3.5G/HSDPA技術(shù)架構(gòu)與手機(jī)開(kāi)發(fā)要點(diǎn)
從語(yǔ)音通信到數(shù)據(jù)通信,蜂巢式手機(jī)無(wú)疑正處于技術(shù)架構(gòu)改朝換代上的重大的革命時(shí)期,而進(jìn)入數(shù)位時(shí)代,無(wú)線通信也和有線通信一樣,不斷得向上提高傳輸?shù)乃俾剩簭腉SM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(jī)市場(chǎng)上來(lái)勢(shì)洶洶的一個(gè)新名詞,正是號(hào)稱3.5G的HSDPA。它會(huì)成為市場(chǎng)上關(guān)注的話題,有其時(shí)代上的意義,一是由于CDMA2000在3G市場(chǎng)已取得領(lǐng)導(dǎo)性的優(yōu)勢(shì),讓WCDMA陣營(yíng)感到極大的壓力;另外則是無(wú)線網(wǎng)路陣營(yíng)推動(dòng)的WiMAX聲勢(shì)浩大,也讓W(xué)CDMA陣營(yíng)急需推出新一代的技術(shù),以鞏固既有的江山。
先來(lái)看看目前3G市場(chǎng)推展的現(xiàn)況。根據(jù)GSA及CDG的統(tǒng)計(jì),2004年中時(shí)WCDMA、CDMA2000 1X和CDMA2000 1xEV-DO的商用網(wǎng)路數(shù)量分別只有37、87和10個(gè),而截至2005年6月,全球共已開(kāi)通了223個(gè)3G商用網(wǎng)路,其中CDMA2000 1X網(wǎng)路123個(gè),CDMA2000 1x EV-DO網(wǎng)路22個(gè),相較之下,WCDMA網(wǎng)路只有78個(gè);預(yù)計(jì)明年將有22個(gè)CDMA2000 1X EV-DO網(wǎng)路計(jì)畫(huà)開(kāi)通,WCDMA網(wǎng)路則有七家電信公司準(zhǔn)備進(jìn)入商用階段,請(qǐng)參考(圖一)。
圖一 全球3G商用網(wǎng)路成長(zhǎng)趨勢(shì)
若從用戶數(shù)量上來(lái)比較,兩個(gè)陣營(yíng)的差異就更明顯了,依據(jù)中國(guó)資訊產(chǎn)業(yè)部電信研究所發(fā)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(dá)到1.437億,EV-DO用戶也有1780萬(wàn),WCDMA用戶卻只有3040萬(wàn)。
對(duì)于同時(shí)兩項(xiàng)規(guī)格并行的國(guó)家來(lái)說(shuō),這種態(tài)勢(shì)讓采用WCDMA的電信業(yè)者感到憂心忡忡,擔(dān)心好不容易上升的用戶數(shù)會(huì)流失到另一個(gè)陣營(yíng)。代表性的國(guó)家分別是日本、美國(guó)和中國(guó),其中日本NTT DoCoMo從2004年開(kāi)始就計(jì)畫(huà)在兩年內(nèi)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(jī)終端的研發(fā),以對(duì)抗KDDI的無(wú)線高速資料服務(wù),KDDI日前宣佈將在2006年底開(kāi)通CDMA2000 1x EV-DO Rev.A網(wǎng)路,將上行/下行速率提升到1.8/3.1Mbps。
美國(guó)方面,Verizon Wireless布建的EV-DO系統(tǒng)已經(jīng)覆蓋了32個(gè)城市,在人口覆蓋率上則超過(guò)30%,并計(jì)畫(huà)到2005年底超過(guò)40%。美國(guó)最大的行動(dòng)通信服務(wù)商 Cigular為了應(yīng)對(duì)競(jìng)爭(zhēng),于2004年底宣布對(duì)WCDMA系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí),計(jì)畫(huà)2005年底率先在美國(guó)的幾個(gè)主要城市的城區(qū)和校區(qū)部署HSDPA網(wǎng)路。中國(guó)方面,中國(guó)聯(lián)通已開(kāi)始大力推展cdma2000 1x EV-DO系統(tǒng),這無(wú)疑將對(duì)中國(guó)移動(dòng)造成競(jìng)爭(zhēng)壓力。為此,中國(guó)移動(dòng)表示在3G牌照發(fā)放后,中國(guó)移動(dòng)將首先在沿海發(fā)達(dá)及重要城市部署HSDPA網(wǎng)路。
兩大3.5G標(biāo)準(zhǔn)比較
回顧兩項(xiàng)競(jìng)爭(zhēng)規(guī)格的發(fā)展,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP/3GPP2在2000年分別啟動(dòng)這兩項(xiàng)技術(shù)。1xEV-DO方面,3GPP2目前已完成Rev0、RevA(反向增強(qiáng))的標(biāo)準(zhǔn)化工作,正在制定RevB的標(biāo)準(zhǔn),預(yù)計(jì)2006年初會(huì)完成RevB版本的標(biāo)準(zhǔn)化。
3GPP則將HSDPA的演進(jìn)分三個(gè)階段,第一階段從2000年啟動(dòng),在R5版本定義了基本HSDPA,目前該階段已完成,在導(dǎo)入HS-DSCH通道、 AMC和HARQ等技術(shù)后,其理想峰值速率可達(dá)14.4Mbps;第二階段是R6版本定義的增強(qiáng)型HSDPA,通過(guò)采用MIMO技術(shù)將峰值速率提高至 30Mbps;第三階段將聯(lián)合采用OFDM和64QAM調(diào)制技術(shù),使峰值速率達(dá)到50Mbps以上。請(qǐng)參考(表一)、(圖二)、(圖三)。
表一 HSDPA發(fā)展階段及關(guān)鍵技術(shù)
圖二 HSDPA和CDMA 1xEV-DO標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)
圖三 蜂巢技術(shù)的效能演進(jìn)
為了保障業(yè)者的投資,兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)都基于對(duì)既有網(wǎng)路做最小更動(dòng)的原則來(lái)進(jìn)行演進(jìn)設(shè)計(jì),也就是盡量不更動(dòng)網(wǎng)路架構(gòu)和核心網(wǎng)路,而且使用既有的頻譜資源。在此情況下,就必須透過(guò)先進(jìn)的技術(shù)來(lái)進(jìn)行革新,而兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)都運(yùn)用了AMC、HARQ等技術(shù)作法,以下將做一比較說(shuō)明。
■1xEV-DO
1xEV-DO(Evolution-Data Optimized)是一項(xiàng)已商業(yè)化的可行3G技術(shù),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(yǔ)音服務(wù)中心的技術(shù)快上3~4倍。
? 1xEV-DO雖然是CDMA2000標(biāo)準(zhǔn)的一部分,但它完全沒(méi)有仰賴CDMA語(yǔ)音網(wǎng)路中的任何元件來(lái)提供服務(wù)、移動(dòng)性或漫游。系統(tǒng)業(yè)者不需要行動(dòng)交換中心(Mobile Switching Center;MSC)或如家庭和訪客位置註冊(cè)(home and visitor location registers;HLR/VLR)的網(wǎng)路元件。因此不管系統(tǒng)業(yè)者目前使用的是何種語(yǔ)音技術(shù),只要具有1.25MHz的成對(duì)頻譜(paired spectrum),就能夠建置1xEV-DO。
在1xEV-DO 網(wǎng)路有三個(gè)主要單元,如(圖四)所示:
●無(wú)線節(jié)點(diǎn)(Radio Nodes;RNs)
●無(wú)線網(wǎng)路控制器(Radio Network Controller;RNC)
●封包數(shù)據(jù)服務(wù)節(jié)點(diǎn)(Packet Data Serving Node;PDSN)
圖四 1xEV-DO網(wǎng)路架構(gòu)
每個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)一般皆支援三個(gè)區(qū)域(sector)和服務(wù)一個(gè)蜂窩系統(tǒng),而每個(gè)區(qū)域中有一個(gè)專屬發(fā)射器,用來(lái)節(jié)取用戶數(shù)據(jù)機(jī)和無(wú)線節(jié)點(diǎn)之間的空中連結(jié)。 1xEV-DO中的更高層協(xié)定會(huì)在RNC中處理,RNC也負(fù)責(zé)傳遞RN和PDSN之間的用戶數(shù)據(jù)資料。PDSN是一臺(tái)用來(lái)連結(jié)無(wú)線網(wǎng)路和網(wǎng)際網(wǎng)路的無(wú)線邊緣路由器(EDGE Router)。這個(gè)架構(gòu)和一些其他的3G無(wú)線技術(shù)不一樣的地方,在于它不需要依賴行動(dòng)交換中心(MSC)。
除了RNC和PDSN,1xEV-DO數(shù)據(jù)中心還有一臺(tái)聚合路由器(aggregation router)、一臺(tái)元件管理系統(tǒng)(element management system;EMS)和數(shù)臺(tái)ISP伺服器。聚合路由器節(jié)取從RN來(lái)的IP資訊,再傳送到RNC;EMS負(fù)責(zé)管理無(wú)線接取網(wǎng)路。至于常用的ISP伺服器包括網(wǎng)路名稱系統(tǒng)(Domain Name System;DNS)、動(dòng)態(tài)主機(jī)組態(tài)協(xié)定(Dynamic Host Configuration Protocol;DHCP)和認(rèn)證/授權(quán)/稽查(Authentication, Authorization, and Accounting;AAA)等標(biāo)準(zhǔn)IP伺服器。
整體來(lái)說(shuō),1xEV技術(shù)(也稱為High Data Rate;HDR)是一種高效能和符合成本效益的網(wǎng)際網(wǎng)路解決方案,這項(xiàng)高速的技術(shù)能與CDMA網(wǎng)路相容,并提供最佳化的封包數(shù)據(jù)服務(wù)。更特別的是,它以最小的網(wǎng)路和頻譜資源來(lái)達(dá)成其效能表現(xiàn),是一項(xiàng)高頻譜效率的技術(shù)。
■HSDPA
HSDPA(High-Speed Downlink Packet Access)是基于3GPP R99/R4架構(gòu)的附加方案,也就是UMTS的一種空中介面,其架構(gòu)中主要包含三個(gè)元件,分別是用戶設(shè)備(User Equipment;UE)、Node B和無(wú)線網(wǎng)路控制器(RNC),如(圖五)所示。在基本型的標(biāo)準(zhǔn)下,采用耙式接收器(rake receiver)的六類(category 6)行動(dòng)用戶,其尖峰資料傳輸率可達(dá)3.6Mbps;采用先進(jìn)接收器方案的十類(category 10)行動(dòng)用戶則可再提升到14.4Mbps。
圖五 HSDPA協(xié)定架構(gòu)
HSDPA是基于現(xiàn)有WCDMA網(wǎng)路的演進(jìn),其網(wǎng)路建設(shè)成本主要用于Node B(基地臺(tái))和RNC的軟/硬件升級(jí)。它將關(guān)鍵的數(shù)據(jù)處理從RNC轉(zhuǎn)移到Node B,使數(shù)據(jù)處理與空中介面更靠近,從而實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)傳輸量并改善服務(wù)品質(zhì)。不僅如此,HSDPA還能擴(kuò)大系統(tǒng)容量,與現(xiàn)有的WCDMA技術(shù)相比,HSDPA能在同一個(gè)無(wú)線載頻上為更多的高速率用戶提供服務(wù)。
基本上HSDPA是WCDMA下行鏈結(jié)的封包式數(shù)據(jù)服務(wù),其數(shù)據(jù)傳送速率在5MHz的頻寬下可達(dá)8~10Mbps(采用MIMO系統(tǒng)可達(dá)20Mbps)。它加入一項(xiàng)新的高速下行共用通道(High Speed Downlink Shared Channel;HS-DSCH),這個(gè)通道采用分割代碼的方式,將主通道分成了15個(gè)子通道,而且配合縮短的TTI(transmission time interval)作法,在2ms的時(shí)間內(nèi)對(duì)不同用戶進(jìn)行通道時(shí)間分配。這樣一來(lái),多個(gè)用戶就能同時(shí)分享頻寬,進(jìn)而提升了頻譜的利用率。
此外,它也在實(shí)體層(PHY)導(dǎo)入更短的TTI(2ms)、采用自適性調(diào)制和編碼和HARQ的快速重傳等技術(shù),讓高速傳送能夠?qū)崿F(xiàn)。其技術(shù)特色如下:
自適應(yīng)性調(diào)制和編碼(Adaptive Modulation and Coding;AMC)
為了提供每個(gè)用戶最佳的資料速率,在HSDPA中采用了自適應(yīng)的調(diào)制和通道編碼方案,以滿足目前的通道條件。
快速調(diào)度(fast scheduling)
在WCDMA中,分組調(diào)度由RNC負(fù)責(zé)。在HSDPA中,分組調(diào)度轉(zhuǎn)到了Node B本身,因此能夠大幅減小因條件改變帶來(lái)的延遲。為了得到調(diào)度資料分組傳輸?shù)淖畲笮?,HSDPA使用了通道質(zhì)量資訊、移動(dòng)終端能力、QoS和可用的功率/代碼。
快速重傳(fast retransmission)
發(fā)生鏈路錯(cuò)誤時(shí)就需要進(jìn)行資料重傳,目前的WCDMA系統(tǒng)在RNC重新響應(yīng)前必須等待100ms或更長(zhǎng)的時(shí)間量級(jí)。將此功能引入到Node B中,該延遲將減小一個(gè)量級(jí),達(dá)到10ms左右。此作法使用了混合ARQ(HARQ)技術(shù),在該技術(shù)中,先前傳輸?shù)馁Y料與重傳資料以一種特殊方式結(jié)合,可以改進(jìn)解碼效率和分散度增益。
表二 1xEV/DO和HSDPA技術(shù)特性比較
綜合比較
如前所述,兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不論是技術(shù)目的或手段都相似或相同。兩者皆訴求要滿足非對(duì)稱數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求,也就是提供高速的下行傳輸速度,讓業(yè)者能推展視頻娛樂(lè)等行動(dòng)加值服務(wù)。然而,為了降低網(wǎng)路升級(jí)的代價(jià)與沖擊,除了考慮與現(xiàn)有版本的相容性外,更要求能以最小幅度的軟硬件調(diào)整,就能達(dá)到頻譜利用率的提升。
目前看起來(lái),1xEV-DO的商業(yè)化腳步較快,這和CDMA一系列標(biāo)準(zhǔn)的相容性高有很大的關(guān)系,不像從GSM/GPRS升級(jí)到WCDMA需要大幅更動(dòng)網(wǎng)路基礎(chǔ)架構(gòu)。不過(guò),發(fā)展腳步慢也意味著有較多的經(jīng)驗(yàn)足供參考,因此HSDPA的技術(shù)版本具有較高的數(shù)據(jù)傳輸率,也能完全使用剩余的語(yǔ)音頻寬,此外,HSDPA比能同時(shí)支援語(yǔ)音和數(shù)據(jù)服務(wù)。
不過(guò),這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)之路才剛起步,可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)的發(fā)展方向仍不會(huì)有太大的出入。在實(shí)體層上,仍會(huì)繼續(xù)提升頻譜的利用率;在高層的協(xié)定方面,QoS是必備的技術(shù),因?yàn)橐尪喾N服務(wù)或應(yīng)用能同時(shí)進(jìn)行;至于在收發(fā)與調(diào)制的技術(shù)上,各個(gè)無(wú)線技術(shù)都無(wú)例外的朝向采用MIMO、OFDM和智能天線等策略發(fā)展中。
HSDPA手機(jī)開(kāi)發(fā)技術(shù)挑戰(zhàn)
雖然說(shuō)HSDPA強(qiáng)調(diào)網(wǎng)路架構(gòu)不需大幅的更動(dòng),即可提供更高速的服務(wù),也就是只要采用既有的WCDMA/3G手機(jī)就能享有更高的下載速率,不過(guò),要想達(dá)到最佳的接收速率,移動(dòng)終端的制造商仍得面臨極大的開(kāi)發(fā)挑戰(zhàn)。
在現(xiàn)階段HSDPA手機(jī)的發(fā)射端基本上還不需改變,首先面臨沖擊的是接收技術(shù)的提升。所有的蜂窩通信系統(tǒng)均面臨著兩個(gè)基本問(wèn)題:多址干擾和多徑干擾,而近年來(lái)看到的空中介面技術(shù)革命,如FDMA、TDMA、CDMA等,都可歸功于多址技術(shù)的進(jìn)步。至于在多徑干擾上的克服,則已出現(xiàn)智能天線、耙式接收器(rake receiver)和OFDM等技術(shù),目前針對(duì)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(dá)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(shè)計(jì)架構(gòu)下手。其中的一種作法是采用分集式接收技術(shù)(Diversity Reception),也就是增加第二個(gè)天線和接收器,透過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的信號(hào)接收路徑來(lái)接收信號(hào),并透過(guò)復(fù)雜的調(diào)變與編碼技術(shù)將兩者結(jié)合,以獲取更佳的信號(hào)結(jié)果。不過(guò),此一作法的設(shè)計(jì)難度高,額外的電路也可能增加設(shè)備的尺寸,而為了獲得最佳的差異效益,兩天線需分離愈遠(yuǎn)愈好,這也會(huì)造成設(shè)計(jì)工程上的挑戰(zhàn)。
另外一個(gè)類似的策略,則是采用當(dāng)紅的MIMO技術(shù),這也是3GPP在第二階段HSDPA中的應(yīng)用技術(shù)。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(qiáng)調(diào)透過(guò)多徑反射來(lái)改善傳輸效率。目前在WLAN的新產(chǎn)品(Pre N)中已實(shí)際導(dǎo)入MIMO技術(shù)而能突破100Mbps的傳輸率,未來(lái)在蜂巢式的系統(tǒng)也將看得見(jiàn)。
隨著接收效率的提升,手機(jī)系統(tǒng)也面臨整體性的設(shè)計(jì)問(wèn)題。當(dāng)資料傳輸量大幅提升時(shí),手機(jī)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(yīng)用段的多媒體處理能力。目前這兩段朝向技術(shù)獨(dú)立的方向發(fā)展,以滿足各自在技術(shù)延革與市場(chǎng)需求上的不同需求,晶片業(yè)者也強(qiáng)調(diào)以開(kāi)放性的架構(gòu)來(lái)提供制造商多樣化的彈性選擇。很顯然地,要能讓HSDPA手機(jī)達(dá)到預(yù)期的效能,其軟硬件的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)將會(huì)大幅提升,除了需要采用更強(qiáng)的處理器或加速器來(lái)強(qiáng)化處理能力外,接收到的大量數(shù)據(jù)也需要更大的記憶體容量來(lái)儲(chǔ)存。
不僅如此,系統(tǒng)內(nèi)的各元件也需要以更高速、智能性的匯流排來(lái)做串連,并采用各種節(jié)能的策略來(lái)延長(zhǎng)電池的壽命。這些策略包括避免使用高時(shí)脈的處理器、采用較低的電壓、改進(jìn)演算效率,以及針對(duì)整體系統(tǒng)提出最佳化的電源管理策略,例如智能性的讓非活動(dòng)中的元件或模組進(jìn)入休眠等省電模式。
評(píng)論
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