透過WCDMA的技術可以讓許多使用者同時使用高速上網，但隨著提供的服務增加，對於更高下載速率與傳輸品質的需求也相對增加。理論上，WCDMA可提供的最高傳輸速率為2Mbit/s，但在實際的網路環境中所能達到的最高傳輸速率為384kbit/s。為了讓WCDMA也能和目前以及未來所使用的高速資料傳輸技術抗衡，例如cdma2000 1xEV-DO和WiMAX，3GPP於2002年的Release5中引進了HSDPA來作為WCDMA高速資料傳輸的解決方案。
透過WCDMA的技術可以讓許多使用者同時使用高速上網，但隨著提供的服務增加，對於更高下載速率與傳輸品質的需求也相對增加。理論上，WCDMA可提供的最高傳輸速率為2Mbit/s，但在實際的網路環境中所能達到的最高傳輸速率為384kbit/s。為了讓WCDMA也能和目前以及未來所使用的高速資料傳輸技術抗衡，例如cdma2000 1xEV-DO和WiMAX，3GPP於2002年的Release5中引進了HSDPA來作為WCDMA高速資料傳輸的解決方案。
高速下鏈封包存取(High Speed Downlink Packet Access, HSDPA)目的是要提高下傳網路峰值資料傳輸速率及將頻譜使用效率最佳化。HSDPA對應於寬頻多碼分工接取系統(Wideband Code Division Multiple Access, WCDMA)如同GPRS對應於GSM系統，HSDPA的技術可以和第三代夥伴計畫(3GPP)Release 99相容，因此原先針對WCDMA所開發的各種語音和數據應用仍然可以在R5的網路上進行，相同的無線頻道可以同時支援WCDMA和HSDPA的傳輸。本文詳細介紹HSDPA技術，從全球行動通訊系統(Universal Mobile Telecommunications System, UMTS)HSDPA的網路系統架構到手機晶片設計的影響以提供完整性的結論。
HSDPA以無線介面變化為主
為了提升頻譜的使用效率和系統的效能，HSDPA主要的變化是在無線介面的部分，因此會影響到實體層(PHY Layer)和媒體存取控制層(MAC Layer)的設計。比起WCDMAR99系統，HSDPA主要改變如下：
WCDMA訊框(Frame)長度為10毫秒，HSDPA訊框長度為2毫秒。因此在一個WCDMA訊框中含有5個HSDPA訊框，每個HSDPA訊框含有3個時槽(圖1)。
HSDPA增加了兩個實體頻道，分別是高速實體下傳共享頻道(HS-PDSCH)和高速共享控制頻道HS-SCCH)。在傳輸頻道方面，HSDPA增加了高速下傳共享頻道(HS-DSCH)(圖2)。
除了原始的QPSK調變技術之外，HSDPA也提供了更複雜的調變技術－16-QAM。比起QPSK，16-QAM調變可以將傳輸速率變為原來的兩倍，但是高階的調變技術必須仰賴良好的通道環境(圖3)。
HSDPA增加了1個實體頻道，稱為高速專用實體控制頻道(HS-DPCCH)。
在HSDPA中會使用到碼域多工(CDM)和時域多工的技術(TDM)(圖4)。
根據通道狀況與系統限制，動態的去改變調變與編碼方式。若用戶端設備(UE)處在通道情況良好的地方，基地台(Node B)中的適應性調變與編碼(Adaptive Modulation & Coding, AMC)機制會分配較高階的調變與高速率的編碼給此用戶端設備。
相反情況時，適應性調變與編碼會分配較低階的調變與低速率的編碼給用戶端設備。
在HSDPA中，基地台利用回傳的ACK/NACK與CQI訊號獲得目前通道的資訊，利用此一資訊基地台可採用動態調整編碼的方式使得重傳的成功機率可以大幅的提高(圖5)。
利用快速細胞選擇(FCS)的機制，手機可以選擇一個通道品質最佳的細胞作為服務細胞(Servicing Cell)。雖然在手機的主動組(Active Set)列可能存在著一個以上的細胞，但在快速細胞選擇的機制中，手機能由單一細胞下載資料，利用這種機制可以提高Ec/Io值、有效降低干擾，並增加系統容量。
多重輸入多重輸出(MIMO)技術主要是在發射端和接收端均採用多重天線架構，利用傳輸多級的方式來提高峰值輸出。
在WCDMAR99的網路中封包排程器(Packet Scheduler)是置於無線網路控制器(RNC)中，因此無線網路控制器必須等待基地台回報無線電資源的使用情況，才能決定該採用何種型式的傳輸頻道與傳輸速率來傳送封包，使得當下無法立即決定該採用何種型式來傳送封包，進而造成較大的時間延遲，降低資料傳輸速率。
若將封包排程器置放於基地台中，因基地台最清楚無線通道的情況，因此可以當下決定該以何種組態來傳送封包，以縮短時間延遲，提高資料傳輸速率(圖6)。
HSDPA新增實體頻道
在WCDMA系統中共有3種不同的頻道組態，即公共頻道(Common Channel)、專用頻道(Dedicated Channel)、共享頻道(Shared Channel)。公共頻道可以被多個用戶同時使用，專用頻道專屬於特定的使用者所使用。
利用共享頻道的觀念，同一細胞內的頻道碼和傳輸功率可以被視為共享資源，不同用戶可以在時域上共享這些資源。共享頻道的傳輸可以讓WCDMA的OVSF碼空間作更有效率的使用。共享頻道與專用頻道皆可用來傳送大量資料，其中只有共享頻道可以用來傳送突然暴增的資料封包(Bursty Packet Data)，但因其所能提供的頻寬太低無法應付日漸增加的高速下載的需求，HSDPA提出了新的實體頻道和與其相對應的共享傳輸頻道(HS-DSCH)。
上傳高速專用實體控制頻道(HS-DPCCH)會攜帶與下傳共享傳輸頻道傳輸有關的回授訊令(Feed-back Signaling)，此指令包含1個位元的自動重傳系統(Hybrid-ARQ, HARQ)確認資訊(HARQ-ACK)和5個位元的通道品質指標(Channel Quality Indicator, CQI)，如圖7所示。
在每1個長度為2毫秒的子訊框(Subframe)會包含3個時槽；HARQ-ACK會被配置在第一個時槽傳輸，而CQI則配置在第二和第三個時槽。每一個無線連結最多會有1個HS-DPCCH，HS-DPCCH必須和WCDMA上傳的專用實體控制頻道同時存在。高速專用實體控制頻道的展頻因數固定為 256(SF＝256)，表1摘要整理了HS-DPCCH頻道屬性。
1代表ACK，0代表11.NACK，1個位元的HARQ-ACK會被重複編碼成10個位元。CQI的資訊會用(20,5)的碼進行編碼，編碼過的位元 (20個位元)會直接映射到高速專用實體控制頻道上。CQI的傳輸率(量測回授率)屬於網路參數，它的值可以是2毫秒、10毫秒、20毫秒、40毫秒、80毫秒、160毫秒或者是無回授。
當沒有HAPQ-ACK或CQI的資訊要傳輸時，HS-DPCCH頻道的HARQ-ACK或CQI區是關閉的，因此HS-DPCCH頻道的傳輸是屬於叢發式傳輸(Bursted Transmission)。圖8說明了HSDPA上傳方向展頻與擾亂的程序。HS-DPCCH頻道有兩個可能的路徑，若DPDCH頻道的傳輸數目是偶數的話，HS-DPCCH就會配置在I路徑；若DPCCH頻道是奇數個，則HSDPPCH頻道會配置在Q路徑。
為了平衡I/Q路徑上的總功率，HS-DPCCH頻道所採用的頻道碼(Channelization Code)會依照DPDCH頻道的頻道數來變化。表2列出不同的DPDCH頻道數目與HS-DPCCH頻道所使用的頻道碼。例如當只有一個DPDCH頻道時，HS-DPCCH頻道所使用的頻道碼為Cch,256,64，且配置在Q軸。
下傳高速共享控制頻道(HS-SCCH)攜帶和HS-SCCH頻道傳輸有關的訊令。HS-SCCH頻道的位元率固定為60kbit/s(SF＝128)。基地台可傳送4個以上HS-SCCH頻道，最多可到32個，用戶端設備可同時監視4個HS-SCCH頻道。圖9為HS-SCCH頻道架構，表3摘要整理 HS-SCCH頻道屬性。
HS-SCCH頻道所攜帶的資訊可以區分為兩大部分，第一部分為頻道碼集(Channelization Code Set)和調變架構，第二部分為傳輸區塊大小和HARQ相關的資訊。頻道碼集資訊配置在第一個時槽，包含7個位元的頻道碼集和1個位元的調變架構。
在接收第一個時槽的資訊之後，用戶端設備只有一個時槽的時間來解碼資訊，為HS-PDSCH頻道的接收作準備。HSDPA也引入了新的特色，這些特色主要是依照無線傳輸的環境對傳輸參數作快速適應調整。
HSDPA通訊協定的架構
HSDPA並不會影響到MAC層之上的通訊協定，HSDPA新增的HARQ、適應性調變與編碼和排程的功能是配置在MAC層所新增的元件(Entity)內，此元件稱為MAC-hs。MAC層可以細分為4個子層(Sublayer)，分別為：
負責將要廣播的邏輯頻道對應到相關的傳輸頻道，在用戶端設備和基地台皆有MAC-b層，在基地台中的MAC-b層是負責管理一個細胞。
負責管理專用頻道，每個用戶端設備皆會有MAC-d層而在SRNC上有負責每一個用戶端設備的MAC-d。
負責處理一般與共享頻道中的資訊，在每個用戶端設備上都有MAC-c/sh層，而在CRNC上有負責一個細胞的MAC-s/sh層。
HSDPA在基地台所定義的一個新的MAC子層，MAC-hs子層提供了兩項關鍵技術，HARQ和AMC。利用HARQ的機制將重傳的機制從RNC上面移到基地台的MAC-hs子層，配合通道當時的條件用不同的重傳速率以減少延遲現象。
適應性調變與編碼(AMC)是依照通道當時的狀況動態的調整調變和編碼的架構來提高傳輸的速率。其中，HSDPA將傳輸時間間隔(TTI)由10毫秒降為 2毫秒，允許每個TTI改變傳輸速率，就算是遇到突然暴增(Burst)的資料量，HSDPA也可在很快時間內有效配置頻道與資源。HSDPA在 UTRAN中的硬體架構作了些許的變動，在RNC中的媒體存取控制層維持不變，亦即原有的MAC-d與MAC-c/sh。而在基地台中的MAC層增加了 MAC-hs子層來處理HS-DSCH頻道傳輸所需要的動作，例如HARQ、AMC與HS-DSCH的排程。
HSDPA將封包排程的功能從RNC中移到基地台的MAC層來執行，利用此方式來支援快速的封包傳送。封包排程演算法(Packet Scheduling Algorithm)會將無線通道的狀況，即用戶端設備所回報的CQI值，以及必須傳送給不同用戶端設備的資料量列入考慮。無線通道品質最佳的用戶端設備固然可以獲得較高的傳輸速率，但某種程度的公平性也必須列入考量，例如服務品質(QoS)，因此實際傳輸速率會取決於網路所採用的封包排程演算法。
HSDP藉由AMC提高傳輸速率
鏈路適應調整(Link Adaptation)是HSDPA藉以提高傳輸速率的重要因素，所使用的方法為AMC。AMC會依據用戶的頻道狀況來調整下傳頻道所使用的調變和編碼架構。在R99系統中是利用功率控制來補償下傳方向無線通道的變化，HSDPA則是將傳輸功率在一個子訊框的期間內維持一個固定值。
在HSDPA中，用戶端設備透過高HS-DPCCH頻道中的CQI欄位將無線通道狀況回傳給基地台。CQI值可以是0～30之間的任何值，0代表11.超出範圍。每個CQI值會對應到一個特定的傳輸區塊大小、調變格式、參考功率調整值、虛擬IR緩衝區大小和RV參數。
用戶端設備會回報最大CQI值，其所對應的參數理論上會依據目前的連結狀況，提供一個可接受的區塊錯誤率(Block Error Rate, BLER)。基地台會利用用戶端設備所回報的CQI值和其他的參數來決定傳送下一個封包時所要使用的編碼設定。
而要定義一次傳輸的編碼設定，基地台必須選擇下列的參數：
HSDPA理論上的最高傳輸速率為14.4 Mbit/s，此數值的計算方式請看下面的推導：一個HS-PDSCH頻道的時槽的長度為666.7微秒(10毫秒/15＝666.7微秒)，利用16- QAM的調變技術，每個時槽內有640個符碼。在同一時間最多有15個HS-PDSCH頻道可以配置給相同的用戶端設備，因此理論上的最大傳輸速率為
15．640bits/666.7μs＝14.4Mbit/s
請注意，14.4Mbit/s的傳輸速率是原始資料再加上頻道編碼之後的總合，如圖10所示。
若將頻道編碼扣除之後的淨資料傳輸速率為13.976Mbit/s，其計算方式如下：最大傳輸區塊的大小為27,952個位元，採用16-QAM的調變技術，最大淨資料傳輸速率為27952/2毫秒＝13.976Mbit/s。由此可以發現在最大傳輸速率下的有效編碼比率為0.9714。
在實際的環境中，14.4Mbit/s的傳輸速率是不可能達到的，雖然實體上可以組譯出這樣的頻道組態，但實際環境中不可能出現，主要因為這種頻道組態需要有近乎完美的鏈路環境。在實際的環境中所能使用的最高傳輸速率會遠比14.4Mbit/s低很多，目前大多數的晶片組大多只能支援3.6Mbit/s的傳輸速率，例如高通(Qualcomm)和EMP預計在2006年底時推出支援7.2Mbit/s的晶片組。
解析混合式自動請求重送運作方式
混合式自動請求重送(HARQ)是一種結合了前餽式錯誤修正(Feed-forward Error Correction, FEC)和ARQ方法技術。利用HARQ技術可以由前一個失敗的嘗試中存下有用的資訊，供作之後的解碼之用。HARQ是使用MAC層的確認機制 (ACK/NACK)來決定使否要重送，圖11即顯示此機制。
重新傳送時，HARQ會使用與初次傳送時相同傳輸區塊集來進行，因此具有相同位元數；但可能採用不同的調變類型、頻道碼集(包含頻道碼集的大小)或發射功率。因此重送時可使用的頻道位元數，即指實際在空中介面上傳輸的位元數，可能會與初次傳送時不同。即使頻道位元數不變，頻道位元集(Channel Bit Set)也可能會不同。
實作HARQ的方法包括Chase Combining (CC)、遞增冗餘(Incremental Redundancy, IR)及RCPT碼(Rate Compatible Punctured Turbo Codes)等。
CC主要透過自我解碼功能，加上重送時除重送原來封包也重送相同重複部分直到成功為止，因此重傳資料可和先前儲存在暫存器中的錯誤資料結合出原始資料。
IR則是每次都傳送不同冗餘，利用多個重送冗餘解碼出原來資訊，其做法即利用漸進方式送出不同組的位元，以便與原始那一組位元合在一起，如此一來可增加冗餘資料量，這樣即可回覆因無線傳輸所造成的錯誤。
RCPT則利用渦輪編碼(Turbo Codes)技術以多位元方式傳送資訊，若編碼率(Coding Rate)為3/4，表示傳送3個位元的資料實際上會藉由傳送4個符碼來表達。當重傳時就表示無線通道品質不佳，因此每次重傳時都會增強編碼率以透過更多符碼來代表11.原始位元。例如編碼率從原來的3/4在重傳時變為3/8，在第二次重傳時則採用更強的編碼率1/4。
HSDPA的傳輸時間間隔(TTI)為2毫秒，相當於一個子訊框的長度。Inter-TTI指的是到同一用戶端設備的兩次傳送間的TTI數目(圖12)。
Inter-TTI的值可以是1、2或3。Inter-TTI的值為1表示用戶端設備可以在每個子訊框中接收到資料，間隔為2表示用戶端設備可以每隔一個子訊框時接收資料，間隔為3表示用戶端設備在每隔兩個子訊框時會接收資料，因此接收能力最強的用戶端設備其Inter-TTI的值必為1。
手機設計面臨接收技術挑戰
改變HSDPA手機的發射端，首先面臨衝擊的是接收技術的提升。所有的蜂巢式通訊系統均面臨兩個基本問題：多址干擾和多徑干擾，而近年來看到的空中介面技術革命，如FDMA、TDMA、CDMA等，都可歸功於多址技術的進步。至於在多徑干擾上的克服，則已出現智慧天線、耙式接收器(Rake Receiver)和OFDM等技術，目前針對HSDPA推出的先期接收方案，大都採用耙式接收器，雖然具有提升效果，但仍不能達到第一代的 14.4Mbit/s峰值下載速率。
因此下一步是從天線與接收器的設計架構下手，其中一種作法是採用分集式接收技術(Diversity Reception)，也就是增加第二支天線和接收器，透過兩個獨立路徑來接收訊號，並透過複雜的調變與編碼技術將兩者結合，以獲取更佳的訊號結果。
不過，此一作法的設計難度高，額外的電路也可能增加設備的尺寸，而為了獲得最佳的差異效益，兩天線須分離愈遠愈好，這也會造成設計工程上的挑戰。
另一個類似的策略，則是採用當紅MIMO技術，這也是第三代夥伴計畫在第二階段HSDPA中的應用技術。MIMO顛覆多徑干擾的基本理論，反而提出空間多工(Spatial Multiplexing)理論，強調透過多徑反射來改善傳輸效率。目前在WLAN的新產品Pre N中已實際導入MIMO技術而能突破100Mbit/s的傳輸率，未來在蜂巢式系統也將看得見。
隨著接收效率提升，手機系統面臨整體性的設計問題。當資料傳輸量大幅提升，手機處理效率也必須提升，這可分為通訊段的基頻處理能力，與應用段的多媒體處理能力。
目前這兩段朝向技術獨立方向發展，以滿足各自在技術沿革與市場上不同需求，晶片業者強調以開放性架構提供製造商多樣化彈性選擇，顯然要讓HSDPA手機達到預期效能，其軟硬體設計挑戰將大幅提升，除須採用更強處理器或加速器強化處理能力外，接收之大量數據也需更大記憶體容量來儲存。
不僅如此，系統內的各元件也須以更高速、智慧性的匯流排來做串連，並採用各種節能的策略來延長電池的壽命。
這些策略包括避免使用高時脈的處理器、採用較低的電壓、改進演算效率，以及針對整體系統提出最佳化的電源管理策略，例如智慧性的讓非活動中的元件或模組進入休眠等省電模式。
HSDPA解決方案仍相當有限
目前HSDPA手機的商業化仍處於起步階段，相關的硬體解決方案仍然相當有限。領先市場的廠商高通，已推出兩代的HSDPA解決方案，包括第一代的 MSM6275晶片組和第二代的MSM6280晶片組，2005年10月底在北京國際通訊展，由Sierra Wireless和華為推出的兩款HSDPA資料卡，即採用高通MSM6275，下傳速率為1.8Mbit/s。
高通在2005年10月推出的MSM6280，除了採用90奈米製程外，並整合了接收分集和等化器等先進接收技術，一舉將下傳速率提升到7.2Mbit/s。
飛思卡爾(Freescale)在2005年初推出的i.300-30的3G平台，則是一款同時支援GSM、EDGE、GPRS、WCDMA與HSDPA的多模解決方案，其中對HSDPA的下傳速率可達3.6Mbit/s。
通訊協定軟體部分，TTPCom也與Icera合作開發HSDPA/EDGE解決方案。該方案採用TTPCom Release 5多種模式無線協定堆疊，可支援現有的泛歐數位式行動WCDMA與HSDPA無線終端設備標準，數據傳輸率達3.6Mbit/s。
未來各階段HSDPA產品功能待增強
HSDPA可有效改善下行方向的傳輸速率、消除干擾、提高傳輸的正確率、降低傳播延遲，且不須要更改既有的WCDMA網路架構。在手機設計的考量上，最大的挑戰在於實體層晶片設計的難度較高。
在射頻部分，因新增了高速專用實體控制頻道而導致PAPR值比WCDMA高，在功率放大器的設計上必須提供較大的線性度操作範圍(Headroom)。
在WCDMA Release 5中加入了HSDPA的技術，以提高下傳方向資料的傳輸速率及頻譜的使用效率。
展望WCDMA Release 6，雖其內容處於最後定案階段，但針對上傳方向的資料傳輸所提出的新架構，即增強上傳方向的專用頻道(EUDCH)，卻已是個明朗的趨勢，EUDCH即為大家所熟悉的高速上傳封包進階(HSUPA)技術。在未來的Release 7中，更會引進多利用MIMO的傳輸方式，以支援更高的傳輸速率需求，利用MIMO技術即可視為HSDPA/HSUPA的增強版。