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從語(yǔ)音通訊到數據通訊，蜂巢式手機無(wú)疑正處于技術(shù)架構改朝換代上的重大的革命時(shí)期，而進(jìn)入數位時(shí)代，無(wú)線(xiàn)通訊也和有線(xiàn)通訊一樣，不斷得向上提高傳輸的速率：從GSM到傳輸率約40Kbps的GPRS，以及傳輸率約130Kbps EDGE，再到3G世代UMTS的384Kbps，到目前呼之欲出的3.5代HSDPA。 目前在手機市場(chǎng)上來(lái)勢洶洶的一個(gè)新名詞，正是號稱(chēng)3.5G的HSDPA。它會(huì )成為市場(chǎng)上關(guān)注的話(huà)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)導性的優(yōu)勢，讓W(xué)CDMA陣營(yíng)感到極大的壓力；另外則是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路陣營(yíng)推動(dòng)的WiMAX聲勢浩大，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)推展的現況。根據GSA及CDG的統計，2004年中時(shí)WCDMA、CDMA2000 1X和CDMA2000 1xEV-DO的商用網(wǎng)路數量分別只有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)；預計明年將有22個(gè)CDMA2000 1X EV-DO網(wǎng)路計畫(huà)開(kāi)通，WCDMA網(wǎng)路則有七家電信公司準備進(jìn)入商用階段，請參考(圖一)。 圖一 全球3G商用網(wǎng)路成長(cháng)趨勢 若從用戶(hù)數量上來(lái)比較，兩個(gè)陣營(yíng)的差異就更明顯了，依據中國資訊產(chǎn)業(yè)部電信研究所發(fā)布的資料，截止到2005年6月底，全球共有1.919億3G用戶(hù)，其中CDMA2000 1X用戶(hù)達到1.437億，EV-DO用戶(hù)也有1780萬(wàn)，WCDMA用戶(hù)卻只有3040萬(wàn)。 對于同時(shí)兩項規格并行的國家來(lái)說(shuō)，這種態(tài)勢讓采用WCDMA的電信業(yè)者感到憂(yōu)心忡忡，擔心好不容易上升的用戶(hù)數會(huì )流失到另一個(gè)陣營(yíng)。代表性的國家分別是日本、美國和中國，其中日本NTT DoCoMo從2004年開(kāi)始就計畫(huà)在兩年內投資3.5億美元，資助六家終端廠(chǎng)商（富士通、三菱電子、摩托羅拉、NEC、松下、夏普）加快HSPDA手機終端的研發(fā)，以對抗KDDI的無(wú)線(xiàn)高速資料服務(wù)，KDDI日前宣布將在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。 美國方面，Verizon Wireless布建的EV-DO系統已經(jīng)覆蓋了32個(gè)城市，在人口覆蓋率上則超過(guò)30％，并計畫(huà)到2005年底超過(guò)40％。美國最大的行動(dòng)通訊服務(wù)商Cigular為了應對競爭，于2004年底宣布對WCDMA系統進(jìn)行升級，計畫(huà)2005年底率先在美國的幾個(gè)主要城市的城區和校區部署HSDPA網(wǎng)路。中國方面，中國聯(lián)通已開(kāi)始大力推展cdma2000 1x EV-DO系統，這無(wú)疑將對中國移動(dòng)造成競爭壓力。為此，中國移動(dòng)表示在3G牌照發(fā)放后，中國移動(dòng)將首先在沿海發(fā)達及重要城市部署HSDPA網(wǎng)路。 兩大3.5G標準比較 回顧兩項競爭規格的發(fā)展，國際標準化組織3GPP/3GPP2在2000年分別啟動(dòng)這兩項技術(shù)。1xEV-DO方面，3GPP2目前已完成Rev0、RevA（反向增強）的標準化工作，正在制定RevB的標準，預計2006年初會(huì )完成RevB版本的標準化。 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，在導入HS-DSCH通道、AMC和HARQ等技術(shù)后，其理想峰值速率可達14.4Mbps；第二階段是R6版本定義的增強型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調制技術(shù)，使峰值速率達到50Mbps以上。請參考(表一)、(圖二)、（圖三）。 HSDPA發(fā)展階段 引入版本 關(guān)鍵技術(shù) 下行峰值速率 (Mbps) 第一階段（基本型） WCMDA R5 Node B中引入高速媒體訪(fǎng)問(wèn)控制（MAC-hs）協(xié)議 10.8～14.4 第二階段（增強型） WCMDA R6 多種天線(xiàn)陣列處理技術(shù)，如 MIM0技術(shù) 30 第三階段 標準制定中 引入 0FDM空中介面技術(shù)和64QAM；使用多標準MAC（Mx-MAC）控制實(shí)體等 100 表一 HSDPA發(fā)展階段及關(guān)鍵技術(shù) 圖二 HSDPA和CDMA 1xEV-DO標準演進(jìn) 圖三 蜂巢技術(shù)的效能演進(jìn) 為了保障業(yè)者的投資，兩項標準都基于對既有網(wǎng)路做最小更動(dòng)的原則來(lái)進(jìn)行演進(jìn)設計，也就是盡量不更動(dòng)網(wǎng)路架構和核心網(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，而兩項標準都運用了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標準的一部分，但它完全沒(méi)有仰賴(lài)CDMA語(yǔ)音網(wǎng)路中的任何元件來(lái)提供服務(wù)、行動(dòng)性或漫游。系統業(yè)者不需要行動(dòng)交換中心（Mobile Switching Center；MSC）或如家庭和訪(fǎng)客位置注冊（home and visitor location registers；HLR/VLR）的網(wǎng)路元件。因此不管系統業(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(xiàn)節點(diǎn)（Radio Nodes；RNs） ●無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路控制器（Radio Network Controller；RNC） ●封包數據服務(wù)節點(diǎn)（Packet Data Serving Node；PDSN） 圖四 1xEV-DO網(wǎng)路架構 每個(gè)無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)一般皆支援三個(gè)區域（sector）和服務(wù)一個(gè)蜂窩系統，而每個(gè)區域中有一個(gè)專(zhuān)屬發(fā)射器，用來(lái)擷取用戶(hù)數據機和無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)之間的空中連結。1xEV-DO中的更高層協(xié)定會(huì )在RNC中處理，RNC也負責傳遞RN和PDSN之間的用戶(hù)數據資料。PDSN是一臺用來(lái)連結無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路和網(wǎng)際網(wǎng)路的無(wú)線(xiàn)邊緣路由器（EDGE Router）。這個(gè)架構和一些其他的3G無(wú)線(xiàn)技術(shù)不一樣的地方，在于它不需要依賴(lài)行動(dòng)交換中心（MSC）。 除了RNC和PDSN，1xEV-DO數據中心還有一臺聚合路由器（aggregation router）、一臺元件管理系統（element management system；EMS）和數臺ISP伺服器。聚合路由器擷取從RN來(lái)的IP資訊，再傳送到RNC；EMS負責管理無(wú)線(xiàn)接取網(wǎng)路。至于常用的ISP伺服器包括網(wǎng)路名稱(chēng)系統（Domain Name System；DNS）、動(dòng)態(tài)主機組態(tài)協(xié)定（Dynamic Host Configuration Protocol；DHCP）和認證／授權／稽查（Authentication, Authorization, and Accounting；AAA）等標準IP伺服器。 整體來(lái)說(shuō)，1xEV技術(shù)（也稱(chēng)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，這項高速的技術(shù)能與CDMA網(wǎng)路相容，并提供最佳化的封包數據服務(wù)。更特別的是，它以最小的網(wǎng)路和頻譜資源來(lái)達成其效能表現，是一項高頻譜效率的技術(shù)。 ■HSDPA HSDPA（High-Speed Downlink Packet Access）是基于3GPP R99/R4架構的附加方案，也就是UMTS的一種空中介面，其架構中主要包含三個(gè)元件，分別是用戶(hù)設備（User Equipment；UE）、Node B和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路控制器（RNC），如(圖五)所示。在基本型的標準下，采用耙式接收器（rake receiver）的六類(lèi)（category 6）行動(dòng)用戶(hù)，其尖峰資料傳輸率可達3.6Mbps；采用先進(jìn)接收器方案的十類(lèi)（category 10）行動(dòng)用戶(hù)則可再提升到14.4Mbps。 圖五 HSDPA協(xié)定架構 HSDPA是基于現有WCDMA網(wǎng)路的演進(jìn)，其網(wǎng)路建設成本主要用于Node B（基地臺）和RNC的軟/硬體升級。它將關(guān)鍵的數據處理從RNC轉移到Node B，使數據處理與空中介面更靠近，從而實(shí)現更高的系統傳輸量并改善服務(wù)品質(zhì)。不僅如此，HSDPA還能擴大系統容量，與現有的WCDMA技術(shù)相比，HSDPA能在同一個(gè)無(wú)線(xiàn)載頻上為更多的高速率用戶(hù)提供服務(wù)。 基本上HSDPA是WCDMA下行鏈結的封包式數據服務(wù)，其數據傳送速率在5MHz的頻寬下可達8～10Mbps（采用MIMO系統可達20Mbps）。它加入一項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)間內對不同用戶(hù)進(jìn)行通道時(shí)間分配。這樣一來(lái)，多個(gè)用戶(hù)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）導入更短的TTI（2ms）、采用自適性調制和編碼和HARQ的快速重傳等技術(shù)，讓高速傳送能夠實(shí)現。其技術(shù)特色如下： 自適應性調制和編碼（Adaptive Modulation and Coding；AMC） 為了提供每個(gè)用戶(hù)最佳的資料速率，在HSDPA中采用了自適應的調制和通道編碼方案，以滿(mǎn)足目前的通道條件。 快速調度（fast scheduling） 在WCDMA中，分組調度由RNC負責。在HSDPA中，分組調度轉到了Node B本身，因此能夠大幅減小因條件改變帶來(lái)的延遲。為了得到調度資料分組傳輸的最大效率，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)生鏈路錯誤時(shí)就需要進(jìn)行資料重傳，目前的WCDMA系統在RNC重新響應前必須等待100ms或更長(cháng)的時(shí)間量級。將此功能引入到Node B中，該延遲將減小一個(gè)量級，達到10ms左右。此作法使用了混合ARQ（HARQ）技術(shù)，在該技術(shù)中，先前傳輸的資料與重傳資料以一種特殊方式結合，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，兩項標準不論是技術(shù)目的或手段都相似或相同。兩者皆訴求要滿(mǎn)足非對稱(chēng)數據業(yè)務(wù)的需求，也就是提供高速的下行傳輸速度，讓業(yè)者能推展視訊娛樂(lè )等行動(dòng)加值服務(wù)。然而，為了降低網(wǎng)路升級的代價(jià)與沖擊，除了考慮與現有版本的相容性外，更要求能以最小幅度的軟硬體調整，就能達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一系列標準的相容性高有很大的關(guān)系，不像從GSM/GPRS升級到WCDMA需要大幅更動(dòng)網(wǎng)路基礎架構。不過(guò)，發(fā)展腳步慢也意味著(zhù)有較多的經(jīng)驗足供參考，因此HSDPA的技術(shù)版本具有較高的數據傳輸率，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)音和數據服務(wù)。 不過(guò)，這兩項標準的演進(jìn)之路才剛起步，可以預見(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)，因為要讓多種服務(wù)或應用能同時(shí)進(jìn)行；至于在收發(fā)與調制的技術(shù)上，各個(gè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)都無(wú)例外的朝向采用MIMO、OFDM和智慧天線(xiàn)等策略發(fā)展中。 HSDPA手機開(kāi)發(fā)技術(shù)挑戰 雖然說(shuō)HSDPA強調網(wǎng)路架構不需大幅的更動(dòng)，即可提供更高速的服務(wù)，也就是只要采用既有的WCDMA/3G手機就能享有更高的下載速率，不過(guò)，要想達到最佳的接收速率，行動(dòng)終端的制造商仍得面臨極大的開(kāi)發(fā)挑戰。 在現階段HSDPA手機的發(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均面臨著(zhù)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，則已出現智慧天線(xiàn)、耙式接收器（rake receiver）和OFDM等技術(shù)，目前針對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，但仍不能達到第一代的14.4Mbps峰值下載速率。 因此，下一步是從天線(xiàn)與接收器的設計架構下手。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(xiàn)和接收器，透過(guò)兩個(gè)獨立的訊號接收路徑來(lái)接收訊號，并透過(guò)復雜的調變與編碼技術(shù)將兩者結合，以獲取更佳的訊號結果。不過(guò)，此一作法的設計難度高，額外的電路也可能增加設備的尺寸，而為了獲得最佳的差異效益，兩天線(xiàn)需分離愈遠愈好，這也會(huì )造成設計工程上的挑戰。 另外一個(gè)類(lèi)似的策略，則是采用當紅的MIMO技術(shù)，這也是3GPP在第二階段HSDPA中的應用技術(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，強調透過(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)際導入MIMO技術(shù)而能突破100Mbps的傳輸率，未來(lái)在蜂巢式的系統也將看得見(jiàn)。 隨著(zhù)接收效率的提升，手機系統也面臨整體性的設計問(wèn)題。當資料傳輸量大幅提升時(shí)，手機的處理效率也得提升，這又可分為通訊段的基頻處理能力與應用段的多媒體處理能力。目前這兩段朝向技術(shù)獨立的方向發(fā)展，以滿(mǎn)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)者也強調以開(kāi)放性的架構來(lái)提供制造商多樣化的彈性選擇。很顯然地，要能讓HSDPA手機達到預期的效能，其軟硬體的設計挑戰將會(huì )大幅提升，除了需要采用更強的處理器或加速器來(lái)強化處理能力外，接收到的大量數據也需要更大的記憶體容量來(lái)儲存。 不僅如此，系統內的各元件也需要以更高速、智慧性的匯流排來(lái)做串連，并采用各種節能的策略來(lái)延長(cháng)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，以及針對整體系統提出最佳化的電源管理策略，例如智慧性的讓非活動(dòng)中的元件或模組進(jìn)入休眠等省電模式。 解決方案市場(chǎng)現況 目前HSDPA手機的商業(yè)化仍處于起步階段，相關(guān)的硬體解決方案仍然相當有限。領(lǐng)先市場(chǎng)的廠(chǎng)商無(wú)疑是CDMA的龍頭──Qualcomm，該公司已推出兩代的HSDPA解決方案，包括第一代的MSM6275晶片組和第二代的MSM6280晶片組，今年10月底在北京國際通訊展（PX/EXPO Wireless）由Sierra Wireless和華為推出的兩款HSDPA資料卡，即采用Qualcomm的MSM6275，下傳速率為1.8Mbps。Qualcomm在今年10月推出的MSM6280，除了采用90奈米制程外，并整合了接收分集和均衡器等先進(jìn)接收技術(shù)，一舉將下傳速率提升到7.2Mbps。 Freescale在2005年初推出的i.300-30 3G平臺，則是一款同時(shí)支援GSM、EDGE GPRS、WCDMA與HSDPA的多模解決方案，其中對HSDPA的下傳速率可達3.6Mbps。TI有TMS320TCI6482的可程式DSP可支援HSDPA，不過(guò)這是針對無(wú)線(xiàn)基地臺的基頻解決方案；手機部分，其OMAP-Vox系列的先期產(chǎn)品OMAPV1030晶片組目前主要支援GSM/GPRS/EGDE，不過(guò)已承諾將協(xié)助此系列的客戶(hù)順利過(guò)渡到UMTS和HSDPA。 圖六 Freescale的i.300-30多模平臺架構 軟體協(xié)定部分，TTPCom也與Icera合作開(kāi)發(fā)了HSDPA/EDGE解決方案。該方案采用TTPCom Release 5多種模式無(wú)線(xiàn)協(xié)定堆疊，可支援現有的GSM、GPRS 及EDGE、WCDMA與HSDPA無(wú)線(xiàn)終端設備標準，數據傳輸率達3.6Mbps。此外，TTPCom也和ARM達成合作協(xié)議，共同設計和開(kāi)發(fā)整合ARM處理器和TTPCom的行動(dòng)基頻引擎（CBEmacro）的3G平臺。 在測試儀器方面，HSDPA也為這個(gè)市場(chǎng)帶來(lái)了極大的商機，包括安捷倫、太克和羅德德史瓦茲等量測大廠(chǎng)早已有所布局，針對手機制造商及電信業(yè)者推出一系列從設計到互通性測試的各種儀器。安捷倫與Anite合推一套整合GSM、GPRS、EGPRS、W-CDMA以及HSDPA等測試能力于一身的單一平臺──SAT測試平臺，這是一套針對初期開(kāi)發(fā)所設計的從Layer 1到Layer 3的發(fā)展工具，以Agilent 8960無(wú)線(xiàn)通訊測試系統為基礎，內容從設計初期的RF與通訊協(xié)定測試，到完整的符合性（conformance）與互通性（inter-operability）驗證均包含在內。太克在HSDPA方面的主力產(chǎn)品為NetTek測試儀，這是一套RF實(shí)地測試工具，允許RF技術(shù)人員和性能測試工程師精確地分析NodeB發(fā)射器的性能并熟練地診斷問(wèn)題；此外，NetTek測試儀同時(shí)也提供解調制測試，其中包括對于理解RF信號環(huán)境非常關(guān)鍵的EVM。羅德史瓦茲也提供一系列的HSDPA工具，包括射頻通訊測試儀（CMU 200/300）、協(xié)定測試儀、信號分析儀等等。 結論 從語(yǔ)音通訊到數據通訊，蜂巢式手機無(wú)疑正處于技術(shù)架構改朝換代上的重大的革命時(shí)期，而進(jìn)入數位時(shí)代，無(wú)線(xiàn)通訊也和有線(xiàn)通訊一樣，不斷得向上提高傳輸的速率：從GSM到傳輸率約40Kbps的GPRS，以及傳輸率約130Kbps EDGE，再到3G世代UMTS的384Kbps，以及現在呼之欲出的3.5代HSDPA，其第一階段即上看14.4Mbps。在推出時(shí)程上，LG、NEC和三星皆已表示在今年年底或2006年年初就會(huì )推出HSDPA商用手機。 雖然在技術(shù)上可行，并不保證市場(chǎng)上可以很快的過(guò)渡。目前3G手機即面臨與2G/2.5G技術(shù)架構不同的相容性問(wèn)題，要如何在并存的這兩代網(wǎng)路系統間平順的切換通話(huà)，并維持通話(huà)的品質(zhì)及提供新興的服務(wù)，是今日設計上的很大挑戰。另一個(gè)將面臨的問(wèn)題是實(shí)際服務(wù)上的經(jīng)驗感受，畢竟目前提出來(lái)的傳輸速率皆是臺面上的理想值，在真正應用時(shí)將遇到分享、干擾和延遲等瓶頸，服務(wù)品質(zhì)能否獲得用戶(hù)的認同，將很值得觀(guān)察。 換個(gè)角度來(lái)看，雖然在3G的推展上，WCDMA陣營(yíng)顯得較為落后，但就基本面來(lái)看，截至2005年8月底，全球共有670個(gè)GSM網(wǎng)路分布在200個(gè)國家或地區，用戶(hù)數達到15.2億；相較之下，CDMA僅在80個(gè)國家的近3億用戶(hù)中使用，因此WCDMA仍具有極佳的發(fā)展基礎，倒也不必妄自菲薄。不過(guò)，在蜂窩式系統中長(cháng)久以來(lái)存在著(zhù)專(zhuān)利壟斷的問(wèn)題，對于技術(shù)的推廣一直是最大的致命傷，也讓由網(wǎng)路陣營(yíng)如Wi-Fi/WiMAX等有后來(lái)居上的機會(huì )，這是3G業(yè)者需要慎思的地方。(本文原作者歐敏銓 摘自52RD社區） |
