高速下行分组接入的接收端设计挑战分析

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高速下行分组接入的接收端设计挑战分析 [复制链接]

高速下行分组接入(HSDPA)能提供比通用移动通信系统(UMTS)更高的速率，但要求更强的处理能力、更大存储容量和高阶调制等新的性能，这些要求对接收端的设计带来挑战。本文分析了这些技术挑战，并提出了采用均衡器、双天线等解决思路。

许多有关HSDPA的讨论都集中于这样一个事实，即HSDPA可与传统的UMTS业务共存于相同的无线网络中。这使运营商能够对网络进行逐步升级，从而尽可能减少用于改善基础设施的投资，降低传输每比特业务的成本。尽管许多人都强调这种技术能为运营商带来好处，包括从原有的UMTS顺利过渡、更有效地利用现有设备以及更高的投资回报，但无线技术开发商却很少谈到它对手机设计的影响。

事实上，这种技术给手机设计带来了挑战，如果能够有效解决这些挑战的话，将为消费者提供3G的性能，使数据传输速率达到14.4Mbps，大大超过目前UMTS所能提供的速度。

在权衡HSDPA手机设计所面临的挑战时，有两点需要考虑。其中最重要的一点是，该协议是第三代合作伙伴计划(3GPP)规范的进一步扩展，而不是一种全新的技术。这种技术通过扩展在UMTS标准里已经建立的技术来取得速度上的优势。它将关键的数据处理从无线电网络控制器转移到节点B(基站)，使数据处理与空中接口更靠近，从而实现更高的系统吞吐量并改善服务质量。

由于HSDPA建立在3GPP规范基础之上，因此手机OEM厂商在开发HSDPA设备时可重复使用大量已有的设计工作，但这些手机将需要性能更高的信号处理器件。

第二个需要考虑的是上行的性能，正如其名称暗示的那样，HSDPA只是运营商对下行性能的升级。在未来一定时间内，对高速上行分组接入(HSUPA)的部署将会增加。目前，设计更改应该只是针对手机的接收部分，发射端(W-CDMA上行链路)基本保持不变，这对设计所需时间及复杂性的影响是显而易见的。

接收器实现面临的困难

并不是所有HSDPA的实现方式都是一样的，注意到这点很重要。一些较早投入市场的HSDPA解决方案是基于CDMA耙式接收器(rake receiver)技术。尽管对传统的UMTS而言，耙式接收器工作效果很好，能满足HSDPA速率高达每秒数兆比特的系统要求，但要实现14.4Mbps的HSDPA峰值下载速率，则还需要更先进的接收器技术。通常需要在接收器中采用先进的均衡器来应对这一挑战。

接收器分集是HSDPA性能决定于实现方式的另一个方面。虽然单天线系统适合某些实现方式，在最佳的空中接口条件下有可能提供全速的数据速率，但对更高性能的手机和PDA来说，采用具有接收器分集特性的双天线系统更有利。增加的第二个接收器和天线允许手机在大多数空中接口条件下达到更高的下载速率。

接收器的其它方面也需要加强。HSDPA支持16-QAM(正交振幅调制)、链路自适应、物理层中继与混合自动重传请求(HARQ)相结合、物理层信道条件反馈，以及一种新的传输信道类型，这种新的传输信道称为高速下行共享信道(HS-DSCH)，它允许几名用户共享空中接口的信道资源。16-QAM调制要求更严格的射频性能，特别是对线性的要求更加严格，接收器还必须能够检测信道质量并反馈给基站。

HSDPA带来的最基本的影响就是它改变了手机的信号处理及系统控制，从而导致软硬件实现更加复杂。

HSDPA提供的数据传输速率将需要更快的处理能力，并要求手机具备容量更大的存储器。若要以可接受的成本和功耗水平实现必需的速度和存储器功能，那么就必须借助于65纳米节点的半导体工艺技术，而目前UMTS系统通常采用130纳米及90纳米技术。采用65纳米工艺技术制造的多内核半导体器件对HSDPA手机获取市场领导地位将至关重要。

如上所述，以数据处理为主的高性能手机将采用两个接收器和两个天线，以尽可能增加在所有链路条件下HSDPA业务的吞吐量。尽管两个天线都尝试捕获相同的信号，但通过将接收分集设计到手机里，将获得最佳接收性能。通过采用自适应性调制及编码，任何一个天线接收到的高质量信号，都能进行复杂的调制与更高速率的编码。因此，用户能够享受到更高吞吐量及更高速率的数据业务，同时运营商也能更有效地传输数据并为其他用户保留系统资源。

为达到最好效果，每个天线和接收器都必须工作于相互独立的信号传输路径。同时，系统必须能够结合两个信号输入以获得可能的最佳信号。所有这些都增加了设计复杂性，并需要额外的电路，这可能增加手机的尺寸。

不过对设计人员而言，双天线、双接收器配置所带来的最大挑战在于两个天线放置的位置必须尽可能离得远些。通常说来，这意味着两个天线必须位于手机两端，即一个天线靠近麦克风，另一个则靠近耳机。在翻盖式手机设计里，这意味着信号路径必须通过翻盖转轴，这会带来工程上的问题，但还没到无法解决的地步。

增强用户体验

对手机OEM厂商和消费者来说，HSDPA技术还有一个方面的好处，即其空中接口有助于延长电池的使用寿命。虽然HSDPA接收器比标准的UMTS手机要复杂得多，并且处理能力更强，但它下载数据的效率也将大幅提高。

因此，处理器不需要那么多时间来工作，它处于低功耗状态的时间会更长。目前还没有数据能够量化该技术对电池使用寿命的影响，不过预计上述特性能够达到节能作用。尽管预计功效将得到提高，不过这仍取决于诸多因素。

无论如何，消费者将会注意到的HSDPA最大优势就是能提供比传统UMTS更高的速率。吞吐量翻了一番，这意味着最终用户接收数据的速率更快，而且在更多时间里将享受到更好的网络性能。

作者：Bill Krenik

无线先进架构经理

德州仪器