絡的碼資源共享配置方式是我們關注的重點。HSDPA時代，通常是Cat8類終端，最大可用碼字也就10個，因此現網配置時一般將此參數配置為10，但開啟HSPA+64QAM之后，Cat13/14可以支持15碼道的傳輸，必然涉及到對相關參數的修改，以提高碼字的利用率。

碼字分配的方式有靜態碼字分配、準動態碼字分配以及完全動態碼字分配3種方式。其中完全動態碼資源分配是由Node B控制的碼資源分配，有的設備商也稱之為Fair Sharing的碼資源分配方式，其核心就是RNC可以不再為R99預留碼字，對碼字的利用率達到了最高。完全動態碼字分配是以1個TTI，即2 ms的周期來分配和調度碼字資源，相對于準動態的分配方式，碼字的調整周期又大幅縮短，從而保證了HSDPA用戶可以使用到最多的碼字，因此碼字的利用效率為最高，建議在HSPA+64QAM開通區域逐步開啟完全動態的碼字分配方式。當然HSDPA中無線資源管理不僅僅是功率和碼字的管理，更多的HSDPA優化應該考慮端到端的優化。

3.2 業務層面的優化

3.2.1業務狀態遷移

完整的數據業務性能評估優化，與網絡的各個環節都有著緊密的聯系，需涉及覆蓋全部網絡的各個節點（包括無線網、核心網、業務網、終端以及業務層），使得數據業務的業務流程比語音業務復雜得多。另外，數據業務具有多樣性特征，使得業務模型和網絡資源分配方式更加錯綜復雜。隨著HSPA+64QAM的升級開通，會有更多的WCDMA數據業務形態涌現出來。

當前WCDMA數據業務主要還是瀏覽網頁、郵件處理、QQ通話以及微博等帶有一定數據量或較小數據量突發性的業務，大數據量以及長時間的數據業務應用還并不多見。因此，做好這些突發性數據業務各狀態之間的遷移控制，減少由此帶來的信令負荷從而優化無線資源利用是在做這些業務優化中需要考慮的一個重要方面。而對于業務層面的其他方面的優化，如各層之間參數適配等，本文不作詳細描述，僅就業務狀態遷移作簡單的探討。

在WCDMA系統中，終端可以處于空閑模式、CELL_FACH、CELL_DCH、CELL_PCH 和 URA_PCH 等多種不同的狀態。從無線網絡資源的使用效率和用戶感受來說，對于瀏覽網頁、郵件處理、微博瀏覽等帶有一定數據量突發性的業務需求，盡量遷移到Cell_DCH上進行處理，任務結束后盡快轉移到Cell_FACH/Cell_PCH甚至Idle狀態，這樣可以充分利用Cell_DCH的高效率，提升用戶體驗，同時提高無線資源利用率。對于聊天類以及微博發送等應用可以利用其非實時、極小數據量突發的特性，盡量使用Cell_FACH來傳送數據。

3.2.2控制參數及其作用

3.2.2.1 Cell_DCH到Cell_FACH轉換

不同廠商上下行邏輯信道上控制無線狀態轉換的參數名稱有所不同，基本思路是如果在一定時間內流量小于某個門限將執行降速過程，判決條件為

式中：

NTB——時間窗內所傳送的傳輸塊的數量

Tsize——L1層傳輸塊的大小

Step1AverWin——吞吐量估計的時間窗長度，一般是10 ms的整數倍

Step1ThoughputThreshold——判決閾值

在定時器TimerT1設定的時間內，如上下行同時滿足式（2）的條件，將觸發Cell_DCH到Cell_FACH的轉換。

3.2.2.2 Cell_FACH到Cell_DCH轉換

在Cell_FACH狀態，如果上層有更大的業務及吞吐量需求，將按照一定規則進行升速轉換。此時，針對上下行分別考察，只要一個方向有需求就可以進行轉換，判決條件為

如在定時器TimeToTrigger時長之內，UE側的RLC Buffer（上行）滿足式（3）的條件，將發起 4A 事件上報，RNC根據此信息進行相應的狀態轉換。

3.2.2.3 Cell_FACH到Cell_PCH/URA_PCH轉換

如果上下行邏輯信道上（不包含DCCH）在一定時間內流量小于設定的門限將執行降速過程，上下行同時考慮，判決條件為

在定時器TimerT2所設定的時間內，如上下行同時滿足式（4）的條件，將觸發Cell_FACH到Cell_PCH/URA_PCH的轉換。

3.2.2.4 Cell_PCH/URA_PCH到Cell_FACH轉換

在TimerT3時間內，如果在下行收到Paging：DL Data Traffic resuming或者在上行收到CellUpdate：Uplink Data transmission，將執行此狀態的轉換過程。

3.2.2.5 Cell_PCH/URA_PCH到Idle狀態轉換

UE進入Cell_PCH/URA_PCH時啟動TimerT3，如果在下行沒有收到Paging：DL Data Traffic resuming，且在上行也沒有收到 CellUpdate：Uplink Data transmission，在TimerT3超時后，將執行此狀態的轉換過程。

對于小流量業務的無線狀態轉換設置，需要結合業務特征和用戶習慣來進行處理，同時與用戶數、話務量等因素進行關聯分析。運營商可以通過業務應用平臺或者專門的用戶行為軟件進行研究，采取適宜的參數設置，并根據網絡的變化進行動態調整，以在單個用戶體驗和網絡利用率方面達到最佳平衡。

4 結束語

隨著中國聯通HSPA+64QAM的升級開通，數據業務的需求將會更大范圍地釋放出來。越來越多的數據業務問題會隨著業務量的增長、手機智能終端的豐富、社交網絡的無線化以及更多形式的數據業務表現形式逐漸涌現出來，數據業務優化將會成為更加需要關注的優化研究方向。本文僅就HSPA+64QAM網絡層面優化以及數據業務層面的優化作了簡單的討論，未來還需對數據業務模型以及用戶行為作更深層次的研究，以便使數據業務的優化更加的系統化，更加貼近用戶感知。

［1］3GPP TS 25.214 Technical Specification Group Radio Access Network Physical layer procedures（FDD）［S/OL］.［2011-12-17］.http://www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/25214.htm.

［2］畢猛.HSPA+64QAM組網關鍵問題探討 ［J］.郵電設計技術，2010（5）.

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［4］文志成，張健明，劉強,等.UMTS系統無線協議與信令流程［M］.北京：電子工業出版社，2008.

［5］Laiho.J.，Wacker.A.，Novosad.T.UMTS 無線網絡規劃與優化 ［M］.北京：電子工業出版社，2008.