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數十倍速下載新時代─解析HSDPA技術原理

52RD.com 2008年8月6日 陳怡弘            參與:88人 查看 我來說兩句
  自WCDMA Release 99最高384 kbps的下行速率,到HSDPA的14.4Mbps(目前實際建設網絡最高已達7.2Mbps),3GPP Release 5的規格做了哪里些神奇修正與改進,以增加數十倍速的下載速率呢?

內文:
上一回提到,在WCDMA Release 99當中,資料傳輸可在2種狀態下進行:CELL_FACH以及CELL_DCH。首先,使用者在CELL_FACH下時利用共享頻道傳輸資料。由于是共享頻道,其使用的碼是固定的,因此,此類頻道的設計注定無法用于較高速資料傳輸。另外,此狀態下沒有CLPC(Closed Loop Power Control)調整傳輸功率,近乎不變的功率,不可避免地即造成較大的干擾。

正如先前提過以雞尾酒會派對為例,如果大家不論遠近都用同樣音量于派對中進行對談,那么距離較遠的談話將會受嚴重干擾,甚或無法清楚聽到對方所說的話。此外值得一提的是,使用這些共享頻道的手機需要接聽所有的資料再做判斷;留下那些帶有自己識別碼的封包,拋棄那些屬于別人的。

另一方面,在 CELL_DCH時,使用者擁有自己的專屬頻道進行傳送資料;根據不同傳輸速率,使用者會得到不同Spreading Factor碼。同時,如上回所提,由于擁有專屬頻道,手機會利用CLPC進行傳輸功率控制。此外,在CELL_DCH中可以有軟式交遞進行,換句話說,即使用者可同時保持與數個不同基地臺間的聯機。(當然前提之一是,這些基地臺都要同一個頻率上運行)

然而,雖然WCDMA Release 99宣稱最高可以支持至2Mbps,但實際布建的網絡當中,即便在CELL_DCH下,上行與下行最高資料傳輸速率也只有384kbps。這樣的傳輸速率,對于手機上的許多熱門多媒體應用而言,尤其是那些與資料傳輸相關的應用,卻略顯不足。

此外,在不同速率間切換時,需透過RNC進行控制,因此需要一些時間完成速率變換。相似地,Release 99的重傳(透過RLC AM)也要透過RNC,因此,可能會有數百毫秒的耽擱。除此之外,雖然有CLPC,但如果手機移動到1個暫時收不到訊號的地方(如高樓遮蔽下,或山后沒有基地臺的地方),基地臺會持續地送出資料,直到斷線為止,這也造成了不必要的無線資源浪費。

為克服上述WCDMA Release 99在資料傳輸上的限制,3GPP在Release 5的規格中,提出HSDPA(High Speed Downlink Packet Access),希望不但可以克服以上所提到的限制,而且可以大幅度地提升下行資料傳輸速率。根據規格,它下行速率的最高值為14.4Mbps,但是,它要如何實現這個目標呢?

先讓我們來想象一下,假設今天你是1間點心店的老板,平日你都會向食品工廠訂購某樣產品,比如說,某樣深受歡迎的甜點。由于這些甜點全都是手工制造,所以工廠每日所能制造的數量相當有限。因此只有當他們準備好你的訂單后,他們才會給你1個領貨通知,讓你知道你要的東西已經做好了,并且會在什么時間送貨給你。所以你可能會定時地檢查是否有未接來電,畢竟,這是你店內最受歡迎的餐點,你絕對不想錯過這個來自工廠的通知。接下來,送貨員在指定時間把你訂的貨交給你后,他會要求你簽收。同時,你可能會告訴工廠在這段期間所賣出的數量和現有的存貨,在簽收之際,將此回報跟簽收單一并讓送貨員帶回去,讓工廠可以決定下次要送多少甜點過來。之后繼續上述的過程:通知、送貨、簽收、再回報存貨量。

透過HSDPA傳送資料的流程,基本上和上面提到這個取貨流程沒有太大差異。使用者定期地監聽那些指定頻道,而當網絡決定要傳送資料給該使用者時,它會利用該頻道通知使用者。接到通知后,使用者在固定時間內,馬上去聽相對應用來傳送資料的頻道。收完資料后,使用者需要回應是否正確地收到那些資料,同時,向網絡回報現在的通訊質量,也就是使用者可能可接收資料的最大量;之后,網絡據此回報,判斷待會要用怎樣的調變方式,送多少資料給該使用者。

圖1描繪這整個過程。我們這里會提到一些名詞,而這些名詞會在后面相關的地方會再詳細介紹;在此處,我們只需有個簡單的概念即可。首先,網絡透過HS-SCCH(High Speed Shared Control Channel)這個下行的頻道,通知使用者。

在聽到HS-SCCH上有給自己的訊息后,使用者接下來馬上去HS-PDSCH(High Speed Physical Downlink Shared Channel)這個下行用來送資料的頻道,接收資料。接下來,使用者再利用上行的HS-DPCCH(High Speed Dedicated Physical Control Channel)傳送ACK/NACK及回報現在網絡質量CQI(Channel Quality Indicator)給網絡。網絡再利用這個回報的CQI,決定下次要給該使用者的資料量以及調變方式。

                                   


△圖說:圖1 HSDPA流程示意圖

值得注意的是,我們上面提到的這些下行頻道,不論是用來通知的HS-SCCH,或是用來傳送資料的HS-PDSCH,都是所有使用者共享的頻道。多個使用者聽著相同的HS-SCCH,全部使用者輪流使用整個細胞中有限的(最多15個)HS-DPSCH傳送資料。Node B負責這些頻道的排程,在哪里個時段、哪里些HS-PDSCH、指定給哪里個使用者使用。

這些都牽扯到非常復雜的判斷,包括每只手機所回報的CQI、及其最高能夠支持的速率、每個使用者的優先順序…等考慮。圖2是1種可能的排程。在這個例子中,Node B根據它內部的算法,將這些資源,也就是頻道,不只利用分時多任務,而且利用分碼多任務將這些頻道分配給各個使用者。

其它的一些可行的排程辦法,包含象是依序循環(換句話說,只有分時多任務排程)、先傳送資料給那些擁有較高優先順序的使用者、以及參考回報的CQI來進行排程。而就使用者而言,在每個時段、他可能會被指派或給予1個或數個的頻道,來接受網絡送過來的資料。這樣子的設計,可以更快速地更改排程,來切換并控制每個使用者的資料傳輸量,借此避免前面我們所提到Release 99中CELL_DCH下傳輸的某些限制。

               


△圖說:圖2 分時且分碼多任務排程

讀到這里,你可能開始納悶,共享頻道怎么反而可以達到更高的傳輸速率?我們將在次回再境進行深入解釋。(本文作者陳怡弘/Qualcomm CDMA Technologies資深工程師)
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評 論
16樓 JINGROCKY007 發表于 2014-10-24 16:52 回復
比較艱澀。
15樓 52RD網友 183.13.*.* 發表于 2014-4-16 10:03 回復
——已屏蔽——
14樓 cc317158943 發表于 2012-11-12 10:30 回復
對于協議層,了解的太少了。。我還得好好學學。
13樓 sh163ok 發表于 2011-5-9 15:03 回復
這還不錯
12樓 sh163ok 發表于 2011-5-9 14:32 回復
11樓 tangjiaxin說:這還不錯
hen hao
11樓 tangjiaxin 發表于 2011-1-10 09:52 回復
這還不錯
10樓 wdy1233 發表于 2010-9-24 10:56 回復
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8樓 faithcb 發表于 2010-6-4 13:46 回復
匹夫有責
7樓 faithcb 發表于 2010-6-4 13:17 回復
學習了1
6樓 arthasyoung 發表于 2010-3-11 15:41 回復
講故事呢!!
5樓 cszhang 發表于 2008-12-11 11:11 回復
簡單明了的介紹,對初學者很有幫助
4樓 tangrobust 發表于 2008-9-22 15:20 回復
有點明朝那點事的味道
3樓 blue_dsp 發表于 2008-9-10 13:47 回復
多謝!像聽故事.
2樓 loulou 發表于 2008-9-3 10:41 回復
hen hao
1樓 sahala 發表于 2008-8-18 14:29 回復
單個Node B支持的最大速率是多少?
在空中接口這塊,頻道總數能達到多少?
有線方面,傳統的數據通道是T1/E1,帶寬是很窄的。
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