High Speed Uplink Packet Access (HSUPA)
Ulepszony kanał dedykowany (E-DCH) dla poprawionej przepustowości łącza wstępującego i zmniejszonego opóźnienia.
Druga Strona Konwersacji: Wąskie Gardło Uplinku
Wprowadzenie Szybkiego Dostępu Pakietowego w Kierunku do Abonenta (HSDPA) było przełomem dla sieci 3G UMTS. Dramatycznie zwiększając prędkości pobierania i redukując opóźnienia, zapoczątkowało erę prawdziwego mobilnego internetu szerokopasmowego. Użytkownicy mogli teraz komfortowo przeglądać bogate w media strony internetowe, streamować muzykę i oglądać filmy na swoich urządzeniach mobilnych. Jednak HSDPA skupiało się wyłącznie na jednym kierunku ruchu: na łączu zstępującym (downlink), od sieci do użytkownika. Stworzyło to znaczną nierównowagę.
Podczas gdy pobieranie stało się szybkie i responsywne, wysyłanie informacji z telefonu z powrotem do sieci pozostało na pierwotnych, wolniejszych prędkościach UMTS (zazwyczaj maksymalnie ). W początkach internetu ta asymetria była całkowicie akceptowalna, ponieważ większość użytkowników była pasywnymi konsumentami treści. Ale internet się zmieniał. Pojawiła się nowa fala interaktywnych aplikacji napędzanych przez użytkowników, tworząc krytyczną potrzebę szybszego łącza zwrotnego. Obejmowało to:
- Treści Generowane przez Użytkowników: Rozwój mediów społecznościowych oraz platform do udostępniania zdjęć i wideo oznaczał, że użytkownicy już nie tylko pobierali; wysyłali zdjęcia i filmy w wysokiej rozdzielczości ze swoich telefonów.
- Aplikacje Interaktywne: Aplikacje czasu rzeczywistego, takie jak wideokonferencje, interaktywne gry online i połączenia głosowe przez IP (VoIP), wymagają szybkiego i niskiego opóźnienia w obu kierunkach.
- Usługi Chmurowe: Przejście w kierunku chmury obliczeniowej oznaczało, że użytkownicy potrzebowali wysyłać duże pliki, synchronizować dokumenty i tworzyć kopie zapasowe swoich urządzeń na zdalnych serwerach.
Wolne łącze zwrotne stawało się nowym wąskim gardłem, ograniczając potencjał mobilnego internetu. Aby dopełnić ewolucję 3.5G i stworzyć prawdziwie symetryczne i responsywne doświadczenie danych, 3GPP opracowało odpowiednik dla HSDPA: Szybki Dostęp Pakietowy w Kierunku od Abonenta, czyli HSUPA.
Czym Jest HSUPA? Dopełnienie Obrazu Wysokiej Prędkości
Szybki Dostęp Pakietowy w Kierunku od Abonenta (HSUPA) to ulepszenie standardu UMTS (3G), określone w wydaniu 6 (Release 6) specyfikacji 3GPP. Zostało zaprojektowane, aby zrobić dla łącza zwrotnego (uplink) to, co HSDPA zrobiło dla łącza zstępującego: radykalnie poprawić prędkości transmisji danych i zmniejszyć opóźnienia. Razem, HSDPA i HSUPA tworzą kompletną rodzinę technologii znaną jako .
Wyzwanie dla HSUPA było prawdopodobnie większe niż dla HSDPA. Łącze zwrotne w sieci komórkowej jest zasadniczo trudniejsze do zarządzania, ponieważ obejmuje koordynację transmisji z wielu niezależnych, zasilanych bateryjnie urządzeń (telefonów komórkowych) rozproszonych po całej komórce. Sieć musi starannie zarządzać tymi transmisjami, aby uniknąć i kontrolować ogólny poziom interferencji w komórce. Aby osiągnąć swoje cele, HSUPA wprowadziło zestaw technologii, które odzwierciedlały innowacje HSDPA, ale zostały dostosowane do unikalnych wyzwań kierunku zwrotnego.
Rdzenne Technologie HSUPA
Wzrost wydajności HSUPA opiera się na fundamencie technologii, które są koncepcyjnie podobne do jego odpowiednika w łączu zstępującym, HSDPA. Obejmują one szybkie szeregowanie, szybką korekcję błędów i krótszy interwał transmisyjny, wszystkie zoptymalizowane dla ruchu w kierunku od abonenta.
1. Szybkie Szeregowanie Pakietów w Uplinku: System Żądanie-Zgoda
Podobnie jak w HSDPA, kluczową innowacją HSUPA było przeniesienie schedulera zasobów z odległego RNC do znacznie bliższego Węzła B. Jednakże, szeregowanie w łączu zwrotnym jest fundamentalnie inne od szeregowania w łączu zstępującym. W łączu zstępującym Węzeł B ma pełny obraz wszystkich danych oczekujących na wysłanie do wszystkich użytkowników i może oportunistycznie wybrać, do kogo nadawać. W łączu zwrotnym Węzeł B nie wie, ile danych każdy użytkownik ma w swoim buforze, oczekując na wysłanie.
HSUPA rozwiązuje to za pomocą zaawansowanego mechanizmu żądanie-zgoda:
- Żądanie (Informacja o Szeregowaniu): Gdy Urządzenie Użytkownika (UE) ma dane do wysłania, nie może po prostu zacząć nadawać. Zamiast tego wysyła żądanie do Węzła B na nowym, dedykowanym kanale sterującym. To żądanie, znane jako , informuje scheduler w Węźle B o dwóch kluczowych rzeczach: ile danych jest w buforze UE i jaką mocą UE dysponuje do nadawania (jego zapas mocy).
- Decyzja (Scheduler Węzła B): Scheduler w Węźle B odbiera żądania od wielu UE jednocześnie. Jego zadaniem jest zarządzanie całkowitą interferencją w łączu zwrotnym, która jest współdzielonym zasobem dla całej komórki. Na podstawie otrzymanych żądań, polityk sieciowych i ogólnego poziomu interferencji, scheduler decyduje, które UE (lub które UE) otrzymają pozwolenie na nadawanie w następnej szczelinie czasowej i z jaką maksymalną prędkością.
- Zgoda (Grant):Scheduler komunikuje swoją decyzję do UE, wysyłając komunikat "zgody" (grant) na nowych kanałach sterujących w kierunku do abonenta. Ta zgoda w zasadzie mówi UE: "Masz teraz pozwolenie na nadawanie danych z maksymalną prędkością X".
2. Hybrydowe ARQ (HARQ) z Miękkim Łączeniem
HSUPA stosuje ten sam potężny mechanizm HARQ co HSDPA, ale w przeciwnym kierunku. Pozwala to na niezwykle szybką i wydajną korekcję błędów transmisyjnych występujących w łączu zwrotnym.
- Transmisja w Uplinku: UE wysyła swój pakiet danych do Węzła B w przydzielonej mu szczelinie czasowej.
- Szybka Informacja Zwrotna z Węzła B: Sprzęt w Węźle B natychmiast próbuje zdekodować odebrany pakiet. Następnie błyskawicznie odsyła jednobitowy komunikat ACK (jeśli się udało) lub NACK (jeśli się nie udało) z powrotem do UE na dedykowanym kanale zwrotnym.
- Szybka Retransmisja z UE:Jeśli UE otrzyma NACK, natychmiast retransmituje ten sam pakiet, często w ciągu zaledwie kilku milisekund. Podobnie jak w HSDPA, korzysta z miękkiego łączenia. Węzeł B przechowuje "miękkie" informacje z nieudanej transmisji i łączy je z nową retransmisją, co znacznie zwiększa szanse na pomyślne zdekodowanie przy drugiej próbie. Ta szybka, zarządzana sprzętowo pętla korekcji błędów radykalnie zmniejsza opóźnienie w łączu zwrotnym.
3. Krótszy Interwał Czasu Transmisji (TTI)
Aby umożliwić szybkie szeregowanie i szybką pętlę zwrotną HARQ, HSUPA zaadaptowało ten sam krótki, TTI, którego używało HSDPA. Pozwala to na znacznie szybsze cykle żądanie-zgoda i retransmisje niż w pierwotnym systemie UMTS (który używał TTI 10 ms), co znacząco obniża opóźnienie dla transmisji w łączu zwrotnym. Niższe opóźnienie jest kluczowe dla poprawy doświadczenia użytkownika w aplikacjach interaktywnych, takich jak rozmowy wideo i gry online.
Nowa Struktura Kanałów HSUPA: Umożliwienie Szybkich Uploadów
Aby zaimplementować mechanizm żądanie-zgoda oraz pętlę zwrotną HARQ, HSUPA wprowadziło całkowicie nowy zestaw kanałów fizycznych. Ten nowy kanał transportowy dla danych w łączu zwrotnym jest zbiorczo znany jako . E-DCH składa się z kilku powiązanych kanałów fizycznych, niektóre w łączu zwrotnym, a niektóre w łączu zstępującym.
- Rozszerzony Dedykowany Fizyczny Kanał Danych (E-DPDCH): Jest to główny kanał przenoszący dane. Gdy UE otrzyma zgodę na transmisję, wysyła swoje rzeczywiste pakiety danych (np. wysyłane zdjęcie, strumień wideo) na jednym lub kilku kanałach E-DPDCH. UE może mieć przydzielonych wiele kanałów E-DPDCH jednocześnie, aby osiągnąć wyższe szczytowe prędkości transmisji.
- Rozszerzony Dedykowany Fizyczny Kanał Sterujący (E-DPCCH):Kanał ten działa równolegle z E-DPDCH i przenosi kluczowe informacje kontrolne, których scheduler w Węźle B potrzebuje od UE. Obejmuje to Informację o Szeregowaniu (stan bufora, zapas mocy), która stanowi "żądanie" w cyklu żądanie-zgoda.
Co ciekawe, aby przyspieszyć łącze zwrotne, potrzebnych było kilka nowych kanałów w łączu zstępującym, aby zapewnić kontrolę i informację zwrotną od Węzła B z powrotem do UE.
- Kanał Absolutnej Zgody dla E-DCH (E-AGCH):Jest to współdzielony kanał w łączu zstępującym, używany przez scheduler Węzła B do wysłania "absolutnej zgody" do UE. Ten komunikat daje UE nowy, bezwzględny limit maksymalnej prędkości transmisji, której może używać. Jest to zazwyczaj używane do udzielenia nowemu UE pozwolenia na rozpoczęcie transmisji lub do wprowadzenia znaczących zmian w prędkości transmisji istniejącego UE.
- Kanał Względnej Zgody dla E-DCH (E-RGCH):Ten dedykowany kanał w łączu zstępującym zapewnia bardzo szybkie, przyrostowe korekty prędkości transmisji UE. Węzeł B może wysłać pojedyncze polecenie "W GÓRĘ", aby pozwolić UE nieznacznie zwiększyć prędkość, polecenie "W DÓŁ", aby zmusić go do jej zmniejszenia, lub polecenie "TRZYMAJ". Pozwala to na bardzo precyzyjną i szybką kontrolę nad ogólną interferencją w komórce.
- Kanał Wskaźnika HARQ dla E-DCH (E-HICH): Ten dedykowany kanał w łączu zstępującym jest ścieżką dla informacji zwrotnej HARQ. Na tym kanale Węzeł B przesyła pojedynczy bit ACK lub NACK z powrotem do UE dla każdego otrzymanego pakietu, informując UE, czy transmisja zakończyła się sukcesem, czy potrzebna jest retransmisja.