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HSDPA技术概论
 

【作者: 吳智凱】2008年01月17日 星期四

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前言

众所瞩目的HSDPA(High speed downlink packet access)产品已在3.5G手机或是无线基地台市场上渐渐拓展开来,实际网路下行传输速度可达1.8Mbps~3.6Mbps,远超过WCDMA的384Kbps速率,不过上行资料传输量使用仍是WCDMA标准速率,以致使用者只能下行单向快速接受数据封包,上行依旧面临数据流量瓶颈。为满足大量视讯应用传输需求,并摆脱1xEVDO release A与WiMAX紧追在后的挑战,3GPP规范委员会在R6订定Enhanced dedicated channel标准,亦即HSUPA(High speed uplink packet access)系统。


一般HSPA系指HSDPA和HSUPA。 HSUPA是3GPP主要为增强上行传输能力(Enhanced Uplink)所制订的标准,最大传输速率可达5.76Mbps。系统营运商可借此增加新应用服务,例如双向VoIP、多媒体上传等等,使用者可以减少数据传输时间。手机若整合HSDPA与HSUPA,可以完成及时性的双向互动游戏,加快视讯传输,并且透过现有的3GPP网路,提供MBMS单点对多点的视讯传输技术。


为使传输资料快并减少延迟性,HSUPA增加许多物理层通道:在上行部分增加E-DPCCH(E-DCH dedicated physical control channel)和E-DPDCH(E-DCH dedicated physical data channel),下行则增加E-HICH(E-DCH HARQ indicator channel)、E-RGCH(E-DCH Relative Grant channel)、E-AGCH(E-DCH Absolute Grant channel);在最小传输TTI(Transmit time interval)中,手机支援新的6个E-DCH等级,并提供TTI 2ms与10ms的选择。此外继承HSDPA,HSUPA手机与基地台间的重传技术HARQ(Hybrid automatic repeat request),可加强连结稳定性,许多数据排程(control scheduling)可提前到基地台(Node B),减少处理时间的延迟。藉由以上技术,HSUPA得以支援上行速率5.76Mbps的流量。


上行E-DCH技术

HSUPA结合既有WCDMA传输频道(Transport channel),为支援更大资料流量,重新定义新的传输通道,称为E-DCH(Enhanced dedicated channel),其在物理层会映射到E-DPCCH与E- DPDCH传输,亦即一般物理层的控制通道与资料通道。



《图一 HSUPA的E-DCH上行信道示意图》
《图一 HSUPA的E-DCH上行信道示意图》

E-DPCCH

E-DPCCH固定使用展频码SF(spreading factor)=256来载送相关的E-DCH控制讯息,并且每个时槽(Timeslot)包含10bits:7bits E-TFCI(EDCH transport format combination indicator)、2bits RSN(Retransmission sequence number)以及1bits Happy bit。其中E-TFCI主要告知基地台目前手机传输的服务项目与数据型态,让基地台即时接收与解调;RSN则通知基地台现在HARQ重送的RV(redundancy version),并支援基地台soft combine的机制,让基地台资料接收克服通道杂讯干扰;最后的happy bit,主要由手机告知基地台是否满足现有的网路资源,如果手机有能力传输更多资料量,则会根据Happy bit要求网路端提供更多网路资源。



《表一 E-DPCCH时槽格式》
《表一 E-DPCCH时槽格式》

E-DPDCH

E-DPDCH主要载送E-DCH上行数据资料,并提供可变数据流量(SF=2~64)与编码,最多可以到达4个上行E-DPDCH,由发射机透过正交I/Q channel来发送;并且可以结合WCDMA的DPDCH来传输,使用2个展频码SF=2的通道,最高传输流量可达到3.84Mbps。



《图二 DPDCH和E-DPDCH在同一时间上行示意图》
《图二 DPDCH和E-DPDCH在同一时间上行示意图》

而单只有E-DPDCH更可以使用2个展频码SF=2与2个展频码SF=4的通道同时存在,达到5.76Mbps最佳流量。



《图三 不同的E-DPDCHs在没有DPDCH情况下的上行示意图》
《图三 不同的E-DPDCHs在没有DPDCH情况下的上行示意图》

《表二 HSUPA 传输速率理论值》
《表二 HSUPA 传输速率理论值》

下行E-RGCH与E-AGCH技术

在下行部份,E-RGCH与E-AGCH可控制手机以最大输出功率传输,这将会直接影响手机传输上行资料能力的大小。以往WCDMA的内回圈功率控制(Inner loop Power control;ILPC),基地台会去平衡每支区域内的手机送到基地台的功率是均等情况,在HSUPA的功率控制并不适用。其主要原因在于手机同时上行高资料量,会造成E-DPDCH与DPCCH形成相对功率差值(relative difference),而此功率差值会随资料流量大小而有所不同。因此基地台在与手机连结时,一开始即透过E-AGCH来限制手机最大输出功率,并间接限定手机使用上行网路资源。


E-AGCH使用展频码SF=256编码与QPSK调变,通道上包含两种指标:5 bits Absolute Grant Value(AGV)以及1 bits Absolute Grant Scope(AGS)。 AGV主要表示手机在下次传输中,E-DPDCH与DPCCH的相对比值;AGS则告知手机在一个或所有的process中是否执行HARQ流程。


E-RGCH使用展频码SF=128与5QAM调变(QPSk+Origin),用以调整或增加上行功率大小(Relative Grant)与手机可用资源,来做为每次TTI中的功率微调机制,但是如果基地台欲配置或改变最大输出功率,而是得依靠Absolute Grant来限定手机上行资源。



《图四 HSUPA 利用E-RGCH进行功率控制示意图》
《图四 HSUPA 利用E-RGCH进行功率控制示意图》

基地台基于Absolute Grant与Relative Grant来对区域内所有HSUPA手机实行功率控制与网路优化的动作。


除此之外,新增加的E-HICH(SF=128)负责回报基地台回传给手机的Ack(Acknowledge)与NAck(Nacknowledge),以执行HARQ传送机制;其功能类似HSDPA中的HS-DPCCH ,但是不载送CQI值。


《图五 HSUPA下行与上行物理层信道示意图》
《图五 HSUPA下行与上行物理层信道示意图》

新增物理通道的优势

新增加的这些物理通道,可以帮助HSUPA实现更强传输能力,例如通道中在封包最小传输区间,可以支援2ms与10ms的TTI,帮助手机与基地台间环回传输分别达到16ms与40ms。



《图六 2ms and 10ms骨干架构示意图》
《图六 2ms and 10ms骨干架构示意图》

通道中支援HARQ机制,手机在上行资料给基地台时,为了抵抗杂讯干扰与维持保密性,会把数据回旋编码(Convolution code),使资料量变大。但是这并不会传送所有已编完码的资料,而是会使用IR(Incremental redundancy)分段传送,亦即先将部分资料传给基地台,如果基地台可以正确解码解调(ACK),以此缩减传输时间,继续将新资料封包传输。如果无法解码,基地台会要求重传(ACK),手机则会将原先资料剩下的资讯再传给基地台,基地台则以多次重传组合为基础,可顺利将资料解码出来。



《图七 在2ms TTI条件下HARQ机制运作示意图 》
《图七 在2ms TTI条件下HARQ机制运作示意图 》

晶片厂商可以按照客户高阶与低阶晶片的需求差异,提供HSUPA六种等级的传输速率,可支援1Mbps~5.76Mbps的资料流量。



《表三 HSUPA和HSDPA功能比较摘要示意表》
《表三 HSUPA和HSDPA功能比较摘要示意表》

其他功能修正

为了减缓时间传输延迟性与增加资料流量,HSUPA亦修正媒体存取控制层(MAC)。在网路端的RNC增加MAC-es,主要用来接受不同基地台的资料,作soft combining以及不同优先顺序的资料排程。基地台增加MAC-e,目的在决定HARQ排序以及调整基地台涵盖范围内所有AG与RG的发射秩序。


《图八MAC-e/es 在Node-B 和RNC模式运作示意图》
《图八MAC-e/es 在Node-B 和RNC模式运作示意图》

同样地,在手机端将MAC-e与MAC-es整合在一起,主要用来控制上行资料流量大小(E-TFCI)、调整上行发射功率、并实现HARQ等功能。


《图九 MAC-e/es在UE(User equipment)模式运作示意图》
《图九 MAC-e/es在UE(User equipment)模式运作示意图》

迎接HSDPA市场应用

UMTS系统结合HSUPA,藉由增添新物理通道、HARQ与修正MAC层,减少时间延迟并增加上行资料流量,帮助电信系统厂商提高竞争力,并提供使用者更多元的服务,HSUPA技术越来越成熟,HSUPA市场化应用的前景,指日可待。 (本文作者为Agilent安捷伦应用工程师)


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