. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Popis technologie mobilních sítí HSUPA
24. září 2010 - 9:00 | J. Hlídek, R. Bešťák | Popis technologie mobilních sítí HSUPA | Komentářů: 0  

Popis technologie mobilních sítí HSUPA

Článek se zabývá popisem technologie umožňující zvýšení přenosové rychlosti od uživatele do sítě - HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) v UMTS. Jsou popsány jednotlivé vlastnosti a funkční uspořádání sítě.

Mobilní technologie procházejí stálým vývojem, a tak se podívejme na užitečné vylepšení systému sítí třetí generace (3G) – UMTS (viz též článek „Sítě UMTS“). V návaznosti na úpravy představující výrazné zrychlení datového přenosu ve směru k uživateli (downlink – viz též článek „Technologie HSDPA“) se logicky objevuje také potřeba zrychlit odesílání dat od uživatele ve směru do sítě (uplink). Vývoj znázorňuje obr. 1. Nejenže uživatelé začínají generovat poměrně značné datové objemy (fotografie, videa), ale některé firmy se rozhodují pro zálohování provozu mezi jejich počítačovou sítí a internetem využít bezdrátovou technologii, kterou jim může poskytnout mobilní operátor. A v takovém případě, zvláště pokud firma provozuje nějaké aplikace vyžadující větší přenosové rychlosti ve směru „z firmy“, je zrychlení odesílaných dat z mobilního terminálu do sítě velmi vítaným vylepšením.


Obr. 1: Vývoj specifikací v UMTS

Proto jedním z důležitých vylepšení UMTS v Release 6 je právě E-DCH (Enhanced Dedicated Channel). Označení E-DCH, které je také názvem nového datového kanálu ve směru od uživatele, se používá ve specifikacích 3GPP. Běžně se ale používá spíše označení HSUPA (High Speed Uplink Packet Access). Maximální rychlostí užívanou v UMTS dosud (i v HSDPA) ve směru od mobilního terminálu do sítě bylo 384 kbit/s (rychlosti dle [1]). Tato mez ale rozhodně nevyhovuje v již zmiňované situaci, kdy uživatelé stále více také sami vytvářejí multimediální obsah (fotografie, e-maily, videohovory, volání přes internet apod.). Pro kvalitní funkci takových služeb je dobré mít síť s vysokou prostupností, dosahem a hlavně s pro některé služby kritickou – nízkou dobou zpoždění. Dle Release 6 je tedy pro odesílaná data do sítě maximální teoretická přenosová rychlost na sektor 5,76 Mbit/s.

Základní popis

Podobně jako u HSDPA jsou v HSUPA použity následující technologické postupy, které jsou přidány do WCDMA díky novému transportnímu kanálu E-DCH:

  • Rychlé plánování spojení a jeho charakteristik.
  • Rychlý mechanismus Hybrid ARQ (Automatic Repeat Request) s využitím tzv. „soft combining“. Jde o rychlé přeposílání, přičemž zjednodušeně řečeno přeposlaný paket se kombinuje s tím, co ještě nebylo možno správně dekódovat.
  • Už ne každých 10 ms, ale každé 2 ms je možno měnit přidělení prostředků jednotlivým uživatelům - TTI (Transmission Time Interval) je 2 ms. To umožňuje flexibilní přizpůsobování spojení a zkrácení prodlev, než jsou např. data znovu přeposlána při chybě apod. V některých případech, např. když není požadováno přenášet příliš vysoké rychlosti anebo v menších buňkách, je možné použít TTI dlouhý 10 ms.

Velmi důležité pro vysvětlení HSUPA je zdůraznění toho, že základnová stanice nabývá nyní mnohem většího významu a stará se přímo sama o několik úkolů. Je jimi např. rychlé řízení a také rychlé přeposílání. Přenesení odpovědností přehledně ukazuje obr. 2 a 4.


Obr. 2: Přesun, přidání mechanizmů do antény a přidání transportních a fyzických kanálů

Struktura sítě

Změny v síti jsou dány tím, že základnová stanice má více úkolů, které musí zvládat, oproti předchozímu uspořádání bez HSUPA. Funkce plánování spojení a HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQest) jsou nyní přesunuty z RNC (Radio Network Controller) do Node B – tedy blíže rádiovému rozhraní. Je také snahou, aby se změny týkaly jen vrstvy MAC (Medium Access Control). Právě proto je důležité zajímat se v souvislosti s HSUPA o vrstvu MAC a to, jak se změnila její funkcionalita.


Obr. 3: V jakých entitách sítě a v které vrstvě dochází ke změnám s příchodem HSUPA

Funkce UMTS, jako je šifrování či kontrola přístupu, zůstávají stále v RNC. Tento přístup také zjednodušuje implementaci HSUPA technologie do sítě, protože je možná koexistence základnových stanic, které neumí využívat E-DCH a těch nových, které již tuto technologii zvládají.

Řízení přenosu

Klíčovým prvkem, který rozhoduje, kdy a jakou přenosovou rychlostí se bude vysílat, je tzv. scheduler – plánovač. Čím vyšší totiž chceme použít přenosovou rychlost, s tím vyšší energií je nutno vysílat. Protože ale tento vysílaný signál není ortogonální se signály ostatních terminálů, tak dochází k tomu, že se ostatním jeví jako rušení.

A tak docházíme k tomu, co vlastně musí „scheduler“ zajistit – vhodné využití potenciálu datových přenosů v dané buňce, přičemž je však omezen velikostí interferencí. Při překročení určité meze totiž začíná docházet ke znemožnění správného přijetí kontrolních kanálů, vysílání směrem k základnové stanici apod. Lze tedy říci, že zařízením ukládá, s jakým výkonem mohou vysílat (jaké přenosové rychlosti použít), aniž by se znemožnila komunikace ostatních. Tyto požadavky jsou plněny posíláním tzv. grantů (scheduling grants). Granty přiděluje základnová stanice, přičemž pokud si potřebuje uživatelův terminál vyjednat např. zvýšení přenosové rychlosti, odešle jí nejprve požadavek (scheduling request). Díky tomuto mechanizmu je umožněno, aby více uživatelů mohlo odesílat data vyšší přenosovou rychlostí, a přitom byl celý systém nastaven tak, aby se dosáhlo co nejefektivnějšího využití přenosových prostředků.

Pro stabilitu sítě a přenosů je nutné také kontrolovat interference mezi buňkami (inter-cell interference). I když by plánovač spojení dané Node B dovolil terminálu - UE (User Equipment) – navýšení jeho vysílacího výkonu, protože interference v dané buňce to dovolují, v okolních buňkách by interference mohly překročit únosnou míru. Nyní je pěkně vidět užitečnost „soft handover“, protože zajištění spolupráce s ostatními buňkami je následující. Pro UE existuje vždy jedna řídící buňka (serving cell), která má na starost vydávání většiny pokynů. UE ale také přijímá řídící informace od všech ostatních buněk (non-serving cells), se kterými je v režimu „soft handover“. Právě tyto „ostatní“ buňky mohou požádat dané UE, aby snížilo svoji přenosovou rychlost pro kanál E-DCH, a to vysláním indikátoru „přetížení“ (overload).

Skladba E-DCH

E-DCH se mapuje na fyzické datové kanály – E-DPDCH (E-DCH Dedicated Physical Data CHannel). Počet těchto kanálů a jejich činitel rozprostírání (SF – Spreading Factor) se mění v závislosti na momentální přenosové rychlosti. Jak už bylo uvedeno, tak je třeba zajistit i možnost současného používání zařízení, která byla navržena podle předchozích verzí, než je verze Rel. 6. Node B nepodporující HSUPA by tedy neměla být ovlivněna kanálem E-DCH. Toho je dosaženo odděleným zpracováním E-DCH a DCH (Release 99) a použitím jiných kódových skupin pro mapování těchto kanálů. I když je tedy mobilní terminál v režimu „soft handover“ s buňkami z nichž některé HSUPA podporují a jiné ne, ty, které ho nepodporují, jím nejsou ani nikterak rušeny, což umožňuje již zmiňované postupné vylepšování sítě o HSUPA. Také zůstává nezměněno mapování kanálů DPCCH (Dedicated Physical Control CHannel), DPDCH (Dedicated Physical Data CHannel) a HS-DPCCH (High-Speed Dedicated Physical Control CHannel), které přinesly předchozí vývojové verze UMTS.

Otázkou zůstává, kolik kanálů E-DPDCH použít a s jakým rozprostíracím faktorem SF. Odehrává se to v závislosti na E-TFC (E-DCH Transport Format Combination). Pro nejnižší užívané přenosové rychlosti je užit jeden E-DPDCH se SF nepřímo úměrným požadované přenosové rychlosti – tzn. čím větší přenosová rychlost, tím nižší SF. Pro vyšší přenosové rychlosti je použit vždy pevný SF a to buď 4, 2 anebo u nejvyšší kategorie oba (vždy po dvou kanálech). Tento výběr je dělán s ohledem na parametr PAR (Peak to Average Ratio), který určuje poměr špičkového ku střednímu výkonu, přičemž ještě závisí na tom, zda jsou přítomny také kanály příslušející HSDPA. V praxi se vždy snažíme o PAR co nejnižší, s čímž souvisí použití SF o velikosti dva (SF2).

Signalizace pro kontrolu spojení

Aby mohl E-DCH plnit svoji funkci, musí k němu existovat vhodná signalizace. Bez toho by nebylo možné si např. vyžádat přeposlání dat. Po kanálu E-HICH (E-DCH Hybrid ARQ Indicator CHannel) dochází k posílání potvrzování (Ack/NAck), přičemž se jedná o vyhrazený kanál pro daného uživatele (má ho vyhrazen i s každou buňkou, se kterou je v režimu „soft handover“). Přehled kanálů, které s sebou přináší technologie HSUPA, je na obr. 4.


Obr. 4: Přehled kanálů pro řízení přenosu technologií HSUPA a vlastní přenos

Kdy a jakou přenosovou rychlostí může UE vysílat určuje E-AGCH (E-DCH Absolute Grant CHannel), který je logicky vysílán jen z buňky řídící, protože se stará o plánování spojení (scheduling).

Doručení informací o tom, jak je spojení plánováno, je však možné také prostřednictvím E-RGCH (E-DCH Relative Grant CHannel). Absolute Grant (E-AGCH) je používán spíše v případě nutnosti nastavení velké změny přenosové rychlosti, zatímco Relative Grant (E-RGCH) je užit pro mírné změny přenosové rychlosti u právě probíhajícího spojení.

Pro povely týkající se řízení výkonu je použit DPCH (Dedicated Physical CHannel) anebo F-DPCH (Fractional Dedicated Physical CHannel). Tyto informace pro řízení výkonu vysílá Node B a to na základě změřeného odstupu užitečného signálu od interferencí na jejím příjmu.

Spojení ale není závislé jen na povelech od základny, ale pro správné dekódování na základnové stanici jsou třeba informace vysílané od UE právě k Node B. K tomu je využíván E-DPCCH (E-DCH Dedicated Physical Control CHannel). Je to např. z důvodu užití režimu „soft handover“, kdy okolní stanice jednoduše nevědí, jak hlavní stanice Node B nastavila komunikaci. Jako další důvod je možno uvést, že v HSUPA mají být podporovány také nenaplánované přenosy (non-scheduled transmissions).

Hybrid ARQ

Technika rychlého přeposílání – Hybrid Automatic Repeat reQest – je použita pro zajištění odolnosti proti příležitostným chybám, ke kterým při přenosu dochází. Pro každý transportní blok, který je přijat na Node B, je posílán zpět bit zpravující UE o tom, zda blok dorazil v pořádku či nikoli. Pro bezchybně přijatý je to Ack (Acknowledgement), zatímco u chybného bloku hovoříme o NAck (Negative Acknowledgement). Pokud existuje chybně přenesený blok a přijde nově přeposlaný, tak dochází ke kombinování (soft combining) ještě před dekódováním.

Jednoduchý ARQ (Automatic Repeat reQest) mechanizmus označovaný jako SAW (Stop And Wait) se vyznačuje jednoduchostí implementace a jeho princip je zobrazen na obr. 5. Znázornění je provedeno již na konkrétním případě, kdy uvažuji přenos bloků dat od uživatele k základnové stanici. Modifikovaný SAW se také skutečně používá v HSUPA (podrobněji viz článek Technologie HSUPA - simulace).


Obr. 5: Mechanizmus ARQ s čekáním na potvrzení (SAW)

Pokud je UE v režimu „soft handover“ – tzn. připojeno k více buňkám zároveň, je vidět v použité technice HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQest) rozdíl oproti HSDPA. Odeslání dat z UE je totiž provedeno do více buněk, přičemž v některých základnových stanicích může dojít k úspěšnému přijetí (zkombinování) bloku. Pokud UE dostane potvrzení (Ack), že alespoň jedna stanice Node B data přijala v pořádku, považuje je za odeslaná.

Metoda HARQ přináší ale kromě zajištění odolnosti proti různým rušením také další výhody. Jedná se tu o zlepšení efektivnosti spojení a zvýšení kapacity sítě, případně pokrytí. Není totiž nutné zvýšit energii vysílání natolik, abychom věděli, že dosáhneme chybovosti pouze několik procent, ale je možné využít druhého přístupu – vysílat na nižší výkonové hladině a dobrého výsledku dosáhnout pomocí vícenásobného přeposílání HARQ. Shrnutí vylepšení opětovného zasílání přináší následující názorná animace - obr. 6.


Obr. 6: Jiný přístup k přenosu s využitím nového E-DCH v porovnání s DCH

Průchod dat vrstvovým modelem

Od aplikační vrstvy směrem k fyzické jsou k datům přidávána různá záhlaví, data jsou přeuspořádávána anebo dochází zase ke kompresi daných záhlaví apod.

Pokud se hovoří o přenosu dat v HSUPA, lze jako příklad uvést častý přenos založený na IP. Hovoříme-li totiž o HSUPA, zajímáme se především o druhou vrstvu referenčního modelu, přičemž nyní vycházíme z toho, že z vyšších vrstev přišla data přes TCP a následně přes IP.

Průchod dat vrstvovým modelem ukazuje obr. 7, který je zjednodušen například o znázornění signalizace (RRC apod.) – kromě naznačení předání HARQ informace a E-TFCI. Kompresi záhlaví IP je možné zajistit pomocí PDCP, přičemž řízení tohoto procesu má na starosti RRC. Výstup je pak předán vrstvě RLC, kde je možno použít zřetězení, přičemž následuje rozdělení na segmenty – menší bloky, které mívají typicky 40 bajtů, k nimž se přidává záhlaví RLC. Tato RLC PDU se předá skrz vrstvu MAC-d vrstvě MAC-es, která se postará o zřetězení požadovaného počtu MAC-d PDU jednotek (buď z jednoho MAC-d toku anebo z vícera toků). Následně je přidáno záhlaví MAC-es vrstvy a ke zřetězení několika MAC-es PDU je přidáno záhlaví MAC-e. Tím pak vzniká transportní blok, který je předán fyzické vrstvě pro další zpracování a vyslání směrem k Node B.


Obr. 7: Vrstvový model pro uživatelský přenos TCP/IP provozu technologií HSUPA (na základě [3] a [4])

Závěr

Výše byl proveden přehledový popis mechanizmů v HSUPA. Od určitých změn ve struktuře sítě až po použití odlišných postupů v plánování spojení, přičemž u všech změn je kladen důraz na zpětnou kompatibilitu s předchozími verzemi.

Otázkou zůstává, jak se bude ve světě dále rozšiřovat technologie UMTS. Nasadí operátoři ve většině sítí základnové stanice HSUPA a to například ve všech lokalitách? Anebo rovnou přejdou k některým pokročilejším technologiím na bázi OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)? Důležité je, že technologie HSUPA je schopna poskytnout o řád vyšší přenosové rychlosti ve směru do sítě než předchozí varianty UMTS. Možná budou základnové stanice podporující HSUPA atraktivní kvůli své ceně a operátoři jim na některých místech ještě dají přednost před pravděpodobně zpočátku dražšími systémy s nejnovějšími technologiemi.

Praktické výsledky dosažitelné s popisovanou technologií jsou obsahem článku „Simulace přenosu v mobilní síti s technologií HSUPA“, kde je názorně demonstrován vliv změny nastavení různých parametrů na vlastnosti mobilního spojení.

Tento článek vznikl v souvislosti s výzkumným záměrem Výzkum perspektivních informačních a komunikačních technologií MSM6840770014.

Literatura:
[1] HLÍDEK, Jan. Technologie HSUPA v UMTS. [s.l.], 2009. 66 s. České vysoké učení technické Fakulta elektrotechnická. Vedoucí diplomové práce Ing. Robert Bešťák Ph. D.
[2] The Evolution of UMTS / HSDPA - 3GPP Release 6 and Beyond; Vydalo: 3G Americas; Červenec 2005.
[3] DAHLMAN, Erik, et al. 3G Evolution : HSPA and LTE for Mobile Broadband. Great Britain : Elsevier, Oxford, London, 2007. 448 s. ISBN 978-0-123-72533-2
[4] 3GPP TS 25.321 V7.11.0. Medium Access Control (MAC) protocol specification (Release 7). 3GPP, 2008. 147 p.
[5] HOLMA, Harri, TOSKALA, Antti. WCDMA for UMTS : HSPA Evolution and LTE. 4th edition. England : John Wiley & Sons Ltd, 2007. 539 s. ISBN 970-0-470-31933-8.
[6] HOLMA, Harri, TOSKALA, Antti. HSDPA/HSUPA for UMTS : High Speed Radio Access for Mobile Communications. England : John Wiley & Sons Ltd, 2006. 245 s. ISBN 0-470-01884-4.
[7] 3GPP TR 21.905 V7.4.0. Vocabulary for 3GPP Specifications (Release 7). 3GPP, 2007. 55 p.
[8] 3GPP TS 25.211 V7.6.0. Physical channels and mapping of transport channels onto physical channels (FDD) (Release 7). 3GPP, 2008. 54 p.
[9] 3GPP TS 25.212 V7.9.0. Multiplexing and channel coding (FDD) (Release 7). 3GPP 2008. 103 p.
[10] 3GPP TS 25.213 V7.6.0. Spreading and modulation (FDD) (Release 7). 3GPP 2008. 36 p.
[11] 3GPP TS 25.214 V7.9.0. Physical layer procedures (FDD) (Release 7). 3GPP 2008. 85 p.

Autoři: J. Hlídek, R. Bešťák - Interoute Czech s.r.o., České vysoké učení technické v Praze, FEL







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk

Komentáře:
Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
Bluetooth relé BTREL1
Modul Bluetooth relé BTREL1 s jedním výstupem umožňuje ovládání libovolných systémů pomocí bezdrátového rozhraní.
Skladem od 690 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007