3.5G/HSDPA技術架構與手機開發要點

從語音通信到數據通信，蜂巢式手機無疑正處于技術架構改朝換代上的重大的革命時期，而進入數位時代，無線通信也和有線通信一樣，不斷得向上提高傳輸的速率：從GSM到傳輸率約40Kbps的GPRS，以及傳輸率約130Kbps EDGE，再到3G世代UMTS的384Kbps，到目前唿之欲出的3.5代HSDPA。

　　目前在手機市場上來勢洶洶的一個新名詞，正是號稱3.5G的HSDPA。它會成為市場上關注的話題，有其時代上的意義，一是由于CDMA2000在3G市場已取得領導性的優勢，讓WCDMA陣營感到極大的壓力；另外則是無線網路陣營推動的WiMAX聲勢浩大，也讓WCDMA陣營急需推出新一代的技術，以鞏固既有的江山。

　　先來看看目前3G市場推展的現況。根據GSA及CDG的統計，2004年中時WCDMA、CDMA2000 1X和CDMA2000 1xEV-DO的商用網路數量分別只有37、87和10個，而截至2005年6月，全球共已開通了223個3G商用網路，其中CDMA2000 1X網路123個，CDMA2000 1x EV-DO網路22個，相較之下，WCDMA網路只有78個；預計明年將有22個CDMA2000 1X EV-DO網路計畫開通，WCDMA網路則有七家電信公司準備進入商用階段，請參考(圖一)。

圖一　全球3G商用網路成長趨勢

　　若從用戶數量上來比較，兩個陣營的差異就更明顯了，依據中國資訊產業部電信研究所發佈的資料，截止到2005年6月底，全球共有1.919億3G用戶，其中CDMA2000 1X用戶達到1.437億，EV-DO用戶也有1780萬，WCDMA用戶卻只有3040萬。

　　對于同時兩項規格并行的國家來說，這種態勢讓采用WCDMA的電信業者感到憂心忡忡，擔心好不容易上升的用戶數會流失到另一個陣營。代表性的國家分別是日本、美國和中國，其中日本NTT DoCoMo從2004年開始就計畫在兩年內投資3.5億美元，資助六家終端廠商（富士通、三菱電子、摩托羅拉、NEC、松下、夏普）加快HSPDA手機終端的研發，以對抗KDDI的無線高速資料服務，KDDI日前宣佈將在2006年底開通CDMA2000 1x EV-DO Rev.A網路，將上行/下行速率提升到1.8/3.1Mbps。

　　美國方面，Verizon Wireless布建的EV-DO系統已經覆蓋了32個城市，在人口覆蓋率上則超過30％，并計畫到2005年底超過40％。美國最大的行動通信服務商 Cigular為了應對競爭，于2004年底宣布對WCDMA系統進行升級，計畫2005年底率先在美國的幾個主要城市的城區和校區部署HSDPA網路。中國方面，中國聯通已開始大力推展cdma2000 1x EV-DO系統，這無疑將對中國移動造成競爭壓力。為此，中國移動表示在3G牌照發放后，中國移動將首先在沿海發達及重要城市部署HSDPA網路。

　　兩大3.5G標準比較

　　回顧兩項競爭規格的發展，國際標準化組織3GPP/3GPP2在2000年分別啟動這兩項技術。1xEV-DO方面，3GPP2目前已完成Rev0、RevA（反向增強）的標準化工作，正在制定RevB的標準，預計2006年初會完成RevB版本的標準化。

　　3GPP則將HSDPA的演進分三個階段，第一階段從2000年啟動，在R5版本定義了基本HSDPA，目前該階段已完成，在導入HS-DSCH通道、 AMC和HARQ等技術后，其理想峰值速率可達14.4Mbps；第二階段是R6版本定義的增強型HSDPA，通過采用MIMO技術將峰值速率提高至 30Mbps；第三階段將聯合采用OFDM和64QAM調制技術，使峰值速率達到50Mbps以上。請參考(表一)、(圖二)、（圖三）。

表一　HSDPA發展階段及關鍵技術

圖二　HSDPA和CDMA 1xEV-DO標準演進

圖三　蜂巢技術的效能演進

　　為了保障業者的投資，兩項標準都基于對既有網路做最小更動的原則來進行演進設計，也就是盡量不更動網路架構和核心網路，而且使用既有的頻譜資源。在此情況下，就必須透過先進的技術來進行革新，而兩項標準都運用了AMC、HARQ等技術作法，以下將做一比較說明。

　　■1xEV-DO

　　1xEV-DO（Evolution-Data Optimized）是一項已商業化的可行3G技術，能將資料傳輸率提高到2Mbps，所使用的頻寬是1.25MHz，比起CDMA2000 1xRTT 和WCDMA這兩種以語音服務中心的技術快上3～4倍。
?　　1xEV-DO雖然是CDMA2000標準的一部分，但它完全沒有仰賴CDMA語音網路中的任何元件來提供服務、移動性或漫游。系統業者不需要行動交換中心（Mobile Switching Center；MSC）或如家庭和訪客位置註冊（home and visitor location registers；HLR/VLR）的網路元件。因此不管系統業者目前使用的是何種語音技術，只要具有1.25MHz的成對頻譜（paired spectrum），就能夠建置1xEV-DO。

　　在1xEV-DO 網路有三個主要單元，如(圖四)所示：

●無線節點（Radio Nodes；RNs）
●無線網路控制器（Radio Network Controller；RNC）
●封包數據服務節點（Packet Data Serving Node；PDSN）

圖四　 1xEV-DO網路架構

　　每個無線節點一般皆支援三個區域（sector）和服務一個蜂窩系統，而每個區域中有一個專屬發射器，用來節取用戶數據機和無線節點之間的空中連結。 1xEV-DO中的更高層協定會在RNC中處理，RNC也負責傳遞RN和PDSN之間的用戶數據資料。PDSN是一臺用來連結無線網路和網際網路的無線邊緣路由器（EDGE Router）。這個架構和一些其他的3G無線技術不一樣的地方，在于它不需要依賴行動交換中心（MSC）。

　　除了RNC和PDSN，1xEV-DO數據中心還有一臺聚合路由器（aggregation router）、一臺元件管理系統（element management system；EMS）和數臺ISP伺服器。聚合路由器節取從RN來的IP資訊，再傳送到RNC；EMS負責管理無線接取網路。至于常用的ISP伺服器包括網路名稱系統（Domain Name System；DNS）、動態主機組態協定（Dynamic Host Configuration Protocol；DHCP）和認證／授權／稽查（Authentication, Authorization, and Accounting；AAA）等標準IP伺服器。

　　整體來說，1xEV技術（也稱為High Data Rate；HDR）是一種高效能和符合成本效益的網際網路解決方案，這項高速的技術能與CDMA網路相容，并提供最佳化的封包數據服務。更特別的是，它以最小的網路和頻譜資源來達成其效能表現，是一項高頻譜效率的技術。

　　■HSDPA

　　HSDPA（High-Speed Downlink Packet Access）是基于3GPP R99/R4架構的附加方案，也就是UMTS的一種空中介面，其架構中主要包含三個元件，分別是用戶設備（User Equipment；UE）、Node B和無線網路控制器（RNC），如(圖五)所示。在基本型的標準下，采用耙式接收器（rake receiver）的六類（category 6）行動用戶，其尖峰資料傳輸率可達3.6Mbps；采用先進接收器方案的十類（category 10）行動用戶則可再提升到14.4Mbps。

圖五　HSDPA協定架構

　　HSDPA是基于現有WCDMA網路的演進，其網路建設成本主要用于Node B（基地臺）和RNC的軟/硬件升級。它將關鍵的數據處理從RNC轉移到Node B，使數據處理與空中介面更靠近，從而實現更高的系統傳輸量并改善服務品質。不僅如此，HSDPA還能擴大系統容量，與現有的WCDMA技術相比，HSDPA能在同一個無線載頻上為更多的高速率用戶提供服務。

　　基本上HSDPA是WCDMA下行鏈結的封包式數據服務，其數據傳送速率在5MHz的頻寬下可達8～10Mbps（采用MIMO系統可達20Mbps）。它加入一項新的高速下行共用通道（High Speed Downlink Shared Channel；HS-DSCH），這個通道采用分割代碼的方式，將主通道分成了15個子通道，而且配合縮短的TTI（transmission time interval）作法，在2ms的時間內對不同用戶進行通道時間分配。這樣一來，多個用戶就能同時分享頻寬，進而提升了頻譜的利用率。

此外，它也在實體層（PHY）導入更短的TTI（2ms）、采用自適性調制和編碼和HARQ的快速重傳等技術，讓高速傳送能夠實現。其技術特色如下：

　　自適應性調制和編碼（Adaptive Modulation and Coding；AMC）
為了提供每個用戶最佳的資料速率，在HSDPA中采用了自適應的調制和通道編碼方案，以滿足目前的通道條件。

　　快速調度（fast scheduling）

　　在WCDMA中，分組調度由RNC負責。在HSDPA中，分組調度轉到了Node B本身，因此能夠大幅減小因條件改變帶來的延遲。為了得到調度資料分組傳輸的最大效率，HSDPA使用了通道質量資訊、移動終端能力、QoS和可用的功率/代碼。
　　快速重傳（fast retransmission）

　　發生鏈路錯誤時就需要進行資料重傳，目前的WCDMA系統在RNC重新響應前必須等待100ms或更長的時間量級。將此功能引入到Node B中，該延遲將減小一個量級，達到10ms左右。此作法使用了混合ARQ（HARQ）技術，在該技術中，先前傳輸的資料與重傳資料以一種特殊方式結合，可以改進解碼效率和分散度增益。

表二　 1xEV/DO和HSDPA技術特性比較

　　綜合比較

　　如前所述，兩項標準不論是技術目的或手段都相似或相同。兩者皆訴求要滿足非對稱數據業務的需求，也就是提供高速的下行傳輸速度，讓業者能推展視頻娛樂等行動加值服務。然而，為了降低網路升級的代價與沖擊，除了考慮與現有版本的相容性外，更要求能以最小幅度的軟硬件調整，就能達到頻譜利用率的提升。

　　目前看起來，1xEV-DO的商業化腳步較快，這和CDMA一系列標準的相容性高有很大的關系，不像從GSM/GPRS升級到WCDMA需要大幅更動網路基礎架構。不過，發展腳步慢也意味著有較多的經驗足供參考，因此HSDPA的技術版本具有較高的數據傳輸率，也能完全使用剩余的語音頻寬，此外，HSDPA比能同時支援語音和數據服務。

　　不過，這兩項標準的演進之路才剛起步，可以預見未來的發展方向仍不會有太大的出入。在實體層上，仍會繼續提升頻譜的利用率；在高層的協定方面，QoS是必備的技術，因為要讓多種服務或應用能同時進行；至于在收發與調制的技術上，各個無線技術都無例外的朝向采用MIMO、OFDM和智能天線等策略發展中。

　　HSDPA手機開發技術挑戰

　　雖然說HSDPA強調網路架構不需大幅的更動，即可提供更高速的服務，也就是只要采用既有的WCDMA/3G手機就能享有更高的下載速率，不過，要想達到最佳的接收速率，移動終端的制造商仍得面臨極大的開發挑戰。

　　在現階段HSDPA手機的發射端基本上還不需改變，首先面臨沖擊的是接收技術的提升。所有的蜂窩通信系統均面臨著兩個基本問題：多址干擾和多徑干擾，而近年來看到的空中介面技術革命，如FDMA、TDMA、CDMA等，都可歸功于多址技術的進步。至于在多徑干擾上的克服，則已出現智能天線、耙式接收器（rake receiver）和OFDM等技術，目前針對HSDPA推出的先期接收方案，大都采用耙式接收器，雖然具有提升效果，但仍不能達到第一代的 14.4Mbps峰值下載速率。

　　因此，下一步是從天線與接收器的設計架構下手。其中的一種作法是采用分集式接收技術（Diversity Reception），也就是增加第二個天線和接收器，透過兩個獨立的信號接收路徑來接收信號，并透過復雜的調變與編碼技術將兩者結合，以獲取更佳的信號結果。不過，此一作法的設計難度高，額外的電路也可能增加設備的尺寸，而為了獲得最佳的差異效益，兩天線需分離愈遠愈好，這也會造成設計工程上的挑戰。

　　另外一個類似的策略，則是采用當紅的MIMO技術，這也是3GPP在第二階段HSDPA中的應用技術。MIMO顛覆多徑干擾的基本理論，反而提出空間多工（Spatial Multiplexing）的理論，強調透過多徑反射來改善傳輸效率。目前在WLAN的新產品（Pre N）中已實際導入MIMO技術而能突破100Mbps的傳輸率，未來在蜂巢式的系統也將看得見。

　　隨著接收效率的提升，手機系統也面臨整體性的設計問題。當資料傳輸量大幅提升時，手機的處理效率也得提升，這又可分為通信段的基頻處理能力與應用段的多媒體處理能力。目前這兩段朝向技術獨立的方向發展，以滿足各自在技術延革與市場需求上的不同需求，晶片業者也強調以開放性的架構來提供制造商多樣化的彈性選擇。很顯然地，要能讓HSDPA手機達到預期的效能，其軟硬件的設計挑戰將會大幅提升，除了需要采用更強的處理器或加速器來強化處理能力外，接收到的大量數據也需要更大的記憶體容量來儲存。

　　不僅如此，系統內的各元件也需要以更高速、智能性的匯流排來做串連，并采用各種節能的策略來延長電池的壽命。這些策略包括避免使用高時脈的處理器、采用較低的電壓、改進演算效率，以及針對整體系統提出最佳化的電源管理策略，例如智能性的讓非活動中的元件或模組進入休眠等省電模式。