1. Szybkie Szeregowanie Pakietów: Przeniesienie Mózgu na Krawędź Sieci

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 uległy zmianie (np. wyszedł zza budynku i jego sygnał się poprawił), informacja ta musiała zostać wysłana od telefonu do Węzła B, a następnie przekazana aż do RNC. RNC przetwarzał ją, podejmował decyzję i odsyłał instrukcje z powrotem. Cała ta podróż trwała długo, rzędu dziesiątek milisekund. Środowisko radiowe zmienia się znacznie szybciej, więc decyzje RNC często opierały się na nieaktualnych informacjach, co prowadziło do nieefektywnej alokacji zasobów.
• Rozwiązanie HSDPA (Szeregowanie w Węźle B): HSDPA przeniosło tę szybką funkcję szeregowania do Węzła B. Węzeł B komunikuje się bezpośrednio z telefonem użytkownika, co daje mu niemal natychmiastowy wgląd w bieżące warunki radiowe. Pozwala to na podejmowanie znacznie szybszych i bardziej trafnych decyzji o najlepszym wykorzystaniu fal radiowych. Zmianie tej towarzyszyło wprowadzenie znacznie krótszego Interwału Czasu Transmisji (TTI). Podczas gdy standardowy UMTS używał TTI o długości 10 ms lub więcej, HSDPA skrócił go do zaledwie $2 \text{ ms}$. Oznacza to, że scheduler w Węźle B co 2 milisekundy spogląda na wszystkich użytkowników w komórce i decyduje, który z nich jest w najlepszej sytuacji do odbioru danych w danym momencie, co pozwala na oportunistyczną transmisję do użytkowników, gdy ich sygnał jest chwilowo silny.

2. Adaptacyjna Modulacja i Kodowanie (AMC): Właściwe Narzędzie do Pracy

Drugim filarem HSDPA jest zdolność do dynamicznej zmiany sposobu kodowania i przesyłania danych w oparciu o warunki radiowe w czasie rzeczywistym. Pierwotny UMTS używał stałego schematu modulacji, zazwyczaj QPSK, co było konserwatywnym wyborem, zaprojektowanym do działania nawet w słabych warunkach sygnałowych. Było to nieefektywne, ponieważ użytkownik z silnym, czystym sygnałem wciąż używał tej samej, wolnej i stabilnej metody, co użytkownik na skraju komórki.

AMC pozwala schedulerowi w Węźle B, w każdym TTI (co $2 \text{ ms}$!), wybrać najwydajniejszy schemat modulacji i kodowania dla każdego konkretnego użytkownika w danym momencie. Telefon użytkownika stale mierzy jakość kanału zstępującego i zgłasza ją z powrotem do Węzła B za pomocą Wskaźnika Jakości Kanału (CQI). Na podstawie tej informacji zwrotnej scheduler może wybrać spośród różnych opcji:

• Doskonałe Warunki: Jeśli CQI jest wysokie (użytkownik jest blisko masztu z czystą linią widzenia), scheduler wybierze złożony schemat modulacji o wysokiej przepustowości, taki jak 16-QAM. Pakuje on więcej bitów danych w każdy przesyłany symbol, ale wymaga bardzo czystego sygnału do poprawnego zdekodowania.
• Słabe Warunki: Jeśli CQI jest niskie (użytkownik jest na skraju komórki lub wewnątrz budynku), scheduler powróci do bardziej solidnego, ale wolniejszego QPSK. QPSK pakuje mniej bitów na symbol, ale jest znacznie bardziej odporny na błędy spowodowane szumem i zakłóceniami.

Ta zdolność do natychmiastowej adaptacji do fluktuującego środowiska radiowego dramatycznie poprawia ogólną wydajność widmową komórki, pozwalając na znacznie wyższe średnie prędkości transmisji danych dla wszystkich użytkowników.

3. Hybrydowe Automatyczne Żądanie Powtórzenia (HARQ): Szybka Korekcja Błędów

W każdym systemie radiowym niektóre pakiety danych nieuchronnie ulegną uszkodzeniu z powodu zakłóceń lub zaników. Sieć potrzebuje sposobu na wykrycie i retransmisję tych utraconych pakietów. W pierwotnym UMTS był to powolny proces zarządzany przez protokół w RNC. Utracony pakiet oznaczał długie opóźnienie w oczekiwaniu na zorganizowanie retransmisji przez RNC.

HSDPA implementuje znacznie szybszy i bardziej wydajny mechanizm korekcji błędów o nazwie HARQ, bezpośrednio w warstwie fizycznej, zarządzany wprost między Węzłem B a urządzeniem użytkownika.

• Szybka Informacja Zwrotna: Gdy urządzenie użytkownika odbierze pakiet danych, jego sprzęt natychmiast próbuje go zdekodować i sprawdzić pod kątem błędów. Następnie błyskawicznie odsyła do Węzła B prostą, jednobitową wiadomość: ACK (potwierdzenie), jeśli pakiet został odebrany poprawnie, lub NACK (potwierdzenie negatywne), jeśli był uszkodzony.
• Szybka Retransmisja: Węzeł B odbiera tę odpowiedź ACK/NACK bardzo szybko. Jeśli zobaczy NACK, jego szybki scheduler może natychmiast retransmitować utracony pakiet w jednej z najbliższych $2 \text{ ms}$ szczelin czasowych. To drastycznie redukuje 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, nie odrzuca uszkodzonych danych. Zamiast tego przechowuje je w buforze. Gdy Węzeł B retransmituje pakiet, może go wysłać z nieco inną wersją kodowania korygującego błędy. Urządzenie następnie łączy "miękkie" informacje z pierwszej (nieudanej) transmisji z informacjami z nowej retransmisji. Połączony sygnał ma znacznie lepszy stosunek sygnału do szumu, co znacznie zwiększa prawdopodobieństwo pomyślnego zdekodowania przy drugiej próbie. To sprawia, że proces retransmisji jest niezwykle wydajny, często wymagając tylko jednej próby.