改善基地台邊緣使用者經驗　HSPA多點傳輸助益大

無線網路用戶快速增長，加上電信業者為提供使用者更佳寬頻多媒體體驗，也加速HSPA技術演進。一些早期增強版高速封包存取(HSPA+)技術，如高階調變(Higher Level Modulation)和多重輸入多重輸出(MIMO)，其功能著重於可用頻道環境狀況，提高頻譜使用效率。而雙載波HSPA(Dual-carrier HSPA, DC-HSPA)和多載波HSPA(Multi-carrier HSPA, MC-HSPA)等近期推出技術，可由多個頻率載波傳輸大量資料時獲得多工增益，得藉由網路端和行動裝置無線電收發器鏈的設計強化，發揮上述功能。

即使現已有高階無線電收發器，但基地台邊緣的使用者經驗仍待改善。雖然目前許多HSPA網路都存在容量飽和及基地台邊緣效能不佳問題，但整體來說，容量及網路潛在品質均未被充分發揮。鄰近區域和頻率載波經常負載不平衡，網路中不同的拓撲層，如微型、微微型、毫微微型網路，有時也會發生負載不平衡的情況。大部分資料傳輸速率極差的使用者裝置可能收到來自其他尚未完全被HSPA+利用之基地台的訊號。因此，HSPA的下一步發展必須將上述議題都納入考量。

多點HSPA為當前正在研究的第三代合作夥伴計畫(3GPP)全新技術，目標是利用網路及使用者裝置現有收發器，解決上述的部分問題。其優勢包括可改善基地台邊緣的使用者經驗、讓單載波部署各區域的負載達到更佳的動態平衡、讓多載波部署各區域/載波的負載達到更佳的動態平衡以及透過軟硬體漸進式升級，以利運用網路和使用者裝置設備的DC-HSPA/MC-HSPA功能。

四類HSPA多點傳輸大不同

HSPA多點傳輸模式可概括分為單頻多點HSPA(Single Frequency Multipoint HSPA)模式、雙頻多點HSPA(Dual Frequency Multipoint HSPA)模式、雙頻四基地台HSPA(Dual Frequency Four-Cell HSPA, DF4C-HSPA)模式及區域切換(Sector Switching)模式，以下將針對上述四種HSPA多點傳輸模式進行說明。

單頻多點HSPA模式最簡單

單頻雙基地台HSPA(Single Frequency Dual Cell HSPA, SFDC-HSPA)是目前形式最簡單的多點HSPA，可視為DC-HSPA功能的延伸。DC-HSPA可排程自雙載波覆蓋單一範圍中傳輸兩個獨立區塊至行動裝置；SFDC-HSPA則可排程從同一載波上兩個不同區域，傳送兩個獨立傳輸區塊到使用者裝置。亦即，主要和次要服務基地台可同時傳送不同的資料到使用者的行動裝置。因此，SFDC-HSPA和DC-HSPA運作主要差異在於，SFDC-HSPA可排程與主要傳輸區塊相同頻率、不同區域的次要傳輸區塊，使次要傳輸區塊傳送到行動裝置。但使用者裝置也須能支援接收多樣化技術如3i型，才能在收到多個基地台相同頻率的資料時，避免其他基地台的干擾。圖1說明SFDC-HSPA的深入概念。

圖1　左為DC-HSPA，右為SFDC-HSPA。

如圖2所示，此案例中多點HSPA傳輸的兩個區域屬同一個無線電基地台(NodeB)，且NodeB和無線電網路控制器(RNC)只保留一個傳輸佇列。佇列管理和無線電連結控制(RLC)層的作業基本上與DC-HSPA相同。

圖2　左為Intra-NodeB，右為Inter-NodeB多點HSPA。

如圖2所示，此例中兩個區域屬不同NodeB，每個NodeB都有各自的傳輸佇列。RNC的RLC層必須強化，此外，還須提升RNC和NodeB Iub介面的流量控制，才能支援NodeB間的多點HSPA運作。在這兩個模式中，頻道品質指標(CQI)和HARQ的確認資訊(HARQ-ACK)/否定應答(NACK)須透過基地台接收兩個資料流的上行鏈路傳送。使用者行動裝置會在上行鏈路中採取與主要服務基地台同步時間，並透過舊式通道結構傳送全區都可見的CQI。

雙頻多點HSPA模式強化頻率域

當網路中出現兩個載波時，頻率網域即可有額外選擇。雙頻雙基地台HSPA(Dual Frequency Dual Cell HSPA, DFDC-HSPA)可經由排程兩個不同頻率載波的兩個不同區域，傳送兩個獨立傳輸區塊至行動裝置上，並藉此來強化頻率域和空間域。在擁有DC-HSPA功能的使用者行動裝置上，則等於在兩個頻率載波中各擁有獨立基地台。如圖3所示，UE1為DC-HSPA模式，UE2為DFDC-HSPA模式。

圖3　DFDC-HSPA模式示意圖

雙頻四基地台HSPA模式順勢起

雙頻四基地台HSPA可視為DFDC-HSPA的必然延伸，適用具四個接收鏈網路的行動裝置。DF4C-HSPA可排程從兩個不同頻率載波上的兩個不同區域，傳送四個獨立傳輸區塊至使用者裝置，藉此使用四個接收鏈。圖4顯示DF4C-HSPA技術。

圖4　DF4C-HSPA模式示意圖

比照SFDC-HSPA、DFDC-HSPA和DF4C-HSPA也可以於基地台內(Intra-NodeB)或基地台間(Inter-NodeB)，對傳輸佇列管理、Iub流量控制和RLC層產生影響。

區域切換模式視TTI選擇使用者裝置

在區域切換模式中，資料只會傳送到主要或次要基地台兩者中其中一個的使用者裝置。基地台的選擇端視傳輸時間間隔(TTI)CQI值及區域的負載狀況。區域切換也可以同時在Inter-NodeB和Intra-NodeB兩種模式下運作。在Inter-NodeB模式，NodeB間必須維持緊密的同步作業。

提升基地台邊緣效能/修正負載失衡

以下將談到HSPA多點傳輸技術可帶來的優點部分，其包含可提升基地台邊緣地區效能(Cell Edge Performance Improvement)及可於不同區域和頻率載波間維持負載平衡此兩大優勢，並說明遠端無線射頻單元(RRU)技術所對部署多驅域站點所提供的彈性輔助。

網路營運商普遍均將基地台邊緣地區的使用者經驗視為有待解決的問題。然而隨同時存在多種網路部署的異質網路日益進步，基地台邊緣與多個網路重覆涵蓋區域在面積和數量上都將漸增，也使上述提及問題加劇，卻也提供利用多點傳輸改善效能的機會。

多點HSPA讓使用者同時自兩個不同基地台接收資料，使位於基地台邊緣的使用者獲得更高效能。此概念類似Release 99的下行鏈路軟換手/ 較軟換手(Soft/Softer Handover, SHO)，但差別在於，多點HSPA是從兩個基地台接收兩個獨立資料流，而SHO的兩個基地台則傳送相同的資訊。

圖5　多點HSPA資料速率改善

圖5顯示使用者裝置使用SFDC-HSPA後，相對平均突發資料傳輸速率已見改善。將一台使用者裝置在每次為時110秒的模擬運作中隨機放入基地台覆蓋範圍，並從多次運作中求得平均值。表1為模擬時的設定。

啟用Inter-NodeB模式時，如基地台邊緣地區的低幾何使用者的預估平均改善率為30～50%，當只啟用Intra-NodeB模式則可達到15%。Inter-NodeB模式的高效益來自軟換手區的使用人數顯著高於較軟換手區的使用人數。據此可推斷，Inter-NodeB對多點HSPA技術的發展至關重要。

維持不同區域和頻率載波間的負載平衡

圖6　負載不平衡網路內暴量速率CDF

在標準部署中，網路內會有不規則的負載分布，常鄰近基地台出現顯著的負載失衡。透過多點HSPA，位於負載不平衡、軟換手/較軟換手區的使用者裝置可利用來自輕負載量基地台的可用資源，而提升資料處理量。

圖6顯示多點HSPA對基地台內使用者暴量速率的累積分布。此模擬設定(表1)，是在含五十七個基地台網路叢集中使用三個中央基地台之一。這三個中央基地台負載二十四位啟用服務使用者，基地台對應傳輸時間間隔使用率約為80%，鄰近基地台因只有八位使用者而具寬裕容量。圖6顯示，負載基地台內多數使用者可從多點HSPA流量卸載功能獲益。此外，資料速率較低的很可能是基地台邊緣使用者，其可獲得較多優勢。如使用多點HSPA的使用者只有不到5%會發生2Mbit/s以下的暴量速率，而未使用多點HSPA的使用者的暴量速率則為20%。

圖7顯示中央基地台和鄰近基地台的傳輸時間間隔利用率變動。在此例中，由於中央基地台能夠卸載流量，並展現多點HSPA負載平衡優點，當核心基地台使用者裝置數量為二十四台時，TTI利用率為80%，而鄰近基地台的TTI利用率則為10%以上。

圖7　多點HSPA對負載平衡的影響

而除了同一頻率載波鄰近基地台有負載不平衡的情況外，不同頻率載波也會發生不平衡。與單頻情況類似，雙頻多點HSPA也可平衡不同頻率載波的負載量。

運用遠端射頻頭端設備和分散式NodeB技術

遠端無線射頻單元技術(RRU)近來極受歡迎，因其能讓網路業者更有效運用預算部署多區域站點，同時在基地台站點設計上擁有更高彈性，以達成複雜的涵蓋目標。RRU技術可與多點HSPA相輔相成，因為它能讓站點擁有更多的區域和更大的軟換手地區，適用於Intra-NodeB模式下的HSPA運作。

SDDC-HSPA設計考量

為簡單起見，接下來將說明SFDC-HSPA的設計考量，其中的概念也可延伸至雙頻多點HSPA。

Intra-NodeB模式強化網路較少

多點HSPA Intra-NodeB模式下，所有下行鏈路傳輸由同一NodeB控制，其只需一個傳輸佇列，同時NodeB和使用者裝置分別只需一個MAC-ehs。HARQ使每一資料流間均具相同時間。NodeB的新需求於排程資料使其傳送至橫跨兩個基地台的使用者裝置。使用者裝置端須處理同時來自兩個基地台HSPA傳輸時所相對應需求。如前述，具3GPP第八版(3GPP Release 8)以上多重接收鏈的進階使用者裝置可能已擁有多重接收鏈。RNC的新需求在於開/關多點HSPA作業和透過無線電資源控制(RRC)訊號處理使用者裝置行動力。亦即多點HSPA的Intra-NodeB模式對網路和使用者裝置所需強化較少。此外，使用者裝置須擁有3i類型功能接收器。

Inter-NodeB模式縮短HARQ處理時間

在多點HSPA Inter-NodeB模式下，尚有其他問題。首先，每個NodeB會有一個獨立傳輸佇列和MAC-ehs，如圖8所示。RNC須將下行鏈路資料流分成兩個獨立MAC-ehs流量，此一步驟稱為多重連結RLC(ML-RLC)。由於RNC透過不同流量傳送封包會產生不同延遲時間，故使用者裝置可能無法照順序接收RLC封包，也無法依順序傳送RLC確認。

圖8　Inter-NodeB多點HSPA的設計考量

RNC須執行進階RLC，以區分真實封包遺失確認及因RLC封包傳送順序錯誤而遺失的確認，此程序為時滯管理(Skew Management)。而NodeB和RNC間Iub Interface須執行進階流量控制及進階NodeB緩衝區管理，使流量間封包延遲差異降到最低，同時最佳化每個NodeB傳輸時間間隔利用率，不使NodeB利用率不足。進階流量控制應以即時傳輸佇列狀態、可達成HDSPA傳輸資料速率和基地台負載狀況為依據。其功能強化僅限NodeB和RNC的上層軟體升級。

使用者裝置端除同時接收來自兩個基地台區域的HSPA傳輸需求外，Inter-NodeB模式處理HARQ確認時，還可能產生額外需求。因不同NodeB間未同步下行鏈路傳輸，而上行鏈路HARQ確認會在使用者裝置進行配對，同步傳輸時間與主要服務基地台。此便縮短產生上行鏈路HARQ ACK/錯誤訊息(NACK)至兩個NodeB之一時的處理時間。目前允許處理時間為7.5毫秒，平均可縮至6毫秒，最糟也可到4.5毫秒。對上述問題，可選擇讓NodeB吸收HARQ ACK/NACK處理時產生的3毫秒時間。便可使NodeB在判斷是否須要傳送新資料或重新傳送舊資料的判斷時間從4.5毫秒縮短至最多1.5毫秒。

此外，這個負擔也可由使用者裝置和NodeB同時分擔。但不論在何種狀況下，時間同步資訊都必須由RNC傳送到使用者裝置和相關的NodeB。

多點HSPA可改善基地台邊緣使用者效能，並解決鄰近基地台負載失衡問題。運用行動裝置中相容第八版以上的進階接收器技術可達目的，而多點HSPA對網路端的系統影響，主要僅限影響上層軟體升級，如RLC和RRC。

(本文作者為高通技術行銷部資深經理)