HSPA: UMTS, ma con una marcia in più!

HSPA ok
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APPROFONDIMENTI
HSPA:
UMTS, ma con una
marcia in più!
ALESSANDRO VAILLANT
Il 2003 ha visto l’avvio in Italia del servizio commerciale UMTS, concepito per gestire applicazioni
multimediali con velocità di centinaia di Kbit/s1 già
nella prima versione del sistema, denominata
Release ‘99 dall’ente di standardizzazione 3GPP
(3rd Generation Partnership Project).
L’evoluzione dei servizi dati ha portato il 3GPP a
sviluppare per la Release 5 una tecnica, nota come
HSDPA (High Speed Downlink Packet Access), che
migliorasse sia la velocità trasmissiva sulla tratta in
downlink2, sia i ritardi di trasmissione e i tempi di
latenza nella rete di accesso.
Le principali innovazioni dell’HSDPA sono:
• l’incremento dell’efficienza spettrale del
sistema;
• il miglioramento della gestione di informazioni
intermittenti con alta velocità di picco; la massima velocità nominale raggiunge i 14 Mbit/s
rispetto ai 2 Mbit/s di Release ‘99;
• la flessibilità della trasmissione radio attraverso
meccanismi adattativi, basati sulla rapida riconfigurazione delle risorse e sulla stima del canale
trasmissivo.
Il dispiegamento della tecnologia HSDPA è stato
pianificato attraverso un approccio che prevede
un’introduzione graduale delle funzionalità di rete e
del livello di QoS (Quality of Service) garantito. Le
classi di servizio 3 Interactive e Background,
essendo quelle meno stringenti dal punto di vista
(1)
In Release ‘99 la massima velocità in downlink è di 2,048
Mbit/s. Tuttavia un servizio a 2 Mbit/s assorbirebbe tutte le
risorse della cella, per cui conviene limitare la velocità a
384 kbit/s per consentire l’accesso simultaneo a più utenti.
della tolleranza al ritardo, sono state le prime ad
essere supportate in rete. Tuttavia, se da un lato
queste classi ben si adattano a servizi di tipo best
effort, dall’altro non sono adatte al supporto di servizi a pacchetto con requisiti di tipo real time, per le
quali invece è necessario che la rete sia in grado di
garantire le classi Conversational e Streaming. Si
noti che l’HSDPA di Release 5 è una tecnica che è
ottimizzata esclusivamente per la tratta in downlink
e che sfrutta i canali dedicati tradizionali DCH
(Dedicated CHannel) per la trasmissione sul canale
di ritorno in uplink4.
In questo contesto il 3GPP, a partire dalla
Release 6, ha previsto una serie di ottimizzazioni
anche per il canale di ritorno dando luogo alla tecnica HSUPA (High Speed Uplink Packet Access),
nota anche come FDD5 Enhanced Uplink. L’HSUPA
introduce un insieme di miglioramenti sui canali
dedicati della tratta uplink E-DCH (EnhancedDedicated CHannel) del sistema UMTS, mediante
una serie di funzionalità che mirano, da un lato, a
supportare in maniera più efficiente servizi multimediali quali download di video e file, e-mail,
gaming, video-streaming e, dall’altro, ad aumentare
la capacità complessiva di sistema. In particolare,
l’obiettivo della tecnologia HSUPA è quello di rendere possibile una copertura in uplink con alti bit
rate di picco (fino ad un massimo teorico di 5,8
Mbit/s, anche se nella fase iniziale probabilmente
non si supereranno 1,45 Mbit/s 6 ), riducendo al
(4)
Cioè dal terminale alla stazione radio base.
(5)
La modalità Frequency Division Duplex (FDD) è quella che
prevede l’impiego di bande a spettro accoppiato di tipo simmetrico adatta alla trasmissione e ricezione (anche simultanea) di dati su frequenze differenti.
(2)
Cioè dalla stazione radio base al terminale.
(3)
Definite in 3GPP TS 23.107: “Quality of Service (QoS) concept and architecture”.
(6)
Data rate calcolato a livello fisico.
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contempo il ritardo nelle traDCH R’99
E-DCH
s m i s s i o ni a pa c c he tto e
favorendo in tal modo il
supporto di servizi PS real
RNC
RNC
time.
La tecnologia HSUPA
costituisce quindi la naturale
Combining
e invio al
controparte, sulla tratta in
Pacchetto
RNC
uplink, della tecnologia
Ritrasmissione
HSDPA, inserendosi in tal
modo nel framework evolutivo “HSPA”7 della rete UMTS
Nodo B
Nodo B
che costituirà uno step interRitrasmissione
medio nell’attesa del dispiegamento delle reti cellulari di
Pacchetto
RLC
quarta generazione LTE
(Long Term Evolution).
Di seguito sono evidenL1
UE
UE
ziate sia le principali caratteristiche della tecnologia
DCH = Dedicated CHannel
HSUPA sia le differenze
E-DCH = Enhanced-Dedicated Channel
RLC = Radio link Control
rispetto ad HSDPA:
RNC = Radio Network Controller
• L a te c nologia HSUPA
UE = User Equipment
rende disponibile, per la
tratta in uplink, un nuovo
FIGURA 1› Hybrid - ARQ a livello di Nodo B in HSUPA.
canale dedicato , l’EDCH, a differenza della
tecnologia HSDPA che
• In HSUPA non si utilizzano modulazioni ad eleinvece utilizza un canale condiviso HS-DSCH
vata cardinalità, poco efficienti dal punto di
(High Speed Downlink Shared Channel) per il
vista delle prestazioni in presenza di canali
downlink. Insieme con il canale E-DCH vengono
selettivi in frequenza (i bit sono modulati solo
inoltre introdotti nuovi canali fisici di segnalacon BPSK/QPSK11, a differenza di HSDPA in cui
zione sia uplink che downlink.
è consentita anche la modulazione 16-QAM12).
• Da un punto di vista di strategie di RRM (Radio
Il motivo di questa scelta dipende dal fatto che
Resource Management), la risorsa condivisa in
mentre l’uplink è tipicamente limitato in potenza
uplink è costituita dall’interference headroom¸
(virtualmente non ci sono limitazioni sui codici
cioè la massima interferenza8 accettabile sulla
tratta uplink affinché il carico di cella (uplink
di canalizzazione impiegabili da un singolo
load) non sia superiore a quello pianificato. In
utente), in downlink il numero limitato di codici13
rende necessario l’impiego di modulazioni a
uplink i codici di scrambling dei diversi utenti
cardinalità elevata per aumentare il bit rate a
non sono ortogonali e il power control (non preparità del numero di codici utilizzati.
sente nella tecnologia HSDPA) è essenziale per
• L’impiego della tecnologia HSUPA richiede l’incontenere il problema del near-far9: il controllo
della potenza è quindi la modalità principale per
troduzione di nuovi protocolli MAC (Medium
implementare in HSUPA tecniche di adattaAccess Control), per supportare le funzionalità
mento al canale. Il power control è applicato
specifiche di H-ARQ e Scheduling. In particosulla base della stessa tecnica impiegata per il
lare sono introdotti i nuovi livelli MAC-e e MACcanale DCH Release ’99 10, mediante l’uso di
es, unificati nello UE e distinti nell’UTRAN,
opportuni offset di potenza.
situati rispettivamente nel Nodo B e nell’RNC.
(10)
(7)
Come in HSDPA, è obbligatoria la presenza di un canale fisico
DPCCH Release ’99 associato al canale E-DCH di HSUPA, mentre è
facoltativa la presenza del canale dati DPDCH R’99.
HSPA è l’acronimo di “High Speed Packet Access”, e prevede l’utilizzo congiunto delle tecnologie HSDPA ed HSUPA,
per supportare la trasmissione High Speed su entrambe le
tratte di downlink e di uplink.
(11)
(8)
BPSK (Binary Phase Shift Keying); QPSK (Quadrature PhaseShift Keying).
In altre parole la potenza totale ricevuta al Nodo B da tutti
gli utenti presenti nel sistema.
(12)
(9)
In assenza di power control, i segnali degli utenti posti
molto vicino alla stazione base potrebbero compromettere
la corretta ricezione di quelli degli altri utenti che giungono
affievoliti a causa della maggiore distanza.
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NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 15 n. 3 - Dicembre 2006
QAM (Quadrature Amplitude Modulation).
(13)
In HSDPA i codici utilizzabili sono al massimo 15 con SF=16,
condivisi tra tutti gli utenti.
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DCH R’99
Si tratta in sostanza di uno
scheduling di tipo multipunto-punto, in cui però è il
nodo centrale (Nodo B) a
decidere come assegnare le
risorse.
•L’utilizzo del Soft Handover
in uplink permette la trasmissione contemporanea
Trasmissione
dei dati
dei dati verso più Nodi B
(cosa che non era possibile
in HSDPA a causa dell’utilizzo di un solo canale condiviso fra gli utenti). Il guadagno di macro-diversità
così ottenuto rende più effici en te
l ’u ti l iz z o
de lla
potenza e limita l’interferenza generata nelle celle
adiacenti (attraverso il controllo multi-cella della
potenza in uplink).
•
La tecnologia HSUPA
introduce la possibilità di
utilizzare in uplink un TTI
(Transmission Time Interval)
da 2 ms, oltre a quello da
10 ms già utilizzato in
Release ’99. A differenza
però dell’HSDPA dove il TTI
da 2 ms, abbinato a tecniche di Modulazione e
Codifica Adattative (AMC)14, serviva a compensare l’assenza del power control, per HSUPA
l’utilizzo del TTI da 2 ms è opzionale ed offre il
beneficio di ridurre i ritardi di trasmissione
legati all’Hybrid-ARQ nella tratta in uplink.
E-DCH
RNC
RNC
Trasmissione
dei dati
Nodo B
Nodo B
Scheduling
information /
Scheduling
assignment
Misure di traffico
e assegnazione
dei TFC
UE
DCH
E-DCH
RNC
TFC
UE
=
=
=
=
=
UE
Dedicated CHannel
Enhanced-Dedicated Channel
Radio Network Controller
Transport Format Combination
User Equipment
FIGURA 2› Scheduling in uplink a livello di Nodo B.
• Analogamente a quanto previsto per HSDPA,
anche in HSUPA sono utilizzati dei meccanismi
di ri-trasmissione basati su tecniche H-ARQ
(Hybrid-ARQ). A differenza di quanto accadeva
in Release ’99, le ri-trasmissioni H-ARQ avvengono a livello di Nodo B (e non nel Radio
Network Controller, RNC, figura 1) introducendo
in questo modo notevoli benefici in termini di
riduzione dei ritardi. Come in HSDPA, l’H-ARQ
prevede una gestione multi-processo, che consente una trasmissione continua di più processi
in parallelo che, a trasmissione avvenuta,
restano in attesa di riscontri.
• Lo scheduling degli utenti sulla tratta in uplink
viene controllato dal Nodo B (figura 2) sulla
base dei feedback inviati dagli UE. In particolare, negli header delle MAC-e PDU sono contenuti appositi campi di segnalazione attraverso
cui l’UE indica allo scheduler del Nodo B informazioni riguardanti l’occupazione dei suoi buffer RLC, la priorità dei dati contenuti nel buffer e
la potenza disponibile in trasmissione, in particolare sono trasmessi:
- Scheduling Information: forniscono al Nodo
B una visione dei buffer di trasmissione dello
UE (e quindi delle risorse di cui avrebbe
bisogno) e della potenza di trasmissione di
cui può disporre per trasmettere il canale EDCH.
- Happy Bit: è un’indicazione del terminale sul
suo grado di “soddisfazione” riguardo alle
risorse che gli sono state assegnate dal Nodo
B, ossia se è in grado di utilizzare maggiori
risorse oppure se gli bastano quelle assegnate.
HSDPA
HSUPA
Modulazioni
QPSK e16 QAM
BPSK e Dual BPSK
Adaptive Modulation
Si
No
Spreading factor
variabile
No
Si
Soft handover
No
Si
Fast power control
No
Si
Scheduling
Punto-multipunto
Multipunto-punto
BPSK
HSDPA
HSUPA
QAM
QPSK
=
=
=
=
=
Binary Phase Shift Keying
High Speed Downlink Packet Access
High Speed Uplink Packet Access
Quadrature Amplitude Modulation
Quadrature Phase Shift Keying
TABELLA 1› Principali differenze tra HSDPA e HSUPA.
(14)
Il Node B, tenendo conto dei vincoli imposti dai processi di
H-ARQ e sulla base di meccanismi di stima della qualità del
canale di trasmissione, determina in maniera altamente
dinamica (in teoria ad ogni TTI, pari a 2 ms) il formato di
modulazione e codifica (ad es. 16-QAM R=1/2) da utilizzare nella trasmissione in downlink verso un certo UE.
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Nella tabella 1 sono infine sintetizzate le principali differenze tra le tecnologie HSDPA e HSUPA,
che mostrano come quest’ultima costituisca un’evoluzione del DCH piuttosto che un “reverse
HSDPA”, pur rimanendone complementare dal
punto di vista del sistema.
[email protected]
Alessandro Vaillant si è laureato con
lode in Ingegneria delle Telecomunicazioni
presso l’Università degli Studi di Roma “La
Sapienza”. A seguito di una esperienza di
tesi, a partire da aprile 2001 viene assunto
in TILAB dove opera nell’area di Wireless
Access Innovation. In ambito internazionale,
ha partecipato al progetto europeo
ARROWS (Advanced Radio Resource
Management of Wireless Access) e
attualmente segue il gruppo di lavoro 3GPP RAN2. Si dedica
principalmente all’analisi ed all’ottimizzazione delle reti di
accesso di terza generazione e loro evoluzione (MBMS,
HSDPA, HSUPA, LTE). A partire dal 2005 si occupa anche
della tecnologia DVB-H con particolare riguardo agli aspetti
sistemistici e alle prestazioni dei ricevitori dei terminali. É
referente, lato TILAB, delle attività sull’interfaccia radio
nell’ambito del progetto “Aspetti radio 3G ed evoluzione”.
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—
ABBREVIAZIONI
3GPP
AMC
BPSK
DCH
E-DCH
FDD
H-ARQ
HSDPA
HS-DSCH
HSUPA
LTE
MAC
QAM
QoS
QPSK
RLC
RNC
RRM
TFC
TTI
UE
3rd Generation Partnership Project
Adaptive Modulation and Coding
Binary Phase Shift Keying
Dedicated CHannel
Enhanced-Dedicated Channel
Frequency Division Duplex
Hybrid-Automatic Repeat reQuest
High Speed Downlink Packet Access
High Speed Downlink Shared Channel
High Speed Uplink Packet Access
Long Term Evolution
Medium Access Control
Quadrature Amplitude Modulation
Quality of Service
Quadrature Phase Shift Keying
Radio Link Control
Radio Network Controller
Radio Resource Management
Transport Format Combination
Transmission Time Interval
User Equipment