Wąskie gardło łącza zwrotnego w HSDPA
Wprowadzenie Szybkiego Dostępu Pakietowego w Kierunku do Abonenta (HSDPA) znacznie zwiększyło pojemność pobierania i zmniejszyło opóźnienia w sieciach 3G UMTS. Użytkownicy mogli wygodniej przeglądać bogate w media strony internetowe, streamować muzykę i oglądać filmy na urządzeniach mobilnych. HSDPA skupiało się na jednym kierunku ruchu, czyli łączu zstępującym (downlink) od sieci do użytkownika, dlatego łącze zwrotne pozostawało wyraźnie ograniczone.
Podczas gdy pobieranie stało się szybsze i bardziej responsywne, wysyłanie informacji z telefonu do sieci pozostawało blisko początkowych wartości referencyjnych UMTS, z poziomem takim jak dla początkowego profilu usługi. Wczesny internet opierał się głównie na odbiorze treści, natomiast późniejsze aplikacje interaktywne i treści tworzone przez użytkowników wymagały szybszego łącza zwrotnego. Obejmowało to:
- Treści generowane przez użytkowników: Rozwój mediów społecznościowych oraz platform do udostępniania zdjęć i wideo oznaczał, że użytkownicy pobierali treści i wysyłali zdjęcia oraz 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 stało się ograniczeniem mobilnego internetu. Aby rozwinąć technologię 3.5G i uzyskać bardziej zrównoważoną transmisję danych, 3GPP opracowało odpowiednik HSDPA, czyli Szybki Dostęp Pakietowy w Łączu Zwrotnym (HSUPA).
Czym jest HSUPA? Ulepszenie łącza zwrotnego
Szybki Dostęp Pakietowy w Łączu Zwrotnym (HSUPA) to ulepszenie standardu UMTS (3G), określone w wydaniu 6 (Release 6) specyfikacji 3GPP. Wykorzystuje szybkie planowanie, retransmisje i kontrolę mocy, aby zwiększyć prędkość danych w łączu zwrotnym oraz ograniczyć opóźnienia. Razem, HSDPA i HSUPA tworzą rodzinę technologii znaną jako .
Łącze zwrotne w sieci komórkowej wymaga koordynacji transmisji z wielu niezależnych, zasilanych bateryjnie urządzeń rozproszonych po całej komórce. Sieć musi zarządzać tymi transmisjami, aby uniknąć i kontrolować ogólny poziom interferencji. HSUPA wprowadziło technologie powiązane z rozwiązaniami HSDPA, dostosowane do ograniczeń kierunku zwrotnego.
Podstawowe technologie HSUPA
Wzrost wydajności HSUPA opiera się na technologiach powiązanych z jego odpowiednikiem w łączu zstępującym, HSDPA. Obejmują one szybkie planowanie, szybką korekcję błędów i konfigurowalne krótkie interwały transmisyjne, zoptymalizowane dla ruchu w kierunku zwrotnym.
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 ten problem za pomocą 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 żądań, polityk sieciowych i poziomu interferencji scheduler przydziela zasoby transmisjom UE w kolejnych okresach planowania oraz określa dozwolony poziom E-TFC lub mocy.
- Zgoda (grant): Scheduler komunikuje decyzję do UE, wysyłając komunikat „zgody” (grant) na nowych kanałach sterujących w kierunku zstępującym. Zgoda wskazuje poziom transmisji lub kombinację formatu transportowego, którą UE może zastosować w ramach bieżących ograniczeń interferencji.
2. Hybrydowe ARQ (HARQ) z miękkim łączeniem
HSUPA stosuje mechanizm HARQ powiązany z rozwiązaniem HSDPA, lecz działający w kierunku zwrotnym. Zapewnia on szybką retransmisję i korekcję błędów transmisyjnych 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 blok transportowy. Następnie wysyła do UE komunikat ACK lub NACK dotyczący powiązanego procesu HARQ na kanale informacji zwrotnej w łączu zstępującym.
- Szybka retransmisja z UE: Jeśli UE otrzyma NACK, retransmituje powiązane dane, często w ciągu kilku milisekund. Podobnie jak w HSDPA, korzysta z miękkiego łączenia. Węzeł B przechowuje informacje z nieudanej transmisji i łączy je z retransmisją, zwiększając szanse poprawnego dekodowania. Ta zarządzana sprzętowo pętla korekcji błędów zmniejsza opóźnienie w łączu zwrotnym.
3. Krótszy interwał czasu transmisji (TTI)
HSUPA obsługuje w FDD wartości TTI E-DCH równe i 10 ms. TTI 10 ms jest obowiązkowe dla UE FDD, natomiast obsługa 2 ms jest wymagana tylko dla określonych kategorii UE i jest wybierana przez sygnalizację warstwy 3. Krótszy interwał może zwiększać częstotliwość cykli żądanie-zgoda i retransmisji HARQ względem konfiguracji 10 ms, ograniczając opóźnienie w aplikacjach interaktywnych, takich jak rozmowy wideo i gry online. Kategoria E-DCH wpływa również na rozmiar bloku transportowego dostępny w każdym interwale.
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 wyznacza bezwzględny limit grantu, w ramach którego UE dobiera dozwoloną kombinację formatu transportowego E-TFC oraz poziom mocy. Jest to zazwyczaj używane do udzielenia nowemu UE pozwolenia na rozpoczęcie transmisji lub do aktualizacji poziomu 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 przenosi informację zwrotną HARQ. Węzeł B przesyła ACK lub NACK dotyczący odpowiedniego bloku transportowego i procesu HARQ, aby UE mogło ustalić, czy potrzebna jest retransmisja. Jedna transmisja E-HICH może zawierać informacje dla wielu UE wymagających potwierdzenia w danej ramce.