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高速下行封包存取的接收端設計挑戰分析

上網時間: 2005年08月01日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:HSDPA  高速下行封包存取  UMTS  通用行動電訊系統  3GPP 

高速下行封包存取(HSDPA)能提供比通用行動通訊系統(UMTS)更高的速率,但要求更強的處理能力、更大儲存容量和高階調變等新的性能,這些要求對接收端的設計帶來挑戰。本文分析了這些技術挑戰,並提出了採用均衡器、雙天線等解決考量。

許多有關HSDPA的討論都集中於這樣一個事實,即HSDPA可與傳統的UMTS業務共存於相同的無線網路中。這使電信業者能夠對網路進行逐步升級,從而盡可能減少用於改善基礎設施的投資,降低傳輸每位元業務的成本。儘管許多人都強調這種技術能為電信業者帶來好處,包括從原有的UMTS順利過渡、更有效地利用現有設備以及更高的投資回報,但無線技術開發商卻很少談到它對手機設計的影響。

事實上,這種技術給手機設計帶來了挑戰,如果能夠有效解決這些挑戰的話,將為消費者提供3G的性能,使數據傳輸速率達到14.4Mbps,大大超過目前UMTS所能提供的速度。

在權衡HSDPA手機設計所面臨的挑戰時,有兩點需要考慮。其中最重要的一點是,該協議是第三代合作伙伴計劃(3GPP)規範的進一步擴展,而不是一種全新的技術。這種技術透過擴展在UMTS標準中已經建立的技術來取得速度上的優勢。它將關鍵的數據處理從無線電網路控制器轉移到節點B(基地台),使數據處理與空中介面更靠近,從而實現更高的系統吞吐量並改善服務品質。

由於HSDPA建立在3GPP規範基礎之上,因此手機OEM廠商在開發HSDPA設備時可重複使用大量已有的設計工作,但這些手機將需要性能更高的訊號處理元件。

第二個需要考慮的是上行的性能,正如其名稱暗示的那樣,HSDPA只是電信業者對下行性能的升級。在未來一定時間內,對高速上行封包存取(HSUPA)的部署將會增加。目前,設計更改應該只是針對手機的接收部份,發射端(W-CDMA上行鏈路)基本保持不變,這對設計所需時間及複雜性的影響是顯而易見的。

接收器實現面臨的困難

並不是所有HSDPA的實現方式都是一樣的,注意到這點很重要。一些較早投入市場的HSDPA解決方案是基於CDMA耙式接收器(rake receiver)技術。儘管對傳統的UMTS而言,耙式接收器工作效果很好,能滿足HSDPA速率高達每秒數百萬位元的系統要求,但要實現14.4Mbps的HSDPA峰值下載速率,則還需要更先進的接收器技術。通常需要在接收器中採用先進的均衡器來應對這一挑戰。

接收器分集是HSDPA性能決定於實現方式的另一個方面。雖然單天線系統適合某些實現方式,在最佳的空中介面條件下有可能提供全速的數據速率,但對更高性能的手機和PDA來說,採用具有接收器分集特性的雙天線系統更有利。增加的第二個接收器和天線允許手機在大多數空中介面條件下達到更高的下載速率。

接收器的其它方面也需要加強。HSDPA支援16-QAM(正交振幅調變)、鏈路自適應、實體層中繼與混合自動重傳請求(HARQ)相結合、實體層通道條件反饋,以及一種新的傳輸通道類型,這種新的傳輸通道稱為高速下行共享通道(HS-DSCH),它允許幾名用戶共享空中介面的通道資源。16-QAM調變要求更嚴格的射頻性能,特別是對線性的要求更加嚴格,接收器還必須能夠檢測通道品質並反饋給基地台。

HSDPA帶來的最基本的影響就是它改變了手機的訊號處理及系統控制,從而導致軟硬體實現更加複雜。

HSDPA提供的數據傳輸速率將需要更快的處理能力,並要求手機具備容量更大的記憶體。若要以可接受的成本和功耗水平實現必需的速度和記憶體功能,那麼就必須借助於65奈米節點的半導體製程技術,而目前UMTS系統通常採用130奈米及90奈米技術。採用65奈米製程技術製造的多核心半導體元件對HSDPA手機獲取市場領導地位將至關重要。

如上所述,以數據處理為主的高性能手機將採用兩個接收器和兩個天線,以盡可能增加在所有鏈路條件下HSDPA業務的吞吐量。儘管兩個天線都嘗試捕獲相同的訊號,但透過將接收分集設計到手機內,將獲得最佳接收性能。透過採用自適應性調變及編碼,任何一個天線接收到的高品質訊號,都能進行複雜的調變與更高速率的編碼。因此,用戶能夠享受到更高吞吐量及更高速率的數據業務,同時電信業者也能更有效地傳輸數據並為其他用戶保留系統資源。

為達到最好效果,每個天線和接收器都必須工作於相互獨立的訊號傳輸路徑。同時,系統必須能夠結合兩個訊號輸入以獲得可能的最佳訊號。所有這些都增加了設計複雜性,並需要額外的電路,這可能增加手機的尺寸。

不過對設計人員而言,雙天線、雙接收器配置所帶來的最大挑戰在於兩個天線放置的位置必須盡可能離得遠些。通常說來,這意味著兩個天線必須位於手機兩端,即一個天線靠近麥克風,另一個則靠近耳機。在翻蓋式手機設計內,這意味著訊號路徑必須透過翻蓋轉軸,這會帶來工程上的問題,但還沒到無法解決的地步。

增強用戶體驗

對手機OEM廠商和消費者來說,HSDPA技術還有一個方面的好處,即其空中介面有助於延長電池的使用壽命。雖然HSDPA接收器比標準的UMTS手機要複雜得多,並且處理能力更強,但它下載數據的效率也將大幅提高。

因此,處理器不需要那麼多時間來工作,它處於低功耗狀態的時間會更長。目前還沒有數據能夠量化該技術對電池使用壽命的影響,不過預計上述特性能夠達到節能作用。儘管預計功效將得到提高,不過這仍取決於諸多因素。

無論如何,消費者將會注意到的HSDPA最大優勢就是能提供比傳統UMTS更高的速率。吞吐量增加一倍,這意味著最終用戶接收數據的速率更快,而且在更多時間內將享受到更好的網路性能。

作者:Bill Krenik


無線先進架構經理


德州儀器





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