3.5G (WCDMA HSDPA) 流動寬頻下載速度解構

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。

註:對於略懂 WCDMA 技術的讀者,我在此略去 CDMA 技術兩大因素 Code 及 Power。這是因為 Code 簡單而言可以包含在第一點中,user 分享 code 就是分享了頻寬,而 Power Margin 則涉及不少數式運算而不易簡述,不過歸根究底仍是與其他 user 共享及受接收強度與清析度影響。

第二類:設備功能限制

5. 手機硬件限制

如果你是精明的消費者以及喜歡留意手機資訊,相信會發現不同的 3.5G 手機所支授的下載速度都會有所有不同。由 1.8Mbps、3.6Mbps、7.2Mbps 到 10.2Mbps ,以致現時最爭議的 21Mbps 都有。這是由於 HSDPA 對硬件運算及無線收發控制要求很高,電子晶片廠商一直在研制能夠在合理運作溫度下達至高速的晶片,所以雖然網絡硬件已支援 14.4Mbps,但一般手機最高仍是 7.2Mbps,手機晶片方面廠商仍在不斷改進。所以,如果想購買高速傳輸手機,購買時不單要留意是否支援 HSDPA,還要留意所支援的速度。軟件功能亦可以影響手機傳輸速度,使用者可以多留意手機廠商網頁有沒有軟件更新,查看新軟件能否提高傳輸速度。

上面提及接收訊號強度及清析度對速度有很大影響,但其實不單止網絡商的覆蓋工程影響手機接收的訊號,手機的硬件設計亦有很大影響。現時一般消費者購買手機都會留意各式各樣的多媒體功能,很少再留意接收能力,可能一般認為手機接收技術發展已久,應該相差不大。但是,其實手機的接收天線發展日新月異,優良的設計及新開發的技術能大幅改善接收訊號的清析度,從而明顯提高傳輸速度。就算是同樣支援 7.2Mbps 的手機,如果用上新開發的天線設計,可能在有阻隔的環境仍可達至高速,但舊式天線設計的手機則可能在速度上有明顯下跌。不過,這類手機內部設計的資訊,莫說一般消費者難以得知,就算是流動網絡營運商也未必清楚,大家或許只可以依靠可信的實際測試來估計了。

6. 網絡設備限制

WCDMA 及 HSDPA 的制度雖然已制定多年,但是其技術細節有如汪洋大海,功能上亦經常有更新及補充,網絡硬件設備要充份達到要求其實不易,要到近年才真正充份支援 HSDPA 高速傳輸。雖然說已有充份支援,但只要你懂得寫程式,就會明白程式編寫總不免會有錯失 (bug)。而對於要編寫支援 WCDMA 這個極複雜制度的程式,更難以避免會有錯失,當中或許會影響傳輸速度。所有流動網絡硬件商都不斷在修正、更新及改良其網絡設備軟件,營運商亦不斷在研究及發掘需要改善的地方或問題,務求使用者真正享受高速傳輸。

第三類:營運上的限制

7. 架設天線及基站

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起初第一點提及到人數對速度有很大影響,那麼其實不是只要縮小每組天線的覆蓋範圍,改為安裝更多組天線、更多基站,就可以讓更多人享受極速嗎?例如原本整座大廈都靠同一組天線作傳輸,在同一時刻最多只可以有六人享受 7.2Mbps,但如果高低層數分別用兩組天線作傳輸,那麼便不是可以讓十二人享受 7.2Mbps 嗎?理論上,這是正確的。但實際上,營運商要尋找地方架設基站,卻一點也不容易。試想想,要在你屋頂安將多支無線電天線,也不是人人都願意吧。同時,不論是租地方放置天線還是購置天線及基站,都是所費不菲的投資,營運商不可能無限量地增設。所以,營運商只能在合理及可行的程度上架設基站及天線。

註:大家會否以為手機網絡的天線藏得很密?其實只要記住它們的外貌,就會發覺香港幾乎在任何地方只要往上看都可以看見它們呢!可以參考一下這個連結裏的相片:Curious, what does a 3g antenna look like? (香港各營運商都主要使用白色,像第一幅圖片那種)

更新@2010–05–31:小弟早前在灣仔拍了這張照片,這裏頗多天線,我想香港各大網絡的天線款式都可以在這裏找到了 :-P

Photobucket

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8. 骨幹網絡頻寬

無線網絡是提供手機至天線之間有無線連線,但是在基站連接到網絡主機,還是需要使用固網。傳統上營運商會向固網商租用 E1 (或 T1) 線,但每一條 E1 只能提供約 2Mbps,以一個基站安裝兩至三組天線計算,要滿足 HSDPA 需求需要很多 E1 線路。由於租大量 E1 線的成本比租光纖線還貴,所以如今每個營運商都正在更換成光纖網絡 (或已完成更換),但偏遠的地區仍然難保未有光纖到達。如果使用者正在連線的基站仍未轉用光纖,則會限制了最高可達的極速。這方面依靠營運商的投資,盡快在有光纖的地點改為光纖線,務求使用者真正在全港都可享受 HSDPA。

上述八點是筆者簡單地總結了由技術理論、軟硬件開發到實際營運上對 HSDPA 速度的限制,希望作為入門知識向有興趣的讀者略作講解。如各位對上述技術有疑問或想多作討論,可以留言交流一下! :-)

補注:
 第一點所參考的論文或報告如下:
 Imperial College London, Analytical TCP Throughput Model for HSDPA
 NTT DoCoMo, HSDPA Throughput Performance Using an Experimental HSDPA System
 Spirent Communication, HSDPA Throughput: Do Today’s Devices Really Perform?
 IEEE Transactions on Wireless Communications, Improving TCP Throughput over HSDPA Networks


Originally published at 死火手記.
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