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3.5G/HSDPA技术架构与手机开发要点

3.5G/HSDPA技术架构与手机开发要点

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   快速重传(fast retransmission)

  发生链路错误时就需要进行资料重传,目前的 WCDMA 系统在RNC重新响应前必须等待100ms或更长的时间量级。将此功能引入到Node B中,该延迟将减小一个量级,达到10ms左右。此作法使用了混合ARQ(HARQ)技术,在该技术中,先前传输的资料与重传资料以一种特殊方式结合,可以改进解码效率和分散度增益。

 1xEV/DO和HSDPA技术特性比较

表二  1xEV/DO和 HSDPA 技术特性比较

  综合比较

  如前所述,两项标准不论是技术目的或手段都相似或相同。两者皆诉求要满足非对称数据业务的需求,也就是提供高速的下行传输速度,让业者能推展视频娱乐等行动加值服务。然而,为了降低网路升级的代价与冲击,除了考虑与现有版本的相容性外,更要求能以最小幅度的软硬件调整,就能达到频谱利用率的提升。

  目前看起来,1xEV-DO的商业化脚步较快,这和CDMA一系列标准的相容性高有很大的关系,不像从GSM/GPRS升级到WCDMA需要大幅更动网路基础架构。不过,发展脚步慢也意味着有较多的经验足供参考,因此HSDPA的技术版本具有较高的数据传输率,也能完全使用剩余的语音频宽,此外,HSDPA比能同时支援语音和数据服务。

  不过,这两项标准的演进之路才刚起步,可以预见未来的发展方向仍不会有太大的出入。在实体层上,仍会继续提升频谱的利用率;在高层的协定方面,QoS是必备的技术,因为要让多种服务或应用能同时进行;至于在收发与调制的技术上,各个无线技术都无例外的朝向采用MIMO、OFDM和智能天线等策略发展中。

  HSDPA 手机 开发技术挑战

  虽然说HSDPA强调网路架构不需大幅的更动,即可提供更高速的服务,也就是只要采用既有的WCDMA/3G手机就能享有更高的下载速率,不过,要想达到最佳的接收速率,移动终端的制造商仍得面临极大的开发挑战。

  在现阶段HSDPA手机的发射端基本上还不需改变,首先面临冲击的是接收技术的提升。所有的蜂窝通信系统均面临着两个基本问题:多址干扰和多径干扰,而近年来看到的空中介面技术革命,如FDMA、TDMA、CDMA等,都可归功于多址技术的进步。至于在多径干扰上的克服,则已出现智能天线、耙式接收器(rake receiver)和OFDM等技术,目前针对HSDPA推出的先期接收方案,大都采用耙式接收器,虽然具有提升效果,但仍不能达到第一代的 14.4Mbps峰值下载速率。

  因此,下一步是从天线与接收器的设计架构下手。其中的一种作法是采用分集式接收技术(Diversity Reception),也就是增加第二个天线和接收器,透过两个独立的信号接收路径来接收信号,并透过复杂的调变与编码技术将两者结合,以获取更佳的信号结果。不过,此一作法的设计难度高,额外的电路也可能增加设备的尺寸,而为了获得最佳的差异效益,两天线需分离愈远愈好,这也会造成设计工程上的挑战。

  另外一个类似的策略,则是采用当红的MIMO技术,这也是3GPP在第二阶段HSDPA中的应用技术。MIMO颠覆多径干扰的基本理论,反而提出空间多工(Spatial Multiplexing)的理论,强调透过多径反射来改善传输效率。目前在WLAN的新产品(Pre N)中已实际导入MIMO技术而能突破100Mbps的传输率,未来在蜂巢式的系统也将看得见。

  随着接收效率的提升,手机系统也面临整体性的设计问题。当资料传输量大幅提升时,手机的处理效率也得提升,这又可分为通信段的基频处理能力与应用段的多媒体处理能力。目前这两段朝向技术独立的方向发展,以满足各自在技术延革与市场需求上的不同需求,晶片业者也强调以开放性的架构来提供制造商多样化的弹性选择。很显然地,要能让HSDPA手机达到预期的效能,其软硬件的设计挑战将会大幅提升,除了需要采用更强的处理器或加速器来强化处理能力外,接收到的大量数据也需要更大的记忆体容量来储存。

  不仅如此,系统内的各元件也需要以更高速、智能性的匯流排来做串连,并采用各种节能的策略来延长电池的寿命。这些策略包括避免使用高时脉的处理器、采用较低的电压、改进演算效率,以及针对整体系统提出最佳化的电源管理策略,例如智能性的让非活动中的元件或模组进入休眠等省电模式。

  解决方案市场现况

  目前HSDPA手机的商业化仍处于起步阶段,相关的硬体解决方案仍然相当有限。领先市场的厂商无疑是CDMA的龙头──Qualcomm,该公司已推出两代的HSDPA解决方案,包括第一代的MSM6275晶片组和第二代的MSM6280晶片组,今年10月底在北京国际通信展(PX/EXPO Wireless)由Sierra Wireless和华为推出的两款HSDPA资料卡,即采用Qualcomm的MSM6275,下传速率为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进接收技术,一举将下传速率提升到7.2Mbps。

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   Freescale在2005年初推出的i.300-30 3G平台,则是一款同时支援GSM、EDGE GPRS、 WCDMA 与 HSDPA 的多模解决方案,其中对HSDPA的下传速率可达3.6Mbps。TI有TMS320TCI6482的可程式DSP可支援HSDPA,不过这是针对无线基地台的基频解决方案; 手机 部分,其OMAP-Vox系列的先期产品OMAPV1030晶片组目前主要支援 GSM/GPRS/EGDE,不过已承诺将协助此系列的客户顺利过渡到UMTS和HSDPA。

Freescale的i

图六 Freescale的i.300-30多模平台架构

  软体协定部分,TTPCom也与ICera合作开发了HSDPA/EDGE解决方案。该方案采用TTPCom Release 5多种模式无线协定堆叠,可支援现有的GSM、GPRS 及EDGE、WCDMA与HSDPA无线终端设备标准,数据传输率达3.6Mbps。此外,TTPCom也和ARM达成合作协议,共同设计和开发整合 ARM处理器和TTPCom的行动基频引擎(CBEmacro)的3G平臺。

  在测试仪器方面,HSDPA也为这个市场带来了极大的商机,包括安捷伦、太克和罗德德史瓦兹等量测大厂早已有所布局,针对手机制造商及电信业者推出一系列从设计到互通性测试的各种仪器。安捷伦与Anite合推一套整合GSM、GPRS、EGPRS、W-CDMA以及HSDPA等测试能力于一身的单一平台 ──SAT测试平台,这是一套针对初期开发所设计的从Layer 1到Layer 3的发展工具,以Agilent 8960无线通信测试系统为基础,内容从设计初期的RF与通讯协定测试,到完整的符合性(conformance)与互通性(inter- operability)验证均包含在内。太克在HSDPA方面的主力产品为NetTek测试仪,这是一套RF实地测试工具,允许RF技术人员和性能测试工程师精确地分析NodeB发射器的性能并熟练地诊断问题;此外,NetTek测试仪同时也提供解调制测试,其中包括对于理解RF信号环境非常关键的 EVM。罗德史瓦兹也提供一系列的HSDPA工具,包括射频通讯测试仪(CMU 200/300)、协定测试仪、信号分析仪等等。

  结论

  从语音通信到数据通信,蜂巢式手机无疑正处于技术架构改朝换代上的重大的革命时期,而进入数位时代,无线通信也和有线通信一样,不断得向上提高传输的速率:从GSM到传输率约40Kbps的GPRS,以及传输率约130Kbps EDGE,再到3G世代UMTS的384Kbps,以及现在唿之欲出的3.5代HSDPA,其第一阶段即上看14.4Mbps。在推出时程上,LG、 NEC和三星皆已表示在今年年底或2006年年初就会推出HSDPA商用手机。

  虽然在技术上可行,并不保证市场上可以很快的过渡。目前3G手机即面临与2G/2.5G技术架构不同的相容性问题,要如何在并存的这两代网路系统间平顺的切换通话,并维持通话的品质及提供新兴的服务,是今日设计上的很大挑战。另一个将面临的问题是实际服务上的经验感受,毕竟目前提出来的传输速率皆是檯面上的理想值,在真正应用时将遇到分享、干扰和延迟等瓶颈,服务品质能否获得用户的认同,将很值得观察。

  换个角度来看,虽然在3G的推展上,WCDMA阵营显得较为落后,但就基本面来看,截至2005年8月底,全球共有670个GSM网路分布在200个国家或地区,用户数达到15.2亿;相较之下,CDMA仅在80个国家的近3亿用户中使用,因此WCDMA仍具有极佳的发展基础,倒也不必妄自菲薄。不过,在蜂窝式系统中长久以来存在着专利垄断的问题,对于技术的推广一直是最大的致命伤,也让由网路阵营如Wi-Fi/WiMAX等有后来居上的机会,这是3G业者需要慎思的地方。



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