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eHSPA Grundlagen

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Geschrieben: 29.08.2010 um 15:45 von webgfrast

HSPA+ Grundlagen - Teil 1
evolved High Speed Packet Access

 

Inhalt

29. August, 2010


Einleitung

 

Mit Einführung der Release 5 standen vorab nur im Downlink erstmals mit HSDPA Downlink-Datendienste zur Verfügung, die sogar mit festverdrahteten Internetdiensten den Konkurrenzkampf aufnehmen konnten und tatsächlich Kunden von "Festnetz"-Internetdienstanbietern abwerben konnten. Durch die Einführung von Release 6 - und damit von HSUPA - waren auch im Uplink adäquate Datenraten im WCDMA-Netz möglich. Die Uplinkraten waren Dank HSUPA zum Teil sogar besser als die von einigen "renommierten" Festnetzanbietern. Da mit Einführung der Release 6 nun Verbesserungen in beiden Übertragungsrichtungen möglich waren, fasste man HSDPA und HSUPA unter dem Sammelbegriff HSPA zusammen. Dort wo HSPA verfügbar ist und in dieser Zelle nicht zu viele Benutzer um die Übertragungsressourcen buhlen, sind die Datenraten wirklich ansprechend gut - und praktisch gleichwertig mit ADSL-Dienstanbietern, sofern es rein um die Datenrate geht. Bezüglich der Dienstgüte (QoS) selbst schaut es nicht ganz so rosig aus: zwar konnte gegenüber dem Ur-UMTS (Rel.99) ziemliche Verbesserungen erzielt werden (vorallem was die Latenzzeiten betrifft und natürlich der Datenraten), gegenüber Festnetz-Diensten steht die Dienstgüte von HSPA jedoch noch hintan.

Genau hier will nun eHSPA  (=HSPA+) durch die Einführung der Release 7 und in weiterer Folge dann auch durch Release 8 und 9 ansetzen, um einerseits die Datenraten (indirekt damit auch die Kapazitäten) anzuheben und andererseits Latenzzeiten, Störinterferenzen und Akkuleistungsverbrauch im UE zu senken. Man darf sich also durch die Einführung von HSPA+ eine verbesserte Dienstgüte für Mobilfunk-Datendienste erwarten und kann HSPA+ aber auch als technisch bereits verfügbare Überganglösung von HSPA nach LTE ansehen. Als Startschuss für HSPA+ darf wohl der 5. Dezember 2008 angesehen werden, als der australische Netzbetreiber Telestra HSPA+ kommerziell startete (Trials hatte es bereits zuvor - Juni 2008 - gegeben). Seit März 2009 steht in Österreich als erstem europäischen Land HSPA+ zur Verfügung und zwar im A1-Netz der Mobilkom Austria - die maximale Downloadrate war damals rund 21Mb/s - gegen Ende 2009 war die Maximalrate schon 28Mb/s. Kurz darauf - im Mai 2009 - startet der griechische Netzbetreiber Cosmote als zweiter europäischer Netzbetreiber mit HSPA+. In Deutschland hat O2 am 3. November 2009 HSPA+ vorab in München gestartet. Am 18. März 2010 ging Orange Austria als erster europäischer Netzbetreiber mit HSPA+ vorab in Wr. Neustadt onair, wo eine Maximaldatenrate von 42Mb/s bereits möglich ist und somit MIMO bereits eingesetzt wird. Weltweit ziehen die Netzbetreiber Zug um Zug nach, aber selbst 2010 haben noch relativ wenige Netzbetreiber HSPA+ in ihrer Netzarchitektur implementiert. Mit LTE ist kommerziell frühestens im Jahr 2012 zu rechnen - und das dann vorab auch nur in eingeschränkten Gebieten.

 

Die wichtigsten Fähigkeiten von HSPA+
getrennt nach 3GPP-Releases:

  • Mit Einführung der 3GPP Release 7:
    • MIMO im Downlink
    • Schnellere Modulationsverfahren -> höhere Datenraten (indirekt mehr Kapazität)
    • Verbesserte Layer 2-Funktionen für den Downlink -> bessere Downlinkübertragungen
    • Verbesserter Standbybetrieb im Downlink -> schnellere Wiederaufnahme von Paketübertragungen
    • CPC – Continuous Packet Connectivity
    • Protokollerweiterungen für mehr Effizienz
  • Mit Einführung der 3GPP Release 8:
    • Kombination von MIMO und 64QAM
    • CS-Dienste über HSPA+
    • Dual Cell HSDPA
    • Verbesserte Layer 2-Funktionen für den Uplink -> bessere Uplinkübertragungen
  • Mit Einführung der 3GPP Release 9:
    • Dual Cell HSUPA
    • Unterstützung verschiedener Frequenzbänder im Dual Cell HSDPA-Betrieb
    • Kombination von Dual Cell HSDPA und MIMO

 

Welchen Nutzen bietet HSPA+ nun konkret?

HSPA+ ist eine Breitband-Funkübertragungsstandard, der in der 3GPP-Release 7 sowie in weiterer Folge in der Release 8 und  spezifiziert ist. Es ist eine Weiterentwicklung der Highspeed-Datentechnikfamilie HSPA, zu der die bereits eingeführten Übertragungsstandards HSDPA (Release 5) und HSUPA (Release 6) gehören, die auf die WCDMA-Funkschnittstelle von UMTS aufsetzen. Die „allgemeine“ Funktechnik bleibt hingegen zu HSPA gleich (im Gegensatz zu LTE, das ebenfalls in 3GPP Rel. 8 enthalten ist).

Die interessanten Neuerungen für den Endnutzer sind:

  • MIMO-Antennentechnik:
    damit sind je nach Einsatz höhere Datenraten bzw. störsicherere Datenverbindungen möglich als bisher
  • Höherwertige Modulationsverfahren:
    Mit 64QAM lassen sich im Downlink die Datenraten gegenüber HSDPA Rel.5 um 50% steigern (z.B. von max. 14Mb/s auf 21Mb/s) und mit 16QAM im Uplink sogar verdoppeln.
  • Dynamischere Dienste:
    Durch Reduktion von Latenzen, werden die Dienste schneller anspringen, ohne dass dies allzusehr auf Kosten der Akkuleistung geht.
  • Direkte IP-Anbindung der Basisstationen an das „Internet“:
    damit lassen sich die Latenzzeiten reduzieren. Es wird aber eine gewisse Zeit brauchen, bis die Direktanbindungen spruchreif werden.

 

Charakteristiken:

  • Datenrate-Downlink: bis zu 42,2Mbit/s ohne Dualcell-Technik (64QAM) und sogar bis zu 84,4Mb/s mit Dualcell-Technik ab Release 8
  • Datenrate-Uplink: bis zu 11,5Mbit/s (16QAM) - in Release 9 werden es dank Dualcell-Technik im Uplink sogar bis zu 23Mb/s sein.
  • Geringerer Stromverbrauch
  • Kleinere Latenzzeiten --> CPC – Continuous Packet Connectivity
  • CS-Dienste über HSPA+ (Rel.8)
  • Geringere Zell-Belastungen in „inaktiven Zeiten“ durch Steuerrückkanäle

 

eHSPA und UE-Kategorien

Analog zu HSDPA in der Release 5 und HSUPA in der Relase 6 wurden auch für die neuen Release-Klassen Gerätekategorien entwickelt, die darüber Auskunft geben, über welche Übertragungs-Leistungsmerkmale ein UE verfügt. So wurden die 12 Geräteklassen von HSDPA Rel.5 um 16 weitere Geräteklassen für die Release 7 (Kat. 13-20), Release 8 (Kat. 21-24) und Release 9 (Kat. 25-28) erweitert, wie in Abb. 1 zu sehen ist.

 

Downlink HSPA+ UE Kategorien

Abb.1: Downlink HS-DSCH-Kategorien ab Release 7

 

Im Uplink wurden die sechs Geräteklassen von HSUPA Rel. 6 in der Release 7 um eine Geräteklasse (Kategorie 7) erweitert, wie die Abb. 2 zeigt.

 

E-DCH Kategorien be eHSPA

Abb.2: Uplink E-DCH- Kategorien ab Release 7

 

MIMO

MIMO – Multiple Input Multiple Output: versteht sich als Übertragungsverfahren, das über mehrere Sende- und mehrere Empfangsantennen simultan Informationsblöcke überträgt. MIMO versteht sich bei 3GPP als Erweiterung des bereits in Rel.99 definierten „Closed Loop Transmit Diversity„-Konzepts, das Raummultiplexing unterstützt: Name des MIMO-Konzepts D-TxAA (Double Transmit Antenna Array).

Durch das MIMO-Mehrantennensystem werden mehrere Übertragungsstrecken möglich. Mit MIMO kann einerseits der Datendurchsatz gesteigert werden, wenn dem Mehrantennensystem parallel mehrere verschiedene Datenblöcke zugeführt werden. Es können so simultan mehrere Datenblöcke übertragen werden. Werden hingegen andererseits über das Mehrantennensystem die Gleichen Informationsblöcke übertragen, so kann mit MIMO eine gegen Fehler robustere Übertragung realisiert werden, was gerade in schwierigen Übertragungsgebieten ein entscheidender Vorteil sein kann. Man macht sich in letzterem Fall zu Nutze, dass die Kanalgüten der Übertragungsstrecken räumlich variieren und somit unterschiedlich sind, so nach dem Motto: ist ein Übertragungsweg z.B. durch Fast-Fading oder Abschattungen gestört, so kann ein anderer Übertragungsweg durch z.B. andere Reflexionsbedingungen dennoch in Ordnung sein. Diesen Aspekt macht man sich in ähnlicher Weise auch durch Diversity-Antennen bei WLAN-APs (bereits bei 802.11b und 802.11g) - aber auch im Mobilfunk seit GSM, verwendet man seit langen bereits Diversity-Antennen. MIMO geht nur noch einen Schritt weiter, was sich durch mehr Effizienz bemerkbar macht. MIMO bietet also auch Vorteile bezüglich parasitärer Mobilfunkkanaleffekte, wie z.B. Fast Fading. MIMO System arbeitet bei schlechten Übertragungsbedingungen weit stabiler als SISO-System (konventionell) - diese MIMO-Vorteile zeigen sich übrigens auch bei WLANs nach IEEE 802.11n.

 

MIMO-Prinzip

Abb.3: Prionzip von MIMO vereinfacht dargestellt

 

Bei MIMO-Übertragung werden Datenblöcke also räumlich über verschiedene Strecken übertragen, um räumlich unterschiedlichen Kanalgüten auszunutzen. Standard ist ein 2x2-MIMO-System sein - also mit 2 Sendeantennen und 2 Empfangsantennen. Die Idee dahinter ist, dass jedes über eine eigene Sendeantenne abgestrahlte Signal von allen verfügbaren Empfangsantennen empfangen wird - bedingt durch die unterschiedlichen Ausbreitungswege (in der Abb. oben der dicke rote Doppelpfeil sowie der blaue Doppelpfeil) werden die verschiedenen Signale mit Phasenverschiebungen empfangen. Dank der Gewichtungsfaktoren, die durch eine vorherige Kalkulationen einen genau definierten Phasenbezug zwischen den verschiedenen Sendesignalen gewähren, können die Signale voneinander wieder separiert werden - bzw. kohärent miteinander kombinieren, wenn die Informationsblöcke der verschiedenen Signale ident waren und MIMO zwecks Störsicherheit eingesetzt wird.

In HSPA+ ist MIMO für den Downlink konzipiert - NICHT für Uplink! MIMO wird bei HSPA+ NUR für den HS-DSCH-Kanal verwendet.

 

MIMO-Blockschaltbild bei HSPA+

Abb.4: Aufbereitung der MIMO-Signale bei HSPA+

 

In der Abbildung oben werden zwei HS-DSCH-Transportblöcke zur gleichzeitigen Übertragung über zwei MIMO-Antennen aufbereitet. Dabei wird aber nicht Informationsblock 1 über Antenne 1 und Informationsblock 2 über Antenne 2 übertragen, sondern jede Antenne überträgt sowohl Informationsanteile vom Informationsblock 1 als auch vom Informationsblock 2 - die Informationen werden sozusagen "vermischt" übertragen. Im Abbildungsblock "Aufbereitung des primären bzw. sekundären Transportblocks" wird z.B. die Kanalkodierung durchgeführt - also WCDMA-typische Prozesse, die sich auf der Seite Verarbeitung eines Sprachsignals detailiert nachlesen lassen.

Das Geheimnis von MIMO
Damit der Empfänger die jeweiligen Informationsblöcke wieder separieren kann, werden die jeweiligen aufbereiteten Informationsblöcken mit einem komplexwertigen Gewichtungsfaktor (in der Abbildung sind das die Größen w1, w2, w3 und w4) verarbeitet, der für eine Orthogonalität der verschiedenen Verarbeitungsströme sorgt. Nach dem Spreizen und Scrambeln werden die Datenblöcke mit Gewichtsfaktoren (w1, w2, w3, w4) kodiert, um optimale MIMO-Übertragung auf der Funkschnittstelle zu erzielen. Bei dieser Gewichtung geht es primär um eine "Phasen-Gewichtung". Die Faktoren w1 und w2 sind identisch mit den Gewichtungsfaktoren aus der Release 99 (das Ur-UMTS) für die Cloesd Loop Transmit Diversity - siehe Abbildung unten. Die Node B wählt w2 auf Basis von Feedbackreportagen des UEs an die Node B aus - anhand der PCI precoding control indication.

 

Gewichtungen des MIMO Precoders

 

Nur w2 ist selektierbar. Stehen die Faktoren w1 und w2 fest, werden die Faktoren w3 und w4 für den zweiten Datenstrom so kalkuliert, dass die Spalten der Precoder-Matrix (besteht aus den Gewichtungsfaktoren wx) orthogonal sind. Da es für w2 vier Möglichkeiten gibt, gibt es somit auch vier mögliche Precoder-Matrizen. 

 

 MIMO Precoder-Matrix

 

Das UE wird per HS-SCCH-Steuerkanal darüber informiert, welche Gewichtungsfaktoren bei der Übertragung im Downlink gerade verwendet werden, damit das empfangene MIMO-Signal korrekt wieder in separate Datenblöcke zerlegt werden kann. Modulations- und Kodierungsschema kann für beide Übertragungsblöcke verschieden sein.

Wenn MIMO aus Kanalgütegründen nicht möglich ist wird auf Closed Loop Transmit Diversity (WCDMA zurückgestuft (Entscheidung des Schedulers durch PCI und CQI).

 

CPC – Continuous Packet Connectivity

Durch die Einführung von CPC ist es möglich, dass ein UE praktisch immer aktiv online bleiben kann, ohne wie die sich bisher dadurch ergebenden negativen Konsequenzen in Kauf nehmen zu müssen, nämlich starke Akkubelastung des UEs und Störinterferenzen für die Zelle.

Wozu braucht man CPC?

  • CPC hilft Verbindungen mehrerer Teilnehmer mit PS-Diensten auch über lange Zeitspannen permanent aufrecht erhalten zu können. Es müssen prinzipiell die Steuerkanäle dieser Teilnehmer erhalten werden, um operationsfähig zu bleiben. Diese Erhaltung der Uplink-Steuerkanäle sind für die Synchronisation zw. UE und Node B wichtig, verursachen jedoch im Uplink-Band Störinterferenzen, auch wenn gar keine Nutzdaten übertragen werden.
  • Die Aufgabe von CPC ist also den Overhead der Uplink-Steuerkanäle (DPCCH, HS-DPCCH) zu reduzieren.
  • Gleiches gilt auch für den Downlink-Steuerkanal HS-SCCH -> kontinuierliche Überwachung des HS-SCCHs verursacht Akkubelastung des UEs.
  • Ausweg: z.B. DTX-Optimierung bei PS-Diensten -> Reduktion der Überwachungszeiten; Leistungseinsparung

 

Bei sehr vielen Paketdatendiensten werden zeitlich nicht permanent Daten übertragen, sondern nur zu bestimmten Zeitperioden - und dann werden für eine gewisse Zeit wieder keine Datenpakete übertragen. Typisches Beispiel dafür ist das Surfen im Internet: hier werden Daten nur dann übertragen, wenn eine Seite neu aufgerufen worden ist; es werden aber keine Datenpakete übertragen, wenn der Anwender eine bereits geladene Internetseite liest. Zeitlich betrachtet entspricht das einer kammartigen Übertragungsstruktur mit Übertragungsphasen und Stillstandphasen.

 

kammartige Uebertragung

Abb.5: Kammartige Übertragungsstruktur bei vielen Paketdatendiensten

 

Für herkömmliche Mobilfunknetze bedeutet diese kammartige Übertragungsstruktur eine Herausforderung, da das Mobilfunknetz nach einer "Übertragungsphase" in eine Art Standbyphase übergeht, was an und für sich noch nicht schlimm wäre. Das Problem dabei ist, dass selbst bei HSDPA nach Rel.5 es eine gewisse Aufwachzeit braucht, damit für einen Dienst wieder Datenpakete übertragen werden können. Warum diese Aufwachphasen notwendig sind, wird weiter unten erklärt. Fordert also ein Benutzer nach einer Lesephase eine neue Internetseite an, so steht der Kanal für die Paketübertragung nicht sofort zur Verfügung, sondern das Übertragungssystem muss sozusagen erst wieder hochfahren. Dadurch entsteht eine Zeitverzögerung, die der Benutzer als "zähe" Verbindung empfindet. Ist das Übertragungssystem hingegen wieder wach geworden, dann kann HSDPA wieder seine Stärken ausspielen, nämlich hohen Datendurchsatz.

Konfiguriert man nun das Übertragungssystem so, dass die Aufwachphasen praktisch gegen Null gehen bzw. die Übertragungskanäle permanent hochgefahren bleiben, so führt das zu dem Problem, dass, auch wenn gerade keine Nutzdaten übertragen werden, dennoch z.B. die Steuerkanäle ( DPCCH ) in Betrieb sind und so zur Uplink-Interferenzlast in der Zelle beitragen. Muss das UE nun den DPCCH-Kanal aussenden und den HS-SCCH-Kanal empfangen und überwachen, obwohl gerade keine HSDPA-Nutzdatenpakete empfangen werden, so bedeutet das natürlich auch, dass der Akku des UEs eigentlich unnötig belastet wird.

Um genau diese Nachteile (Interferenzlast, Leistungsverbrauch, usw.) zu vermeiden, gibt es bei WCDMA verschiedene Betriebsmodi für ein UE Den geringsten Stromverbrauch hat ein UE, wenn es sich entweder im Betriebsmodus CELL_PCH oder URA_PCH befindet, da in diesem Modus das UE nur gelegentlich auf Paging-Nachrichten horchen muss, ansonsten aber "schlafen" darf. Um Daten per Funk auszutauschen, muss das UE zumindest in den CELL_FACH-Modus wechseln, in dem das UE kleine Datenmengen bereits austauschen kann (es können z.B. RRC-Steuersignale mit dem Netz ausgetauscht werden). Für die eigentliche Nutzdatenübertragung (z.B. Übertragung der Internetdaten) muss das UE schließlich von den CELL_FACH- in den CELL-DCH-Modus wechseln. Jetzt ist das UE voll betriebsbereit und kann bezüglich HSPA im Downlink den HS-DSCH- bzw. im Uplink den E-DCH-Kanal verwenden. Der CELL_DCH-Modus hat zur Folge, dass die Verzögerungszeiten relativ klein sind, der Akku vom UE jedoch am stärksten belastet wird - und natürlich auch die Zellen-Interferenzlast ist in diesem Modus am stärksten. Die folgende Abbildung zeigt die vier Betriebsmodi von WCDMA und deren Zusammenhang mit Leistungsverbauch im UE sowie Verzögerung der Übertragung.

 

WCDMA Betriebsmodi und Zusammenhang zwischen Leistungsverbrauch und Latenz

Abb.6: WCDMA Betriebsmodi mit Zusammenhang zwischen Verzögerung und Leistungsverbrauch

 

Die Quadratur des Kreises:
Wie anhand der Abbildung oben leicht nachvollziehbar ist, wäre es also ideal das UE permanent im CELL_DCH-Modus zu halten, um die Verzögerungszeiten (Latenz) minimal zu halten - man würde sich jedoch damit Nachteile wie stärkere Akkubelastung im UE sowie größere Störinterferenzlast in der Zelle erkaufen. Umgekehrt wäre es ideal, wenn das UE permanent im CELL_PCH- oder URA_PCH-Modus wäre, da dann weniger Leistung verbraucht wird und die Störinterferenzen weniger wären - allerdings die Verzögerungszeiten wachsen.

Jetzt zurück zum CPC, dem eigentlichen Thema dieses Kapitels: In der Rel.7 wurden 3 Funktionen eingeführt, die unter dem Begriff Continuous Packet Connectivity - kurz CPC - zusammengefasst werden und dazu dienen die oben skizzierten Zusammenhänge zu optimieren. Nämlich einerseits im Mittel die Verzögerungszeiten kleiner zu machen und anderseits die Interferenzlast und Akkuverbrauch zu minimieren. Ziel von CPC ist also das UE im "dynamischen" CELL_DCH-Modus zu halten und gleichzeitig die früher damit verbundenen Nachteile zu minimieren. Die 3 Funktionen sind:

  • DTX - Discontinuous Transmission - zur Reduktion der Interferenzlast im Uplink und zur Schonung des UE-Akkus. Vereinfacht ausgedrückt: Sender und Empfänger werden in Übertragungspausen "abgeschaltet".
  • DRX - Discontinuous Reception - zur Schonung des UE-Akkus
  • HS-SCCH-lose Operation - zur Reduktion des Downlink-Overheads bei Steuersignalen, wenn eher kleine Datenmengen übertragen werden, wie z.B. bei VoIP-Diensten

Die Details zu diesen 3 Funktionen sind umfangreich und werden daher in einem separaten (folgenden) Artikel besprochen.

 

Enhanced CELL_FACH Operation

Um die Latenzzeiten kleiner halten zu können, wird bei HSPA+ versucht, das UE in Übertragungsphasen nicht zurück in den CELL_PCH- bzw. URA_PCH-Status fallen zu lassen, sondern im CELL_FACH-Modus zu parken, aus dem heraus das UE schneller für Neuübertragungen aktiviert werden kann. Befindet sich das UE im CELL_FACH-Modus so muss in herkömmlicher Weise (Rel.5, Rel.6) dem UE über den FACH-Kanal signalisiert werden, dass es in den CELL_DCH-Modus wechseln soll, um schließlich Nutzdaten über den HS-DSCH (Downlink) bzw. E-DCH (Uplink) übertragen kann.

Der Trick:
In Release 7 wird nun ermöglicht, dass auch im CELL_FACH-Modus der HS-DSCH-Kanal (auch der HS-SCCH) genutzt werden darf, sodass der Nutzdatentransport bereits im CELL_FACH-Modus stattfinden kann. Das reduziert natürlich die Latenz beträchtlich, da die Zeitspanne übersprungen wird, die bisher für das "Hochfahren" in den CELL_DCH-Modus notwendig war. Abgesehen von der Zeitersparnis bezüglich des Hochfahrens in den CELL_DCH-Modus, ergibt sich ein weiterer Vorteil: Da das UE nämlich bereits im CELL_FACH über den HS-DSCH verfügt, der weit höhere Übertragungsgeschwindigkeiten ermöglicht als der "konservative" FACH-Kanal, können Signalisierungsdaten weit schneller vom Netz an das UE übermittelt werden, wodurch sich auch die Verzögerung durch Setup-Prozeduren signifikant reduzieren.

Wermutstropfen:
Eine Konsequenz der Enhanced CELL_FACH Operation ist jedoch, dass bei der Bedienung des HS-DSCH-Kanals aus dem CELL_FACH-Modus heraus kein dedizierter Uplink-Kanal zur Verfügung steht, über den Steuersignale( z.B. CQI, HARQ-Feedbackinfo --> siehe HSDPA-Übertragungsschema) übertragen werden können. Der Node B fehlen also einerseits die CQI-Informationen für die Ratenanpassung und ein effizientes Scheduling (in Abhängigkeit von der Kanalgüte) und andererseits die HARQ-Feedbackinfos, mit denen die HARQ-Regelkreise gesteuert werden.

  • Die Node B muss also anhand der bisherigen Messergebnisse aus der Vergangenheit selbst abschätzen, wie gut die Qualität des Übertragungskanals für ein UE mit Enhanced CELL_FACH Operation ist und mit welcher Kodierungsrate und Modulation sinnvollerweise übertragen werden kann.

  • Da auch bezüglich der HARQ-Regelkreise die Node B keine Ahnung im CELL_FACH-Status bei Enhanced CELL_FACH Operation hat, kann sie z.B. veranlassen, dass blindlings ein bereits übertragener Datenblock nochmals übertragen wird, sozusagen: "Sicher ist Sicher!" Die Node B, weiß ja in dieser Situation nicht, ob das UE den Datenblock fehlerfrei empfangen hat oder nicht. Der Wahrscheinlichkeit nach kann man aber sagen, dass mit ziemlicher Sicherheit ein zweimal übertragener Datenblock summa summarum korrekt empfangen wurde - wissen tut man es freilich nicht. Die Strategie kann natürlich auch sein, dass ein Datenblock sogar noch öfters neuübertragen wird - das ist eine Frage der Netzwerkkonfiguration.

Mit Hilfe von Erweiterungen des MAC-Protokolls in Release 7 kann die Nutzdatenübertragung bei Enhanced CELL_FACH Operation ohne Unterbrechung weitergeführt werden, wenn schließlich vom CELL_FACH in den CELL_DCH-Modus gewechselt wird. Auch das trägt entscheidend dazu bei, dass ein HSPA+ Dienst als dynamisch zügiger empfunden wird.

 

Erweiterung der Schicht-2 Protokolle

Sowohl betreffend das RLC- als auch das MAC-hs-Protokoll gibt es mit der Einführung von Release 7 Verbesserungen. Die RLC-PDU war vor der Release 7 semi-statisch aufgesetzt, was für die bis dahin doch noch nicht so hohen Datenraten (Datenvolumina pro Zeiteinheit) auch ausreichend war. Werden die Datenmengen jedoch immer größer, die in einem bestimmten Zeitintervall (Rahmenlänge mit TTI) übertragen werden soll, so wird auch der Kalkulationsaufwand der RLC-Schaltungen immer aufwendiger, wie z.B. der RLC-Regelkreise im Acknowledged Mode oder Datenverschlüsselungsroutinen. Es kann nun passieren, dass das RLC-Protokoll für so große Datenmengen, wie sie in HSPA+ möglich geworden sind, nicht mehr zeitgerecht fertig wird, was schließlich zu Instabilität der Funktionen führt bzw. gar in einem Absturz der RLC-Kreise endet. Ausweg ist daher, dass die Größe der RLC-PDUs ansteigen darf, was durch die Release 7 auch möglich geworden ist. Abgesehen davon sinkt bei größeren RLC-PDUs auch in Summe der RLC-Overhead, da man mit weniger RLC-Paketen auskommt und daher weniger RLC-Headers, die ja keine Nutzdaten beinhalten, benötigt.

Im Gegensatz zu LTE, wo sämtliche funkspezifischen Protokolle für einen bestimmten Dienst in nur einem Netzwerkelement (eNodeB) konzentriert sind, befindet sich das RLC-Protokoll und Teile des MAC-Protokolls im RNC, die für HSPA wesentlichen Teile des MAC-Protokolls jedoch in der NodeB. HSPA+ verwendet daher im Gegensatz zu LTE kein adaptive Größe der RLC-PDUs, sondern indirekt eine adaptive Größe der MAC-PDUs, um so den aktuellen Funkkanalbedingungen optimal Rechnung tragen zu können. Der RNC, wo das RLC-Protokoll bei WCDMA implementiert ist, hat im Gegensatz zur NodeB keinen direkten Kontakt zum "Funkkanal" und kann daher auch nicht zeitgerecht optimale RLC-PDU-Größen kalkulieren. Die NodeB hingegen hat diese Informationen, um Paketgrößen an die Funkschnittstellenbedingungen optimal anpassen zu können. Bei HSPA+ werden nun die RLC-PDUS im RNC relativ groß dimensioniert und schließlich in der NodeB in kleinere MAC-PDUs segmentiert. Und wie gesagt, die Größe der MAC-PDUs ist bei HSPA+ je nach Funkkanalqualität adaptiv anpassbar.

Abgesehen davon können die RLC-PDUs ebenfalls segmentiert werden, falls die SDUs durch das möglich gewordene große Übertragungsvolumen eine bestimmte Größe überschreiten. Durch diese Segmentierung lässt sich der Neuübertragungsaufwand durch die RLC kleiner gehalten, der dann ansteht, falls die HARQ-Regelkreise zwischen NodeB und UE versagt haben.

Noch eine Innovation in der Release 7: Es dürfen jetzt Daten von verschiedenen Funkträgern in den selben Transportblock hineinmultiplext werden, wodurch die Netzwerkressourcen effektiver genutzt werden, wenn z.B. verschiedenartige Dienste gemeinsam übertragen werden.

 

Dual Cell HSDPA (Rel. 8)

Ab der Release 8 wird es möglich sein, dass ein UE Datenblöcke über Funkträgern, die aus verschiedenen Funkzellen stammen, empfängt, wodurch sich der Datendurchsatz vervielfachen lässt. Die bei Dual Cell HSDPA beteiligten Zellen müssen jedoch zur gleichen NodeB gehören. Befindet sich also ein UE im Wirkbereich zweier Zellsektoren einer NodeB, so kann der Datendurchsatz verdoppelt werden, indem ein Transportblock über Zelle A und ein anderer Transportblock über Zelle B übertragen wird - siehe Abb. 7.

 

Dual Cell HSDPA über 2 Zellen

Abb.7: Duall Cell HSDPA über 2 Zellen der gleichen Node B

 

Eine weitere Option ist, dass Dual Cell HSDPA auch innerhalb nur einer Zelle durchgeführt wird, aber die verschiedenen Transportblöcke über verschiedene Frequenzträger dieser Zelle durchgeführt wird, wie die Abb. 8 zeigt. Damit haben die Betzbetreiber erstmals  die Möglichkeit ihre lizenzierten Frequenzbänder effizienter zu nutzen, sodass z.B. die Datenlast eines Dienstes, der für ein UE bestimmt ist, über die in der Zelle verfügbaren Frequenzträger verteilen kann. In Österreich haben die meisten UMTS-Netzbetreiber typischerweise 3 gepaarte Frequenzen zur Verfügung. Bisher war es oft so, dass primär ein Frequenzband wirklich genutzt wurde und die anderen Frequenzbänder oft brach gelegen sind, da das UE zuvor nicht in der LAge war wirklich dynamisch zwischen den Frequenzbändern zu wechseln.

 

Dual Cell HSDPA ueber 2 Frequenzen

Abb.8: Duall Cell HSDPA über 2 Frequenzen bei gleicher Zelle

 

Dual Cell HSDPA erlaubt somit eine Art "Last-Balance" über mehrere Zellen bzw. Frequenzkanäle hinweg.

Noch eine Innovation in der Release 7: Es dürfen jetzt Daten von verschiedenen Funkträgern in den selben Transportblock hineinmultiplext werden, wodurch die Netzwerkressourcen effektiver genutzt werden, wenn z.B. verschiedenartige Dienste gemeinsam übertragen werden.

 

HSPA+ Endgeräte

Viele Endgeräte, die HSPA+ terminieren können, gibt es sogar Mitte 2010 noch nicht. Das Standardgerät der Anfangsphase schlechthin ist das Huawei E182e.

 

USB-Sticks & Datenkarten

Huawei E1823 Huawei E182e:

  • USB-Stick
  • 21,2Mb/s Downlink
  • 5,76Mb/s Uplink
  • kein MIMO
  • GPRS- und EDGE-fähig
  • MicroSD-Slot bis 4GB
     

 eHSPA USB-StickSierra Wireless USB 308:

  • USB-Stick
  • 21,2Mb/s Downlink
  • 5,76Mb/s Uplink
  • GPRS- und EDGE-fähig
  • MicroSD-Slot
  • Bänder und Netze:
    WCDMA-850/1900/2100/MHz
    EDGE/GPRS/GSM-850/900/ 1800/1900 MHz

  •  

Sierra Wireless USB 309:

  • USB-Stick für 1900/2100MHz-Band
  • 21,2Mb/s Downlink
  • 5,76Mb/s Uplink
  • GPRS- und EDGE-fähig
  • MicroSD-Slot
     

Sierra Wireless AirCard 310:

  • PC-Card/ExpressCard-Schacht
  • Bänder und Netze:
    WCDMA 900/1900/2100 MHz (310U)
    EDGE/GPRS/GSM 850/900/1800/1900 MHz
  • 21,2Mb/s Downlink
  • 5,76Mb/s Uplink

 

Router

Netgear - HSPA+ Router MBRN3300H Netgear - MBRN3300H

  • HSPA+  Router
  • bis zu 21,2Mb/s im Downlink
  • WIFI: 802.11b/g/n
  • 4 Port Switch - 10/100 Ethernet LAN Ports
  • Weitere Info
  • Datenblatt

 

BandRich - HSPA+ Router R300 BandRich - R300

 

NetComm - HSPA+ Router 3G21Wn NetComm - 3G21Wn

  • HSPA+  Router
  • bis zu 21,2Mb/s im Downlink
  • bis zu 5,76 Mb/s im Uplink
  • WIFI: 802.11b/g/n
  • 4 Port Switch - 10/100 Ethernet LAN Ports
  • Weitere Info
  • Datenblatt

 

VoloAccess - HSPA+ Router VA125 VoloAccess - VA125

  • HSPA+  Router
  • bis zu 21,2Mb/s im Downlink
  • bis zu 5,76 Mb/s im Uplink
  • WIFI: 802.11b/g/n
  • 4 Port Switch - 10/100 Ethernet LAN Ports
  • Weitere Info
  • Datenblatt

 

Handys

Derzeit (29. August 2010) noch kein HSPA+ fähiges Handy auf dem Markt erschienen.

Demnächst:

T-Mobile G2

  • soll auf HTC-Gerät (Vision) basieren
  • Android OS

 

 

(c) Rudolf Riemer, UMTSlink.at


 

Abkürungen

 

16QAM  Quadratur-Amplituden.Modulation mit 16 Symbolen (es können 4 Bit pro Sendeimpuls übertragen werden)  16QAM
2x2 MIMO  MIMO mit 2 Sende- und 2 Empfangsantennen  
3GPP  3rd Generation Partnership Projekt  3gpp.org
4x4 MIMO  MIMO mit 4 Sende- und 4 Empfangsantennen  
64QAM  Quadratur-Amplituden.Modulation mit 64 Symbolen (es können 6 Bit pro Sendeimpuls übertragen werden)  
CPC  Continuous Packet Connectivity  CPC
CQI  Channel Quality Indicator  
CS-Dienst  Circuit Switced-Dienst - leitungsvermittelter Dienst  CS
DC-HSDPA  Dual Cell - High Speed UDownlink Packet Access (Rel 8) DC-HSDPA
DC-HSUPA  Dual Cell - High Speed Uplink Packet Access (Rel 9)  
DPCCH  Downlink Physical Control CHannel  DPCCH
DRX  Discontinuous Reception  
DTX  Discontiuous Transmission  
E-DCH  Enhanced-Dedicated CHannel (HSUPA Transportkanal)  E-DCH
eHSPA  evolved High Speed Packet Access (=HSPA+)  
FACH Forward Access CHannel FACH
HSDPA  High Speed Downlink Packet Access: Downlink-Paketdatentechnik für bessere Performance in WCDMA-Netzen (seit Release 5)  HSDPA
HS-DPCCH  High Speed-Downlink Physical Shared CHannel (HSDPA physikalischer Kanal)  HS-DSCH
HS-DSCH  High Speed-Downlink Shared CHannel (HSDPA Transportkanal)  HS-DSCH
HSPA  High Speed Packet Access: entspricht HSDPA und HSUPA  HSPA
HSPA+  entspricht eHSPA  
HS-SCCH  High Speed-Shared Control CHannel  HS-SCCH
HSUPA  High Speed Uplink Packet Access: Uplink-Paketdatentechnik für bessere Performance in WCDMA-Netzen (seit Release 6)  HSUPA
IEEE 802.11n  WLAN-Standard mit 300Mb/s und mehr  WLAN
LTE  Long Term Evolution  LTE
MAC Medium Access Control - funkspezifisches Protokoll MAC
MIMO  Multiple Input Multiple Output  MIMO
PCI  Pre-coding Control Indication  
PSK  Phase Shift Keying / Phasenhub Modulation  4PSK
QAM  Quadratur-Amplituden.Modulation: es können 2 Signale (kompelx- und realwertig) übertragen werden  QAM
QPSK  Quadratur Phase Shift Keying = 4PSK (es können 2 Bit pro Sendeimpuls übertragen werden)  4PSK
RRC Radio Ressource Control - funkspezifisches Protokoll RCC
SISO  Single Inut Single Output  
TTI Time Transmit Intervall  
UE  User Equipment: mobiles Endgerät vom Benutzer wie z.B. Handy oder Modem-Karte  
UMTS  Universal Mobile Telecommunications System  UMTS
WCDMA  Wideband Code Division Multiple Access: Codemultiplexverfahren  WCDMA
WLAN  Wireless Local Area Network: Funknetzwerk  WLAN

 

 

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Zuletzt aktualisiert: 30.08.2010



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