Archive for Září, 2010

HSPA+ v teorii

Úterý, Září 7th, 2010

High Speed Packet Access Evolution (HSPA Evolution) nebo také HSPA+ je popsána v Release 7 UMTS standardu. Tato revize byla připravována paralelně s Release 8 (LTE) a obsahuje tak řadu vylepšení vymyšlených pro LTE, které se daly aplikovat zpět do HSPA světa.

eFACH

Uživatelé HSPA terminálů znají po kliknutí na odkaz krátkou prodlevu, než se začne něco dít. V tomto čase terminál, který odpočíval na paging kanále, vyjednává se sítí sestavení dedikovaného datového kanálu. To síti zabere necelou sekundu a až poté mohou začít téct data. V UMTS sítích již od R99 existuje Forward Access Channel (FACH). Běhají na něm hlavně řídící povely, ale umožňuje i přenos velmi malých datových paketů. Je sdílený pro všechny terminály v sektoru a má pevnou přenosovou rychlost 30 kbps. HSPA+ zavádí do sítě Enhanced FACH kanál, který je fyzicky přenášen na HSDPA (HS-DSCH) kanálu. Toto umožňuje okamžitě po pagingu terminálu přenášet data na downlinku rychlostí až jednoho megabitu, dříve než je vyjednán dedikovaný datový kanál a komunikace přejde na tradiční metody zavedené v Release 5 (HSDPA).

MIMO

HSPA+ zavádí možnost vysílací diverzity na downlinku, známé i z Wifi 802.11n sítí jako Multiple Input Multiple Output (MIMO). Node B sestavuje dva rozdílné datové toky obsahující každý polovinu přenášených dat. Oba jsou kódovány a rozprostírány stejnými kódy, každý z nich je ale následně odvysílán přes samostatnou anténu. Terminál zdekóduje ten datový tok, který v daný okamžik dorazil na jeho antény silnější, poté jej z příjmutého signálu odečte a provede znovu demodulaci druhého datového toku. Teoreticky lze tímto postupem dosáhnout 100% navýšení přenosové rychlosti. MIMO je v Release 7 nasazeno jen na downlinku, teoretické špičkové hodnoty jsou 23.4 Mbps pro 3/4 kódový (ochranný) poměr a 28.0 Mbps pro 1/1 kód.

16QAM a 64QAM

HSPA+ zavádí podporu 64QAM modulace na downlinku. Tato modulace dokáže přenést šest bitů během jednoho symbolu, což je o 50% více než 16QAM z HSDPA, která přenáší čtyři bity per symbol. Podmínkou pro použití 64QAM je o 6 dB lepší odstup signálu od šumu než u 16QAM, lze ji tedy využít jen ve zhruba 20% případů, kdy je terminál blízko vysílače a signál je dostatečně kvalitní. Špičková přenosová rychlost 64QAM je 21.1 Mbps. MIMO není s 64QAM povoleno.

Na uplinku byla zavedena modulace 16QAM známá z HSDPA, v HSUPA byla dosud používána obyčená QPSK modulace. Tímto byla zdvojnásobena rychlost uploadu vůči HSUPA z 5.7 na 11.5 Mbps.

Optimalizace na druhé sítové vrstvě (L2)

UMTS sít používá na druhé sítově vrstvě Radio Link Control Protocol (RLC), jehož hlavní činností v R99 bylo hlídat, zda datové pakety dorazily úspěšně do cíle a případně zajistit jejich opakování. V HSPA standardu tuto činnost přebrala přímo první síťová vrstva. Co ovšem zůstalo je požadavek na pevnou velikost RLC paketu, která činí 40 bajtů payloadu. To znamená, že i v HSPA je datový paket fragmentován na RNC do 40-bajtových bloků, které jsou samostatně přenášeny přes Node B do terminálu. Tento proces je zaprvé náročný na výpočetní výkon, zadruhé vnáší na rádiové rozhraní overhead, který činí vždy minimálně 5%. HSPA+ toto řeší zavedením Flexible RLC s možností zvětšit RLC pakety až do velikosti 1500 bajtů, což je tradiční velikost IP paketu v Internetu.

Příjmová diverzita

HSPA+ zavádí nutnost dvou samostatných antén a dvou samostatných přijímacích obvodů v terminálu, primárně kvůli MIMO. Tyto dva přijímací obvody ale najdou svoje využití i tam, kde se síť rozhodne MIMO nepoužít nebo operátor MIMO nezainvestovat. Terminál má díky dvěma anténám k dispozici příjmovou diverzitu, což byla dosud výsada BTS. Hlavně v oblastech na okrajích buněk diverzitní příjem výrazně pomůže oddělit užitečný signál od rušení z ostatních sektorů. Přenosové rychlosti na downlinku se v těchto situacích zvýší podle simulací o 50-80%, a to i na sítích, které dosud HSPA+ nenasadili. Celá úprava je totiž čistě na straně terminálu a pro síť je transparentní.

Nespojitý příjem a vysílání

V UMTS sítích včetně HSPA terminál nepřetržitě vysílá na řídícím kanále informace nutné k řízení vysílacího výkonu protistrany (power control). HSPA+ umožnuje terminálu nespojité vysílání DPCCH (Dedicated Physical Control Channel), terminál tak může zcela vypnout vysílací obvody ve chvílích, kdy nečekají žádná data na upload (např. mezi malými pakety při stahování nebo VoIP hovoru). Zároveň byl v HSPA+ přidán povel, kterým síť informuje terminál o možnosti přestat poslouchat příchozí provoz po určitý časový úsek (discontinuous receive - DRX). Primární motivací pro tyto změny je snaha šetřit energii terminálu a tím prodloužit výdrž na baterii. Pozitivním vedlejším efektem je drobné zvýšení kapacity sektoru, méně provozu znamená méně interferencí.

Plochá architektura

Poslední dvě změny jsou pro terminál neviditelné a týkají se architektury sítě. První inovace HSPA+ umožňuje datovému provozu obcházet (tunelovat) SGSN, přes které nově běží jen řídící data. Druhou změnou je pak zvýšení počtu RNC v síti (dosud 4096), což umožní výrobcům infrastruktury integrovat funkčnost RNC do Node B a propojení Node B přímo s SGSN a GGSN. Těmito úpravami se redukuje latence, protože datový provoz uživatele bude procházet jen dvěmi zařízeními (Node B a GGSN) místo dosavadních čtyř.