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3.5G (WCDMA HSUPA) 流動寬頻上載速度解構

九月 24th, 2009

前文:《3.5G (WCDMA HSDPA) 流動寬頻下載速度解構

前文談及過3.5G (WCDMA HSDPA) 流動寬頻下載速度的種種影響因素,先談下載一來是因為一般用家比較關注下載速度,另外其實無線通訊技術裏下載比上載要容易理解。其實除了無線電層面外,其他影響上載的因素與下載均相同,所以本文就不再詳述了,大家可以參對前文。

序 – 3.5G (WCDMA HSUPA) 簡介

HSDPA 與 HSUPA 的名稱一看就明白,一個是 Downlink (下傳) 一個是 Uplink (上傳),但其實制定所有 WCDMA 制式的官方組織 3GPP 是稱 HSUPA 之為 EUL (Enhanced Uplink),HSUPA 只是 Nokia 的叫法。不過由於易記易明,所以不少場合都使用 HSUPA。正如 HSDPA 一樣,HSUPA 是建基於 WCDMA 技術的附加資料傳輸制式,透過更頻密的資訊交換、運用更先進的無線訊號及更有效率的錯誤修正制式,以達至更快的上載速度。以往傳統 WCDMA (Release 99,因在 1999 年發佈,簡稱為 R99) 的上下載極速均為 384kbps,及後 HSUPA 將上載速度提升至 700kbps 以上,現時一般 HSUPA 手機或 USB modem 均支援 2Mbps 上載速度,部份更已支援 5.76Mbps。

以前文分類而言,上載速度於設備功能限制及營運上的限制與下載相同,唯獨是在無線電波流動網絡技術上有所出入。本文將嘗試用較簡潔易明的方法介紹一下 3.5G 網絡的上載技術及速度上的限制。

第一類:流動網絡技術限制

1. 網絡頻寬的定義

與下載相同,上載所謂 2Mbps 或 5.76Mbps 亦只是指無網網絡總頻寬,而非電腦所能享用的頻寬。雖然由於上載的無線訊號與下載並不完全相同,但由於同樣基於 WCDMA 架構,當中所涉及的控制訊號與實際傳送資訊的比例與下載相距不遠,所以仍可以套用下載實際速度為總頻寬 60~90% 的預算。換言之,以上載 2Mbps 總頻寬的流動寬頻為例,電腦可享用的頻寬大約介乎於 1.2~1.8Mbps 之間。

2. 上傳無線網絡使用度

上載與下載最大分別之處,是上載使用者之間不一定存在競爭,不一定要對分頻寬。前文說過,如果兩個人同時間下載,就每人最多只能享用一半的頻寬。這是因為無線電天線所傳送出來的頻寬有其最高限制 (14.4Mbps),當兩個人同時要求同一組天線傳送資料,那麼天線就只可以用其有限的頻寬資源分配予兩人。剛才說在上載的環境則不一定要對分頻寬,是因為每個使用者都擁有 2Mbps 或 5.76Mbps (視乎手機性能) 的上載頻寬,每使用者都可以用盡頻寬來傳送資料給天線,而天線只是負責接收,所以在這個角度而言每位使用者都應可用盡其上載頻寬。那麼,究竟是甚麼因素限制了上載速度呢?

可以用以下情況來理解。WCDMA 裏手機與天線的通訊,就如一班來自世界各地的學生在班房內與一名老師在對話,而上載就等同於學生向老師發問。每個學生都懂得一種獨特的語言,而老師則聽得懂所有語言。這位老師十分厲害,他的腦袋可以分拆開不同的語言,因此他可以同時間聆聽所有學生發問。但是,這位厲害的老師也有一些限制,就是所有學生加起來的總聲量不可以太大,因為如果大嘈吵的話就會連他那個厲害的腦袋也不能分拆開不同的語言。他的腦袋裏其實有很多小組,每個小組處理不同的語言。對於每一個小組而言,除了它專門處理的那種語言外,其他所有語言都會當成為嘈音。只要嘈音不太大,每個小組都能夠分拆出它專門處理的語言,從而聽到該位學生的發問。

WCDMA 的上載也是同一原理。對於基站天線而言,它可以同時接收很多使用者的訊號,並分拆開不同的使用者。對於任何一個使用者的訊號而言,所有其他使用者的訊號都是雜訊。只要整體上傳訊號強度不太高,基站就能夠成功分拆出每一位使用的訊號,從而所有人都可以用最高頻寬上傳。至於究竟有多少使用者才會導致整體上傳訊號強度過高,則非常視乎實際使用情況。這是由於每一位使用者與基站天線的距離都不同,距離越遠的人會使用更大的訊號強度,導致在空氣中產生更大的雜訊。所以,實際應用上是無法估算究竟多少人才會導致所有人的頻寬下降,要視乎在該環境中每一位使用者距離天線有多遠,以及每一位使用者的 USB modem 或手機使用多大訊號強度。

相比下載,上載在無線電波上速度限制是極度視乎實際環境,所以很難像下載般簡單以分配頻寬方法去估算在多少人的情況下每人可佔用多少頻寬。如果大家都距離天線很近、訊號清析,則有較多人可以同時享用極速;相反如果大家距離天線很遠,或有部份人以很強的訊號上傳,都會嚴重影響其他人的上傳速度。

3. 訊號接收強度與清析度 (RSCP & EcNo)

在 WCDMA 技術中,不論是下載或上載相同,最重要是訊號清析度 (EcNo)。在下載時,如果訊號很強但多個基站產生干擾,則會導致清析度下降。同樣地,在上載時,如果訊號很強但是手機之間互相干擾、雜訊太多,則會導致基站天線所接收到的清析度下降。這一點,就如同上文所述,很受實際環境中使用者分佈及上傳訊號強度所影響,難以一概而論。

至於其他兩大類,上載與下載的情況相同,此文就不再重複了,大家可參考前文《3.5G (WCDMA HSDPA) 流動寬頻下載速度解構》。希望此文有助大家初步了解 3.5G HSUPA 技術,歡迎各位交流或討論! :-)

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3.5G (WCDMA HSDPA) 流動寬頻下載速度解構

八月 3rd, 2009

後篇:《3.5G (WCDMA HSDPA) 流動寬頻上載速度解構

日前,數碼通 Smartone-Vodafone 公開指 CSL 的 21Mbps 流動寬頻速度不達標,並向多方面作出投訴 (見 eprice.com.hk 報導)。eprice.com.hk 上隨即有不同流動網網商的用家留言,指出他們都很少達到數碼通說「70% 的業界標準」,好像沒有那間營運商能達標似的。一般用家都會想到無線網絡受覆蓋準限制,速度或有偏差,而網絡商在合約上一般亦會列明實際速度受環境情況影響。事實上還有沒有其他因素影響速度呢?

筆者現為某營運商的網絡工程師,不便評論個別營運商的網網質素,但希望在技術上介紹一下有甚麼因素會影響流動寬頻 (WCDMA HSDPA) 的下載傳輸速度。以下介紹為求簡單易明,盡量避免談及專門技術細節或專有名詞,但如讀者覺得有所不足或錯漏,歡迎留言賜教。
(註:下文「手機」泛指所有流動寬頻裝置,包括手提電話與 USB HSDPA modem)

序 – 3.5G (WCDMA HSDPA) 簡介

現時香港的 3.5G 流動寬頻網絡使用的無線電技術,是以歐洲為主力開發的 WCDMA HSDPA。WCDMA 是 3G 網絡制式的一種,能最高提供 384kbps 上下載速度。而 HSDPA 則是建基於 WCDMA 技術的附加資料傳輸制式,透過改良通訊制式及共享無線電資源等方法,將 WCDMA 的下載傳輸速度大大提高至最高 14.4Mbps,固此亦被稱為 3.5G。至於上載,則有 HSUPA (或稱為 EUL) 附加技術,將上載最高速度提升至5.76Mbps。上下載在技術層面 (即下文的第一類) 有不同的限制因素,今次集中介紹下載,將來有機會再介紹上載的情況。流動網絡包含很多環節,能影響寬頻速度的因素極之多,以下我嘗試綜合歸納為三大類:

第一類:流動網絡技術限制

1. 網絡頻寬的定義

在解構影響頻寬的因素之前,我們必需先了解網絡頻寬的定義。HSDPA 提供的 14.4Mbps 極速,或現時香港網絡支援的 7.2Mbps 極速,指的是無網網絡總頻寬,但與電腦軟件所享用的頻寬有差別。這是由於無線網絡傳送的不單是互聯網資料 (如網頁或 MSN 訊息) ,還包括無線網絡的附加資訊,用以偵測資料傳輸錯誤及對手機作出資料接收的控制,讓手機通訊能克服不穩定的無線環境。至於這些附加資訊會佔用多少頻寬,則要視乎無線環境質素以及所需要傳送的互聯網資料的狀況,難以劃一界定。參考一些大學及外地網絡營運商的實驗數據 (列表見文末補注),電腦能夠享用的頻寬大約界乎於無線網絡頻寬的 60~90%。換言之,以 7.2Mbps 總頻寬的流動寬頻為例,電腦可享用的頻寬大約介乎於 4.3~6.5Mbps 之間。

2. 同時使用者人數 (concurrent users)

流動寬頻使用 WCDMA 無線電技術,而香港電訊管理局發牌給四間營運商都是三條 WCDMA 頻道,即是說同一間營運商的使用者就得分享這三條頻道。現時 WCDMA HSDPA 技術中的 14.4Mbps 下載極速,技術上都是說當只有一位使用者使用整條頻道 (沒有其他人使用流動寬頻或打電話) 時提供的速度。亦即是說,以香港的頻譜,在同一地方、同一時間、同一間營運商,最多有三人可以同時享有 14.4Mbps 極速。當使用者增多,大家都得分享這 14.4Mbps 速度。而至於速度是平等分享還是按條件分享 (例如按使用者等級或按使用者無線電質素),就視乎營運商的網絡設定了。

3. 使用者實際傳輸時間 (user activity factor)

上面的第一點說要分享頻寬,但實際上並非只要多人連線就需要分享頻寬,因為傳統上一般網絡使用者並非任何時間都需要傳送資料。以一個使用流動寬頻瀏覽網頁及 MSN 通訊的用家為例,他只會在下載新網頁及收發 MSN 訊息時才需要傳送檔案,其餘時間並不需要使用頻寬。流動寬頻能夠同時讓多位使用者享有寬頻連線,設計上很大程度是基於使用者雖然同時連上網絡,但是大家在不同時間使用頻寬。

user_activity_factor

以上圖為例,A 君在這十秒需要傳送檔案,隔一會 B 君需要使用兩秒,再過一會 C 君需要使用五秒,這種大家在不同時間需要頻寬的話,大家都可以取得極速,因為在上述三位使用者使用的時候,都只有一位人使用。明眼的你或許已察覺到,香港的流動寬頻使用者已經與上述「傳統使用者」有所不同,不少人都不是間歇性傳送檔案,而是長時間佔用頻寬 (如使用 BT),那麼使用者就必需分享 HSDPA 的 14.4Mbps 頻寬了。

4. 訊號接收強度與清析度 (RSCP & EcNo)

眾所周知,流動網絡訊號接收在不同地方有強弱之分,訊號較強則一般而言速度較強。WCDMA 技術裏,其實實際影響傳輸速度的,不是訊號強度 (RSCP),而是清析度 (EcNo)。如果某營運商在某使用者附近架設太多組天線,它們合計起來會提供很強的訊號,但由於這些訊號會互相干擾,最終使用者的訊號會不清析,導到速度下降。WCDMA HSDPA 需要的是使用者與某一組天線有清析的訊號,就可以有高速的傳送,多組天線重疊覆蓋反而會產生干擾,而這方面就視乎營運商在鋪設天線時能否準確控制每一組天線的覆蓋範圍,避免過份重疊。對於一般使用者而言,訊號清析度是比較難去測量的,無法由一般手機中得知。這是由於訊號清析度受環境影響大,數值較為浮動,手機生產商為免消費者看見不停變化的訊號清析度而覺得奇怪,以及避免消費者誤以為是手機接收能力不穩定,所以一般手機顯示的都是強度而非清析度。
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