Высокоскоростная передача данных вниз в стандарте UTRA-FDD

Высокоскоростная передача данных вниз (HSDPA – High Speed Downlink Packet Access) и вверх (HSUPA - High Speed Uplink Packet Access) во многом близка к пакетной передаче данных, реализуемой в стандарте GSM с использованием технологии GPRS/EDGE. Передачу ведут отдельными пакетами, применяя в зависимости от состояния трассы различные модуляционно-кодирующие схемы и повторную передачу непринятых пакетов. Технологию HSDPA используют практически на всех развертываемых сетях UMTS.

Организацию соответствующих каналов при HSDPA поясняет рис. 10.1. В HS-DSCH отсутствуют две основные особенности CDMA, а именно, изменяемый коэффициент расширения спектра (variable SF) и быстрое управление мощностью; они заменены на адаптивную модуляцию и кодирование: Adaptive Modulation and Coding (AMC), короткий размер пакета, мультикодовый режим и автоматический повтор запроса L1 Hybrid Automatic repeat request (HARQ). Замена быстрого управления мощности на AMC дает эффективный выигрыш в мощности благодаря исключению расходов на управление мощностью. Коэффициент расширения спектра зафиксирован на SF=16, что дает хорошее разрешение скорости. Для того чтобы увеличить канальную скорость адаптации и эффективность AMC, размер пакета был уменьшен с 10-20 мс до 2 мс, что соответствует трем TS. Для уменьшения задержек в управлении каналом, выполнение части функций на уровне MAC для HS-DSCH перенесено в Node B.

Для получения высоких пиковых скоростей используют модуляцию 16-КАМ (рис. 10.2). При сочетании 16-КАМ и канального кодирования со скоростью R_код = 3/4 достигают пиковой скорости передачи данных 712 кбит/с на код (SF =16). В наиболее помехозащищенном варианте передачи используют 4-ФМ со скоростью кодирования 1/4, но при этом скорость передачи данных падает до 119 кбит/с на код. Комбинация модуляции и кодирования определяет транспортный формат (transport format) совместно с канальным ресурсом (resource combination ─ TFRC). Пять возможных вариантов TFRC показаны в табл. 10.1.

Для повышения скорости передачи одному абоненту можно выделять несколько кодов (каналов), максимально 15: C_ch,16,1…. C_ch,16,15. Ветвь C_ch,16,0 для канала HS-DSCH не занимают; в ней размещены вещательные, общие каналы управления и вспомогательные каналы, необходимые для реализации HSDPA.

Рис. 10.1. Кодовое дерево для организации высокоскоростного доступа

Рис. 10.2. Созвездие сигнала при модуляции 16-КАМ

При выделении 15 кодов одному пользователю можно достичь пиковой скорости 10,7 Мбит/с (14,4 Мбит/с) Это максимальная скорость, которую можно получить при исключительно благоприятных условиях приема и при наличии соответствующей мобильной станции.

Таблица 10.1

TFRC	Модуляция	Эфф. скорость кода	Скорость данных (1 код)	Скорость данных (5 кодов)	Скорость данных (15 кодов)
	4-ФМ	1/4	119 кбит/с	0,6 Мбит/с	1,8 Мбит/с
	4-ФМ	1/2	237 кбит/с	1,2 Мбит/с	3,6 Мбит/с
	4-ФМ	3/4	356 кбит/с	1,8 Мбит/с	5,3 Мбит/с
	16-КАМ	1/2	477 кбит/с	2,4 Мбит/с	7,2 Мбит/с
	16-КАМ	3/4	712 кбит/с	3,6 Мбит/с	10,7 Мбит/с

Выбор скорости передачи (TFRC) и числа кодов для конкретного абонента BS производит, анализируя сообщения, поступающие от UE по выделенным каналам управления HS-DPCCH. Между BS и всеми UE работает канал обратной связи в реальном времени. UE постоянно измеряют отношение сигнал/помеха (E_s/N₀), меняющееся во времени из-за перемещения абонента и замираний сигнала, и сообщает BS, исходя из возможностей самой станции, о максимально допустимой скорости передачи информации вниз. На рис. 10.3 верхняя кривая – результат измерения отношения (E_s/N₀) в UE. Нижняя кривая – соответствующий этим измерениям TFRC, с которым UE готова принимать пакеты. BS выбирает для передачи пакетов конкретной UE моменты наилучших условий приема, что повышает общую пропускную способность сети и снижает задержки при передаче.

Рис. 10.3. Адаптивное управление изменением скорости передачи

Зависимость между доступной скоростью передачи данных и мгновенным значением E_S/N₀, а также динамический диапазон AMC показаны на рис. 10.4. На графиках учтен выигрыш от быстрого HARQ, который значительно улучшает пропускную способность при малых значениях E_S/N₀.

Рис. 10.4. Динамический диапазон HSDPA AMC (Rake приемник, скорость 3 км/ч)

Для организации передачи в системе используют специальный планировщик, поддерживающий пропорционально справедливый алгоритм планирования.

HSDPA поддерживает два алгоритма повторной передачи данных:

- возрастающую избыточность (incremental redundancy, IR).

- повторение попытки (chase combining, CC).

Мобильное оборудование с поддержкой HSDPA делят на категории в соответствии с теми возможностями, которые оно поддерживает на физическом уровне. Всего существует 12 категорий UE, при этом 11 и 12 категории являются низкими, так как станции, к ним относящиеся, работает только с модуляцией 4-ФМ (табл. 10.2).

Таблица 10.2

Категория UE в режиме HSDPA	Максимальное число используемых кодов	Минимальный интервал между субкадрами; тип ARQ при максимальной скорости	Максимальное число бит в HS-DSCH транспортном блоке одного 2 мс субкадра	Максимальная скорость передачи данных, Мбит/с
Категория 1		3; CC		1,2
Категория 2		3; IR		1,2
Категория 3		2; CC		1,8
Категория 4		2; IR		1,8
Категория 5		1; CC		3,6
Категория 6		1; IR		3,6
Категория 7		1; CC		7,2
Категория 8		1; IR		7,2
Категория 9		1; CC		10,2
Категория 10		1; IR		14,4
Категория 11		2; CC		0,9
Категория 12		1; CC		1,8

Как следует из табл. 10.2, станции отличаются максимальным числом одновременно обрабатываемых кодов, скоростью передачи и минимальным интервалом между субкадрами. Если он равен 1, то станция способна принимать непрерывный поток субкадров; при 2 и 3 между принимаемыми субкадрами необходим промежуток в 1 и 2 субкадра соответственно. Заметим, что категории 3-4, 5-6, 7-8 отличаются между собой типом ARQ при максимальной скорости передачи. У станций категорий 3, 5 и 7 объем буфера недостаточен для поддержки алгоритма IR при максимальной скорости передачи.

Начиная с Rel.7 спецификаций UMTS расширены категории UE, работающих по технологии HSDPA. В Rel.7 добавлены категории станций 13 -18, поддерживающих модуляцию 64-КАМ и MIMO. В результате пиковая скорость вниз при 64-КАМ возрастает до 21,1 Мбит/с, а с MIMO до 28 Мбит/с. Теоретически комбинация 2×2 MIMO и 64-КАМ может поднять пиковую скорость до 40 Мбит/с, но эта комбинация в Rel.7 не предусмотрена. В HSUPA использование 16-КАМ увеличивает скорость передачи до 11,5 Мбит/с.

Сигнал с модуляций 64-КАМ показан на рис. 10.5.

Рис. 10.5. Созвездие сигнала 64-КАМ

В Rel.11 число категорий UE возросло до 36. Здесь, кроме технологии MIMO и применения модуляции 64-КАМ, используют технологию агрегации частотных полос. Формально это отображают в виде подключения вторичных сот. Число вторичных сот может доходить до 8. Основные параметры категорий UE в соответствии с Rel.11 приведены в табл. 10.3.

Таблица 10.3

Развитие стандарта и возможности аппаратуры UMTS поясняет рис.10.6.

Рис.10.6.Реализуемые скорости передачи данных в UMTS