高速下鏈路封包進接(High Speed Downlink Packet Access)簡稱為HSDPA，是為W-CDMA中附加的新技術，它能提供高速的下鏈路數據服務速率與較多基地台的容量...
高速下鏈路封包進接(High Speed Downlink Packet Access)簡稱為HSDPA，是為W-CDMA中附加的新技術，它能提供高速的下鏈路數據服務速率與較多基地台的容量。利用HSDPA，讓現今似乎是受限於384Kbps傳輸率的W-CDMA系統，將能改變且前進至所謂的3.5代所需的性能。本文將為各位分析HSDPA技術的特性與架構。
3GPP將HSDPA的技術併入W-CDMA發行版Release5規格中，這對於從R99延續下來的射頻架構是個重大的改變。目前設計與測試工程師必須考慮新的HSDPA通道編碼與實體層參數動態的特性。先進的技術例如適應性的調變與編碼(adaptive modulation and coding，AMC)，與混合式的自動重發請求(hybrid automatic-repeat-request，HARQ)等，適時地針對瞬間通道品質的變動做調整，利用修改這些參數，使其達成增加頻譜使用效率與資料傳輸流量(throughput)的目的。
正當各種無線通訊技術追求頻寬的增加，W-CDMA看起來像是遭遇絆腳石，根據3GPP所定義的第三代行動通訊UMTS系統無線介面來看，W-CDMA技術理論上能提供最大數據傳輸率到2.4Mbps。然而在實際的網路，據報導平均資料流量大概還不超過384Kbps。因此，3GPP發行的W-CDMA Release5規格增加了高速下鏈路封包進接(HSDPA)技術，讓W-CDMA系統在頻寬封包資料的應用更有效率。對於升級至HSDPA的W-CDMA網路，將支援下鏈路數據傳輸率超過2Mbps以上，且最大可達14Mbps。由於新技術向下容於3GPP發行版R99的規格，因此開發在R99的W-CDMA語音與數據應用仍然可使用於升級後的網路，且同樣現有的無線通道亦同時支援於W-CDMA與HSDPA的服務。
雖然業界針對最終HSDPA性能的預測各有不同，一般來說，一致認為HSDPA將會增加5倍的W-CDMA下鏈路傳輸速度、2倍的網路容量，且在網路支援更多的用戶。經由這些在數據服務的重大改進，W-CDMA系統將能轉動巨輪前進至3.5G，利用這些最新的行動通訊技術以加強其性能。
W-CDMA的手機用戶將會是推動HSDPA快速發展的重要推手，以便能與以1xEV-DO及1xEV-DV為基礎的對手競爭。這表示設計與測試工程師必須對於通道編碼的改變，與使用於HSDPA的實體層參數及動態特性的技術，有徹底的了解。
為了改善W-CDMA系統的性能，HSDPA在無線介面端做了些許的改變，而主要的改變為實體層與傳輸層(transport layers)這兩部分：
‧較短的無線碼框長度。
‧新的高速下鏈路通道。
‧除了原先在W-CDMA使用的QPSK調變外，另使用16QAM的調變。
‧碼的多重進接結合時間多重進接。
‧新的上鏈路控制通道。
‧使用適應性調變與編碼(AMC)技術能達到快速的鏈路可適性。
‧使用混合式的自動重發請求(HARQ)技術。
‧媒介存取控制層(MAC)排程的功能將從無線網路控制器端移至Node-B來負責。
HSDPA的無線碼框長度為2ms，相當於在W-CDMA中一個子碼框(sub-frame)的結構，亦同等於3個W-CDMA時槽長度，因此一個10ms的W-CDMA碼框包含了5個HSDPA的子碼框，如圖1所示。用戶傳送的資料能在短暫期間內被分配至一個或多個實體通道，因此讓網路能重新調整來分配時間上的資源，就像是分配碼的資源一樣。
HSDPA使用新的實體通道與傳輸通道，其中在下鏈路增加2個實體通道：一為高速實體下鏈路分享通道(High Speed Physical Downlink Shared Channel，HS-PDSCH)，主要為載送用戶的數據傳輸資料；另一個為高速分享控制通道(High Speed Shared Control Channel，HS-SCCH)，負責載送UE識別資料和與HS-PDSCH相關的控制參數。另外還增加新的高速下鏈路分享通道(High Speed Downlink Shared Channel，HS-DSCH)。HSDPA增加了一上鏈路實體通道：高速專屬實體控制通道(High Speed Dedicated Physical Control Channel，HS-DPCCH)，其為負責載送HARQ確認(ACK)與通道品質指標(Channel Quality Indicator，CQI)訊息。
經由這些新增的功能，第二層通訊協定(MAC層)能對應既有的邏輯通道(DCCH與DTCH)，而第一層依次對應HS-DSCH傳輸層至一個或多個HS-PDSCH實體通道(最多數目為15個)。然後實體層產生HS-SCCH與HS-DPCCH通道作為控制與協助HS-DSCH通道的傳送。
HS-DSCH通道是由W-CDMA的Release99規格中，下鏈路分享通道(Downlink Shared Channel，DSCH)演變而來，其特性為利用不同時間傳送不同用戶的數據資料。
為了獲得較高的資料傳輸率與較佳的頻譜效率，先前的快速功率控制與DSCH的可變展頻因子技術，在Release5中被較短的封包長度、使用多重碼與相關技術，例如HS-DSCH的適應性調變與編碼(AMC)，與混合式的自動重發請求(HARQ)技術所取代。HS-DSCH編碼框架如圖2所示，通道編碼使用的是1/3速率(它指的是每一個位元進入編碼器，將有三個位元的輸出)，基於3GPP發行版Release99的資料來看，其使用的為渦輪碼(Turbo Encoder)。然而，實際的編碼速率將取決於使用在兩個階段速率匹配程序的參數而變動。
在編碼的過程中，通道編碼器輸出的位元數目相當於HS-DSCH對應在HS-PDSCH集合總位元的數目。HARQ的功能被RV(redundancy version)參數所控制。精確的輸出位元集合為依據輸入位元的數目、輸出位元的數目與RV參數。當須使用超過一個以上的HS-PDSCH通道時，實體通道分割會從不同的實體通道中切割數個位元。HSDPA除了使用同樣在原先W-CDMA系統的QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)的調變技術外，當通訊環境較佳時，亦可能使用16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)的調變。星狀(Constellation)格式的重新排列唯有使用在16QAM的調變下，也就是當在一個符碼的4個位元中，若其中2個位元的誤差機率高於另兩2個位元，利用重新傳送技術來進行重新排列，經由重新傳送後的組合，來達到將誤差機率分散於所有位元中，以降低整體平均的誤差機率。
圖3為HS-DSCH通道編碼的例子，其中的編碼相當於一個固定參考通道(FRC H-Set4)，其為使用在UE接收機的測試通道。第一階段的速率匹配為將一些輸入位元配置於實際的遞增多餘量(Incremental Redundancy IR)緩衝器；第二階段的速率匹配為在傳輸時間區間(Transmission Time Interval，TTI)，將最後的一些位元配置在一些可用於HS-PDSCH集合的實體層位元，這階段由RV的參數負責控制。
HS-PDSCH的數目(以圖3為例，數目為5)與調變格式來決定經RV選擇後實體通道位元的數目(QPSK調變為960位元x5=4800位元)。渦輪碼編碼速率固定1/3為速率，但實際的編碼速率須結合渦輪碼與速率匹配後的結果計算出來。假若傳輸層框架大小、HS-PDSCH的數目與調變格式為已知的話，則針對任一HS-DSCH結構，其實際的編碼速率必能被計算出來。在這個例子中，實際的編碼速率為0.67或(3202+24)位元/(960位元x5)。
圖4說明了HS-SCCH通道的結構，第一個時槽載送HS-PDSCH接收所需的關鍵資訊，例如碼通道集合與調變方式。經由接收第一個時槽後，UE正好有一個時槽的時間來做訊息的解碼，並準備接收HD-PDSCH通道的訊息。
對應至單一HS-DSCH的HS-PDSCH通道(或碼通道)，其數目為1至15個中動態的調整，並使用正交可變展頻因子(Orthogonal variable spreading factor，OVSF)編碼。對於HS-PDSCH使用的多重碼的數目與對應的偏移(Offset)資訊將傳送在HS-SCCH通道。多重碼(P)在偏移(O)時其配置如下：Cch，16，O…Cch，16，O+P-1。
第二與第三時槽載送HS-DSCH通道編碼資訊，例如傳輸框架大小、HARQ資訊、RV、星狀格式與新資料指標器。三個時槽的資料涵蓋用戶端16位元的識別資料。
HS-DPCCH為載送有關於下鏈路HS-DSCH傳輸的上鏈路回授信令訊息，這個信令訊息由HARQ確認(HARQ-ACK)與通道品質指標(CQI)所構成。如圖5所示，每個2ms的子碼框，像是下鏈路實體通道的架構，包含3個時槽，每個時槽有2560個chips。HARQ-ACK資訊被載送在HS-DPCCH子碼框中的第一個時槽，而通道品質指標則在第二與第三時槽。
每一個無線鏈路至少包含一個HS-DPCCH通道，而HS-DPCCH通道只出現在當W-CDMA上鏈路的DPCCH存在時。HARQ-ACK與CQI編碼分別有不同的編碼方式，HARQ-ACK訊息(佔1位元)將被編碼成10個位元，ACK用1表示，而NACK用0表示。CQI訊息則使用(20，5)的編碼器來編碼，編碼的位元會直接對應至HS-DPCCH。CQI的回授迴圈可被當作是預先設定好的網路參數，從2ms至無限長(disabled)。注意一個現行的HS-DPCCH通道，可能會沒有HARQ-ACK或CQI訊息的時槽在傳送。因此HS-DPCCH有可能是個突波式(Bursted)的通道。
連結適應(Link adaptation，LA)是一個在HSDPA中改善流量的重要技術，當每一個用戶訊息傳送時，適應性調變與編碼(AMC)使用的技術將系統的調變編碼方式，與平均通道環境的狀況相配。
在每個子碼框區間，其傳輸訊號的功率會維持固定大小，且調變與編碼格式會配合既有接收信號品質或通道狀況而改變。在這種方式下，接近基地台的用戶通常會被指配較高階的調變與較高的編碼速率(例如使用實際編碼速率為0.89的16QAM)，但是隨著距離基地台越遠，調變格式的階數與編碼速率則將降低。如同先前所提到的，在1/3速率的渦輪碼下，使用不同速率匹配的參數，可得到不同實際的編碼率。
在HSDPA，UE經由上鏈路HS-DPCCH通道的CQI欄位，向基地台回報通道的狀況。CQI的值從0到30，其中0表示超出範圍。每個CQI的值相當於某種傳輸碼框大小、HS-PDSCH的數量與針對某個UE類別的調變格式。基地台將這些參數與其他參數結合使用，以決定合適的傳輸格式(Transport Format，TF)與有效的編碼速率。例如，最大的傳輸框架大小為27952位元，相當於在最高的資料速率13.976Mbps時(27952bits/2ms= 13.976Mbps)，而這種資料速率使用的調變為16QAM(其有效的編碼速率為0.9714)與15個HS-PDSCH通道。在圖6中，碼域的畫面顯示15組使用16QAM調變的星狀圖，其中上方HS-PDSCH的碼域圖顯示大多的細胞容量被高資料速率的HS-DSCH所消耗。
混合式的自動重發請求(Hybrid ARQ，HARQ)為一個結合順向錯誤更正(Feed-forward Error Correction，FEC)與自動重發請求(ARQ)的技術，利用保留先前傳輸失敗的資訊使用於後續的解碼。而相對於AMC為使用在明確已知的C/I，或利用近似於量測來設定調變與編碼格式，HARQ經使用連結層確認(ACK/NACK)來作為重新傳送的判定。從另一個觀點來看，AMC提供概略的資料速率選擇，而HARQ的技術則依據通道狀況的精細資料，再作速率的調整。
針對重新傳送，HARQ使用相同的傳輸框架集合，也就是相同的資訊位元，作為使用於最初的傳輸；當然也可以使用不同的調變格式、碼通道集合或發射功率。由於可用於重傳的通道位元數目，可能與最初傳送時有所不同(所謂的通道位元為實際被傳送在空中的位元)；即使通道位元的數目相同，但通道位元集合亦可能不相同。
為了降低額外請求重傳的次數，HARQ使用2個軟性結合(soft-combining)方式中的一個，以確保適當的訊息被解碼。Chase combining(CC)，意味著傳送個別有被偵測錯誤版本的封包，然後接收到其所有副本並在解碼器前將其先結合後再作解碼。遞增多餘量(Incremental Redundancy，IR)的使用意味著遞增地送出不同集合的位元然後結合原先的位元集合，如此不但增加了多餘量位元的數目，也因此增加了恢復經由空中傳輸而造成錯誤的可能性。圖7說明了IR的方案是如何來實現，為了簡化起見，假設IR的緩衝器容量大小為每次處理10位元且只能單次處理，經由原始資料(4位元)加上CRC碼後，其相當於資料框架，接下來將資料使用1/3的編碼速率作編碼，然後使用穿鑿(Puncture)來達到第一階段的速率匹配。在這個階段，輸出位元的數量會相當於IR緩衝器的大小，以這個例子來說為10位元。
第二階段的速率匹配(多餘量格式的選擇)會將資料再次做穿鑿，資料能被穿鑿成不同的資料集合，每一個集合相當於一個不同的RV。
5個位元(RV=0)被傳送在空中，導致實際的傳輸率為4/5。也就是每一個原始資料位元在空中傳輸的位元數為1+1/4個。當資料到達用戶端並解調後加上無效的位元，接下來送入IR的緩衝器。然後將帶有一些誤差機率的資料經由解調得到4個位元，這個框架使用CRC作為錯誤檢查，假若發現錯誤，將會儲存且送出NACK以便請求重新傳送。
當重傳已被執行，它使用不同的RV或穿鑿方案，且在空中傳送5個位元(RV=2)。在用戶端，此5個位元和原先傳送的5個位元重組後，提供實際的編碼速率為2/5。現在對於每個資料位元有2 1/2位元可用於解碼，因此可增加成功解碼的機率。然而，當這些結合後的位元經由CRC檢驗後，假若仍有錯誤，則需再次進行重送的動作。
還有另一個RV或穿鑿方案正使用著，RV=5的位元傳送在空中，並在用戶端將第一次與第二次傳送的位元與其重組。注意新的RV提供額外的多餘資料，即使有一些或所有編碼位元是為先前傳送的重複編碼位元。經由第三次傳送，實際的編碼速率變成4/15；針對每個資料位元將有3+3/4位元。最後假若資料被成功解調，則ACK訊息被送回。假若框架仍有誤差，NACK訊息將會被傳送且仍有更多的RV會被傳送，這個動作取決於一個框架所允許最大傳送的數目。至於在16QAM調變格式，不同的RV可能不只是穿鑿的方式不同，而且使用不同的星狀格式或重新整理方式。
HSDPA系統並不會重送資料碼框，一直到收到一個針對資料的NACK訊息，而為了不浪費時間在傳送資料框架與接收ACK與NACK的回應，導致降低或消耗流量，因此多個獨立的混合式自動重發請求(Hybrid ARQ)程序能同時平行執行。
5個子碼框需接收ACK/NACK針對傳送的資料框架，因為ACK/NACK為讓資料傳送在特定程序能延續，針對單一HARQ程序，在傳輸時間區間(TTI)須至少為6。同時進行的6個HARQ程序將完整滿足每個資料子碼框對指定的用戶端設備。
用戶端設備必須支援一最小的TTI間的區間，若能夠在每一個子碼框做接收，則其值為1；當能夠在每2個子碼框做接收，其值為2；當能夠在每3個子碼框做接收，其值為3。而它們能支援的最低區間值取決於HS-DSCH的類型，其描述於圖8中，其中在類型11與12的UE只支援QPSK調變。
除了通道編碼與實體層、傳輸層的改變外，HSDPA做了另一個改變以支援快速封包傳輸。它將網路控制器中封包的排程功能重新調整在基地台(Node B)的MAC層。
封包排程運算法考慮到無線通道的狀況(基於來自所有UE的CQI值)與傳送給不同用戶資料的數量。經歷最佳的通道狀況的用戶端設備，其流量增益能達到最大，但顯然在排程中，某些程度的公平性是必要的。因此，還有其他因素是排程運算法須考慮到的，例如服務品質(QoS)，實際的流量亦將基於使用的封包排程運算法。
在HSDPA中，排程、調變格式與編碼適應及HARQ的重傳是非常快速，原因是為了和空中介面更緊密地結合，另外就是使用短的碼框長度。快速的排程使得網路能追蹤快速的通道特性變動。
HSDPA技術併入在W-CDMA發行版Release5，以增加資料流量與改善下鏈路數據話務的頻譜使用效率。在HSDPA中談論到的主要改變為新的高速資料通道、分時多工與分碼多工的結合、使用適應性調變與編碼技術與混合式的自動重發請求技術，並重新調整MAC層排程的功能至Node-B。經由完全地了解這些改變，設計與測試工程師能開始成功地實現HSDPA在網路與用戶端設備(UE)。在發行版Release6中重要的功能，鎖定在針對無線介面中，增加增強的上鏈路專屬通道(Enhanced Uplink for Dedicated CHannels，EUDCH)。這個通道使用相似於HSDPA的技術來改善涵蓋，並增加傳輸流量以降低上鏈路延遲。而在發行版Release7中，將可能增加多重輸入與多重輸出(multiple input multiple output，MIMO)天線，以支援較高速數據率並考慮增強HSDPA技術。