原创 HSDPA的下一步、下下一步是......

導言：行動通訊從2G到3G，過程中還歷經了GPRS、EDGE等數據服務的強化、提升。同樣的，從3G到4G也不是一蹴可及，過程中一樣要經過多次的改善、演進，才能正式進入4G世代，而HSDPA正是3G至4G間的一項歷程，然這只是第一個歷程，而非最後一個歷程。依據規劃，接下來的還會有諸多階段的強化提升……

前言：許多人都知道WCDMA是3G，HSDPA是3.5G，也知道未來會有4G，但是各位可知道：在3.5G到4G之間，依然有諸多的技術提升規劃，除了伴隨HSDPA所經常聽到的HSUPA外，還有HSPA+、HSOPA、LTE等等，這些更先進的技術提案的實現步驟為何？為何朝這些方面改善？背後的動機與用意為何？在未來正式官方標準中所處的位置為何？本文以下將針對這些議題進行更多的討論。

•HSUPA

緊接在HSDPA之後的是HSUPA，HSUPA的全稱為High-Speed Uplink Packet Access（高速上行封包存取），很明顯是與HSDPA對稱的強化設計，HSDPA是強化原有3G（WCDMA）的下行傳輸速率，而HSUPA則是強化上行傳輸速率，按理HSDPA與HSDPA應當同時登場，不過依據應用與市場的需要，提升下行速率的重要性優先於上行，所以先推出HSDPA，之後再提出HSUPA，HSUPA也俗稱3.75G。

在原有的WCDMA上，上行速率只有384kbps，而增入了HSUPA後上行速率最高可以到5.76Mbps。且從3GPP（3rd Generation Partnership Project）的官方正式標準來看，WCDMA為1999年發佈的3GPP R99（附註1）與2000年發佈的3GPP R4（附註2），而HSDPA則為2002年發佈的3GPP R5，至於HSUPA則是2004年發佈的3GPP R6。

要注意的是，3GPP R5標準並非完全只在訂立HSDPA的技術規範，其中也開始引入IP多媒體子系統（IP Multimedia Subsystem；IMS），只是在市場行銷推展上HSDPA是更顯要的重點。同樣的，3GPP R6標準中也不光是只有HSUPA，雖然HSUPA是R6中的關鍵提升，但除此之外還有其他相關提升，包括：整合WLAN網路的運作，增加多媒體廣播多播服務（Multimedia Broadcast Multicast Service；MBMS）、將原有IMS進行強化，例如增加了PoC（Push to Talk over Cellular）、GAN（Generic Access Network）等等新功效機制。

圖說：從2G到3G的技術規劃進程圖，由圖中可知：HSDPA是繼WCDMA（R99版）之後的一次重大技術提昇。（資料來源：www.qualcomm.com）

至此，各位可能會有另一個疑惑：HSDPA將下行提升到14.4Mbps，但HSUPA只將上行提升到5.6Mbps，如此依然是不對稱的上下行速率不是？對此答案是肯定的，無論就技術或應用而言，都不容易、也不必要達成上下完全對稱一致的設計。

除了理論極限速率不同之外，HSUPA與HSDPA間還有其他的不同嗎？答案一樣是肯定，HSDPA的多種加快下行速率的手法中，有一種是採行新的調變方式（對WCDMA系統而言是新的，過去未曾有過的），即是使用16QAM（Quadrature Amplitude Modulation）調變，相對的HSUPA並沒有使用此一新調變手法，依舊是用過去WCDMA原有的調變方式：QPSK（Quadrature phase-shift keying）。

也因為依舊只使用QPSK調變，不像HSDPA可以選擇用過去的QPSK或新增入的16QAM，所以HSUPA也就沒有「可自我因應、適應的調變與編碼機制」（Adaptive Modulation and Coding；AMC）（附註3），因為沒有其他調變方式可選，自然不用因應調整。

此外，HSDPA的傳輸時間間隔（Transmission Time Interval；TTI）為2mS（毫秒），HSUPA一般為10mS，但也可選用2mS。傳輸通道的類型上HSDPA屬於共享式（Shared），HSUPA則是專屬式（Dedicated）。再者，HSDPA的分組排程以容量分配為主，HSUPA則是以功率控制為主；HSDPA在下行時不支援軟性換手，但HSUPA的上行則支援軟性換手。

除了差別外，事實上HSDPA與HSUPA也有許多共通點，否則在技術命名時也不會如此對稱，HSDPA與HSUPA都使用新建立的通道來傳輸，而不是使用原有WCDMA的通道，同時兩者也都支援HARQ（Hybrid Automatic Repeat-reQuest）。

圖說：HSUPA的協定架構圖。（資料來源：www.nec-mobilesolutions.com）

•HSPA+

在HSDPA、HSUPA之後的是HSPA+，或寫成HSPA Plus，同時也有人稱為HSPA Evolved，所謂HSPA+即是原有HSPA的加強版，而HSPA正是同時指HSDPA與HSUPA，預估HSPA+將列入官方正式標準的3GPP R7中，3GPP R7的技術規格標準預計今（2007）年就會正式頒布。

就目前而言HSPA+的具體提升內容並不詳確，不過最受人重視的依舊是速率方面的表現，HSPA預計會再次將上下行的速率再次提升，下行增至28Mbps，下行增至11Mbps，等於將原有HSPA的速率進行倍增。

同樣的，3GPP的官方標準不可能只納入HSPA+一項新技術，與HSPA+一同納入3GPP R7的技術推測將有：天線陣列（Antenna Array）、Beamforming、多進多出（Multiple-input multiple-output communications；MIMO）。

值得注意的是，HSDPA現階段的理論極速：14.4Mbps也不是最終目標，而只是第一階段（Phase 1）的目標，下一階段預計把下行速率增至42Mbps，此一規劃很可能列入HSPA+中實現，然42Mbps又比HSPA+設定的28Mbps高出甚多，此一預期能否達成仍多所疑問。

圖說：圖中為EDGE、WCDMA、HSDPA三種技術的傳輸成本比較表，以每1MB的資料容量為單位基準的歐元成本比較。（資料來源：www.qualcomm.com）

•HSOPA

在HSPA+之後的將是HSOPA，全稱為High-Speed OFDM Packet Access，顧名思義這將是3G系統首次採用正交分頻多工（Orthogonal frequency-division multiplexing；OFDM）調變技術，此外HSOPA也被人稱為Super 3G，HSOPA將是升級至3GPP LTE過程中的一個部分。也因為使用OFDM調變，等於將「空中介面系統，Air Interface System」完全翻新，原有的空中介面系統將無法再相容延續，採行HSOPA預計須大幅更替、換新原有的3G系統設備。

HSOPA的原初提案者是北方電訊（Nortel），除了運用OFDM技術外也會使用R6階段就導入的MIMO，讓3G基地台系統可擴增10倍以上的用戶服務數，並在因應每一個用戶端服務的功耗成本將更低，且預估相同的5MHz通道內能夠有37Mbps的下行傳輸率。

HSOPA與之前的3G系統相比（也含HSDPA、HSUPA等），在頻寬的調配上更具彈性，原有的頻寬固定為5MHz，新的HSOPA則允許1.25MHz∼20MHz間的縮放調整，在頻寬利用率上要比3GPP R6好上2∼4倍，同時尖峰的下行速率將達100Mbps，上行則達50Mbps。

再者，傳輸延遲（Latency）的時間也縮短，從RAN到終端用戶間的時間約20mS，此表現與同時使用HSPDA、HSUPA的系統相近，但卻大大超越最原初的WCDMA（不具備HSDPA、HSUPA）。也因為自HSOPA開始速率又再次大幅拉升，使得前端應用層面也開始有更高層次的主張，在Triple Play之後改提倡Quadruple Play，即是除了原有的Voice、Data、Video外，再加上高速互動性的應用程式，更簡單地說即是跳脫過去純傳輸資料的工作，也開始用充沛的頻寬支援分散式、網路式執行的應用程式。

•3GPP LTE

在HSOPA之後的就是3GPP LTE，LTE的全稱為Long Term Evolution（長時間演化、長期改進），是進入4G前的最後一個階段，也等於是3G的最末尾一次的技術提升。要提醒的是，，3GPP LTE只是一個俗稱，並非正式的稱呼，3GPP LTE的技術提案預計會列入3GPP R8正式標準中。

就目前所知，3GPP LTE會強化無線頻譜資源的利用率，在每20MHz的頻寬內可以達到100Mbps的下行傳輸速率，以及50Mbps的上行傳輸速率，並且在每5MHz的頻寬內可以同時服務達200個通話使用者。在小型IP封包的傳輸上其傳輸延遲能低於5mS，言下之意是加速傳輸的反應速度。

同樣的，3GPP LTE與之前談論的HSOPA一樣，講究頻譜資源的運用、調度彈性，每個通道允許1.25MHz∼20MHz不等的調整縮放。另外，基地台方面將針對5公里、30公里等覆蓋距離進行最佳化，並最遠可以達100公里的覆蓋距離，在100公里的距離內仍然能夠有可以接受的傳輸速率。進一步的，3GPP LTE也會強化與過往系統（即是指GSM、GPRS、WCDMA等等）的共存並用性。

除這些外，3GPP LTE將是一個完全以IP方式運作的無線行動網路，此稱之為「All IP Network；AIPN」，不像現有的3G系統是在交換式線路運作外再部分加搭IP式網路來提供數據、多媒體服務。此外在空中介面方面也換新，預計3GPP R8會改用E-UTRA（Evolved UTRA，UTRA為UMTS Terrestrial Radio Access），原有的3G則是用UTRA，同時也如HSOPA般使用OFDM調變，包括下行部分可以使用QPSK、16QAM、64QAM等調變方式，上行則允許使用QPSK與16QAM，這些都比HSDPA、HSUPA更為進步。

圖說：行動通信技術的演進示意圖，愈往上端則頻譜運用效率就愈高，同時傳輸率更高的結果也帶動各種新應用的實現。（資料來源：www.qualcomm.com）

•3.xG與Mobile WiMAX兩者更接近

至此，相信各位已可明顯感受到：3.xG與Mobile WiMAX間的濃濃火藥味，WiMAX早在2004年標準（IEEE 802.11d）就納入OFDM，並完全取代更早先的WiMAX標準（IEEE 802.11a），這使得3G必須在HSDPA、HSUPA、HSPA+之後也開始引進OFDM。同樣的，WiMAX開始將MIMO納入選用功效後，也同樣逼迫3G加速納用MIMO技術。

除此之外，WiMAX是資訊陣營發起的標準，一起頭就採行完全IP化的運作，3G為了競爭，同時也為了強化數據與多媒體方面的服務，在後端架構中逐漸納入IP運作，但主體與前端仍是傳統電信的交換式網路，如此也使3G必須往全面IP化的方向演化。

所以，「OFDM調變、MIMO組態、全IP化運作」等是3G與WiMAX所一致發展的方向，也是強化無線通訊的不二法門，目前來看似乎WiMAX的技術較為領先，然而3G卻有市場先佔優勢，不過各位也認為3G與WiMAX技術先進，事實上早在Wi-Fi的IEEE 802.11a就已經用上OFDM，如今各種新技術只是相同手法的再精進而已。同樣的，MIMO也在PHS系統上早有運用，如今新的Wi-Fi（IEEE 802.1n）也採用，然後WiMAX、3G也採用。

因此，3.xG與Mobile WiMAX之間的競賽其實是時間的競賽，誰能在時間內達到更優異的技術表現、更低廉的建置成本、營運成本、更大的市場規模，誰就能勝出。

圖說：HSUPA效益示意圖，縱軸RoT指的是Rise-over-Thermal，指基地台（Node-B）運作時的熱增量，橫軸則是行動通訊服務的負載（LOAD）量。（資料來源：www.qualcomm.com）

附註1：R為「Release」之意，部分文章也將R99寫成Rel99，R4寫成Rel4，縮寫方式雖不同但意義一致。

附註2：原本的3GPP標準是以西元年份的尾數來命名，如3GPP R99（1999年）以及3GPP R2000（2000年），但之後改以單純的阿拉伯數字，所以3GPP R2000就改成3GPP R4。

附註3：也有人稱為Link adaptation。