从语音通信到数据通信,蜂巢式手机无疑正处于威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 ,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年分别启动这两项威廉希尔官方网站 。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等威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 将峰值速率提高至 30Mbps;第三阶段将联合采用OFDM和64QAM调制威廉希尔官方网站 ,使峰值速率达到50Mbps以上。请参考(表一)、(图二)、(图三)。
表一 HSDPA发展阶段及关键威廉希尔官方网站
图二 HSDPA和CDMA 1xEV-DO标准演进
图三 蜂巢威廉希尔官方网站 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,就必须透过先进的威廉希尔官方网站 来进行革新,而两项标准都运用了AMC、HARQ等威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站
,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威廉希尔官方网站
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威廉希尔官方网站
,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无线威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 (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,这项高速的威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 。
■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威廉希尔官方网站 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的快速重传等威廉希尔官方网站 ,让高速传送能够实现。其威廉希尔官方网站 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)威廉希尔官方网站
,在该威廉希尔官方网站
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威廉希尔官方网站 特性比较
综合比较
如前所述,两项标准不论是威廉希尔官方网站 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的威廉希尔官方网站 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是必备的威廉希尔官方网站 ,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威廉希尔官方网站 上,各个无线威廉希尔官方网站 都无例外的朝向采用MIMO、OFDM和智能天线等策略发展中。
HSDPA手机开发威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 革命,如FDMA、TDMA、CDMA等,都可归功于多址威廉希尔官方网站 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等威廉希尔官方网站 ,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威廉希尔官方网站 (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威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 ,这也是3GPP在第二阶段HSDPA中的应用威廉希尔官方网站 。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威廉希尔官方网站 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。目前这两段朝向威廉希尔官方网站 独立的方向发展,以满足各自在威廉希尔官方网站 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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