Высокоскоростная передача данных в стандарте UMTS

Высокоскоростная передача данных вниз (HSDPA – High Speed Downlink Packet Access) и вверх (HSUPA - High Speed Uplink Packet Access) во многом близка к пакетной передаче данных, реализуемой в стандарте GSM с использованием технологии GPRS/EDGE. Передачу ведут отдельными пакетами, применяя в зависимости от состояния трассы различные модуляционно-кодирующие схемы и повторную передачу непринятых пакетов. В версиях спецификаций, начиная с Rel 5, для стандарта UTRA-FDD определен только высокоскоростной пакетный доступ вниз с использованием каналов HS-DSCH и вверх по каналам E-DCH (на транспортном уровне).

Технологию HSDPA используют практически на всех развертываемых сетях UMTS. Что касается высокоскоростного пакетного доступа вверх HSUPA, пробные запуски начаты с 2007г. Следует указать на практическую важность и востребованность обеих технологий, позволяющих существенно повысить пропускную способность сетей UMTS.

Организацию соответствующих каналов при HSDPA поясняет рис. 5.38. В HS-DSCH отсутствуют две основные особенности CDMA, а именно, изменяемый коэффициент расширения спектра (variable SF) и быстрое управление мощностью; они заменены на адаптивную модуляцию и кодирование: Adaptive Modulation and Coding (AMC), короткий размер пакета, мультикодовый режим и автоматический повтор запроса L1 Hybrid Automatic repeat request (HARQ). Замена быстрого управления мощности на AMC дает эффективный выигрыш в мощности благодаря исключению расходов на управление мощностью. Коэффициент расширения спектра зафиксирован на SF=16, что дает хорошее разрешение скорости. Для того чтобы увеличить канальную скорость адаптации и эффективность AMC, размер пакета был уменьшен с 10-20 мс до 2 мс, что соответствует трем TS.

В HS-DSCH применяют турбокодирование, но добавляют согласование скоростей (rate matching), перфорацию (puncturing) и повторение (repetition), чтобы получить высокое разрешение кода при его эффективной скорости. Для получения высоких пиковых скоростей используют модуляцию 16-КАМ (рис. 5.39). При сочетании 16-КАМ и канального кодирования со скоростью R_код = 3/4 достигают пиковой скорости передачи данных 712 кбит/с на код (SF =16). В наиболее помехозащищенном варианте передачи используют 4-ФМ со скоростью кодирования 1/4, но при этом скорость передачи данных падает до 119 кбит/с на код. Комбинация модуляции и кодирования определяет транспортный формат (transport format) совместно с канальным ресурсом (resource combination ─ TFRC). Пять возможных вариантов TFRC показаны в табл. 5.8.

Для повышения скорости передачи одному абоненту можно выделять несколько кодов (каналов), максимально 15: C_ch,16,1…. C_ch,16,15. Ветвь C_ch,16,0 для канала HS-DSCH не занимают; в ней размещены вещательные, общие каналы управления и вспомогательные каналы, необходимые для реализации HSDPA.

Рис. 5.38. Кодовое дерево для организации высокоскоростного доступа

Рис. 5.39. Созвездие сигнала при модуляции 16-КАМ

При выделении 15 кодов одному пользователю можно достичь пиковой скорости 10,7 Мбит/с (14,4 Мбит/с). Это максимальная скорость, которую можно получить при исключительно благоприятных условиях приема и при наличии соответствующей мобильной станции.

Таблица 5.8

Выбор скорости передачи (TFRC) и числа кодов для конкретного абонента BS производит, анализируя сообщения, поступающие от UE по выделенным каналам управления HS-DPCCH. Между BS и всеми UE работает канал обратной связи в реальном времени. UE постоянно измеряют отношение сигнал/помеха (E_s/N₀), меняющееся во времени из-за перемещения абонента и замираний сигнала, и сообщает BS, исходя из возможностей самой станции, о максимально допустимой скорости передачи информации вниз. На рис. 5.40 верхняя кривая – результат измерения отношения (E_s/N₀) в UE. Нижняя кривая – соответствующий этим измерениям TFRC, с которым UE готова принимать пакеты . BS выбирает для передачи пакетов конкретной UE моменты наилучших условий приема, что повышает общую пропускную способность сети и снижает задержки при передаче.

Рис. 5.40. Адаптивное управление изменением скорости передачи

Зависимость между доступной скоростью передачи данных и мгновенным значением E_S/N₀, а также динамический диапазон AMC показаны на рис. 5.41. На графиках учтен выигрыш от быстрого HARQ, который значительно улучшает пропускную способность при малых значениях E_S/N₀.

Рис. 5.41. Динамический диапазон HSDPA AMC (Rake приемник, скорость 3 км/ч)

Как видно из рис.5.41, диапазон E_S/N₀ при изменении скорости от 32 кбит/с (TFRC 1) до 712 кбит/с (TFRC 5) составляет 20 дБ. С увеличением числа выделенных кодов требования к отношению (E_s/N₀) ужесточаются. Динамический диапазон AMC при 15 мультикодах достигает 32 дБ.

Протокол HARQ, выбранный для HSDPA, основан на принципе остановки stop и ожидания wait (SAW). При SAW базовая станция продолжает осуществлять передачу текущего блока, пока этот блок не будет успешно получен UE. Для того чтобы использовать время до повторной передачи, промежуток заполняют другими пакетами. На практике задержка между исходной и первой повторной передачей порядка 8 -12 мс. Управление L1 HARQ находится в Node B, который хранит неподтвержденные пакеты данных и производит их повторную передачу. Так как Iub сигнализация отсутствует, то результирующие задержки повторной передачи HSDPA становятся намного меньше, чем при стандартных повторных передачах через RNC. Таким образом, технология HSDPA позволяет использовать продвинутую стратегию повторной передачи с меньшими задержками и большей спектральной эффективностью даже для потокового сервиса, сильно чувствительного к задержкам.

HSDPA поддерживает два алгоритма повторной передачи данных:

- возрастающую избыточность (incremental redundancy, IR).

- повторение попытки (chase combining, CC).

HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) представляет собой схему адаптации канала, в которой отчеты о передаче, относящиеся к канальному уровню, используют для принятия решения о повторной передаче. Принимая очередной пакет, мобильная станция проверяет его на наличие ошибок, декодируя Check Redundancy Code (CRC). Размер CRC постоянный и составляет 24 бита на 3 таймслота. Если ошибки обнаружены и их невозможно исправить силами избыточного кодирования, UE посылает отчет о неполучении информации, запрашивая ее повторную передачу. При этом пакет, принятый с ошибками, не удаляют, а сохраняют в буфере UE. Получив повторно переданный пакет, мобильная станция вновь проверяет его на ошибки. При наличии таковых его объединяют со старым пакетом из буфера, что при использовании турбокодирования значительно повышает вероятность исправления ошибок. В этом состоит сущность метода Chase Combining.

Алгоритм Incremental Redundancy состоит в том, что каждый повторно передаваемый пакет не просто вновь пересылают по радиоканалу, но и кодируют всякий раз по-разному. В частности, при новом кодировании в процессе перфорации выбрасывают другие биты, чем при предыдущей передаче. В результате декодер получает существенную дополнительную информацию, что улучшает процесс декодирования. Однако использование алгоритма IR требует увеличения объема буфера данных в UE. Передачу пакета вкупе с вышеуказанными технологиями повторяют до тех пор, пока он не будет принят без ошибок, либо не будет превышено максимально допустимое число повторных передач.

Структура каналов при HSDPA показана на рис. 5.42. Информацию вниз передают по каналу HS-PDSCH в виде пакетов длительностью 2 мс. Для приема этой информации UE прослушивает специальный общий канал управления HS-SCCH (High Speed Shared Control Channel). По нему UE передают быстроменяющиеся параметры канала HS-PDSCH. В обратном направлении каждой UE выделяют специальный физический канал управления HS-DPCCH (High Speed Dedicated Physical Control Channel) для передачи в сеть подтверждений о приеме пакетов и информации об оптимальном TFRC по измерениям сигнала и помех на входе приемника UE. Кроме того, абонентским станциям выделяют дуплексный канал DCH для передачи сигнализации и команд управления, в частности, регулировки мощности. По Uplink и Downlink DCH возможна также передача другого (не высокоскоростного) трафика.

Рис. 5.42. Структура каналов при HSDPA

Если оборудование поддерживает Rel. 6 стандарта UMTS, то при отсутствии дополнительного трафика вниз вместо канала DCH используют канал F-DPCH c SF=256. Он предназначен только для передачи команд ТРС управления мощности передатчиков UE. Каждый TS содержит 20 информационных бит, по 2 бита на одну UE, так что канал F-DPCH может управлять мощностью 10 UE одновременно. Сигнализацию при этом передают в пакетном режиме через HS-DSCH. По версии Rel 6 вместо DCH при использовании режима высокоскоростной пакетной передачи вверх сигнализацию передают по каналу E-DCH.

Применение HSDPA целесообразно не для всех классов услуг. Поскольку один общий канал HS-PDSCH распределен между всеми активными абонентскими станциями, фиксировать временную задержку при передаче данных становится затруднительно. Поэтому для приложений, работающих с потоковым трафиком, выгоднее использовать обычные выделенные каналы UMTS. С другой стороны, HSDPA – технология весьма гибкая, позволяет перераспределять ресурсы канала очень быстро, каждые 2 мс. Поэтому планировщик трафика может отдавать предпочтение при передаче высокоприоритетным потоковым данным или IP телефонии.

Мобильное оборудование с поддержкой HSDPA делят на категории в соответствии с теми возможностями, которые оно поддерживает на физическом уровне. Всего существует 12 категорий UE, при этом 11 и 12 категории являются низкими, так как станции, к ним относящиеся, работает только с модуляцией
4-ФМ (табл. 5.9).

Таблица 5.9

Как следует из табл. 5.9, станции отличаются максимальным числом одновременно обрабатываемых кодов, скоростью передачи и минимальным интервалом между субкадрами. Если он равен 1, то станция способна принимать непрерывный поток субкадров; при 2 и 3 между принимаемыми субкадрами необходим промежуток в 1 и 2 субкадра соответственно. Заметим, что категории 3-4, 5-6, 7-8 отличаются между собой типом ARQ при максимальной скорости передачи. У станций категорий 3, 5 и 7 объем буфера недостаточен для поддержки алгоритма IR при максимальной скорости передачи.