3.5G/HSDPA技术架构与手机开发要点

　
 
从语音通讯到数据通讯，蜂巢式手机无疑正处于技术架构改朝换代上的重大的革命时期，而进入数位时代，无线通讯也和有线通讯一样，不断得向上提高传输的速率：从GSM到传输率约40Kbps的GPRS，以及传输率约130Kbps EDGE，再到3G世代UMTS的384Kbps，到目前呼之欲出的3.5代HSDPA。
目前在手机市场上来势汹汹的一个新名词，正是号称3.5G的HSDPA。它会成为市场上关注的话题，有其时代上的意义，一是由于CDMA2000在3G市场已取得领导性的优势，让WCDMA阵营感到极大的压力；另外则是无线网路阵营推动的WiMAX声势浩大，也让WCDMA阵营急需推出新一代的技术，以巩固既有的江山。

先来看看目前3G市场推展的现况。根据GSA及CDG的统计，2004年中时WCDMA、CDMA2000 1X和CDMA2000 1xEV-DO的商用网路数量分别只有37、87和10个，而截至2005年6月，全球共已开通了223个3G商用网路，其中CDMA2000 1X网路123个，CDMA2000 1x EV-DO网路22个，相较之下，WCDMA网路只有78个；预计明年将有22个CDMA2000 1X EV-DO网路计画开通，WCDMA网路则有七家电信公司准备进入商用阶段，请参考(图一)。

图一　全球3G商用网路成长趋势

若从用户数量上来比较，两个阵营的差异就更明显了，依据中国资讯产业部电信研究所发布的资料，截止到2005年6月底，全球共有1.919亿3G用户，其中CDMA2000 1X用户达到1.437亿，EV-DO用户也有1780万，WCDMA用户却只有3040万。

对于同时两项规格并行的国家来说，这种态势让采用WCDMA的电信业者感到忧心忡忡，担心好不容易上升的用户数会流失到另一个阵营。代表性的国家分别是日本、美国和中国，其中日本NTT DoCoMo从2004年开始就计画在两年内投资3.5亿美元，资助六家终端厂商（富士通、三菱电子、摩托罗拉、NEC、松下、夏普）加快HSPDA手机终端的研发，以对抗KDDI的无线高速资料服务，KDDI日前宣布将在2006年底开通CDMA2000 1x EV-DO Rev.A网路，将上行/下行速率提升到1.8/3.1Mbps。

美国方面，Verizon Wireless布建的EV-DO系统已经覆盖了32个城市，在人口覆盖率上则超过30％，并计画到2005年底超过40％。美国最大的行动通讯服务商Cigular为了应对竞争，于2004年底宣布对WCDMA系统进行升级，计画2005年底率先在美国的几个主要城市的城区和校区部署HSDPA网路。中国方面，中国联通已开始大力推展cdma2000 1x EV-DO系统，这无疑将对中国移动造成竞争压力。为此，中国移动表示在3G牌照发放后，中国移动将首先在沿海发达及重要城市部署HSDPA网路。
 
 
两大3.5G标准比较

回顾两项竞争规格的发展，国际标准化组织3GPP/3GPP2在2000年分别启动这两项技术。1xEV-DO方面，3GPP2目前已完成Rev0、RevA（反向增强）的标准化工作，正在制定RevB的标准，预计2006年初会完成RevB版本的标准化。

3GPP则将HSDPA的演进分三个阶段，第一阶段从2000年启动，在R5版本定义了基本HSDPA，目前该阶段已完成，在导入HS-DSCH通道、AMC和HARQ等技术后，其理想峰值速率可达14.4Mbps；第二阶段是R6版本定义的增强型HSDPA，通过采用MIMO技术将峰值速率提高至30Mbps；第三阶段将联合采用OFDM和64QAM调制技术，使峰值速率达到50Mbps以上。请参考(表一)、(图二)、（图三）。
　

HSDPA發展階段

引入版本

關鍵技術

下行峰值速率(Mbps)

第一階段（基本型）

WCMDA R5

Node B中引入高速媒體訪問控制（MAC-hs）協議

10.8～14.4

第二階段（增強型）

WCMDA R6

多種天線陣列處理技術，如MIM0技術

30

第三階段

標準制定中

引入0FDM空中介面技術和64QAM；使用多標準MAC（Mx-MAC）控制實體等

100

表一　HSDPA发展阶段及关键技术

图二　HSDPA和CDMA 1xEV-DO标准演进

图三　蜂巢技术的效能演进

为了保障业者的投资，两项标准都基于对既有网路做最小更动的原则来进行演进设计，也就是尽量不更动网路架构和核心网路，而且使用既有的频谱资源。在此情况下，就必须透过先进的技术来进行革新，而两项标准都运用了AMC、HARQ等技术作法，以下将做一比较说明。

■1xEV-DO
1xEV-DO（Evolution-Data Optimized）是一项已商业化的可行3G技术，能将资料传输率提高到2Mbps，所使用的频宽是1.25MHz，比起CDMA2000 1xRTT 和WCDMA这两种以语音服务中心的技术快上3～4倍。

1xEV-DO虽然是CDMA2000标准的一部分，但它完全没有仰赖CDMA语音网路中的任何元件来提供服务、行动性或漫游。系统业者不需要行动交换中心（Mobile Switching Center；MSC）或如家庭和访客位置注册（home and visitor location registers；HLR/VLR）的网路元件。因此不管系统业者目前使用的是何种语音技术，只要具有1.25MHz的成对频谱（paired spectrum），就能够建置1xEV-DO。
在1xEV-DO 网路有三个主要单元，如(图四)所示：

●无线节点（Radio Nodes；RNs）
●无线网路控制器（Radio Network Controller；RNC）
●封包数据服务节点（Packet Data Serving Node；PDSN）

每个无线节点一般皆支援三个区域（sector）和服务一个蜂窝系统，而每个区域中有一个专属发射器，用来撷取用户数据机和无线节点之间的空中连结。1xEV-DO中的更高层协定会在RNC中处理，RNC也负责传递RN和PDSN之间的用户数据资料。PDSN是一台用来连结无线网路和网际网路的无线边缘路由器（EDGE Router）。这个架构和一些其他的3G无线技术不一样的地方，在于它不需要依赖行动交换中心（MSC）。

除了RNC和PDSN，1xEV-DO数据中心还有一台聚合路由器（aggregation router）、一台元件管理系统（element management system；EMS）和数台ISP伺服器。聚合路由器撷取从RN来的IP资讯，再传送到RNC；EMS负责管理无线接取网路。至于常用的ISP伺服器包括网路名称系统（Domain Name System；DNS）、动态主机组态协定（Dynamic Host Configuration Protocol；DHCP）和认证／授权／稽查（Authentication, Authorization, and Accounting；AAA）等标准IP伺服器。

整体来说，1xEV技术（也称为High Data Rate；HDR）是一种高效能和符合成本效益的网际网路解决方案，这项高速的技术能与CDMA网路相容，并提供最佳化的封包数据服务。更特别的是，它以最小的网路和频谱资源来达成其效能表现，是一项高频谱效率的技术。

■HSDPA
HSDPA（High-Speed Downlink Packet Access）是基于3GPP R99/R4架构的附加方案，也就是UMTS的一种空中介面，其架构中主要包含三个元件，分别是用户设备（User Equipment；UE）、Node B和无线网路控制器（RNC），如(图五)所示。在基本型的标准下，采用耙式接收器（rake receiver）的六类（category 6）行动用户，其尖峰资料传输率可达3.6Mbps；采用先进接收器方案的十类（category 10）行动用户则可再提升到14.4Mbps。
　

图五　HSDPA协定架构

HSDPA是基于现有WCDMA网路的演进，其网路建设成本主要用于Node B（基地台）和RNC的软/硬体升级。它将关键的数据处理从RNC转移到Node B，使数据处理与空中介面更靠近，从而实现更高的系统传输量并改善服务品质。不仅如此，HSDPA还能扩大系统容量，与现有的WCDMA技术相比，HSDPA能在同一个无线载频上为更多的高速率用户提供服务。

基本上HSDPA是WCDMA下行链结的封包式数据服务，其数据传送速率在5MHz的频宽下可达8～10Mbps（采用MIMO系统可达20Mbps）。它加入一项新的高速下行共用通道（High Speed Downlink Shared Channel；HS-DSCH），这个通道采用分割代码的方式，将主通道分成了15个子通道，而且配合缩短的TTI（transmission time interval）作法，在2ms的时间内对不同用户进行通道时间分配。这样一来，多个用户就能同时分享频宽，进而提升了频谱的利用率。

此外，它也在实体层（PHY）导入更短的TTI（2ms）、采用自适性调制和编码和HARQ的快速重传等技术，让高速传送能够实现。其技术特色如下：

自适应性调制和编码（Adaptive Modulation and Coding；AMC）
为了提供每个用户最佳的资料速率，在HSDPA中采用了自适应的调制和通道编码方案，以满足目前的通道条件。

快速调度（fast scheduling）
在WCDMA中，分组调度由RNC负责。在HSDPA中，分组调度转到了Node B本身，因此能够大幅减小因条件改变带来的延迟。为了得到调度资料分组传输的最大效率，HSDPA使用了通道质量资讯、移动终端能力、QoS和可用的功率/代码。

快速重传（fast retransmission）
发生链路错误时就需要进行资料重传，目前的WCDMA系统在RNC重新响应前必须等待100ms或更长的时间量级。将此功能引入到Node B中，该延迟将减小一个量级，达到10ms左右。此作法使用了混合ARQ（HARQ）技术，在该技术中，先前传输的资料与重传资料以一种特殊方式结合，可以改进解码效率和分散度增益。
　

表二　 1xEV/DO和HSDPA技术特性比较

■综合比较

如前所述，两项标准不论是技术目的或手段都相似或相同。两者皆诉求要满足非对称数据业务的需求，也就是提供高速的下行传输速度，让业者能推展视讯娱乐等行动加值服务。然而，为了降低网路升级的代价与冲击，除了考虑与现有版本的相容性外，更要求能以最小幅度的软硬体调整，就能达到频谱利用率的提升。

目前看起来，1xEV-DO的商业化脚步较快，这和CDMA一系列标准的相容性高有很大的关系，不像从GSM/GPRS升级到WCDMA需要大幅更动网路基础架构。不过，发展脚步慢也意味着有较多的经验足供参考，因此HSDPA的技术版本具有较高的数据传输率，也能完全使用剩余的语音频宽，此外，HSDPA比能同时支援语音和数据服务。

不过，这两项标准的演进之路才刚起步，可以预见未来的发展方向仍不会有太大的出入。在实体层上，仍会继续提升频谱的利用率；在高层的协定方面，QoS是必备的技术，因为要让多种服务或应用能同时进行；至于在收发与调制的技术上，各个无线技术都无例外的朝向采用MIMO、OFDM和智慧天线等策略发展中。
 
 
HSDPA手机开发技术挑战

虽然说HSDPA强调网路架构不需大幅的更动，即可提供更高速的服务，也就是只要采用既有的WCDMA/3G手机就能享有更高的下载速率，不过，要想达到最佳的接收速率，行动终端的制造商仍得面临极大的开发挑战。

在现阶段HSDPA手机的发射端基本上还不需改变，首先面临冲击的是接收技术的提升。所有的蜂窝通信系统均面临着两个基本问题：多址干扰和多径干扰，而近年来看到的空中介面技术革命，如FDMA、TDMA、CDMA等，都可归功于多址技术的进步。至于在多径干扰上的克服，则已出现智慧天线、耙式接收器（rake receiver）和OFDM等技术，目前针对HSDPA推出的先期接收方案，大都采用耙式接收器，虽然具有提升效果，但仍不能达到第一代的14.4Mbps峰值下载速率。

因此，下一步是从天线与接收器的设计架构下手。其中的一种作法是采用分集式接收技术（Diversity Reception），也就是增加第二个天线和接收器，透过两个独立的讯号接收路径来接收讯号，并透过复杂的调变与编码技术将两者结合，以获取更佳的讯号结果。不过，此一作法的设计难度高，额外的电路也可能增加设备的尺寸，而为了获得最佳的差异效益，两天线需分离愈远愈好，这也会造成设计工程上的挑战。

另外一个类似的策略，则是采用当红的MIMO技术，这也是3GPP在第二阶段HSDPA中的应用技术。MIMO颠覆多径干扰的基本理论，反而提出空间多工（Spatial Multiplexing）的理论，强调透过多径反射来改善传输效率。目前在WLAN的新产品（Pre N）中已实际导入MIMO技术而能突破100Mbps的传输率，未来在蜂巢式的系统也将看得见。

随着接收效率的提升，手机系统也面临整体性的设计问题。当资料传输量大幅提升时，手机的处理效率也得提升，这又可分为通讯段的基频处理能力与应用段的多媒体处理能力。目前这两段朝向技术独立的方向发展，以满足各自在技术延革与市场需求上的不同需求，晶片业者也强调以开放性的架构来提供制造商多样化的弹性选择。很显然地，要能让HSDPA手机达到预期的效能，其软硬体的设计挑战将会大幅提升，除了需要采用更强的处理器或加速器来强化处理能力外，接收到的大量数据也需要更大的记忆体容量来储存。

不仅如此，系统内的各元件也需要以更高速、智慧性的汇流排来做串连，并采用各种节能的策略来延长电池的寿命。这些策略包括避免使用高时脉的处理器、采用较低的电压、改进演算效率，以及针对整体系统提出最佳化的电源管理策略，例如智慧性的让非活动中的元件或模组进入休眠等省电模式。
 
解决方案市场现况

目前HSDPA手机的商业化仍处于起步阶段，相关的硬体解决方案仍然相当有限。领先市场的厂商无疑是CDMA的龙头──Qualcomm，该公司已推出两代的HSDPA解决方案，包括第一代的MSM6275晶片组和第二代的MSM6280晶片组，今年10月底在北京国际通讯展（PX/EXPO Wireless）由Sierra Wireless和华为推出的两款HSDPA资料卡，即采用Qualcomm的MSM6275，下传速率为1.8Mbps。Qualcomm在今年10月推出的MSM6280，除了采用90奈米制程外，并整合了接收分集和均衡器等先进接收技术，一举将下传速率提升到7.2Mbps。

Freescale在2005年初推出的i.300-30 3G平台，则是一款同时支援GSM、EDGE GPRS、WCDMA与HSDPA的多模解决方案，其中对HSDPA的下传速率可达3.6Mbps。TI有TMS320TCI6482的可程式DSP可支援HSDPA，不过这是针对无线基地台的基频解决方案；手机部分，其OMAP-Vox系列的先期产品OMAPV1030晶片组目前主要支援GSM/GPRS/EGDE，不过已承诺将协助此系列的客户顺利过渡到UMTS和HSDPA。
　

软体协定部分，TTPCom也与Icera合作开发了HSDPA/EDGE解决方案。该方案采用TTPCom Release 5多种模式无线协定堆叠，可支援现有的GSM、GPRS 及EDGE、WCDMA与HSDPA无线终端设备标准，数据传输率达3.6Mbps。此外，TTPCom也和ARM达成合作协议，共同设计和开发整合ARM处理器和TTPCom的行动基频引擎（CBEmacro）的3G平台。

在测试仪器方面，HSDPA也为这个市场带来了极大的商机，包括安捷伦、太克和罗德德史瓦兹等量测大厂早已有所布局，针对手机制造商及电信业者推出一系列从设计到互通性测试的各种仪器。安捷伦与Anite合推一套整合GSM、GPRS、EGPRS、W-CDMA以及HSDPA等测试能力于一身的单一平台──SAT测试平台，这是一套针对初期开发所设计的从Layer 1到Layer 3的发展工具，以Agilent 8960无线通讯测试系统为基础，内容从设计初期的RF与通讯协定测试，到完整的符合性（conformance）与互通性（inter-operability）验证均包含在内。太克在HSDPA方面的主力产品为NetTek测试仪，这是一套RF实地测试工具，允许RF技术人员和性能测试工程师精确地分析NodeB发射器的性能并熟练地诊断问题；此外，NetTek测试仪同时也提供解调制测试，其中包括对于理解RF信号环境非常关键的EVM。罗德史瓦兹也提供一系列的HSDPA工具，包括射频通讯测试仪（CMU 200/300）、协定测试仪、信号分析仪等等。
 
 
结论
从语音通讯到数据通讯，蜂巢式手机无疑正处于技术架构改朝换代上的重大的革命时期，而进入数位时代，无线通讯也和有线通讯一样，不断得向上提高传输的速率：从GSM到传输率约40Kbps的GPRS，以及传输率约130Kbps EDGE，再到3G世代UMTS的384Kbps，以及现在呼之欲出的3.5代HSDPA，其第一阶段即上看14.4Mbps。在推出时程上，LG、NEC和三星皆已表示在今年年底或2006年年初就会推出HSDPA商用手机。

虽然在技术上可行，并不保证市场上可以很快的过渡。目前3G手机即面临与2G/2.5G技术架构不同的相容性问题，要如何在并存的这两代网路系统间平顺的切换通话，并维持通话的品质及提供新兴的服务，是今日设计上的很大挑战。另一个将面临的问题是实际服务上的经验感受，毕竟目前提出来的传输速率皆是台面上的理想值，在真正应用时将遇到分享、干扰和延迟等瓶颈，服务品质能否获得用户的认同，将很值得观察。

换个角度来看，虽然在3G的推展上，WCDMA阵营显得较为落后，但就基本面来看，截至2005年8月底，全球共有670个GSM网路分布在200个国家或地区，用户数达到15.2亿；相较之下，CDMA仅在80个国家的近3亿用户中使用，因此WCDMA仍具有极佳的发展基础，倒也不必妄自菲薄。不过，在蜂窝式系统中长久以来存在着专利垄断的问题，对于技术的推广一直是最大的致命伤，也让由网路阵营如Wi-Fi/WiMAX等有后来居上的机会，这是3G业者需要慎思的地方。(本文原作者欧敏铨 摘自52RD社区）