Techniki szybkiej transmisji danych w systemie UMTS (HSDPA, HSUPA)

Transkrypt

1 Wszystkie te rozważania dotyczą kilku najbliższych lat i tylko tak krótkiego okresu mogą dotyczyć. Któż bowiem odważy się prognozować rozwój nauki i techniki na kilkanaście nawet lat naprzód w czasach, gdy postęp jest oparty na kolejnych skokach technologicznych, często o wręcz rewolucyjnym charakterze. Historia Instytutu upoważnia nas chyba jednak do jednego wniosku od lat, mimo czasem wręcz dramatycznych zmian w otaczającej rzeczywistości politycznej i gospodarczej, Instytut trwał, zachowywał swoją tożsamość i utrzymywał się w pierwszym szeregu ośrodków badawczych. W przyszłość patrzymy zatem z nadzieją i ciekawością wszak nowe wyzwania są naszym żywiołem... LITERATURA [1] Sprawozdania roczne Instytutu Radioelektroniki (opracowania wewn. Instytutu Radioelektroniki PW) [2] Institute of Radioelectronics Annual Reports (opracowania wewn. Instytutu Radioelektroniki PW) [3] Morawski R. Z.: Wczoraj, dziś i jutro Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2001 [4] Historia i dorobek Wydziału Elektroniki Politechniki Warszawskiej , Zakład Graficzny PW, Warszawa 1976 [5] Historia i dorobek Wydziału Elektroniki Politechniki Warszawskiej , Zakład Graficzny PW, Warszawa 1986 [6] Ebert J. T., Pawłowski Z., Morawski T., materiały niepublikowane, przygotowane do opracowania jubileuszowego z okazji 35-lecia Instytutu Radioelektroniki [7] Cichocki J.: Instytut Radioelektroniki. Od radiotechniki do multimedialnego świata łączności bezprzewodowej, Przegląd Telekomunikacyjny i Wiadomości Telekomunikacyjne, nr 10, 2001 O Stanisław MASZCZYK*, Jerzy KOŁAKOWSKI*, Jacek CICHOCKI* Techniki szybkiej transmisji danych w systemie UMTS (HSDPA, HSUPA) System UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) wkroczył w okres szybkiego rozwoju. W aspekcie implementacyjnym widać to już co najmniej od roku. Dynamicznie wzrasta liczba uruchomionych sieci i obsługiwanych abonentów. Szybko poszerza się oferta sprzętowa (na rynku pojawiają się coraz ciekawsze terminale, a operatorzy mogą przebierać w coraz szerszej ofercie producentów infrastruktury). Według danych przedstawionych na początku lipca 2005 r. (m.in. [20]): M w 36 krajach działa już ponad 78 sieci UMTS 1, M z usług sieci UMTS korzysta już ponad 28 mln abonentów (wzrost o 68% w ciągu ostatniego półrocza), M 26 producentów oferuje już ponad 180 typów urządzeń UMTS (4-krotny wzrost w ciągu 12 miesięcy). Tło rozwoju implementacyjnego tworzy ciągły rozwój koncepcyjny systemu. Towarzyszą mu również informacje o (udanych!) eksperymentach i osiąganiu coraz wyższych przepływności. Podstawowym obszarem rozwojowym wydaje się bowiem uzyskanie większych przepływności przy transmisji pakietowej, co ma w przyszłości zapewnić realizację nowych usług multimedialnych. * Instytut Radioelektroniki Politechniki Warszawskiej. S.maszczyk@ire.pw.edu.pl, J.kolakowski@ire.pw.edu.pl, j.cichocki@ire.pw.edu.pl 1) Ściślej w dokumentach GSA (Global mobile Suppliers Association) i 3GPP (Third Generation Partnership Project) jest stosowane określenie WCDMA, odnoszące się do rodzaju transmisji (WCDMA Wideband Code Division Multiple Acces transmisja szerokopasmowa z wielodostępem kodowym). Określenie sieci WCDMA obejmuje sieci UMTS i pokrewny system japoński (działający m.in. pod nazwą rynkową FOMA). Standaryzacja systemu UMTS przebiega etapowo. Kolejne wersje (Releases), publikowane co kilka lat, odpowiadają potencjalnym etapom wdrożenia systemu, począwszy od wersji wykorzystującej strukturę sieciową systemu GSM aż do wersji, która ma być oparta na koncepcji sieci All-IP. Chociaż większość obecnie uruchamianych sieci UMTS jest oparta na specyfikacji wersji R99, a więc zakłada transmisję o przepływności maksymalnie do 2 Mbit/s (i to w szczególnych, wyjątkowo dobrych warunkach), zastosowanie technik HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) i HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) daje perspektywę wprowadzenia (w dalszej przyszłości) usług wymagających stosowania kanałów transmisyjnych o jeszcze większych przepływnościach: sięgających 3 Mbit/s (HSUPA) i 14 Mb/s (HSDPA). Oczywiście podane wyżej wartości należy traktować jako graniczne, uzyskiwane tylko w wyjątkowo korzystnych sytuacjach propagacyjnych i przy bardzo niewielkim obciążeniu łącza radiowego w danej komórce. INTERFEJS RADIOWY SYSTEMU UMTS Wymagania postawione przez ITU (International Telecommunication Union) systemom komórkowym trzeciej generacji dotyczyły przede wszystkim aspektów usługowych i funkcjonalnych, w mniejszym stopniu realizacyjnych. Wymagane przepływności transmisji zdefiniowano w zależności od tzw. środowiska komórkowego (określonego przez odległość od stacji bazowej i maksymalną szybkość przemieszczania się terminalu): M do 2 Mbit/s w tzw. środowisku pikokomórkowym, czyli w bardzo bliskim otoczeniu stacji bazowych (do ok. 0,2 km) i przy łącz- 362 PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY! ROCZNIK LXXVIII! nr 10/2005

2 ności z terminalami nieruchomymi lub poruszającymi się z szybkością pieszego, M do 384 kbit/s w tzw. środowisku mikrokomórkowym, czyli w pobliżu stacji bazowych (do ok. 2 km, typowo na obszarach zabudowanych) i przy łączności z terminalami poruszającymi się z szybkością do 120 km/h, M do 144 kbit/s w tzw. środowisku makrokomórkowym i przy łączności z terminalami poruszającymi się z szybkością do 500 km/h. Opracowując pierwsze wersje standardu UMTS, przyjęto, że w łączu radiowym systemu UMTS będą stosowane dwa tryby transmisji: M w podzakresach od 1920 do 1980 MHz i od 2110 do 2170 MHz (tzw. podzakresach skojarzonych) dupleks częstotliwościowy FDD (Frequency Division Duplexing) i szerokopasmowy wielodostęp kodowy WCDMA z rozpraszaniem bezpośrednim i przepływnością ciągów rozpraszających równą 3,84 Mczip/s; M w podzakresach od 1900 do 1920 MHz i od 2010 do 2025 MHz (nieskojarzonych) dupleks czasowy TDD (Time Division Duplexing) i technika szerokopasmowego wielodostępu czasowo-kodowego TD-CDMA (Time-Division Code-Division Multiple Access). Podstawowe właściwości sygnałów łącza radiowego systemu UMTS przedstawiono w tabeli 1. W systemie UMTS, podobnie jak w innych systemach komórkowych, ograniczenia przepływności transmisji są przede wszystkim związane z interfejsem radiowym. Dlatego też wszelkie próby zwiększenia przepustowości kanałów transmisyjnych do stacji ruchomej dotyczą organizacji tego interfejsu oraz technik zarządzania zasobami radiowymi. W systemie UMTS obsługę zasobów radiowych powierzono sieci UTRAN (UMTS Terrestial Radio Access Network), której schemat przedstawiono na rys. 1. We wcześniejszych wersjach systemu jest widoczny dość klarowny podział funkcji związanych z obsługą interfejsu radiowego. Stacja bazowa (Node B) jest odpowiedzialna za funkcje związane z bezpośrednią obsługą łącza radiowego, natomiast sterownik sieci radiowej (RNC Radio Network Controller) realizuje funkcje związane ze sterowaniem pracą stacji bazowych oraz przydziałem zasobów poszczególnym stacjom ruchomym. O Tabela 1. Podstawowe cechy sygnałów łącza radiowego systemu UMTS (przed wprowadzeniem szybkich transmisji pakietowych) Parametry Tryb FDD Tryb TDD Zakres częstotliwości nadawania stacji ruchomych MHz MHz Zakres częstotliwości nadawania stacji bazowych MHz MHz Techniki wielodostępu WCDMA (i FDMA) TD-CDMA (i FDMA) Typ dupleksu FDD TDD Odstęp międzykanałowy 5 MHz* ) 5 MHz* ) 1,6 MHz** ) Przepływność kanału 3,84 3, radiowego Mczip/s Mczip/s Mczip/s Rozpraszanie (liczba czipów zmienne zmienne na 1 bit informacji (od 4 do 512) ( ) Czas trwania ramki 10 ms Liczba szczelin w ramce 15 2*7 Modulacja (podstawowa) QPSK QPSK lub 8PSK * ) Odstępy między środkowymi częstotliwościami kanałów tego samego operatora mogą wynosić od 4,4 do 5,2 MHz, ** ) Dla trybu transmisji TDD oprócz podstawowej szerokości pasma (5 MHz) i przepływności czipowej (3,84 * 10 6 czip/s) przewidziano również możliwość tworzenia węższych kanałów (o szerokości pasma 1,6 MHz) o zmniejszonej przepływności (1,28 * 10 6 czip/s) Wdrażanie systemu UMTS rozpoczyna się od wykorzystania pasm skojarzonych, stąd też w najbliższym czasie podstawowym trybem pracy będzie tryb FDD z rozpraszaniem bezpośrednim i wielodostępem kodowym WCDMA. Wykorzystanie techniki dupleksu częstotliwościowego FDD oznacza zajęcie dwóch podzakresów częstotliwości o tej samej szerokości. Podejście takie, uzasadnione w przypadku transmisji mowy (symetria ruchu do abonenta i od abonenta), prowadzi do niewykorzystania widma przeznaczonego na transmisje od abonenta (w górę) w przypadku transmisji internetowych i multimedialnych (łącze w dół może być wtedy wielokrotnie intensywniej wykorzystywane, niż łącze realizujące transmisje w kierunku przeciwnym). W tej sytuacji wskazane jest wprowadzenie nowych technik transmisji, zwiększających efektywność wykorzystania łącza w dół, a w przyszłości zwiększenie zakresu częstotliwości obsługiwanych techniką TDD (lub wspólne wykorzystywanie zakresów przez obie techniki dupleksu). O Rys. 1. Architektura i interfejsy sieci UTRAN. Oznaczenia: Node B stacja bazowa, RNC sterownik sieci radiowej, nazwy interfejsów podano na rysunku W standardzie zdefiniowano trzy kategorie kanałów wykorzystywanych do transmisji pomiędzy siecią UTRAN a stacjami ruchomymi. Kanały logiczne umożliwiają grupowanie informacji ze względu na jej rodzaj (np. informacje systemowe, przywoławcze, dedykowane poszczególnym stacjom ruchomym). Kanały transportowe określają sposób transmisji informacji (m.in. rodzaj zastosowanego kodowania, przepływność). Kanały fizyczne są natomiast odpowiedzialne za realizację transmisji informacji otrzymanej z kanałów transportowych lub realizują transmisję informacji pomocniczych, wykorzystywanych podczas działania systemu. Organizacja kanałów transportowych i fizycznych oraz ich współdziałanie są obszarami, w którym modyfikacje mogą znacząco usprawnić transmisję w interfejsie radiowym. Na rys. 2 w uproszczony sposób przedstawiono transfer danych z kanałów transportowych (np. DCH Dedicated Channel) do kanałów fizycznych. Dane w kanałach transportowych są transmitowane w postaci bloków wysyłanych w kolejnych okresach TTI (Transmission Time Interval). W danym okresie TTI może być przesyłanych nawet kilka bloków, przy czym w kolejnych okresach TTI długości bloków mogą być różne. Dane z każdego kanału podlegają przetwarzaniu, m.in.: jest dołączana suma kontrolna, są realizowane kodowanie i przeploty, jest dostosowywana przepływność. Strumienie danych z poszczególnych kanałów są po przetworzeniu multipleksowane i tworzą tzw. łączny kanał transportowy CCtrCH (Coded Composite Transport Channel). Dane z tego kanału mogą być przypisane jednemu lub kilku kanałom fizycznym. W kanałach fizycznych są również zamieszczane informacje o formatach informacji przenoszonej przez kanały transportowe. Zapewnia to odtworzenie zawartości kanałów transportowych w odbiorniku. Szczegółowy opis przetwarzania zamieszczono w [9] [10]. W łączu radiowym UMTS-FDD zastosowano przepływność czipową R czip = 3,84 Mczip/s, modulację QPSK (symbole dwubitowe) oraz filtrację ze współczynnikiem poszerzenia pasma α = 0,22 PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY! ROCZNIK LXXVIII! nr 10/

3 O Rys. 2. Transfer danych z kanałów transportowych do kanałów fizycznych. Oznaczenia wyjaśniono w tekście [1... 4]). Pasmo B kan zajmowane przez sygnał w jednym kanale radiowym można oszacować z zależności: B kan = R czip (1 + α) (1) na 4,68 MHz. Maksymalna przepływność bitowa R bmax sygnałów przesyłanych w kanale radiowym z modulacją czterowartościową (QPSK) jest równa (bez rozpraszania): R bmax = 2 R czip = 7,68 [Mbit/s] (2) Dostępne zasoby radiowe trzeba ponadto rozdzielić między różnych użytkowników (pracujących w danej komórce). W trybie FDD wykorzystuje się do tego celu ciągi rozpraszające o różnej długości OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor), które umożliwiają uzyskanie różnych współczynników rozpraszania SF=2 n (n N). Długości ciągów rozpraszających są dobierane oddzielnie dla każdego kanału fizycznego w taki sposób, by w wyniku wymnożenia uzyskać sekwencję wynikową o założonej przepływności (3,84 Mczip/s). Współczynnik SF (zwany też zyskiem rozpraszania) ma istotny wpływ na jakość odbieranego sygnału. W przypadku idealizowanym zachodzi zależność: E b E c [ db] = [ db] + lg ( SF) (3) I I w której: E b stosunek energii przypadającej na 1 bit przesyłanej informacji (E b ) do widmowej gęstości mocy zakłóceń i szumów (I 0 ), określany na wyjściu korelatora w odbiorniku; E c stosunek energii przypadającej na 1 czip sekwencji rozproszonej przesyłanej w łączu radiowym (E c ) do widmowej gęstości mocy zakłóceń i szumów (I 0 ), określany na wyjściu anteny odbiorczej. Tak więc osiągnięcie założonej wartości E b w odbiorniku wymaga przesyłania czipów sekwencji rozproszonej z tym większą energią, im mniejsza jest wartość współczynnika rozpraszania SF (a więc im większa jest przepływność danych użytkownika). Jest to istotne ograniczenie z punktu widzenia realizacji transmisji o dużych przepływnościach ze wzrostem szybkości transmisji zmniejsza się zysk wynikający z zastosowania techniki CDMA i wzrastają wymagania dotyczące stosunku E c (których spełnienie uzyskuje się przez zwiększenie mocy nadawania lub/i ograniczenie poziomu sygnałów innych użytkowników działających w tej samej komórce). Koncepcja zwiększenia przepływności w łączu radiowym bez poszerzania pasma emisji opiera się na ogół na zastosowaniu modulacji o większej wartościowości (tak jak w trybie EDGE w systemie GSM [1,2]). W przypadku systemu UMTS zdecydowano się na wykorzystanie modulacji 16-wartościowej (16QAM Quadrature Amplitude Modulation), której wydajność widmowa jest dwukrotnie większa od modulacji QPSK (oznacza to dwa razy większą przepływność przy wykorzystaniu tego samego pasma). Na rys. 3 przedstawiono konstelacje obu modulacji. Zwiększając wartościowość modulacji, zwiększa się przepływność bitową w kanale radiowym, ale jednocześnie pogarsza się odporność transmisji na szumy i zakłócenia. Zmieniając modulację z QPSK na 16QAM należy, dążąc do zachowania poprzedniej stopy błędu, zwiększyć wartość E c o db. Tak więc pełne wykorzystanie zalet modulacji 16QAM jest możliwe jedynie w środowisku o stosunkowo wysokim poziomie sygnału użytecznego (przy niewielkim tłumieniu trasy, a więc bardzo niewielkiej odległości między stacją bazową a terminalem) i przy niskim poziomie sygnałów zakłócających (a więc również niewielkim obciążeniu komórki transmisją innych użytkowników). SZYBKA TRANSMISJA PAKIETOWA W ŁĄCZU W DÓŁ Prace nad szybką transmisją pakietową w łączu w dół (HSDPA) rozpoczęły się w 3GPP w 2002 roku, a pierwsze wersje specyfikacji pojawiły się w ramach wersji R5 systemu UMTS. Dotyczą one zarówno wersji FDD (Frequency Division Duplex), jak i TDD (Time Division Duplex) systemu. Przedstawione niżej rozwiązania zostały wykorzystane w wersji systemu z dupleksem częstotliwościowym. Technika HSDPA została stworzona z myślą o usługach wykorzystujących asymetryczne przepływności w obu kierunkach. Jej implementacja w istniejących systemach UMTS umożliwia zwiększenie przepływności w łączu w dół do teoretycznie 2) 14,4 Mbit/s. Dzięki tej usłudze wzrośnie również pojemność części radiowej systemu, szybkość dostępu oraz niezawodność transmisji. Kolejnym krokiem do zwiększenia przepływności w łączu w dół będzie najprawdopodobniej wykorzystanie techniki MIMO (Multiple Input Multiple Output) (rys. 4). O Rys. 4. Przepływności bitowe możliwe do osiągnięcia w systemie UMTS (łącze w dół) O Rys. 3. Wykresy konstelacji przykładowych modulacji: QPSK (a) i 16QAM (c) 2) W idealnych warunkach propagacyjnych oraz dla stacji ruchomych kategorii PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY! ROCZNIK LXXVIII! nr 10/2005

4 Z punktu widzenia systemu, HSDPA jest ewolucją zaimplementowanej w nim transmisji pakietowej (DSCH Downlink Shared Channel). Uzyskanie większej przepływności i pojemności systemu było możliwe dzięki wprowadzeniu takich rozwiązań, jak: M adaptacyjna modulacja i kodowanie (AMC Adaptive Modulation and Coding), M technika transmisji z powtórzeniami (HARQ Hybrid Automatic Repeat Request), M multipleksowanie danych w dziedzinie kodu oraz czasu, M nowe kanały: transportowy i fizyczne, M zwiększona funkcjonalność stacji bazowej. Technika HSDPA jest kompatybilna wstecz z wersją systemu z zamrożonej specyfikacji 3 GPP Release 99. Opracowano płynną możliwość implementacji HSDPA w już działających systemach UMTS. Teoretycznie aktualizacja systemu mogłaby sprowadzać się do zmian oprogramowania w: sterowniku RNC, stacji bazowej oraz stacji ruchomej (UE User Equipment), jednak ze względu na wymaganą wydajność część funkcji jest implementowana w postaci sprzętowej. Adaptacyjna modulacja i kodowanie M liczbę przydzielonych kanałów HS-PDSCH (do 15), M sprawność kodowania 3) (od 1/4 do 3/4). Technika transmisji z powtórzeniami Technika transmisji z powtórzeniami (HARQ) [6] jest kolejnym rozwiązaniem, mającym zapewnić możliwie dużą przepływność poprawnej transmisji, przy efektywnym wykorzystaniu ograniczonych zasobów radiowych. Jest techniką, w której zapamiętane informacje z nieudanej transmisji są wykorzystywane w kolejnych próbach dekodowania. Łączy w sobie zalety tzw. korekcji błędów ze sprzężeniem zwrotnym wyprzedzającym FEC (Feed-forward Error Correction) oraz automatycznego żądania powtórzeń ARQ (Automatic Repeat Request). Zastosowanie tego mechanizmu oznacza konieczność potwierdzenia przez użytkownika każdego odebranego pakietu danych. W przypadku błędnej transmisji jest dokonywana retransmisja uszkodzonego pakietu (rys. 6), do której stacja bazowa może wybrać: M inny rodzaj modulacji, M inny zestaw ciągów rozpraszających (ewentualnie inną liczbę ciągów w zestawie), M inną moc emisji. W systemie UMTS przyjęto, że ramka czasowa w trybie transmisji FDD trwa 10 ms i składa się z 15 szczelin (trwających po 666,7 µs), w każdej szczelinie jest przesyłanych 2560 czipów. Struktura ramkowo-szczelinowa nie jest związana z zastosowaną techniką wielodostępu, transmisja zasadniczo odbywa się w sposób ciągły (jeśli nie jest wykorzystywany tryb skompresowany), a szczeliny określają jedynie czasową organizację transmisji powtarzających się bloków informacji. Wprowadzone do systemu zmiany odnoszą się głównie do warstwy fizycznej i transportowej. Istotną modyfikacją jest pięciokrotne skrócenie czasu trwania ramki (rys. 5). Tzw. podramka w HSDPA trwa 2 ms, co umożliwia częstszą realokację zasobów radiowych zarówno w dziedzinie czasu, jak i kodu (lepsze dostosowanie się do zmiennych warunków propagacyjnych). Moc nadawanego sygnału jest stała w czasie jednej podramki. O Rys. 6. Przykład obrazujący zasadę działania techniki HARQ Ułatwia to zastosowanie kolejnego mechanizmu wzrastającej nadmiarowości: IR (Incremental Redundancy) 4), w którym w kolejnych próbach dekodowania wykorzystuje się zarówno pakiety przesłane pierwotnie, jak i ze wszystkich kolejnych retransmisji. Skutkuje to rosnącą nadmiarowością odbieranych danych, a przez to zwiększonym prawdopodobieństwem poprawnego odbioru. W czasie oczekiwania na potwierdzenie transmisji stacja bazowa może przesyłać inne pakiety (również do tego samego użytkownika) skojarzone z innymi procesami HARQ. Stacja ruchoma może obsługiwać do 6 procesów HARQ [19]. Multipleksowanie danych w dziedzinie kodu oraz czasu O Rys. 5. Struktura ramkowa UMTS HSDPA Oprócz wykorzystywanej w systemie UMTS modulacji QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) wprowadzono bardziej wydajną widmowo modulację 16QAM przy zachowanej przepływności czipowej i szerokości pasma. W celu uzyskania większej szybkości transmisji i efektywności widmowej, zrezygnowano z szybkiej regulacji mocy oraz zmiennego współczynnika rozpraszania. Wprowadzono mechanizm adaptacyjnej modulacji i kodowania (AMC). W zależności od jakości łącza radiowego, kategorii stacji ruchomej, jakości usługi (QoS), dostępnych mocy nadawania oraz sekwencji kodowych, stacja bazowa dobiera między innymi: M rodzaj modulacji (QPSK, 16QAM), M rozmiar bloku transportowego (254 rozmiary), PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY! ROCZNIK LXXVIII! nr 10/2005 Podobnie jak w interfejsie W-CDMA, we współdzielonych kanałach transmisji pakietowej (HS-PDSCH) jest dostępne multipleksowanie danych w dziedzinie kodu (CDM Code Domain Multiplexing). Oznacza to, że stacje ruchome mogą jednocześnie odbierać informacje przesyłane w tej samej podramce, wykorzystując różne ciągi kodowe 5). Ze względu na stałą wartość współczynnika rozpraszania (SF Spreading Factor), zmiana przepływności jest dokonywana również przez przydzielanie kilku ciągów kodowych (kanałów) jednemu użytkownikowi. Zwiększenie wydajności transmisji uzyskano dzięki wykorzystaniu multipleksowania danych w dziedzinie czasu (TDM Time Domain Multiplexing). 3) Wykorzystano turbokodowanie ze sprawnością 1/3, zmienna sprawność wynika z mechanizmów dziurkowania i powtarzania bitów [10] 4) HARQ może wykorzystywać również technikę polegającą na przesyłaniu identycznej wersji błędnie zdekodowanych danych i wykorzystaniu wszystkich odebranych bloków do ponownej detekcji (CC Chase Combining) 5) Z dostępnej przestrzeni kodowej OVSF o ustalonej wartości współczynnika rozpraszania (SF=16) 365

5 Nowe kanały transportowe i fizyczne W technice HSDPA zostały wprowadzone również nowe kanały (strzałkami zaznaczono kierunek transmisji): transportowy: M HS-DSCH (High Speed Downlink Shared Channel), fizyczne: M HS-PDSCH (High Speed Physical Downlink Shared Channel), M HS-SCCH (High Speed Shared Control Channel), M HS-DPCCH (High Speed Dedicated Physical Control Channel). Podstawowym rozwiązaniem jest wprowadzenie kanału HS-DSCH. Po przetworzeniu (kodowanie, segmentacja, przeplot) [10] informacja z HS-DSCH trafia do wydzielonego łącznego kanału transportowego CCTrCH, a następnie jest umieszczana w kanałach HS-PDSCH. Stacja ruchoma może obsługiwać do 15 kanałów fizycznych. Użytkownicy współdzielą zasoby radiowe dostępne w HS-DSCH, a o sposobie współdzielenia decyduje algorytm działający w stacji bazowej. O podjętej decyzji stacja ruchoma jest informowana przez skojarzony kanał sygnalizacyjny HS-SCCH. W kanale HS-DPCCH są przesyłane: wskaźnik CQI niosący informację o jakości łącza radiowego oraz informacje potwierdzenia odbioru ACK/NACK (rys. 7). Najprostsza stacja ruchoma (kategoria 11) obsługuje jedynie modulację QPSK i od 1 do 5 kanałów HS-DSCH, transmisja może odbywać się w co trzeciej szczelinie czasowej. Najbardziej złożony terminal (kategorii 10) obsługuje do 15 kanałów HS-DSCH, a transmisja jest możliwa w każdej szczelinie czasowej. SZYBKA TRANSMISJA PAKIETOWA W ŁĄCZU W GÓRĘ Prace nad szybką transmisją pakietową w łączu w górę HSU- PA (określaną również jako E-DCH (Enhanced Dedicated Channel) rozpoczęły się w 3GPP w latach Pierwsze wersje specyfikacji zostały opublikowane w grudniu 2004 roku w ramach wersji R6 systemu UMTS. Dotyczą one tylko wersji FDD systemu. Celem wprowadzonych modyfikacji jest zwiększenie przepływności oraz zmniejszenie opóźnień transmisji w łączu w górę. W standardzie zaproponowano następujące rozszerzenia i modyfikacje: M zdefiniowanie nowego kanału transportowego oraz kilku nowych kanałów fizycznych, M implementację w stacjach bazowych wybranych funkcji zarządzających transmisją, M zastosowanie (znanej z HSDPA) techniki HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request), M umożliwienie transmisji w kanale transportowym z krótszym (2 ms) okresem TTI (Transmission Time Interval). Nowe kanały transportowe i fizyczne O Rys. 7. Kanały fizyczne wykorzystywane do wymiany informacji pomiędzy stacją ruchomą i bazową. Oznaczenia wyjaśniono w tekście Zwiększona funkcjonalność stacji bazowej Do realizacji transmisji HSDPS stało się konieczne rozszerzenie możliwości funkcjonalnych stacji bazowej. Zadania związane z zarządzaniem pakietową transmisją danych w interfejsie radiowym zostały przeniesione ze sterownika RNC do stacji bazowej (czyli bliżej zarządzanego interfejsu radiowego). Umożliwiło to skrócenie czasu dostępu do oferowanych usług. Oprócz opisanych wcześniej mechanizmów w stacji bazowej zaimplementowano również zarządzanie priorytetem dostępu do łącza radiowego. Kategorie stacji ruchomych Stacje ruchome wspierające technikę HSDPA podzielono na 12 kategorii. Kryteria przynależności do kategorii są oparte na: M maksymalnej liczbie odbieranych kanałów HS-DSCH, M minimalnym odstępie międzytransmisyjnym 6) (Inter-TTI Inter-Transmission Time Interval), M maksymalnym rozmiarze bloku transportowego. 6) Zakłada się, że wszystkie stacje ruchome powinny odbierać dane w co trzeciej szczelnie czasowej Transmisja HSUPA jest realizowana z wykorzystaniem nowego dedykowanego kanału transportowego E-DCH [9]. Kanał ten jest zestawiany tylko w łączu w górę. W porównaniu z kanałem DCH w strukturze kanału wprowadzono ograniczenie, polegające na tym, że w każdym okresie TTI może być transmitowany tylko jeden blok transportowy. Okres TTI może przyjmować wartość 2 lub 10 ms. Rozmiary bloku transportowego, wpływające na przepływność transmisji, mogą być zmieniane w każdym okresie TTI. Dane transmitowane w kanale E-DCH są kodowane ze sprawnością 1/3 z wykorzystaniem turbokodowania. Aby ograniczyć poziom zakłóceń, poziom emitowanego sygnału jest określany w zamkniętej pętli regulacji mocy. Zanim dane z kanału E-DCH trafią do ramek transmitowanych w interfejsie radiowym, podlegają one przetwarzaniu (kodowaniu, segmentacji, przeplotowi) [10]. W wyniku tych operacji przesyłana informacja trafia do wydzielonego łącznego kanału transportowego CCTrCH, a następnie jest umieszczana w kanałach fizycznych E-DPDCH. Maksymalna liczba kanałów wykorzystywanych do tego celu zależy od możliwości stacji ruchomej. W standardzie zdefiniowano ponadto kilka kanałów pomocniczych, obsługujących transmisję HSUPA. Kanał sterujący E-DPCCH jest wykorzystywany do przesyłania informacji o formacie danych w kanale E-DCH oraz informacji związanej z HARQ. Przepustowość tego kanału jest stała, równa 15 kbit/s. W standardzie wprowadzono również trzy dodatkowe kanały w łączu w dół. Kanał E-HICH (E-DCH Hybrid ARQ Indicator Channel) służy do transmisji potwierdzeń związanych z działaniem HARQ. Natomiast w kanałach E-AGCH (E-DCH Absolute Grant Channel) oraz E-RGCH (E-DCH Relative Grant Channel) są przesyłane rozkazy związane z przydziałem zasobów radiowych. 366 PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY! ROCZNIK LXXVIII! nr 10/2005

6 Sterowanie transmisją przez stacje bazowe W poprzednich wersjach systemu UMTS zarządzanie transmisją w kanałach dedykowanych (DCH) było realizowane w sterowniku RNC. Konieczność wykorzystania do przesyłania informacji interfejsu Iub wprowadzała nieuniknione opóźnienia transmisji. Aby zredukować opóźnienia w standardzie HSUPA, stacjom bazowym przydzielono dodatkowe funkcje związane z zarządzaniem zasobami radiowymi [15]. Stacja bazowa wysyła do stacji ruchomej rozkazy przydziału zasobów (Scheduling Grants), określające maksymalną ilość zasobów możliwych do wykorzystania przez stację ruchomą. Rozkazy są opracowywane na podstawie otrzymanej ze sterownika SRNC (Serving RNC) informacji o wymaganej jakości transmisji (QoS) oraz na podstawie żądań przydziału przesyłanych przez stację ruchomą. Stacja ruchoma otrzymuje informacje o maksymalnej wartości przepustowości możliwej do wykorzystania. Limit ten jest określany przez stosunek mocy sygnałów w kanałach E-DPDCH i E-DPCCH (praktycznie odpowiada to stosunkowi przepływności). Rozkazy przydziału przesyłane w kanałach E-AGCH określają wartość bezwzględną powyższego stosunku mocy, natomiast rozkazy przesyłane w kanałach E-RGCH wymuszają jej zmianę względem wartości wykorzystywanej ostatnio. Rozkazy przydziału zasobów mogą być wysyłane nawet w każdym okresie TTI, co sprawia że sterowanie przydziałem zasobów może być bardzo szybkie. Opracowane w normie UMTS procedury uwzględniają również działanie stacji ruchomej w stanie miękkiego przeniesienia połączenia. Stacja ruchoma może wówczas obsługiwać połączenia z kilkoma stacjami obsługującymi sąsiednie komórki, które tworzą tzw. zestaw aktywny (active set). Tylko jedna z nich, tzw. komórka obsługująca (serving cell), ma prawo przesyłać do stacji ruchomej rozkazy przydziału bezwzględnego. Wszystkie stacje natomiast mogą wysyłać rozkazy przydziału względnego. W standardzie UMTS [15] zdefiniowano pojęcie zestawu RLS (Radio Link Set) grupującego komórki, z których stacja ruchoma może odbierać rozkazy przydziału zasobów. We wszystkich komórkach należących do tego samego zestawu RLS jest wysyłany ten sam rozkaz przydziału. Spośród wielu zestawów RLS jedynie zestaw, w którym znajduje się komórka obsługująca, może transmitować rozkazy względnego zwiększenia przydzielonych zasobów. Pozostałe zestawy mogą jedynie przydział zmniejszyć lub pozostawić bez zmian. Wprowadzenie w łączu radiowym systemu UMTS możliwości transmisji z przepływnościami przekraczającymi 2 Mbit/s stanowi podstawę techniczną do zaoferowania (w przyszłości) nowych usług i aplikacji. Zainteresowanie implementacyjne dotyczy przede wszystkim techniki HSDPA, co wynika ze spodziewanego znacznie większego zapotrzebowania na przepływność łącza do abonenta. Zastosowanie techniki HSDPA zapewni przede wszystkim zwiększenie przepływności w tym łączu, powinno również spowodować zmniejszenie opóźnień transmisji, a więc w konsekwencji podniesienie obserwowanej przez użytkowników jakości usług. Z punktu widzenia operatora należy zaakcentować również efektywniejsze wykorzystanie zasobów radiowych, co wynika nie tylko z wyższej wydajności widmowej modulacji 16QAM, ale również z mechanizmów dostosowania parametrów transmisji do zmieniających się warunków radiowych. Wykorzystanie techniki HSDPA umożliwi: M zmniejszenie kosztów transmisji danych w przeliczeniu na bit (co doprowadzi do obniżenia cen usług), PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY! ROCZNIK LXXVIII! nr 10/2005 M zaoferowanie nowych usług multimedialnych o większych przepływnościach oraz wymagających małych opóźnień, M rozróżnienie usług priorytetowych (przeglądarki Web/WAP, E-commerce, dostęp do serwerów) od usług realizowanych w tle (kopiowanie plików, sprawdzanie poczty, SMS, MMS). Próbne realizacje transmisji w technice HSDPA są odnotowywane od co najmniej dwóch lat. Osiągane (praktycznie) przepływności sięgają już 9 Mbit/s. W 2005 roku pojawiły się na rynku urządzenia infrastruktury radiowej (przede wszystkim stacje bazowe), w których transmisja HSDPA jest zapewniana standardowo. W tym zakresie należy oczekiwać ostrej konkurencji między producentami. Prace nad szybką transmisją pakietową w łączu w górę wciąż trwają w ramach 3GPP. Na podstawie wyników przeprowadzonych dotychczas badań symulacyjnych obecnej wersji rozwiązania można oczekiwać wzrostu przepustowości kanału o 50% i dwukrotnej redukcji opóźnienia transmisji. W przypadku transmisji HSUPA zaproponowane rozwiązania mają charakter nowości i na ich implementacje trzeba będzie jeszcze poczekać, zwłaszcza że zapotrzebowanie na szybką transmisję w łączu od abonenta wydaje się być stosunkowo niewielkie. Informacje o bardzo wysokich przepływnościach stanowią element polityki marketingowej. O ile w środowisku technicznym są na ogół odbierane ze świadomością ograniczeń i uwarunkowań, o tyle wśród potencjalnych użytkowników mogą budzić nieuzasadnione (i niezaspokajalne) nadzieje. LITERATURA [1] Wesołowski K.: Systemy radiokomunikacji ruchomej, WKŁ, 2003 [2] Kołakowski J., Cichocki J.: UMTS system telefonii komórkowej trzeciej generacji, WKŁ, 2003 [3] Holma H., Toskala A.: (ed.), WCDMA for UMTS: Radio Access for Third Generation Mobile Communications, Third Edition, John Wiley & Sons, 2004 [4] Kaaranen H.: (et al.), UMTS Networks: Architecture, Mobility and Services, 2nd edition, John Wiley & Sons [5] Malek K.: HSDPA szybka transmisja danych w systemie UMTS, XI Krajowe Sympozjum Nauk Radiowych URSI, Poznań, 2005 [6] Malek K.: Efektywność mechanizmu HARQ w systemie UMTS, Krajowa Konferencja Radiokomunikacji, Radiofonii i Telewizji KKRRiT 2005, Kraków 2005 [7] TS , UE Radio Transmission and Reception (FDD); v5.14.0, 3GPP, [8] TS : UE Radio Transmission and Reception (TDD); v5.6.0, 3GPP, [9] TS : Physical channels and mapping of transport channels onto physical channels (FDD), V6.3.0, 3GPP [10] TS : Multiplexing and channel coding (FDD), V GPP ( ) [11] TS ; Spreading and modulation (FDD); v5.5.0, 3GPP, [12] TS : Spreading and modulation (TDD); v5.3.0, 3GPP, [13] TS : High Speed Downlink Packet Access (HSDPA); Overall description; Stage 2 (release 5); v5.7.0, 3GPP, [14] TS High Speed Downlink Packet Access (HSDPA); Overall description; Stage 2, V GPP ( ), [15] TS : FDD Enhanced Uplink; Overall description; Stage 2, V GPP ( ) [16] TR : High Speed Downlink Packet Access: Physical Layer Aspects, V GPP ( ) [17] TS , Terminal conformance specification; Radio transmission and reception (FDD); v5.7.0, 3GPP, [18] TS , Terminal conformance specification; Radio transmission and reception (TDD); v5.0.0, 3GPP, [19] Agilent Application Note, Concepts of High Speed Downlink Packet Access Bringing Increased Throughput and Efficiency to W-CDMA, [20] Artykuł recenzowany 367