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Chapter 11

高速下行封包存取

High Speed Downlink Packet Access

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課程目標

在第三代行動通訊系統中，無線網際網路的資料存取為 3G 重要的應用服務之一。此應用服務之資料流量特性為非對稱性，即資料大部份是由網路下傳至使用者終端設備。因此， 3GPP在 Rel-5中制訂了高速下行封包存取（ High Speed Downlink Packet Access， HSDPA ）的技術，在不需要改變已存在的 WCDMA 網路架構下，將UMTS 下行封包的傳輸速度提升至 14.4Mbps 。本章即在說明 HSDPA 的架構與運作的方式 。

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影響 HSDPA 運作效能的因素

決定透過那一個 Node B 傳送資料。如何分配時槽給不同的 UE 。如何安排封包傳送的順序與傳送的方式（如編碼方式）。

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章節目錄 HSDPA 概念 HSDPA 的硬體架構 HSDPA 的相關技術（省略）結語作業

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Section 11.1Section 11.1HSDPA 概念 HSDPA Concept

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HSDPA

高速下行封包存取（ High Speed Downlink Packet Access， HSDPA ）

提供高速下行的無線傳輸速度屬於 2005 年 3 月的 UMTS Rel-5只修改無線電封包存取技術以 WCDMA 為基礎

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OVSF Code (1/2)

在 UMTS 的 WCDMA 中• 通道碼（ channelization code ）為兩兩正交（ orthogonal ），被稱為正交碼。

• 只要採用長度不相同的通道碼，就可以提供不同的資料傳輸速率。

• 正交碼的長度稱為展頻因子（ Spreading Factor， SF ）。正交碼的 SF 值越小，傳輸速率越大。

正交可變展頻因子碼（ Orthogonal Variable Spreading Factor code， OVSF code ）

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OVSF Code (2/2)

在上行通道上 OVSF 用以分辨同一個使用者的實體資料頻道與實體信號頻道。

在下行通道上 OVSF 用來分辨同一個細胞裡面的不同使用者。

碼樹（ code tree ）可產生各種不同傳送速率的OVSF 碼。 • 在任一 root 到 leaf 間的 path 上，同時只能有一個正交碼被使用。

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OVSF Code Tree

Chip length SF=1 SF=2 SF=4 SF=8

00

01

001100111100

00110011

01010101

01011010

00001111

00000000

01100110

01101001

0101

0000

0110

0

c,c

c,-cc

data 0 1 code 0110 0110

data 0 code 0110 1001

SF=4, 3.84Mbps/4=960kbps SF=8, 3.84Mbps/8=480kbps

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圖 11‑1 OVSF 碼樹之結構

(1,-1,1,-1,-1,1,-1,1)

0

0 1

0 1 2 3

0 1

0 1 2 3

0

1

2

K-1

K

2kr

2k-1r

2k-2r

2r

r

A

2k-1-1

2k-1

(1)

(1,1) (1-1)

(1,1,1,1) (1,1,-1,-1) (1,-1,1,-1) (1,-1,-1,1)

Code Number

0 1 2 3 4 5 6 7

(1,1,1,1,1,1,1,1)(1,1,1,1,-1,-1,-1,-1)

3

(1,1,-1,-1,1,1,-1,-1)(1,1,-1,-1,-1,-1,1,1)

(1,-1,1,-1,1,-1,1,-1) (1,-1,-1,1,1,-1,-1,1)(1,-1,-1,1,-1,1,1,-1)

2k-3r

Supporting DataRate of Each Code

Layer Number

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無線電介面協定

無線電介面協定是用來建立、設定與釋放無線電承載服務（ radio bearer service ）以提供上層其他協定使用無線電資源。

相關的通道：• 實體層上的實體通道（ Physical Channel ） • MAC 與實體層間的傳送通道（ Transport Channe

l ）• RRC 與 RLC 間的邏輯通道（ Logic Channel ）

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無線電介面協定的架構

L3

con

tro

l

con

tro

l

con

tro

l

con

tro

l

LogicalChannels

TransportChannels

C-plane signalling U-plane information

PHY

L2/MAC

L1

RLC

DCNtGC

L2/RLC

MAC

RLCRLC

RLCRLC

RLCRLC

RLC

Duplication avoidance

UuS boundary

BMC L2/BMC

control

PDCPPDCP L2/PDCP

DCNtGC

RadioBearers

RRC

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傳送通道

3GPP 規範了三種封包傳送通道（ transport channel ）：• 共用通道（ common channel ）• 專屬通道（ dedicated channel ）• 共享通道（ shared channel ）

• ps: 第十章只將傳送通道分為共用通道與專屬通道兩大類。

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表 11-1 傳送通道的種類與特性專屬通道 共用通道 共享通道

通道名稱 DCH FACH RACH CPCH DSCH USCH

上行 / 下行 都有 下行 上行 上行 下行 上行（ TDD

）快速功率控制 是 否 否 是 是 是軟交遞 是 否 否 否 否 否適用的資料大小 中大 小 小 中 中大 中大是否適合於短暫而密集的資料

否 是（但頻寬不夠大 )

是（但頻寬不夠大 )

是 是 是

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共用通道（ Common Channel ）

例如 RACH （上行）與 FACH （下行）等單向傳輸通道。

傳送資料所需設定時間（ setup time ）較短。• 設定時間就是在封包真正傳出前，所花費的準備時間（包括傳送相關的控制信號）。

只能採用開迴路功率控制（ open loop power control ）或是使用固定功率，因此連線的品質比專屬通道差很多，干擾也比較多。

適合用來傳送小量且獨立的封包資料。

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專屬通道（ Dedicated Channel ）

例如 DCH 此雙向通道可支援閉迴路功率控制與軟交遞。

• 專屬通道可以提供比共用通道較佳的無線電使用效能。

專屬通道需花費較長的設定時間。專屬通道的資料傳輸速率由數個 kbps 到最快高達 2Mbps 。

在資料傳輸過程中能更改傳輸的速率。

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共享通道（ Shared Channel ）

針對短暫而密集的資料封包（ bursty packet data ）傳送。

讓許多使用者共用一條實體上的通道，並使用同一個正交碼，以時間區分的方式去存取實體通道，藉此達到短時間傳輸大量資料的要求。

UMTS 中共享通道 DSCH 所能夠提供的頻寬太低，無法因應使用者越來越高速的資料下傳需求。

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HS-DSCH

HSDPA 提出新的實體通道與相對應的共享傳送通道。• 傳送通道稱為高速下行共享傳送通道（ High Speed

Downlink Shared Channel，HS-DSCH ）• 高速實體下行共享傳送通道（ High Speed Physical

Downlink Shared Channel，HS-PDSCH ） HSDPA 配置數個時槽給 UE ，將突然性暴增的資料快速下傳給 UE 。• 在WCDMA R99 中，若一個使用者要利用共享通道來傳送資料時，其 SF 是可以變動的，範圍介於 4到 256 之間。而在 Rel-5 HSDPA 中， SF 變成固定的 16 。

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MAC 層的模組

在WCDMA 中負責處理傳送通道的 MAC 層可以分為三個模組：• MAC-b ：負責將要廣播（ broadcast ）的邏輯通道對應到相對的傳送通道。每個 UE 都有 MAC-b 模組；在 Node B 上，每一個細胞均有 MAC-b模組。

• MAC-d ：負責管理專屬（ dedicate ）的通道。每個 UE 都有一個 MAC-d 模組；在 SRNC 上有相對於各個 UE 的 MAC-d 模組。

• MAC-c/sh ：負責處理在共用（ common ）與共享（ shared ）通道中的資訊。每個 UE 上都有 MAC-c/sh 模組；CRNC 對其控制的每一個細胞設有一個相對的 MAC-c/sh 模組。

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圖 10‑14 MAC 結構

MAC-c/sh

MAC-d

BCCH MAC Control

BCH

PCCH BCCH CCCH CTCHSHCCH

MAC Control MAC Control DCCH DTCH DTCH

DCHDCHIur or localPCH FACH FACH RACH

CPCH

USCH

USCH

DSCH DSCH

FDD only

TDD only

TDD only

TDD only

MAC-b

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MAC-hs

為處理 HS-DSCH， HSDPA 在 Node B 上定義了一個新的 MAC 模組，稱為 MAC-hs ，來處理所需要的動作。

提供兩項關鍵技術以傳送短暫而密集的資料• 混合式自動重覆請求（ Hybrid Automatic Repeat

reQuest， HARQ ）• 適應型調變編碼（ Adaptive Modulation and

Coding， AMC ）。針對軟交遞提出快速細胞選擇（ fast cell selectio

n ）。

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混合式自動重覆請求

重傳機制由 RNC 移到 Node B 的 MAC-hs 上。

Node B 有最新通道的資訊，使用不同的重傳速率，以減少延遲（ delay ）。

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適應型調變編碼

根據通道的狀況，迅速調整最適合的調變與編碼方式，以提高傳輸量。• Node B 最能清楚且快速地掌握無線電資源使用狀況，並能在當下及時地決定該以何種傳輸速率去傳送封包。

為了可以即時地對通道的狀況改變編碼調變方式， HSDPA 將傳輸時間間隔（ Transmission Time Interval， TTI ）由 10 或 20ms 縮小為 2ms ，允許每個 TTI 改變傳輸速率一次。

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快速細胞選擇（ Fast Cell Selection ）

在軟交遞時， UE 若同時接收不同 Cell 傳送來的資料，會使得干擾變嚴重，降低下傳資料的傳輸速率。

HSDPA 提出快速細胞選擇機制。• UE 測量各個 Node B 的共用引領通道（ common

pilot channel ）的訊號功率，來選擇活動集中訊號最強的細胞，做為快速下傳資料給 UE 的細胞，此細胞稱為服務細胞（ serving cell ）。

這樣的作法將使得細胞之間無線電干擾降低，連帶著系統的容量亦隨之增加。

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圖 11‑2 HSDPA UTRAN 架構圖

RNC

暫存器

UEATMa Uu(WCDMA)

b

...

非服務細胞(cell 1)

服務細胞(cell 2)

...暫存器

...暫存器

非服務細胞(cell 3)

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Section 11.2Section 11.2HSDPA 的硬體架構 HSDPA Physical Architecture

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硬體架構上的改變

HSDPA 在 UTRAN 中的硬體架構上做了些許的更動， 圖 11-3 。• MAC-hs 子層的工作即為 HARQ、 AMC 與 HS-

DSCH 的排程（ scheduling ）。• HS-DSCH FP（ Frame Protocol ）負責將資料由

SRNC 送至 CRNC ，再由 CRNC 送至 Node B 下傳給 UE 。

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圖 11‑3 HSDPA 的協定架構圖

PHY

MAC

RLC

UE Node B

PHY

MAC-hs

L1

L2

IubUu IurCRNC

L1

L2

HS-DSCHFP

MAC-c/sh

L1

L2

HS-DSCH FP

MAC-d

RLC

SRNC

L2

HS-DSCHFP

L1

L2

HS-DSCHFPHS-DSCH

FP

綠色的部分為了因應 HSDPA 而設計新增的。

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MAC-d 的架構

MAC-hs 是透過 MAC-d 來傳輸。 MAC-d 會將專屬邏輯通道對應到傳送通道

DCH、 DSCH 或 HS-DSCH ，決定權則在RRC 。

若使用 HS-DSCH 時， MAC-d 會將不同的邏輯通道上的資料集中到一個 MAC-d 的封包資料單元（ Packet Data Unit， PDU ）上。

SRNC MAC-d 會將 PDU 送到 Node B 上的MAC-hs 處理。

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圖 11‑4 UTRAN 端 MAC-d 層架構圖

Transport Channel Type Switching

C/TMUX

C/TMUX

Deciphering

UL: TFC selection

Ciphering

MAC Control DCCH DTCH DTCH

To MAC-hs

To/from MAC-c/sh

DCH DCH

MAC-d

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Node B 上 MAC-hs 的元件 (1/3)

TFRC 選擇• TFRC 為傳輸格式與資源結合（ Transport Format

and Resource Combination ）的縮寫。• TFRC 負責在 HS-DSCH 上資料的傳輸，選擇合適的傳輸格式與資源。

流量控制（ flow control ）• 透過管理上層來的 MAC-d 的 PDU ，避免因

HS-DSCH 流量過大而造成堵塞。• 限制許多信號封包，並有效控制重傳的封包。

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Node B 上 MAC-hs 的元件 (2/3)

HARQ元件（ entity ）• 每一個使用者有專屬的 HARQ元件。• 每個 HARQ 元件支援多個採用停止與等待的混合式自動重複請求（ Stop-And-Wait Hybrid ARQ， SAW-HARQ ）機制的 HARQ 程序。

• HARQ 會處理錯誤的判斷與重傳動作，也會將收到的資訊報告給封包排程器（ packet scheduler ）。

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Node B 上 MAC-hs 的元件 (3/3)

排程 /優先權處理（ scheduling/priority handling ）• 決定新進來 MAC-hs 層 PDU 的 Queue ID 和傳送序號（ Transmission sequence number， TSN ）。

• 根據 HARQ 元件回傳的狀態報告決定是否要重傳資料還是可以傳送新資料。

• 根據資料流的優先權（ priority ）管理在 HARQ entity之間的 HS-DSCH 上的資源。優先權佇列分配（ priority queue distribution ）元件安排 PDU 在優先權佇列中的配置。

封包排程器會在優先權佇列（ priority queue ）中選擇適當的佇列來傳送。

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圖 11‑5 UTRAN 端 MAC-hs 架構圖

AssociatedUplink

Signalling

MAC-hs

Scheduling / Priority handlingPriority Queue

distirbutionPriority Queue

distirbution

PriorityQueue

PriorityQueue

PriorityQueue

PriorityQueue

TFRC selection

HS-DSCH AssociatedDownlinkSignalling

MAC-d flows

MAC - Control

HARQ entity

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傳送 HS-DSCH 相關信令

相關上下行信令• 這些訊號是透過雙向的 DCH 來傳送。• 每一個 HS-DSCH 都會有一個對應的 DCH 來傳送訊號資訊。

對應到 DCH 的實體通道• 下行的高速共享控制通道（ Shared Control Channel

for HS-DSCH， HS-SCCH ）。• 上行高速專屬實體控制通道（ High-Speed Dedicated

Physical Control CHannel， HS-DPCCH ）。

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HS-SCCH

下行的 HS-SCCH 傳送必要的 HS-DSCH 解調（ demodulation ）資訊給相對應的 UE 。

每一個 HS-SCCH 區塊有三個時槽• 第一個時槽攜帶解展頻的正交碼與解調變的格式（為 QPSK或 16 QAM ）。

• 接下來的兩個時槽包含解碼用的 Redundancy （用於 HARQ ）、 ARQ 的程序號碼，與代表重傳或是傳送新資料的指標。

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HS-DPCCH

上行的 HS-DPCCH 含三個時槽，攜帶• ACK/NACK 的資訊，代表 UE 透過檢查循環冗餘檢查碼（ Cyclic Redundancy Check， CRC ）之後正確與否的結果。

• 通道品質指示（ Channel Quality Indicator， CQI ）來表示要用哪一種傳輸區塊與調變型態使得接收端能夠正確地收到封包。

• 這些機制都用於適應型調變編碼 AMC 。• Node B 透過此回饋決定下次傳送的時間。

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圖 11‑6 HSDPA 下傳與上行的封包之時間關係

HS-SCCH

HS-DSCH

Downlink transmission

Uplink transmissionHS-DPCCH (ACK/NACK + Feedback)

N slots

7.5 slots

HS-SCCHCRC result

不同時槽給不同使用者傳送

資料。

正交碼與解調變的格式

用於 HARQ的Redundancy、ARQ 的程序號碼、重傳或新資料的指標。

包含 ACK/NACK 與通道品質指示，用於適應型調變編碼

AMC 。

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HS-DSCH 的封裝

PDU 在無線電介面協定中的使用 HS-DSCH 傳輸的過程中的封包封裝是非常複雜的。

見圖 11-7 。

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圖 11‑7 使用 HS-DSCH 的無線電介面協定封包傳輸過程

Higher Layer PDU Higher Layer PDU

RLC SDU RLC SDU

RLCheader

RLCheader

MAC-d SDUMAC-dheader

MAC-d SDUMAC-dheader

MAC-d PDU MAC-d PDU

MAC-hs SDUMAC-dheader

MAC-hs SDU

Transport Block (MAC-hs PDU)

CRC

Higher Layer

L2 RLC(non-transpaernt)

L2 MAC-d(non-transpaernt)

L2 MAC-hs(non-transpaernt)

L1

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Section 11.3Section 11.3HSDPA 的相關技術 HSDPA New Technologies

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Section 11.4Section 11.4結語Summary

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Summary

為提供更大的下行傳輸速率， 3GPP在 Rel-5 中提出了 HSDPA 的機制。本章介紹了 HSDPA 的架構，詳細敘述一個應用層的封包當要使用HSDPA 所提供的 HS-DSCH 時，如何在無線電介面協定中一層一層地往下傳送。由於在HSDPA 中封包排程器移到 Node B處理，並且引進許多新的技術，讓下傳的傳輸速率提高到14.4Mbps ，但卻又不需要改變已經存在的UMTS 網路架構。這些技術與 HSDPA未來的發展，都值得繼續討論。

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Homework