無線通訊產業邁入革命性發展 HSPA/MIMO勢不可擋

2006-12-20
HSPA從技術討論到現場演示,已進入真正的商用化階段。目前已經投入HSPA商用的營運商包括美國Cingular、德國Vodafone、義大利和記3 Italia、瑞士電信、奧地利mobilkom等。而HSPA包括HSDPA、HSUPA及MIMO等技術,具有增加CQI、改善延遲時間、改變資源調配、新增技術、新增耙子接收器以及處理多路徑訊號等特點,可提供行動用戶更優質的行動寬頻服務體驗。
HSPA從技術討論到現場演示,已進入真正的商用化階段。目前已經投入HSPA商用的營運商包括美國Cingular、德國Vodafone、義大利和記 3 Italia、瑞士電信、奧地利mobilkom等。而HSPA包括HSDPA、HSUPA及MIMO等技術,具有增加CQI、改善延遲時間、改變資源調配、新增技術、新增耙子接收器以及處理多路徑訊號等特點,可提供行動用戶更優質的行動寬頻服務體驗。  

至2006年9月為止,全球行動用戶數已超過25億戶,其中超過8成為GSM用戶,全球109個商用WCDMA網路的總用戶數超過8,100萬戶。  

若GSM演進為WCDMA的過程正步入成熟期,WCDMA演進則為高速封包存取(High Speed Packet Access, HSPA),即HSDPA與HSUPA,正成為業界下一步關注的焦點。HSPA是以現有WCDMA網路為基礎的系統升級,引入HSPA只須在WCDMA無線網路部分升級,將WCDMA下行速率從384kbit/s提升到14.4Mbit/s,上行速率從64kbit/s提升到1.46Mbit/s,而整個核心網路架構都保持不變;另一方面,HSPA將繼續使用WCDMA的頻率而不需要單獨的載頻。HSPA不但有效地保護電信業者的投資成本,還大大增加業務範圍,將可提升平均用戶貢獻度(Average Revenue Per User, ARPU)。  

HSPA是無線通訊和寬頻結合的產物,對於行動電信業者而言,引入HSPA的劃時代意義在於,HSPA為行動業務的拓展提供廣闊的空間,並將改變行動業務收入架構,使目前行動業務中以語音服務收入為主,轉為以行動數位加值服務收入為主。隨著消費者對寬頻的使用和倚賴,用戶對行動寬頻的需求越來越大。不論是行動電視、電影短片下載、3D互動多方遊戲及大容量郵件等,HSPA的超高速、不限時地的特性,能使消費者獲得更好的體驗。本文將針對HSPA在3GPP 標準的演進過程中(圖1),HSDPA、HSUPA及MIMO等三個最主要的技術進程做介紹。  

HSDPA提升下行能力  

採用HSDPA技術,WCDMA無線系統下行速率最高可達14.4Mbit/s,系統容量增加2~3倍,時間延遲(Latency)大大降低。HSDPA 具有以下優勢:藉由增加手機估測下行無線通道的通道品質指示(Channel Quality Indicator, CQI)、改善網路的延遲時間,由3GPP R99/150毫秒轉變成3GPP R5/75毫秒,以及讓系統將剩餘資源做最有效地調配,以達到增加傳輸速率的結果,促使下行尖峰資料傳輸率提高到14Mbit/s。  

簡言之,HSDPA系統改善以下諸點,讓每個使用者感受增加5~10倍的傳輸速度。  

增加手機估測下行無線通道的能力CQI  

手機有估測下行通道的能力,並將此一估測結果即時回報給基地台,讓基地台能根據CQI做最有效的資源調配,以達到增加傳輸速率的結果。  

也因為估測下行通道的能力是手機的新功能,它意味著使用者必須更換手機/數據卡才能享受HSDPA高速傳輸的功能。  

改變相關時間  

更短的傳送時間間隔(Transmission Time Interval, TTI):就好比從國外進口新鮮的海鮮,物流系統的速度決定它的新鮮度,相同的道理,HSDPA藉由改善網路的延遲時間,由3GPP R99/150毫秒轉變成3GPP R5/75毫秒,以增加CQI的可靠度。共用碼源中的通道碼每2毫秒進行一次動態分配(圖2),如此短的時間間隔減少了環路時間(RTT),極大地提高鏈路適配性能。  

快速鏈路適配(Fast Link Adaptation):快速鏈路適配性能體現在系統根據瞬間變化的無線環境調整傳輸參數,並在通道條件允許的條件下採用高階調製方式。以這種方式處理短時間內資料速率變化的業務比功率控制方式更有效。WCDMA使用功率控制來補償下行連結的瞬間無線電波道條件的差異與變化。原則上,功率控制將基地台所有功率的較大部分分配給通道條件較差的通訊連結。儘管無線電波道條件有所差異,但這種方法可以讓所有通訊連結具相似的服務品質。同時,將無線電資源分配給通道條件較好的通訊連結,前者的使用效率會更高。因此,由全系統輸出量的觀點而言,功率控制不是分派資源最有效率的方法。  

改變資源調配  

高階調製(Higher Order Modulation):3GPP R99中規定QPSK調製方式用於下行傳輸(圖3),除了QPSK,HS-DSCH還可以使用16QAM調製方式進行提供更高的資料速率,並且更加有效地利用頻寬。  

快速動態功率分發(Dynamic Power Allocation):快速動態功率分發是透過動態模式將功率資源最有效利用,從而達到節省網路綜合成本的目的(圖4)。  

共享通道傳輸(Downlink Share Channel):HS-DSCH係屬共享通道傳輸,是指在一個基地台內的某些通道碼與傳輸功率是共用資源,讓使用者於時間域與編碼域內,動態共享該資源。  

比起目前WCDMA 3GPP第99版專用通道的用法,共享通道傳輸能使WCDMA可用的編碼與功率資源,做更有效的運用。  

HS-DSCH所對照的共享編碼資源至多使用15個碼,展頻因子(SF)固定在16,實際上使用的數字要視終端機/系統、業者設定與系統容量所支援的編碼個數決定。  

使用新技術  

除了增加手機回報CQI的能力、縮短RTT及更有效運用基地台資源外,3GPP在規畫HSPA的演進中也將近年來的研發成果,應用在不同的階段中,在這個階段中,其使用的新技術如下。  

快速排程(Fast Scheduling):快速排程的功能是用來決定在任何時間點(圖5),共享通道傳輸應該指派到哪一個使用者設備(UE),其目的是對有較佳無線電條件的使用者傳送。  

排程管理決定HSDPA的整體效能,對於每個TTI,排程管理決定應該將HS-DSCH傳送給哪一個使用者,並且與連結調適機制合作,決定調變的種類與應該使用多少編碼。如此可得終端使用者的實際位元率。使用通道狀態排程,而非循序分派無線電資源給各使用者(循環式排程),可以顯著增加通訊容量。通道狀態排程的目標是傳送給有較佳瞬間時通道狀態的使用者,藉由傳送給較佳狀態的使用者所得的增益稱為多使用者變異。  

快速混合式自動請求重發(Hybrid ARQ):使用者設備可快速要求重新傳輸遺失的資料,將原本傳輸的資訊與較遲傳輸的資訊結合,再嘗試解碼訊息(圖6)。這個方法稱為軟結合,可以增加容量及穩定性。當資料在接收端遺失時,負確認(NACK)回應會送出。當接收的資料是正確時,確認(ACK)回應會送出。  

模擬顯示,在一個輕負載的系統HSPDA可以減少下載大檔案的時間達20倍。另外,HSDPA的好處是具較大的系統容量(圖7),實驗證明HSDPA容量的總增益較WCDMA 3GPP第99版大2~3倍。  

HSUPA加強上傳能力  

基本上,HSUPA運用許多HSDPA使用的技術與觀念,唯一的改變是將下傳改為上傳,其基本原理歸納如以下五點:  

.多通道傳輸(Multi Code)  

.更短的時間間隔  

.快速混合式自動請求重發  

.快速鏈路適配  

.耙子接收器的設計(GRAKE Receiver)  

多路徑傳播是無線通訊環境的一大特徵,通常情況下,從A點的發射器到B點的接收器之間有一條直射波通道。但不可避免地,一些發射訊號會通過其他路徑反射到達接收器。一般而言,反射波的訊號到達接收器的時間會略晚於正常訊號,而且會衰減,一般接收器的處理方法是將反射波的訊號忽略或消除。異於一般接收器的邏輯,耙子接收器的特性是希望將直射波與返射波的能量作適度的相位調整,並相加以增加接收器的訊號品質(圖8)。  

總言之,結合1~5點HSUPA可達到理論值(表1),而從實際網路測試結果,圖9也證實HSUPA理論值是可到達的目標。  

MIMO支援多路徑訊號  

類似耙子接收器對於多路徑訊號的處理觀念,妥善利用多路徑訊號的能量並加以整合,以提高接收器的性能。MIMO透過多根天線的布局,以提高多路徑訊號的數量,再利用訊號處理的方法,將多路徑訊號的能量加以整合,以其提高系統容量、傳輸距離/覆蓋範圍以及可靠性。  

就好比人身體的結構一樣,用兩個眼睛看比用一隻眼睛看得清楚,用兩隻耳朵聽比用一隻耳朵聽得清析一樣的道理,多根天線傳多根天線的技術具以下特性:  

.改善訊號品質/覆蓋率  

.增加系統容量  

.增加傳輸距離  

無線通訊產業的革命性發展正在進行中,HSPA是無線通訊和寬頻結合的產物,藉由HSPA用戶可不限時地地享受到行動寬頻的服務體驗,以及範圍更廣的漫遊功能。  

(本文作者為台灣易利信產品經理)  

(詳細圖表請見新通訊元件雜誌71期1月號)  

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