Przepływność UMTS: Dlaczego Potrzebne Było HSDPA
Wprowadzenie UMTS i jego możliwości 3G było dużym krokiem naprzód w stosunku do skoncentrowanego na głosie świata 2G GSM. Po raz pierwszy użytkownicy mieli dostęp do praktycznej transmisji danych, z wartością szczytową wczesnych klas usług sięgającą . Jest to wartość zależna od klasy i konfiguracji, więc rzeczywista przepływność zależała od warunków radiowych, obciążenia komórki oraz używanej usługi. Wystarczało to do korzystania z podstawowego mobilnego internetu i poczty elektronicznej. W miarę rozwoju internetu strony internetowe stawały się bogatsze w obrazy i interaktywne treści, a nowe aplikacje, takie jak streaming muzyki i wczesne usługi wideo, zaczęły się pojawiać.
Początkowe prędkości oferowane przez UMTS zaczęły ograniczać usługi wykorzystujące więcej danych. Architektura pierwszej wersji UMTS (Release '99) była wciąż pod wieloma względami zoptymalizowana pod kątem głosu. Ruchem danych zarządzał Kontroler Sieci Radiowej (RNC), element sieci często fizycznie oddalony od użytkownika. RNC nadal pełnił funkcje zarządzania połączeniem i zasobami, lecz szybka reakcja na chwilowe zmiany kanału wymagała krótszej ścieżki. Dodatkowa ścieżka do RNC wprowadzała opóźnienie w pętli komunikacyjnej, którego wartość zależała od konfiguracji sieci. Kiedy warunki radiowe się zmieniały lub pakiet danych został utracony, decyzja o adaptacji lub retransmisji musiała przejść do RNC i z powrotem. Standard UMTS ewoluował więc w kierunku szybszej transmisji danych mobilnych. Odpowiedzią był zestaw ulepszeń, którego pierwszym elementem był Szybki Dostęp Pakietowy w Kierunku do Abonenta, czyli HSDPA.
Czym Jest HSDPA? Ulepszenie Transmisji Pakietowej 3G
HSDPA, często określane w materiałach branżowych jako 3.5G, to ulepszenie programowe i sprzętowe istniejącego standardu UMTS (3G). Jest to znacząca modernizacja w ramach rodziny 3G, bez ustanawiania osobnej generacji standardu. Jego nazwa określa główny cel: Szybki Dostęp Pakietowy w Kierunku do Abonenta (Downlink). HSDPA koncentruje się na poprawie wydajności łącza zstępującego (downlink), czyli ścieżki od masztu komórkowego (Node B) do urządzenia użytkownika. Ten kierunek odpowiadał dominującemu wykorzystaniu danych mobilnych do pobierania stron internetowych, filmów i muzyki.
Celem HSDPA było zwiększenie szczytowych prędkości transmisji danych o rząd wielkości, z setek kilobitów na sekundę do wielu megabitów na sekundę, oraz znaczne zmniejszenie opóźnień. Wartości szczytowe pozostawały zależne od wydania, liczby kodów, modulacji i możliwości terminala. Aby osiągnąć ten cel, HSDPA wprowadziło trzy wzajemnie powiązane innowacje technologiczne, które poprawiły wydajność interfejsu radiowego UMTS.
Trzy Mechanizmy Wydajności HSDPA
Wzrost wydajności HSDPA wynika z połączenia trzech technik, które współpracują przy harmonogramowaniu, adaptacji łącza i retransmisji danych.
1. Szybkie Szeregowanie Pakietów: Przeniesienie Harmonogramowania Bliżej Interfejsu Radiowego
Najważniejszą zmianą architektoniczną wprowadzoną przez HSDPA było przeniesienie głównego algorytmu szeregującego (schedulera) dane z Kontrolera Sieci Radiowej (RNC) bezpośrednio do Węzła B (masztu komórkowego).
- Problem z Szeregowaniem w RNC: W pierwotnym systemie UMTS RNC był odpowiedzialny za alokację zasobów radiowych użytkownikom. RNC to scentralizowany element kontrolujący wiele Węzłów B. Kiedy warunki radiowe użytkownika ulegały zmianie, informacja była wysyłana z telefonu do Węzła B, a następnie przekazywana do RNC. RNC przetwarzał ją, podejmował decyzję i odsyłał instrukcje. Ta dodatkowa ścieżka wprowadzała opóźnienie zależne od konfiguracji, a środowisko radiowe zmieniało się szybciej niż pełny obieg decyzji. Prowadziło to do alokacji zasobów opartej na mniej aktualnych informacjach.
- Rozwiązanie HSDPA (Szeregowanie w Węźle B): HSDPA przeniosło szybką funkcję szeregowania do Węzła B. Węzeł B komunikuje się bezpośrednio z telefonem użytkownika, co ułatwia wykorzystanie bieżących warunków radiowych. RNC nadal odpowiada za część zarządzania połączeniem i politykę zasobów, a Węzeł B podejmuje szybkie decyzje w granicach tej konfiguracji. Zmianie tej towarzyszyło wprowadzenie znacznie krótszego . Podczas gdy standardowy UMTS używał TTI o długości 10 ms lub więcej, HSDPA skrócił go do . W kolejnych TTI scheduler w Węźle B może oceniać zgłoszenia użytkowników i przydzielać zasoby zgodnie z algorytmem operatora, jakością kanału i wymaganiami usługi. Standard nie narzuca jednego kryterium wyboru użytkownika. Krótszy TTI pozwala także na oportunistyczną transmisję do użytkowników, gdy ich sygnał jest chwilowo silny.
2. Adaptacyjna Modulacja i Kodowanie (AMC): Adaptacja do Warunków Radiowych
Drugim mechanizmem HSDPA jest zdolność do dynamicznej zmiany sposobu kodowania i przesyłania danych w oparciu o warunki radiowe w czasie rzeczywistym. W wielu wcześniejszych kanałach UMTS stosowano stałe parametry transmisji, w tym . Taki wybór zapewniał pracę także przy słabszym sygnale, lecz ograniczał wykorzystanie dobrych warunków kanału.
AMC pozwala schedulerowi w Węźle B wybierać schemat modulacji i kodowania dla użytkownika w kolejnych TTI o długości . Telefon użytkownika mierzy jakość kanału zstępującego i zgłasza ją do Węzła B za pomocą . Na podstawie tej informacji zwrotnej scheduler może wybrać spośród różnych opcji:
- Dobre Warunki: Jeśli CQI jest wysokie, co wskazuje na dobry kanał zstępujący, scheduler może wybrać złożony schemat modulacji o wysokiej przepustowości, taki jak . Pakuje on więcej bitów danych w każdy przesyłany symbol, lecz wymaga bardzo czystego sygnału do poprawnego zdekodowania. W późniejszych wydaniach i przy odpowiedniej zdolności UE stosowano także 64QAM.
- Słabe Warunki: Jeśli CQI jest niskie (użytkownik jest na skraju komórki lub wewnątrz budynku), scheduler powróci do wolniejszego QPSK, który lepiej toleruje błędy. QPSK pakuje mniej bitów na symbol, ale jest znacznie bardziej odporny na błędy spowodowane szumem i zakłóceniami.
Ta zdolność do adaptacji do zmiennego środowiska radiowego poprawia wydajność widmową komórki i może zwiększać średnie prędkości transmisji danych użytkowników.
3. Hybrydowe Automatyczne Żądanie Powtórzenia (HARQ): Szybka Korekcja Błędów
W każdym systemie radiowym niektóre pakiety danych ulegają uszkodzeniu z powodu zakłóceń lub zaników. Sieć potrzebuje sposobu na wykrycie i retransmisję tych pakietów. W pierwotnym UMTS retransmisja była związana z procedurami wyższych warstw i decyzjami RNC, co zwiększało opóźnienie oczekiwania na ponowne nadanie.
HSDPA implementuje szybszy mechanizm korekcji błędów o nazwie HARQ, realizowany w szybkich warstwach HSDPA z bezpośrednią wymianą informacji między Węzłem B a urządzeniem użytkownika. Mechanizm korzysta z wielu procesów stop and wait, dzięki czemu transmisje do różnych użytkowników mogą być prowadzone naprzemiennie.
- Szybka Informacja Zwrotna: Gdy urządzenie użytkownika odbierze pakiet danych, próbuje go zdekodować i sprawdzić pod kątem błędów. Następnie odsyła do Węzła B krótką informację ACK (potwierdzenie), jeśli pakiet został odebrany poprawnie, lub NACK (potwierdzenie negatywne), jeśli był uszkodzony.
- Szybka Retransmisja: Węzeł B odbiera tę odpowiedź ACK/NACK w krótkiej pętli sprzężenia zwrotnego. Jeśli otrzyma NACK, scheduler może zaplanować retransmisję w kolejnym dostępnym TTI o długości . Dokładny odstęp zależy od procesu HARQ, harmonogramu i konfiguracji. Mechanizm ogranicza opóźnienie spowodowane błędami transmisji.
- Komponent "Hybrydowy" (Miękkie Łączenie):HARQ w HSDPA jest "hybrydowy", ponieważ stosuje technikę zwaną miękkim łączeniem lub redundancją przyrostową. Gdy urządzenie nie zdoła zdekodować pakietu, zachowuje odebrane informacje w buforze. Gdy Węzeł B retransmituje pakiet, może go wysłać z inną wersją kodowania korygującego błędy. Urządzenie łączy informacje z pierwszej transmisji z informacjami z retransmisji. Połączony sygnał ma lepszy stosunek sygnału do szumu, co zwiększa prawdopodobieństwo pomyślnego zdekodowania. Liczba kolejnych prób zależy od konfiguracji HARQ i warunków radiowych.
Nowe Kanały HSDPA
Aby wspierać te trzy technologie, HSDPA wprowadziło nowe kanały transportowe i fizyczne do interfejsu radiowego UMTS, które współpracują przy dostarczaniu szybkich danych.
Jest to główny kanał transportowy danych HSDPA, przeznaczony wyłącznie dla kierunku do abonenta i współdzielony przez użytkowników komórki. Dane są odwzorowywane na fizyczny HS-PDSCH. Szybki scheduler w Węźle B dynamicznie przydziela zasoby różnym użytkownikom w każdym TTI na podstawie raportów CQI, zapotrzebowania na dane i konfiguracji. HS-DSCH opisuje transport, a HS-PDSCH opisuje fizyczną transmisję przydzielonych bloków.
Jest to fizyczny kanał sterujący w kierunku do abonenta, działający równolegle z HS-DSCH i HS-PDSCH. Przed transmisją danych Węzeł B wysyła komunikat na HS-SCCH. Komunikat wskazuje konkretnemu UE przydział, format transportu, schemat modulacji i proces HARQ potrzebne do dekodowania. CRC jest maskowane identyfikatorem UE, dzięki czemu UE może rozpoznać własny komunikat sterujący. UE musi stale monitorować HS-SCCH, aby wiedzieć, kiedy nasłuchiwać własnych danych.
Jest to nowy kanał w kierunku do stacji bazowej (uplink), który jest niezbędny dla pętli sprzężenia zwrotnego HSDPA. Jest to szybka ścieżka, której UE używa do wysyłania dwóch najważniejszych informacji z powrotem do schedulera w Węźle B:
- Szybkich odpowiedzi ACK/NACK dla procesu HARQ.
- Raportów Wskaźnika Jakości Kanału (CQI) potrzebnych dla mechanizmu AMC.