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HSPA演化技術順勢而行!
行動寬頻接取效能大躍進!

【作者: Ericsson】   2009年08月05日 星期三

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前言


本文介紹HSPA演化(High-speed Packet Access Evolution;HSPA Evolution)的主要觀念。HSPA演化技術已在3GPP的WCDMA規格的第七、八版(Release 7、8)中被標準化了。HSPA演化技術的目標是進一步提升WCDMA系統效能。這些效能提升包括更高的峰值傳輸速率、更低的延遲、更大的系統容量、更長的電池時間、以及對VoIP和群播/廣播(Multicast/Broadcast)能力更好的支援。



HSPA演化技術簡介


根據統計,現今全球84%的行動電話用戶,是利用3GPP所規範的射頻接取技術來撥打電話,這代表WCDMA是3G射頻網路接取技術的主流。



在3GPP第六版規範(Release 6)中引進的HSPA技術,可以大幅增強封包資料流傳送的效能,下行鏈路HSDPA可達14.4Mbps,上行鏈路E-UL達1.4Mbps,這可提供一般ADSL的寬頻速度,並能大幅提升封包資料流量。封包資料已成為3G網路中主要的網路流量型態。



而HSPA演化技術(3GPP規範的第七、八版)更引進了新的特性,能支援更高的傳輸速率、更低的延遲、更大的系統容量,以及支援更佳的VoIP與群播服務。3GPP在規範的第七版(Release 7)增加下列特性:




  • ●更高階的調變機制(Higher-order Modulation;HOM);



  • ●多重輸入多重輸出天線技術(Multiple Input Multiple Output;MIMO);



  • ●連續封包連結(Continuous Packet Connectivity;CPC);



  • ●強化L2協定;



  • ●加強版的CELL_FACH;



  • ●群播/廣播單頻網路(Multicast/Broadcast Single-frequency Network;MBSFN);



  • ●高階接收機;





此外,3GPP也正在考慮將諸如多重載波運作(Multicarrier Operation)和下型鏈路最佳化之廣播服務(Downlink-optimized Broadcast;DOB)、和更高階的接收機技術等特性,納入下一版的規範當中。引進這些新技術,也能產生更高速的傳輸速率和頻譜使用效率,並支援更大的VoIP系統容量。在3GPP規範的第八版(Release 8)中,則要求峰值傳輸速率要達到下行鏈路42Mbps、上行鏈路5Mbps的標準(假設5MHz的載波頻寬)。




《表一 HSPA主要特性摘要示意表》




HSPA的特性與效能


高階的調變技術


數位調變的機制將會決定傳送的資訊位元(Information Bit)如何映射到傳送信號的相位與振幅。圖一為不同調變機制的星座圖。每個連續的位元序列(Bit Sequence)都會對應到一個調變符號(Modulation Symbol),而每一個調變符號的相位與振幅,在星座圖上都有相應的點。每個調變符號所傳遞的位元數如下:BPSK為1位元,QPSK為2位元,16QAM為4位元,64QAM為6位元。因此,越高階的調變機制,代表每一調變符號所能達到的峰值資料位元傳輸速率越高。



在HSPA Release 6中,下行鏈路支援QPSK與16QAM調變機制,而上行鏈路支援BPSK與QPSK調變機制。在Release 7中,下行鏈路引進64QAM調變,可以增加約50%的峰值資料位元傳輸速率(從14Mbps到21Mbps)。在上行鏈路則引進16QAM調變,則將倍增峰值資料位元傳輸速率。



此外, 在實體層控制通道(HS-SCCH、HS-DPCCH、E-AGCH與E-DPCCH)皆已被修正成能夠支援以下功能:




  • ●新的更高階的調變機制信號;



  • ●更大的傳輸區塊(Transport Block)大小;



  • ●以及更大範圍的通道品質指標CQI(Channel Quality Indicator)。





在相對合適的射頻環境條件下,更高階的調變機制能有效提升資料位元傳輸速率,而周密的細胞規劃(Cell Planning)是能使網路符合優良射頻環境的先決條件。表一為HSPA特性摘要。



《圖一 調變機制的星座圖》


MIMO天線技術(Multiple Input, Multiple Output)


除了高階調變技術外,在多重天線上同時傳送多個不同的傳輸區塊也能大量提升資料位元傳輸速率。這項技術通常稱作空間多工的多重輸入多重輸出天線技術(MIMO with Spatial Multiplexing),MIMO的接收機是利用通道特性與編碼能力,將資料流分開。而多層傳輸機制(Multi-layer Transmission Scheme)的標準化是MIMO天線技術應用的前提。



MIMO是相較於發射/接收分集(Transmit/Receive Diversity)而來的名詞,後者是將同一個傳輸區塊利用不同的多重天線進行傳送或接收。



3GPP定義HSPA所支援的MIMO機制是具有前置編碼(Precoded)與多重碼字秩自適調節(Rank- adaptive Multi-codeword)特性的傳輸方式,其相關特性如下:




  • ●每一層子資料流(substream)負責傳送不同的傳輸區塊;



  • ●而同時傳遞的資料流數量可因為目前的通道狀況而調整,亦即所謂的Rank Adaptation。





每個資料流分開的編碼機制,更方便連續干擾抵消接收機(Successive Interference Cancellation Receiver)的使用。相較於例如最小方均差接收器(MMSE-based Receiver)的線性接收機(Linear Receiver),此種接收機將能大幅增強傳輸效能。



在資料被發射之前,被調變與展頻的信號會在空間上被加權(亦即前置編碼Precoded)。換句話說,資料流會以不同的發射加權(transmission weights)透過不同的發射天線被發射。適當的加權值則會由用戶端裝置(User Equipment;UE)估計,隨通道品質指標COI一併回報給網路系統端。前置編碼的主要好處是即便只有單一傳輸區塊要發射,所有的功率放大器仍均是滿載的,而每個資料流帶有相同的通道碼(Channelization Code)。圖二為MIMO發射器的功能方塊圖。



《圖二 MIMO發射器功能方塊圖》


為了要將MIMO天線技術加入Release 7的規範中,3GPP更新了上/下行鏈路的實體層控制通道,以滿足傳遞包括前置編碼(Proceding)加權值、傳輸層格式以及每一資料流之混合式自動重傳要求(Hybrid Automatic Repeat Request;HARQ)參數等的資訊所需。對每一個資料流而言,其混合式自動重傳要求HARQ的回應是分開且獨立的。未被接收到的資料區塊可在兩個資料流間獨立地被重傳。



在規範的Release 7中,MIMO技術被要求最高需支援兩個資料流的傳送。在此情形下,每一資料流可使用QPSK或16QAM的調變技術,將HSDPA的下行峰值傳輸速率提升至約28Mbps。在規範的Release 8中,每一個資料流可使用64QAM的調變技術,將HSDPA的下行峰值傳輸速率提升至約42Mbps,如圖三所示。



《圖三 不同的高階調變與MIMO組合之傳輸速率曲線 》

在Pedestrian-A通道,90%的機率條件下


多重載波運作(Multicarrier Operation)


多重載波運作是3GPP在未來版本的WCDMA規範中,新增特性的候選之一。擁有相鄰成對頻段的電信營運商,將能透過各頻段間協調的方式,讓HSPA在多個相鄰的5HMz頻段上運作,可有效運用頻段。舉例來說,在每個載波上的控制通道的架構,就不必然需要相同。此外因為只需要一個錨載波(Anchor Carrier),在另一個載波上將能節省更多的功率給HSPA。因此,如果在實務上佈建2×2的MIMO的系統有困難,電信營運商或許可考慮以多重載波運作的方式,作為達到42Mbps下行鏈路傳輸速率的替代解決方案。換句話說,雙載波運作再配合上2×2MIMO天線系統與64QAM調變機制,將能產生高達84Mbps的峰值傳輸速率,而不須使用到4×4的MIMO天線系統。更進一步地,如果是四重載波運作,將能支援高達4×42Mbps的峰值傳輸速率。



強化L2協定(Layer-2 Enhancements)


對告知模式的射頻鏈路控制(Acknowledged-mode Radio Link Control;RLC)而言,其峰值傳輸速率會因RLC的協定資料單元(Protocol Data Unit;PDU)大小、RLC的雙向時延(RLC Round-trip Time)、以及RLC滑動視窗(RLC Window)大小…等而有所限制。



為維持使用MIMO天線系統與64QAM調變機制的下行鏈路峰值傳輸速率,這裡需要大的射頻鏈路控制協定資料單元(RLC PDU)。為了有效利用RLC PDU並加強L2協定的效能,規範Release 7採用彈性的RLC大小、MAC分割以及改善MAC層多工(MAC Multiplexing)的方式,來改善下行鏈路傳輸。因此,發射機可以自由地選擇RLC PDU的大小。



RLC的分割(Segmentation)能力依然保留著,也就是說網路系統可以分割RLC的服務資料單元(Service Data Unit;SDU),成為協定資料單元(PDU),使空中介面的傳輸與重傳更有效率。



發射機彈性選擇RLC PDU大小的能力,可藉由減少RLC表頭的冗餘位元(header overhead)與虛位元塞入(padding),減少L2協定的冗餘位元(overhead)。此外,較大的RLC PDU也意謂了用戶端裝置UE可以減少所處理的PDU數量。



在下行鏈路中,RLC 協定起始於RNC,而MAC-hs協定層中止於Node-B。如果因為射頻環境的變化導致RLC PDU太大,而無法在合理的HARQ重傳次數內將它藉由空中介面順利傳送出去,那麼RLC PDU就必須更進一步做分割。因此,在規範的Release 7中,定義了新的MAC協定:MAC-ehs。新的MAC協定支援彈性的RLC PDU大小與分割。此外,MAC層多工的能力亦獲得改善,使得攜帶不同射頻接承載服務(Radio Access Bearers)的信號和資料的RLC PDU,能以多工的方式匯流至單一的MAC-ehs PDU。



在規範release 8中,之前在下行鏈路協定的加強也將在上行鏈路有所強化。在上行鏈路對於RLC PDU大小彈性化的支援,將增強涵蓋上行鏈路,這有助於降低處理的需求及L2的冗餘位元(overhead)。



連續封包連結(Continuous Packet Connectivity;CPC)


對封包資料的用戶(Packet Data User)而言,資料傳送的活動量在時間軸上的變化很大。但即便如此,為了避免因連線/不連線狀態轉換所導致的傳輸延遲,即便在暫時不傳送資料的時候,保持擁有專用連線就變得很重要。3GPP在規範的Release 7加強了專用連線狀態(Dedicated Connection State),來提升封包資料用戶的傳輸效率,這稱之為連續封包連結(CPC),其包含UE不連續發射/不連續接收(UE DTX/DRX)和HS-SCCH 運作減少(HS-SCCH-less Operation)兩個主要特性。



UE DTX/DRX


UE不連續發射(Discontinuous Transmission from UE)使得UE可以在上行鏈路沒有資訊需要傳送的情況下,關閉專用實體控制通道(Dedicated Physical Control Channel;DPCCH)的連續發射。在不連續發射的情況下,只有為維持同步與控制功率的最低發射才會被執行。關閉發射的兩個最明顯而立即的好處,就是能節省電池的消耗與降低干擾,後者能增加上行鏈路的容量,端賴有多少使用者關閉發射。



同樣地,UE 不連續接收也讓UE在下行鏈路沒有資訊需要接收時,能關閉其接收機,進一步降低電池耗損。UE只需要定期查核是否需要從微眠模式(Micro Sleep Mode)醒過來。在規範的Release 7中,UE DTX/DRX的特性甚至可以被執行在諸如VoIP 通話中、兩封包間極短暫的靜止時間。



HS-SCCH-less Operation


當許多的小封包(例如VoIP)在下行鏈路傳送時,下行鏈路控制通道HS-SCCH的冗餘位元影響就會變得很大。在規範的Release 7內,便引進HS-SCCH運作減少機制,透過在HARQ機制中的第一次傳輸中,將HS-SCCH完全移除,來達成減少冗餘位元的目的。這個機制簡而言之,就是利用減少對下行鏈路控制訊號的編碼使用與干擾,達到增加系統容量的目的。這是依靠UE對高達四組不同格式的下行資料通道(HS-DSCH)的盲解碼(Blind Decoding)來消除對HS-SCCH傳輸的依賴。圖四為3GPP規範Release 7相較於Release 6,在支援VoIP系統容量的相對增加示意圖。



模擬結果顯示,在3GPP規範Release 7的連續封包連結(CPC)概念,能使VoIP的系統容量在上行鏈路增加40%,下行鏈路增加10%,而使用高階接收機,將更進一步增加系統容量。



《圖四 VoIP容量的相對增加示意圖》


加強版CELL_FACH


HSPA正逐漸取代ADSL在連結PC到網際網路所扮演的角色。這種行為模式上的轉變,直接對網路流量的負載與網路特性造成衝擊。事實上PC在背景通訊(Background Communication)中,執行了許多不需要跟使用者互動的程式,這中間包含諸如Keep-alive訊息、軟體升級探測(Probes for Software Upgrade)、存在信號(Presence Signaling)…等背景資料流。為有效支援傳送這種資料流,3GPP 在規範的Release 7和Release 8中,進一步強化CELL FACH狀態。



在Release 7中,當使用者在CELL FACH狀態下,HSDPA已被開啟了。在下行鏈路上,UE會監控HSDPA的控制通道,根據它們自己獨有的身分識別(H-RNTI),偵測其排程資訊。但沒有上行鏈路的專用通道(Uplink Dedicated Channel),代表在Release 7規範並不支援通道品質指標COI和HARQ回報的連續傳送。因此,3GPP對「鏈路調節 (Link Adaptation)」與 HARQ 做了修正。解決的辦法是 HARQ 的重複使用 (HARQ Repetition) 以及根據「射頻資源控制 (RRC: Radio ResourceControl) 」的量測來做鏈路調節 (Link Adaptation)。



在Release 8中,上行鏈路藉由在CELL FACH狀態下開啟E-DCH得到改善。在隨機選取的Preamble中逐步增強功率,如同在Rel-99 一般。在偵測到Preamble後,Node-B會指派一共同E-DCH(Common E-DCH)組態(由Node-B控制)給UE。共同的競爭是透過E-DCH傳輸中UE的身分識別。某個特定UE能快速地轉移到CELL DCH狀態而連續傳輸。



加強版的CELL FACH試圖擁有與上述CELL DCH相同的L2表頭格式(Layer-2 Header Format)。藉此,即便是在CELL FACH與CELL DCH狀態間切換,資料傳輸也可以繼續而不致於中斷。相較於Release 6,這樣的強化不會因通道切換使資料傳輸暫停,能大幅改善效能。



最佳化的MBSFN下行鏈路廣播技術


Release 7規範也強化多媒體廣播群播服務(MBMS),使其更進一步超越在Release 6規範透過多細胞MBMS傳輸(Multicell MBMS Transmission)所能達到的傳輸效率。其強化的解決方案就是群播/廣播單頻網路(Multicast/Broadcast Single Frequency Network;MBSFN)。藉由從多個細胞同時傳送具有一模一樣相同波形的傳輸,如此UE的接收機將視多個MBSFN細胞為一個大的細胞,如圖五所示。此外,對UE而言從多個MBSFN細胞傳送而來的訊號,有別於以往被視為從鄰細胞而來的細胞間干擾,將會作正效性的疊加(Constructive Superposition)。而且,高階的UE接收機技術,如G-Rake,會利用解決多路徑傳輸所造成的時間差問題的手段,消除細胞間干擾,這些結果都使得WCDMA技術能達到高效率的廣播傳輸。



《圖五 利用MBSFN的行動電視廣播示意圖》


另一項用來消除細胞間干擾的強化技術則是使用保留給MBSFN傳輸的下行鏈路載波共用攪拌碼(Common Scrambling Code)。如此,3GPP將不需要去修改標準,因為FDD的網路同步運作已包含在R99的規範中。



廣播資料流的傳送在MBSFN使用如同MBMS一般相同的邏輯和實體通道結構(Logical and Physical Channel Structure),也就是MTCH、FACH及S-CCPCH,再搭配如MICH與MSCH等的控制通道,MBSFN改善了功率的使用效率,使得限制射頻下行鏈路的主要因子不再是功率,而是分碼多工接取的編碼數。因此為了完全利用到可獲得的射頻資源,MBSFN的FACH使用16QAM的調變機制。此外為更進一步加強在移動接收機端的通道估算(Channel Estimation),規範的Release 7支援使用同步通道(Synchronization Channel;SCH)的時序多工導頻(Time Multiplexed Pilot)。為了大幅減低UE的電池損耗,甚至於可以在每個TTI(Transmission Time Interval)執行服務的多工(Service Multiplexing)。



對於MBSFN的運作,3GPP更進一步提出下行鏈路最佳化廣播(Downlink Optimized Broadcast;DOB)的觀念,當作它在非對稱頻段、3.84Mbps分時雙工(TDD)運作時的特別模式。



DOB的原理與射頻解決方案與MBSFN FDD的原理與射頻解決方案相同,兩者的射頻效能是一樣的,而對於只擁有非對稱頻段的WCDMA營運商而言,有足夠的誘因促使其將網路升級。因為WCDMA中MBMS與MBSF 高度的共通性,使得DOB對UE與Node- 的影響很小,而且是在非對稱頻段上佈建MBSFN時極具吸引力的一個選項。



高階的接收機(Advanced Receiver)


隨著產品規格的演進,UE與Node-B上接收機的架構也會持續改良,更複雜的接收機特性也加入至HSPA產品中。接收機改良演進的結果,將提升系統效能與用戶的資料傳輸速率。這種趨勢反映在3GPP對UE接收機要求的持續增加。在規範的Release 6和Release 7當中,3GPP便規定對於高階接收機以下的要求:




  • ●UE接收天線分集(UE Receive Antenna Diversity[UE receiver type-1]);



  • ●線性等化器,如G-RAKE(Linear Equalizers, such as G-RAKE[UE receiver



  • type-2]);



  • ●線性等化器結合UE接收天線分集,如G-RAKE 2(Linear Equalizers in combination with UE Receive Antenna Diversity, such as G-RAKE2[UE receiver type-3, suitable for example, for MIMO])。





在規範的Release 8中,甚至對高階接收機(Type-3 G-Rake 2)增加了支援干擾消除的要求(UE Receiver Type-3i)。



結論


HSPA演化技術(3GPP Release 7和Release 8)進一步加強系統效能,能讓電信營運商延長投資在WCDMA網路上的高度回收生命週期。HSPA演化並增加了數個新的特性,能夠支援更高速的資料傳輸速率,縮短延遲、增加系統容量,以及增強對VoIP服務與群播服務的支援。




  • ●更高階的調變機制。在下行鏈路引進64QAM調變機制以增加峰值傳輸速率至21Mbps。同樣地,在上行鏈路引進16QA 調變機制以增加峰值傳輸速率至 11Mbps。



  • ●MIMO多重輸入多重輸出天線技術。規範Release 7中,MIMO被定義為要能發射兩個資料流,每一個資料流可使用QPSK或16QAM的調變,如此將能增加HSDPA的峰值傳輸速率至大約28Mbps。規範Release 8中,每一個資料流可使用64QAM調變,而能增加峰值傳輸速率至大約42Mbps。



  • ●連續封包連結(Continuous Packet Connectivity;CPC)。模擬測試顯示,在Release 7規範中的CPC概念,能在上行鏈路增加大約40%的VoIP容量,在下行鏈路增加大約10%的VoIP容量。



  • ●強化L2協定。Release 7規範新增新的MAC協定:MAC-ehs。新的MAC協定支援了彈性的RLC PDU大小及分割。此外,MAC多工能力的增強,使得不同的射頻接取承載服務(Radio Access Bearer;RAB)的RLC PDU可以被多工至單一的MAC-ehs PDU 上。Release 8規範中,強化下行鏈路協定,可將應用在上行鏈路協定上。支援彈性的RLC PDU大小將增強上行鏈路的涵蓋,並減少對L2冗餘位元(Layer-2 Overhead)的處理。



  • ●增強版的CELL_FACH。規範的Release 7中,使用者的HSDPA功能在CELL_FACH狀態會被開啟。規範的Release 8中,則是在上行鏈路中,E-DCH在CELL_FACH狀態下會被啟動。相較於規範的Release 6在通道切換(Channel Switching)時必須暫時中止資料的傳輸,從使用者觀點來看,這項提升特性可以大幅改善效能。



  • ●群播/廣播單頻網路(Multicast/Broadcast Single Frequency Network;MBSFN)。MBSFN要求從多個不同細胞同時而來射頻傳輸,需具有相同的波形。如此,UE將會視多個不同的MBSFN細胞為一個大的細胞。



  • ●下行鏈路最佳化廣播(Downlink-optimized Broadcast;DOB)。3GPP更進一步提出DOB的觀念,當作MBSFN在非對稱頻段,3.84 Mbps時分雙工(TDD)運作時的特別模式。



  • ●高階接收機。隨著產品規格的演進,UE與Node-B上接收機的架構持續改良,更複雜的接收機特性也加入至HSPA產品中。接收機改良演進的結果,將提升系統效能與用戶的資料傳輸速率。





對於未來的規範版本,3GPP正在考慮納入多重載波運作(Multicarrier Operation)甚至更高階的接收機技術。



(本文由瑞典電信大廠易利信Ericsson所提供)



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