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HSUPA技術概論
 

【作者: 吳智凱】   2008年01月17日 星期四

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前言

眾所矚目的HSDPA(High speed downlink packet access)產品已在3.5G手機或是無線基地台市場上漸漸拓展開來,實際網路下行傳輸速度可達1.8Mbps~3.6Mbps,遠超過WCDMA的384Kbps速率,不過上行資料傳輸量使用仍是WCDMA標準速率,以致使用者只能下行單向快速接受數據封包,上行依舊面臨數據流量瓶頸。為滿足大量視訊應用傳輸需求,並擺脫1xEVDO release A與WiMAX緊追在後的挑戰,3GPP規範委員會在R6訂定Enhanced dedicated channel標準,亦即HSUPA(High speed uplink packet access)系統。


一般HSPA係指HSDPA和HSUPA。HSUPA是3GPP主要為增強上行傳輸能力(Enhanced Uplink)所制訂的標準,最大傳輸速率可達5.76Mbps。系統營運商可藉此增加新應用服務,例如雙向VoIP、多媒體上傳等等,使用者可以減少數據傳輸時間。手機若整合HSDPA與HSUPA,可以完成及時性的雙向互動遊戲,加快視訊傳輸,並且透過現有的3GPP網路,提供MBMS單點對多點的視訊傳輸技術。


為使傳輸資料快並減少延遲性,HSUPA增加許多物理層通道:在上行部分增加E-DPCCH(E-DCH dedicated physical control channel)和E-DPDCH(E-DCH dedicated physical data channel),下行則增加E-HICH(E-DCH HARQ indicator channel)、E-RGCH(E-DCH Relative Grant channel)、E-AGCH(E-DCH Absolute Grant channel);在最小傳輸TTI(Transmit time interval)中,手機支援新的6個E-DCH等級,並提供TTI 2ms與10ms的選擇。此外繼承HSDPA,HSUPA手機與基地台間的重傳技術HARQ(Hybrid automatic repeat request),可加強連結穩定性,許多數據排程(control scheduling)可提前到基地台(Node B),減少處理時間的延遲。藉由以上技術,HSUPA得以支援上行速率5.76Mbps的流量。


上行E-DCH技術

HSUPA結合既有WCDMA傳輸頻道(Transport channel),為支援更大資料流量,重新定義新的傳輸通道,稱為E-DCH(Enhanced dedicated channel),其在物理層會映射到E-DPCCH與E-DPDCH傳輸,亦即一般物理層的控制通道與資料通道。



《圖一 HSUPA的E-DCH上行通道示意圖》
《圖一 HSUPA的E-DCH上行通道示意圖》

E-DPCCH

E-DPCCH固定使用展頻碼SF(spreading factor)=256來載送相關的E-DCH控制訊息,並且每個時槽(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機傳輸的服務項目與數據型態,讓基地台即時接收與解調;RSN則通知基地台現在HARQ重送的RV(redundancy version),並支援基地台soft combine的機制,讓基地台資料接收克服通道雜訊干擾;最後的happy bit,主要由手機告知基地台是否滿足現有的網路資源,如果手機有能力傳輸更多資料量,則會根據Happy bit要求網路端提供更多網路資源。



《表一 E-DPCCH時槽格式》
《表一 E-DPCCH時槽格式》

E-DPDCH

E-DPDCH主要載送E-DCH上行數據資料,並提供可變數據流量(SF=2~64)與編碼,最多可以到達4個上行E-DPDCH,由發射機透過正交I/Q channel來發送;並且可以結合WCDMA的DPDCH來傳輸,使用2個展頻碼SF=2的通道,最高傳輸流量可達到3.84Mbps。



《圖二 DPDCH和E-DPDCH在同一時間上行示意圖》
《圖二 DPDCH和E-DPDCH在同一時間上行示意圖》

而單只有E-DPDCH更可以使用2個展頻碼SF=2與2個展頻碼SF=4的通道同時存在,達到5.76Mbps最佳流量。



《圖三 不同的E-DPDCHs在沒有DPDCH情況下的上行示意圖》
《圖三 不同的E-DPDCHs在沒有DPDCH情況下的上行示意圖》

《表二 HSUPA 傳輸速率理論值》
《表二 HSUPA 傳輸速率理論值》

下行E-RGCH與E-AGCH技術

在下行部份,E-RGCH與E-AGCH可控制手機以最大輸出功率傳輸,這將會直接影響手機傳輸上行資料能力的大小。以往WCDMA的內迴圈功率控制(Inner loop Power control;ILPC),基地台會去平衡每支區域內的手機送到基地台的功率是均等情況,在HSUPA的功率控制並不適用。其主要原因在於手機同時上行高資料量,會造成E-DPDCH與DPCCH形成相對功率差值(relative difference),而此功率差值會隨資料流量大小而有所不同。因此基地台在與手機連結時,一開始即透過E-AGCH來限制手機最大輸出功率,並間接限定手機使用上行網路資源。


E-AGCH使用展頻碼SF=256編碼與QPSK調變,通道上包含兩種指標:5 bits Absolute Grant Value(AGV)以及1 bits Absolute Grant Scope(AGS)。AGV主要表示手機在下次傳輸中,E-DPDCH與DPCCH的相對比值;AGS則告知手機在一個或所有的process中是否執行HARQ流程。


E-RGCH使用展頻碼SF=128與5QAM調變(QPSk+Origin),用以調整或增加上行功率大小(Relative Grant)與手機可用資源,來做為每次TTI中的功率微調機制,但是如果基地台欲配置或改變最大輸出功率,而是得依靠Absolute Grant來限定手機上行資源。



《圖四 HSUPA 利用E-RGCH進行功率控制示意圖》
《圖四 HSUPA 利用E-RGCH進行功率控制示意圖》

基地台基於Absolute Grant與Relative Grant來對區域內所有HSUPA手機實行功率控制與網路優化的動作。


除此之外,新增加的E-HICH(SF=128)負責回報基地台回傳給手機的Ack(Acknowledge)與NAck(Nacknowledge),以執行HARQ傳送機制;其功能類似HSDPA中的HS-DPCCH,但是不載送CQI值。


《圖五 HSUPA下行與上行物理層通道示意圖》
《圖五 HSUPA下行與上行物理層通道示意圖》

新增物理通道的優勢

新增加的這些物理通道,可以幫助HSUPA實現更強傳輸能力,例如通道中在封包最小傳輸區間,可以支援2ms與10ms的TTI,幫助手機與基地台間環迴傳輸分別達到16ms與40ms。



《圖六 2ms and 10ms骨幹架構示意圖》
《圖六 2ms and 10ms骨幹架構示意圖》

通道中支援HARQ機制,手機在上行資料給基地台時,為了抵抗雜訊干擾與維持保密性,會把數據迴旋編碼(Convolution code),使資料量變大。但是這並不會傳送所有已編完碼的資料,而是會使用IR(Incremental redundancy)分段傳送,亦即先將部分資料傳給基地台,如果基地台可以正確解碼解調(ACK),以此縮減傳輸時間,繼續將新資料封包傳輸。如果無法解碼,基地台會要求重傳(NACK),手機則會將原先資料剩下的資訊再傳給基地台,基地台則以多次重傳組合為基礎,可順利將資料解碼出來。



《圖七 在2ms TTI條件下HARQ機制運作示意圖  》
《圖七 在2ms TTI條件下HARQ機制運作示意圖 》

晶片廠商可以按照客戶高階與低階晶片的需求差異,提供HSUPA六種等級的傳輸速率,可支援1Mbps~5.76Mbps的資料流量。



《表三 HSUPA和HSDPA功能比較摘要示意表》
《表三 HSUPA和HSDPA功能比較摘要示意表》

其他功能修正

為了減緩時間傳輸延遲性與增加資料流量,HSUPA亦修正媒體存取控制層(MAC)。在網路端的RNC增加MAC-es,主要用來接受不同基地台的資料,作soft combining以及不同優先順序的資料排程。基地台增加MAC-e,目的在決定HARQ排序以及調整基地台涵蓋範圍內所有AG與RG的發射秩序。


《圖八 MAC-e/es 在Node-B 和RNC模式運作示意圖》
《圖八 MAC-e/es 在Node-B 和RNC模式運作示意圖》

同樣地,在手機端將MAC-e與MAC-es整合在一起,主要用來控制上行資料流量大小(E-TFCI)、調整上行發射功率、並實現HARQ等功能。


《圖九 MAC-e/es在UE(User equipment)模式運作示意圖》
《圖九 MAC-e/es在UE(User equipment)模式運作示意圖》

迎接HSUPA市場應用

UMTS系統結合HSUPA,藉由增添新物理通道、HARQ與修正MAC層,減少時間延遲並增加上行資料流量,幫助電信系統廠商提高競爭力,並提供使用者更多元的服務,HSUPA技術越來越成熟,HSUPA市場化應用的前景,指日可待。(本文作者為Agilent安捷倫應用工程師)


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