3.5G/HSDPA技术架构与手机开发要点
3.5g/hsdpa技术架构与手机开发要点
从语音通信到数据通信，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，无线通信也和有线通信一样，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，到目前唿之欲出的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佈的资料，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日前宣佈将在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％。美国最大的行动通信服务商 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）。
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、移动性或漫游。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註册（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）
图四 1xev-do网路架构
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，用来节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。聚合路由器节取从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/硬件升级。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，让业者能推展视频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件调整，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和智能天线等策略发展中。
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，移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，则已出现智能天线、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，透过两个独立的信号接收路径来接收信号，并透过复杂的调变与编码技术将两者结合，以获取更佳的信号结果。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，这又可分为通信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，其软硬件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、智能性的匯流排来做串连，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，例如智能性的让非活动中的元件或模组进入休眠等省电模式。
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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佈的资料，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。
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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％。美国最大的行动通信服务商 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
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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）。
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、移动性或漫游。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註册（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）
图四 1xev-do网路架构
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，用来节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。聚合路由器节取从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/硬件升级。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，让业者能推展视频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件调整，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和智能天线等策略发展中。
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，移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，则已出现智能天线、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，透过两个独立的信号接收路径来接收信号，并透过复杂的调变与编码技术将两者结合，以获取更佳的信号结果。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，这又可分为通信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，其软硬件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、智能性的匯流排来做串连，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，例如智能性的让非活动中的元件或模组进入休眠等省电模式。
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