Technologie HSDPA

Autor: M. Neruda <nerudm1(at)fel.cvut.cz>, Pracoviště: České vysoké učení technické v Praze, FEL, Téma: Mobilní sítě, Vydáno dne: 26. 02. 2009

Síť UMTS byla v České republice spuštěna v roce 2005. Od té doby byly vydány nové specifikace, které vedly ke zvýšení přenosových rychlostí. Jedna z technologií se označuje jako HSDPA (High-speed Downlink Packet Access) a umožňuje zvýšit přenosovou rychlost až na 14,4 Mbit/s, resp. 48 Mbit/s v sestupném směru. Tento článek popisuje vlastnosti, kterými disponuje HSDPA ve srovnání s UMTS.


HSDPA Technology - Abstract

The UMTS network was launched in 2005 in Czech Republic. Since, new specifications have been introduced with the goal to increase bit rate. One of those technologies is HSDPA (High-speed Downlink Packet Access), which increases bit rates up to 14.4 Mbit/s (48 Mbit/s in Release 7) in downlink. This article is focused on comparison of features of HSDPA and UMTS.  

Keywords: mobile network; HSDPA; UMTS


Úvod

Vývoj systému UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) stále pokračuje. Skupina 3GPP vydává nové verze specifikací (připravuje se Release 9 a 10), které přináší do UMTS modifikace vedoucí k vyšší přenosové rychlosti, lepší propustnosti sítě a umožňují tak uspokojit i náročného uživatele. V Release 5 je definována nová technologie s označením HSDPA (High-speed Downlink Packet Access), v rámci které přenosová rychlost směrem k uživateli dosahuje až 14 Mbit/s.

Technologie HSDPA představuje zdokonalení stávající sítě UMTS (viz. článek Sítě UMTS). Změny se provádějí na programové úrovni, které ovšem přináší jiné nároky na stávající hardware. Páteřní síť CN (Core Network) zůstává beze změny, hardwarově jsou vylepšeny základnová stanice Node B, řídící jednotka rádiové sítě RNC (Radio Network Controller) a mobilní zařízení UE (User Equipment). Některé funkce implementované v Release 99 jsou nově přesunuty z RNC do Node B, což umožňuje zvýšit přenosovou rychlost a snížit zpoždění.

UMTS se označuje jako technologie třetí generace 3G. Technologie HSDPA je však označována jako 3,5G. Z jejího názvu vyplývá, že se zaměřuje na vysokorychlostní přenos dat ve směru k uživateli. Na vzestupný směr se zaměřuje technologie HSUPA (High-speed Uplink Packet Access), která je specifikována podrobně v Release 6.


HDSPA_1

Obr. 1 Porovnání vlastností HSDPA a UMTS.

Řízení výkonové úrovně

Hlavní důvod implementace řízení výkonu je tzv. „near-far“ problém, kdy dva uživatelé jsou v různých vzdálenostech od Node B. Vysílají-li mobilní stanice stejný výkon, signál uživatele dále od Node B je více rušen a může dojít k výpadku komunikace mezi vzdáleným UE a Node B. Dalšími důvody jsou omezený výkon UE (dáno omezenou kapacitou akumulátoru) a rušení v důsledku užívání stejné frekvence při použití CDMA (Code Division Multiple Access).

Výkon je regulován v sestupném i vzestupném směru dvěma principy.

Uzavřená smyčka (Closed Loop Power Control)

Zahrnuje dva mechanismy:

1. Vnější smyčka (Outer Loop Power Control) – vzestupný směr:

Základnová stanice Node B je zodpovědná za nastavení hodnoty SIR (Signal to Interference Ratio) na adekvátní úroveň podle aktuálního stavu rádiového rozhraní. Tento stav Node B identifikuje podle parametrů BER (Bit Error Ratio) nebo BLER (BLock Error Ratio). Hodnota SIR se nastavuje pro každý UE.

2. Vnitřní smyčka (Inner Loop Power Control) – sestupný směr:

Node B posílá UE příkaz ke zvýšení či snížení vysílacího výkonu (1500 x za vteřinu) na základě porovnání SIR přijatého signálu a SIR o určité předdefinované hodnotě uložené v Node B.

Otevřená smyčka (Open Loop Power Control)

Používá se pro vzestupný směr, kdy na základě přijaté úrovně výkonu pilotního signálu z Node B si mobilní stanice nastaví svůj vysílací výkon.

Parametr SF

Metoda CDMA používá k oddělení dat od různých uživatelů kódový multiplex. Každému uživateli je přiřazen určitý kód, a proto mohou všichni uživatelé používat celé frekvenční pásmo v jakýkoliv okamžik. Jednotlivé datové symboly se kódují do tzv. čipů. Počet čipů na jeden datový symbol (bit) vyjadřuje rozprostírající faktor SF (Spreading Factor). Nabývá hodnoty 4 až 512. Závisí na typu služby, kterým je nastavena přenosová rychlost. U technologie HSDPA je SF konstantní (SF=16), různé přenosové rychlosti se dosahuje pomocí mechanismu AMC (Adaptive Modulation Coding).

Interval TTI

TTI (Time Transmission Interval) je doba za jakou se přenesou data transportním kanálem z MAC (Medium Access Control) vrstvy na fyzickou vrstvu. V Release 5 došlo ke zmenšení zpoždění zkrácením tohoto intervalu z 10 ms na 2 ms. U technologie HSUPA jsou možné obě hodnoty TTI, tj. 2 ms i 10 ms. Z důvodu úspory energie terminálu na okraji buňky se využívá TTI 10 ms.

Modulace

HSDPA využívá dva typy modulace. QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) přenáší 2 bity na symbol a 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) 4 bity na symbol. U modulace 16-QAM je nutné rozlišovat velikost amplitudy, a proto je pro správné dekódování nutná lepší kvalita signálu (větší odstup signál-šum). Release 7 definuje použití modulace 64-QAM a metody MIMO (Multiple Input Multiple Output), které umožňují zvýšení přenosové rychlosti až na 48 Mbit/s. 

Fyzické kanály

Proměnný parametr SF byl nahrazen konstantní hodnotou 16 a lze tedy teoreticky použít až 16 kódů. Společné a vyhrazené kanály DCH (Dedicated Channel) však vyčerpají určitou přenosovou kapacitu, a tak je k dispozici 15 kódů, tj. 15 fyzických kanálů. V závislosti na kategorii terminálu [1] může tedy terminál pracovat až s 15 fyzickými kanály.

Rychlé opakované vysílání – HARQ

HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest) je zkratkou pro hybridní metodu s automatickou žádostí o opakování datových bloků. HARQ v sobě zahrnuje dva mechanismy. Korekci chyb FEC (Forward Error Correction) a automatickou žádost o opakování ARQ (Automatic Repeat reQuest).
FEC je systém zabezpečení dat proti chybám při přenosu, kdy přijímací zařízení má schopnost určitou dílčí část chyb opravovat a další chyby pouze detekovat. Zbytkovou chybovost po provedení korekce FEC opravuje metoda ARQ. Mechanismus ARQ je založen na komunikaci mezi vysílací a přijímací stranou. Přijímač pošle zpět vysílači informaci o tom, že daná data nebyla správně doručena a následně vysílač posílá tato data znovu. Tento mechanismus zajišťuje procedura stop and wait (pozn. nepřekládá se), kdy vysílač pošle blok dat a čeká na odpověď od přijímače. Odpověď přichází ve formě kladných zpráv - ACK (Acknowledge), nebo záporných zpráv - NACK (Not Acknowledge). Na základě jedné z těchto zpráv vysílač posílá další blok dat (odpověď ACK) nebo znovu posílá chybně přijatý blok dat (odpověď NACK). Druhou metodou, která se však v tomto případě nepoužívá, je selective repeat (pozn. nepřekládá se), kdy vysílač posílá blok dat složený řekněme ze 4 datových jednotek a přijímač nepotvrzuje jednou zprávou ACK přijatý blok, ale posílá zprávu ACK po přijetí každé jednotky, což snižuje rychlost komunikace.
 

Rozlišujeme tři typy HARQ:

• typ I – jde o nejjednodušší verzi, která kombinuje FEC a ARQ kódováním datových bloků a mechanismem pro detekci a korekci chyb (používá se např. Reed-Solomonův kód či Turbo kódy). Po přijetí zakódovaných dat se nejprve dekóduje kód. Jestliže je kvalita kanálu dobrá, všechny případné chyby v přenosu by měly být opravitelné a přijímač tak může získat potřebná data. V opačném případě je pomocí kódu určeno chybné přijetí datového bloku, přijatá data se zahodí a je vyžádán opětovný přenos. Při chybném přijetí lze také datový blok uložit do paměti a při opětovném, druhém přijetí tohoto samého bloku se data mohou kombinovat. Jejich kombinace se použije před tím, než datový blok projde dekodérem a aplikuje se tak příslušný kód.
• typ II – při opětovném poslání chybně přijatého bloku dat se posílají nadbytečné bity, které se kombinují s původními bity v přijímači (tato technika má anglický název incremental redundancy).
• typ III – používá stejnou techniku jako Typ II. Rozdíl je v tom, že opětovně poslané datové bloky se mohou sami dekódovat.

Rychlé přidělování rádiových prostředků

Plánování přenosu rychlých dat provádí v Release 99 blok RNC. U HSDPA jde plánování blíže k uživateli a provádí se každé 2 ms přímo na Node B. HSDPA využívá zpětnou informaci od terminálu o kvalitě kanálu CQI (Channel Quality Information), schopnostech terminálu (kategorie terminálu jsou 1 až 12, kategorie 10 podporuje přenosovou rychlost 14,4 Mbit/s), požadavcích na kvalitu služby a dostupných radiových zdrojích k tomu, aby Node B každé 2 ms rozhodl o typu modulace a kódování.

Kanály v UMTS (Release 99)

Specifikace v rámci Release 99 definuje tři různé transportní kanály pro paketový přenos v sestupném směru [2]:

• vyhrazený kanál - DCH (Dedicated Channel)
• sdílený kanál v sestupném směru - DSCH (Downlink Shared Channel)
• kanál dopředného přístupu - FACH (Forward Access Channel)

Kanál DCH se používá pro jakýkoli typ služby. Jedná se o kanál, který je konkrétnímu účastníkovi přidělen po celou dobu komunikace. Druhý typ kanálu, kanál DSCH, pracuje vždy ve spolupráci s kanálem DCH, může být sdílen více uživateli a přenáší primárně uživatelská data a eventuálně řídicí data. Kanál FACH je transportní kanál, který přenáší signalizaci a eventuálně malé objemy uživatelských dat.

Kanály v HSDPA (Release 5 a Release 6)

HDSPA_2

Obr. 2 Fyzické kanály [3].

Pro HSDPA je definovaný nový typ transportního kanálu pro přenos uživatelských dat [3]:

High-Speed Downlink Shared Channel (HS-DSCH)

Každému uživatelskému terminálu je přiřazen pouze jeden kanál HS-DSCH. Proměnlivé rychlosti je dosaženo použitím mechanismu AMC, v rámci kterého se dynamicky mění typ modulace a kódový poměr namísto regulace výkonu. Mimo modulace QPSK používá HSDPA také modulaci 16-QAM, která umožňuje dosažení vyšší přenosové rychlosti. Pro zabezpečení přenosu dat proti chybám se používá kanálové kódování v podobě turbo kódů. Kombinace jejich kódovacího poměru a dané modulace se nazývá modulační a kódové schéma MCS (Modulation and Coding Scheme). Na fyzické vrstvě se kanál HS-DSCH mapuje do fyzického kanálu HS-PDSCH (High-Speed Physical Downlink Shared Channel). Přístup ke kanálu HS-DSCH ovládá nová MAC entita označovaná jako MAC-hs (Medium Access Control – high speed). Tato entita je umístěna co nejblíže rádiovému rozhraní, tj. v Node B a zajišťuje funkce jako je HARQ, skládání, rozebrání a přeskupení datových jednotek a řízení přístupu k transportnímu kanálu HS-DSCH.

Kromě transportního kanálu HS-DSCH zavádí HSDPA tři nové fyzické kanály:

HS-SCCH (High-Speed Shared Control Channel)
Jedná se o signalizační kanál v sestupném směru. Má na starosti řízení přenosu HSDPA. Přenáší informace o použité modulaci, přeposílání a další řídící informace. 

HS-DPCCH (High-Speed Dedicated Physical Control Channel)
Je signalizační kanál ve vzestupném směru. Přenáší potřebné řídící informace. Těmi jsou Indikátor kvality kanálu CQI a zprávy potvrzení mechanismu HARQ ACK/NACK. Na základě ukazatele CQI se v bloku Node B rozhoduje, jaký objem dat se pošle při dalším přenosu a jaké MCS se zvolí.

HS-PDSCH (High Speed-Physical Dedicated Shared Channel)
Je fyzický kanál v sestupném směru. Přenáší uživatelská data, která se mapují z transportního kanálu HS-DSCH.

Přenos řídících informací vypadá následovně:

• UE měří kvalitu spoje
• Tyto informace jsou posílány k Node B například pomocí CQI
• Node B přizpůsobí datový tok a rozhodne o poslání dat konkrétnímu uživateli v daný časový interval
• Node B pošle zprávu ke konkrétnímu UE pomocí HS-SCCH o parametrech nastavení přenosu (modulaci, použité kódování,...)
• UE je připraven přijmout uživatelská data kanálu HS-DSCH
• UE po obdržení dat zjišťuje jejich bezchybnost
• UE posílá k Node B zprávu ACK/NACK o doručení datových jednotek
• Node B buď přeposílá chybně přijaté datové jednotky nebo posílá další
• V případě NACK se poté v UE kombinují nové a dříve příchozí datové jednotky

Situace v ČR:

T- mobile: nenabízí HSDPA; využívá UMTS TDD v pásmu 1,9 GHz a 872 MHz s přenosovou rychlostí až 1,5 Mbit/s; HSDPA UMTS FDD se chystá zprovoznit v budoucnosti
O2: nabízí s přenosovou rychlostí až 1 Mbit/s
Vodafone: nabízí 3G síť ve vybraných částech Prahy od prvního čtvrtletí roku 2009

Závěr:

Technologie HSDPA přináší nové možnosti uživatelům v podobě vyšších přenosových rychlostí a tedy přístup k širší nabídce služeb. Původně definovaná hodnota 14,4 Mbit/s v sestupném směru byla zvýšena až na 48 Mbit/s v Release 7. V HSDPA se objevují nové techniky, které efektivně využívají rádiových prostředků. Snahou skupiny 3GPP je vytrvale pracovat na nových specifikací technologií, které z GSM učiní historický pojem. Příkladem může být projekt Long Term Evolution, který zvyšuje přenosové rychlosti až na stovky Mbit/s.

Tento příspěvek vznikl za podpory výzkumného záměru Výzkum perspektivních informačních a komunikačních technologií č. MSM6840770014.

Použité zkratky

ACK Acknowledge
AMC Adaptive Modulation Coding
ARQ Automatic Repeat reQuest
BER Bit Error Rate
BLER Block Error Rate
CDMA Code Division Multiple Access
CN Core Network
CQI Channel Quality Information
DCH Dedicated Channel
DSCH Downlink Shared Channel
FACH Forward Access Channel
FEC Forward Error Correction
HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest
HS-DPCCH High-Speed Dedicated Physical Control Channel
HS-DSCH High-Speed Downlink Shared Channel
HS-PDSCH High Speed-Physical Dedicated Shared Channel
HS-PDSCH High-Speed Physical Downlink Shared Channel
HS-SCCH High-Speed Shared Control Channel
HSDPA High-speed Downlink Packet Access
HSUPA High-speed Uplink Packet Access
MAC Medium Access Control
MAC-hs Medium Access Control – high speed
MCS Modulation and Coding Schneme
MIMO Multiple Input Multiple Output
NACK Not Acknowledge
QAM Quadrature Amplitude Modulation
QPSK Quadrature Phase Shift Keying
RNC Radio Network Controller
SF Spreading Factor
SIR Signal to Interference Ratio
TTI Time Transmission Interval
UE User Equipment
UMTS Universal Mobile Telecommunications System

Literatura

[1] 3GPP, Release 5, 3GPP TS 25.306 V5.13.0 (2005-12), Technical Specification Group Radio
Access Network : UE Radio Access capabilities, 2005.
[2] HOLMA, Harri, TOSKALA, Antti. WCDMA for UMTS: Radio Access For Third Generation Mobile Communication. 3rd edition. England : John Wiley & Sons Ltd., 2004. 450 s. ISBN 0-470-87096-6.
[3] HOLMA, Harri, TOSKALA, Antti. HSDPA/HSUPA for UMTS : High Speed Radio Access for Mobile Communications. England : John Wiley & Sons, Ltd., 2006. 245 s. ISBN 0-470-01884-4.