探索HSDPA技术(上) 解说下行实体频道架构与技术
宽频CDMA(W-CDMA)的规格是有史以来最具企图心,也最复杂的无线通讯标准,因此,发展过程中不断地加入新的功能以提升W-CDMA系统的效能自然不足为奇。
W-CDMA规格中所加入的最重要功能之一是高速下行封包存取(High Speed Downlink Packet Access,HSDPA)技术,这项新技术的标准化过程始于2002年的W-CDMA Release5,HSDPA可提高下行网路的峰值资料速率以及封包资料的传输效率,让W-CDMA系统也能与目前使用中的其它高资料速率无线通讯技术(如1xEV-DO)相比拟。W-CDMA技术提供了UMTS的空中介面,UMTS是3GPP(Third Generation Partnership Project)所定义的3G系统。在完美的条件下,W-CDMA可提供的最高资料速率为2Mb/s,但是在一般的网路佈设环境中,一个蜂巢细胞(cell)的最高容量约为1Mb/s,且是由该细胞内的使用者所共用的,因此使用者的最高资料速率只有384kb/s。
HSDPA的基本概念
3GPP W-CDMA规格的Release5加入了HSDPA,为的就是要透过提高峰值资料速率和缩短封包延迟间隔(latency)的方式,让系统在封包资料的应用上更加有效率。虽然HSDPA理论上的最高资料速率约为14Mb/s,但实际上可达到的速率却低很多。HSDPA的效能主要取决于蜂巢细胞的大小,在大型蜂巢细胞(Macro Cell)的应用中,HSDPA所能提高的W-CDMA资料容量可能只有大约30%而已,一位使用者能维持的最高资料速率约为1Mb/s。但是在小型(micro)和微型(pico)的细胞网路中,因同频道的干扰很小,因此HSDPA可以提供比基本的W-CDMA高很多的效能。不过,确实的提升程度很难预测,因为会与实际的频道状况以及BTS的即时能力有关,而这两项都尚未标准化。尽管如此,根据一些可靠的估计,Release5大约可将蜂巢细胞的传输容量提高到3Mb/s,而Release6则可以提高到5Mb/s左右,因Release6中包含了更先进的UE接收器以及更好的BTS封包排程(packet scheduling)方法。虽然最高的使用者资料速率在短时间内或许可以达到3.6Mb/s,但可能无法长时间维持这么高的速率。
HSDPA技术可以与3GPP Re-lease99向下相容,因此原先针对W-CDMA所开发的各种语音和数据应用仍然可以在升级后的网路上进行,而且相同的无线频道也可以同时支援W-CDMA和HSDPA的服务。
将HSDPA加入W-CDMA的效果类似于将E-GPRS加入GSM的效果,也就是可以提高峰值资料速率,以及提升整体的系统容量,特别是小型的蜂巢细胞网路。网路营运商对于尽速採用HSDPA的态度相当积极,这意味着设计和测试工程师需要有合适的测试设备,才能开发和测试BTS和UE中新的HSDPA功能。
HSDPA带来的改变
为了提高W-CDMA系统效能,HSDPA主要的改变是在于无线介面,且直接影响到实体层和传输层,而本文主要探讨的是HSDPA的实体层部份,因此对MAC层的功能只会做一个简略的介绍。主要的改变有：缩短射频讯框(Radio Frame)的长度、加入新的高速下行频道、除了QPSK调变外又增加16QAM调变方法、结合编码多工与时间多工两种技术、加入新的上行控制频道、採用适应性调变与编码(AMC)方法来达到快速的连结调适目的、使用混合式自动重送请求(Hybrid Automatic-Repeat-Request,HARQ)法、将媒体存取控制(MAC)层的排程移到Node-B上进行。
讯框结构
HSDPA的射频讯框(实际上是W-CDMA架构下的一个子讯框)长度为2ms,相当于3个目前所定义的W-CDMA时槽。在一个10ms的W-CDMA讯框中,总共有5个HSDPA子讯框,如图1所示。讯框大小变短以后,可将使用者的资料指派到一个或多个时间长度较短的实体频道上来传送,因此可让网路在时域及码域中重新调整资源分配。
新增的频道
HSDPA将几个新的实体频道以及一个新的传输频道加到W-CDMA中。下行网路中增加了两个新的实体频道：
?一个可以传送实体资料段 (payload data)的高速实体下行共用频道(HS-PDSCH)
?一个可以传送UE识别码和相关HS-PDSCH频道参数的高速共用控制频道(HS-SCCH)
下行网路中所增加的新传输频道为高速下行共用频道(HS-DSCH)。HSDPA也增加一个新的上行实体频道－高速专用实体控制频道(HS-DPCCH),可用来传送HARQ确认(ACK)和频道品质指标(CQI)资讯。
经过这些改良之后,Layer2 (MAC层)既有的W-CDMA逻辑频道(DCCH和DTCH)可以映对为高速传输频道(HS-DSCH),Layer1则可以依序将传输频道(HS-DSCH)映对到一个或多个实体频道(HS-PDSCH)上,最多可达15个频道。接着,实体层会产生HS-SCCH和HS-DPCCH,以控制并协助HS-DSCH的传送。
