High Speed Packet Access Plus (HSPA+)

1. Modulacja wyższego rzędu: więcej bitów w każdym sygnale

Jednym z najbardziej bezpośrednich sposobów na zwiększenie prędkości transmisji danych bez zużywania większej ilości widma radiowego jest spakowanie większej liczby bitów informacji w każdym symbolu przesyłanym przez sieć. Wczesne HSPA opierało się głównie na modulacjach QPSK (2 bity na symbol) i 16-QAM (4 bity na symbol) do transmisji danych.

HSPA+ wprowadziło obsługę bardziej złożonych schematów modulacji w łączu zstępującym:

• 64-QAM (Kwadraturowa Modulacja Amplitudowa): Ten schemat zwiększa liczbę bitów przenoszonych w jednym symbolu. 64-QAM pozwala na zakodowanie 6 bitów danych w jednym symbolu transmisyjnym ($2^6 = 64$). W porównaniu z 4 bitami na symbol w 16-QAM, stanowi to 50% wzrost szczytowej prędkości danych i wydajności widmowej dla danej szerokości kanału. 64 punkty konstelacji są położone bliżej siebie, dlatego sygnał jest bardziej wrażliwy na szum i zakłócenia. Sieć może wybrać 64-QAM, gdy UE i komórka obsługują ten tryb, a jakość radiowa zapewnia wymagany SINR. Takie warunki często występują blisko Węzła B, lecz sama odległość nie określa możliwości użycia modulacji.

2. Technologia MIMO: wiele anten i strumienie przestrzenne

HSPA+ stosowało technologię Wielu Wejść i Wielu Wyjść (MIMO). Podstawową ideą MIMO jest użycie więcej niż jednej anteny w stacji bazowej (nadajniku) i więcej niż jednej anteny w urządzeniu mobilnym (odbiorniku) do wysyłania wielu niezależnych strumieni danych przez ten sam kanał częstotliwości w tym samym czasie.

W kontekście HSPA+ częstą implementacją było $2 \times 2$ MIMO w łączu zstępującym. Oznaczało to, że Węzeł B używał dwóch anten nadawczych, a UE potrzebowało dwóch anten odbiorczych. Gdy kanał i konfiguracja pozwalały na multipleksację przestrzenną, dane mogły być dzielone na dwa strumienie, z których każdy był nadawany z innej anteny. Odbicia i inne zjawiska propagacyjne powodowały, że strumienie docierały do anten UE różnymi drogami. Przetwarzanie sygnału w telefonie mogło następnie rozróżnić, rozdzielić i ponownie połączyć strumienie.

Ta technika, znana jako multipleksacja przestrzenna, może tworzyć dwa równoległe strumienie danych w tym samym paśmie częstotliwości. Przy odpowiednich możliwościach UE i sieci teoretyczna szczytowa przepływność może zbliżyć się do dwukrotności wartości dla jednego strumienia. Połączenie, które mogło osiągnąć $21 \text{Mbit/s}$ z jednym strumieniem, potencjalnie mogło osiągnąć $42 \text{Mbit/s}$ przy użyciu $2 \times 2$ MIMO.

3. Działanie wielonośnikowe: łączenie nośnych WCDMA

Inną techniką zwiększania szczytowej przepływności było umożliwienie zdolnemu do tego UE agregowania pojemności wielu kanałów częstotliwościowych WCDMA jednocześnie. Każda nośna UMTS FDD ma szerokość pasma około $5 \text{MHz}$. HSPA+ z obsługą wielu nośników pozwoliło UE i sieci na skoordynowane połączenia na więcej niż jednej nośnej.

Najczęstszą implementacją tej techniki był Dwunośnikowy HSDPA (DC-HSDPA). Zdolne urządzenie użytkownika mogło łączyć się z dwoma sąsiednimi nośnikami o szerokości $5 \text{MHz}$ z tej samej stacji bazowej. Sieć mogła planować pakiety na obu nośnikach jako skoordynowane zasoby o łącznej zajętości około $10 \text{MHz}$. Przy obsłudze tej funkcji przez oba nośniki i UE układ mógł w przybliżeniu podwoić teoretyczną szczytową prędkość pobierania. Na przykład sieć oferująca $21 \text{Mbit/s}$ na jednej nośnej mogła oferować do $42 \text{Mbit/s}$ urządzeniu obsługującemu DC-HSDPA. Późniejsze wydania rozszerzyły tę koncepcję na większą liczbę nośników, na przykład 4C-HSDPA z czterema nośnymi.

4. Płaska architektura sieci i Ciągła Łączność Pakietowa (CPC)

Oprócz ulepszeń interfejsu radiowego późniejsze etapy rozwoju HSPA obejmowały udoskonalenia architektury sieciowej i sygnalizacji, które wspierały wydajność ścieżki pakietowej oraz czas pracy baterii UE.

• Spłaszczona ścieżka pakietowa: Ewolucja HSPA wspierała przejście do bardziej płaskiej infrastruktury sieciowej opartej na IP. W konfiguracjach wykorzystujących Direct Tunnel określone funkcje przekazywania danych użytkownika mogły omijać RNC, a tunel płaszczyzny użytkownika mógł kończyć się bliżej Węzła B. Wariant i punkty zakończenia zależały od wydania oraz konfiguracji sieci. Ograniczało to liczbę etapów przetwarzania i mogło zmniejszać opóźnienie.
• Ciągła Łączność Pakietowa (CPC): Utrzymanie dostępności danych pakietowych mogło zwiększać zużycie energii przez radio wczesnych smartfonów. CPC wprowadziło zestaw ulepszeń ograniczających pobór energii UE w okresach mniejszej aktywności. Obejmowało to Nieciągły Odbiór (DRX) i Nieciągłą Transmisję (DTX), które pozwalały nadajnikowi i odbiornikowi telefonu przechodzić w stan uśpienia podczas skonfigurowanych cykli oraz szybko się wybudzać po nadejściu danych. Mechanizmy te były konfigurowalne dla obsługiwanych UE i stanów sieci, dlatego mogły poprawiać czas pracy baterii przy sporadycznym ruchu danych.