Базовые элементы и основные методы технологии HSPA – ЧАСТЬ 1
К ключевым техническим решениям, ставшим методологической основой технологии HSPA, относятся [8,9] (рис. 8.6): • методы адаптивной модуляции и кодирования (adaptive modulation and coding – АМС); • уменьшение протяженности кадра с 10 мс до 2 мс, быстрая адаптация параметров передачи к состоянию радиоканала (по результатам текущей оценки характеристик последнего) – Fast Link Adaptation; введение т.н. общего нисходящего канала HS-DSCH передачи данных (для HSDPA); • использование мультикодового режима передачи (взамен расширяющих кодов переменной длины) и принципа динамического выделения кодового ресурса; интеллектуализация управления ресурсами сети, передача функций управления от контроллера радиосети (RNC) к базовым станциям (NodeB). • использование т.н. гибридного автоматического запроса на повторную передачу (Fast Hybrid Automatic Retransmission Query, FHARQ). 8.2.2.1. Адаптация параметров передачи данных к характеристикам радиоканала. Адаптивная модуляция и кодирование. Важная отличительная особенность технологии HSDPA от базовой версии UMTS состоит во введении принципа адаптивной модуляции и кодирования при постоянной мощности БС. В базовой версии UMTS используется адаптация по мощности, когда БС регулирует- мощность сигнала в точке приема. При удалении абонентской станции от базовой мощность увеличивается, а при приближении к ней – уменьшается. Метод АМС разработан с целью адаптации формата модуляции и параметров корректирующего кода к характеристикам канала, оцениваемым по входу приемника БС [8,9]. Рис. 8.6. Концептуальный базис технологии HSDPA При хороших характеристиках среды передачи (высоком отношении сигнал/шум в канале связи) используется формат модуляции 16 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), в противном случае – QPSK (Quadrature Phase-Shifting Keying). Параметры корректирующего кода также могут изменяться с каждым новым передаваемым кадром. Идея реализации принципа адаптивной модуляции (кодирования) в HSDPA иллюстрируется рис. 8.7, на котором показано изменение параметров передачи данных для двух мобильных абонентов в процессе их перемещения в зоне обслуживания базовой станции. Мощность сигнала БС на входе приемника абонента, находящегося на границе соты, обычно невелика. Поэтому оборудование пользователя выбирает наинизший формат модуляции QPSK при более мощном низкоскоростном коде (Л=1/2) с наибольшей корректирующей способностью. В то же время отношение сигнал/шум, измеренное на входе приемника второй абонентской станции (в зоне прямой видимости БС) позволяет применять более высокоскоростной режим передачи информации (16 QAM, скорость кода Я=3/4). По мере приближения к БС первой АС и удаления к границам соты второй условия приема изменяются, что позволяет первой станции повысить, а вторую, наоборот, вынуждает снизить скорость передачи информации. Фундаментальные отличия в подходах к применении адаптивных методов передачи информации (по отношению к состоянию канала) в технологии HSDPA/ HSUPA и в предшествующих релизах стандарта UMTS показаны в табл. 8.1. Для повышения эффективности адаптации к изменению состояния канала оценивание характеристик последнего осуществляется впятеро чаще, нежели в базовой версии UMTS (fast link adaptation). Временная протяженность кадра в HSDPA, таким образом, была уменьшена с 10 мс до 2 мс. Дополнительным положительным итогом такого технического решения стало уменьшение средней задержки в обработке пакетов. Не следует однако забывать, что уменьшение длительности информационного кадра повлекло за собой и негативный результат: уменьшение интервала перемежения и, как следствие, снижение обеспечиваемого перемежителем выигрыша в обработке. Рис. 8.7. Иллюстрация метода АМС в технологии HSDPA Таблица 8.1 Сопоставление методов адаптации к состоянию радиоканала в технологии HSDPA и в базовой версии UMTS Параметр UMTS Release’99 HSDPA Мощность базовой станции Изменяемая Постоянная Параметры корректирующего кода Постоянные Изменяемые Формат модуляции Постоянный Изменяемый 8.2.2.2. Введение общего нисходящего канала данных (HS-DSCH). Важным отличием HSDPA от базовой версии UMTS является использование высокоскоростного общего транспортного нисходящего канала передачи данных – HS-DSCH (High Speed Downlink Shared Channel). Он совместим с физическими каналами DSCH, определенными в Релизе’99 (глава 6) и отображается на один или несколько из них (до 15). Это полное кодовое пространство характеризует максимальный кодовый ресурс, отводимый пользователю. Один выделенный канал DPCH ассоциирован с транспортным каналом и несколькими каналами управления. Коэффициент расширения спектра в DSCH имеет фиксированное значение: ЛМ6. Используя преимущества статистического мультиплексирования, HS- DSCH обеспечивает предоставление услуги по высокоскоростной передаче данных большому числу абонентов. Такая технология почти идеально приспособлена для обработки прерывистого пакетного трафика в многопользовательской среде. Кроме того, по сравнению с базовой версией UMTS, в HSDPA реализованы два канала сигнализации для передачи управляющей информации по нисходящей и восходящей линиям: HS-SCCH (High-Speed Shared Control Channel) и HS- DPCCH (High-Speed Dedicated Physical Control Channel) (см. рис. 8.8). Рис. 8.8. «Новые» каналы UMTS, определяемые технологией HSDPA Основным предназначением канала HS-SCCH является передача сигналов управления от узла Node В к абонентскому оборудованию. С помощью данного канала базовая станция (Node В) идентифицирует кодовую последовательность каждого абонента, сообщая последнему о выделенном канальном ресурсе и тем самым выполняя первичную функцию управления использованием ресурсов сети радиодоступа. Совместимый со стандартным одноименным каналом, канал DPCCH предназначен для передачи сигналов управления от абонента к БС. С его помощью абонентское оборудование запрашивает необходимые ресурсы сети радиодоступа, подтверждает их получение и т.д. Следует сказать, что проект 3GPP не ограничивает число абонентских устройств, имеющих право доступа к системе HSDPA. На практике этот лимит определяется числом физических восходящих каналов и/или очередей MAC-hs, обрабатываемых на Node В. Постоянная связь с несколькими сотами в режиме «макроразнесения» – macro-diversity – (Soft Handover – SHO) для каналов HS-PDSCH и HS-SCCH не поддерживается. Контроллер RNC на уровне управления может установить для каждой соты максимальную мощность передачи по каналам HS- PDSCH и HS-SCCH. В качестве альтернативы, не используемый свободный запас мощности в «не-HSDPA» каналах может быть «отдан» каналам HS- PDSCH и HS-SCCH. 8.2.2.3. Принцип динамического выделения канальных (кодовых) ресурсов. Следующей особенностью HSDPA является принцип динамического распределения кодового ресурса в канале HS-DSCH. Как отмечено в п. 8.2.2.2, в стандартной полосе частотного канала шириной 5 МГц пользователям могут предоставляться до 15 кодовых каналов с коэффициентом расширения спектра 16. Одним из критериев, по которому свободный кодовый ресурс распределяется между пользователями, является отношение сигнал/шум на входе их приемников. Рациональный смысл подобного подхода состоит в предоставлении приоритета доступа к канальным ресурсам тем пользователям, которые способны наилучшим образом использовать их в текущий момент времени. Сканирование отношения сигнал/шум и перераспределение кодовых ресурсов может осуществляться на протяжении каждого информационного кадра, т.е. с интервалом 2 мс (рис. 8.9). Рис. 8.9. Распределение канальных ресурсов между пользователями в зависимости от качества приема сигнала Другим критерием, применяемым для определения приоритета доступа к информационным ресурсам, может быть сервисный профиль пользователя или вид запрошенной им в данный момент услуги. На рис. 8.10 приведен пример ситуации, когда весь ресурс канала HS-DSCH на интервале At. распределен абонентскому оборудованию четырех пользователей. Например, первому (UE,) выделено 4 кода, второму – 2 кода, UE3 – 6 и четвертому – 3 кода. Рис. 8.10. Динамическое распределения пространства кодов в технологии HSDPA (канал HS-DSCH) По мере завершения работы с веб-сайтом или иным информационным ресурсом, четвертый пользователь освобождает занимаемый им кодовый канал и по истечении второго кадра выходит из сети. Восходящий канал сигнализации HS-DPCCH дает БС возможность зафиксировать это событие и перераспределить высвобожденный ресурс в пользу абонента UE3, заказавшего дорогостоящую мультимедийную услугу. Первый пользователь UEj в силу своегс сервисного профиля или заказанной услуги также нуждается в большом кодовом ресурсе, но по мере перемещения к границе соты, где напряженность поля сигнала БС (отношение сигнал/шум) слишком мало для обеспечения устойчивого приема, вынужден уступить его другим. После того как UE,, не способный рационально использовать выделяемый ему ресурс, покидает сеть, появляется 5-й абонент, чей сервисный профиль позволяет ему претендовать на несколько кодовых каналов (и так далее). Таким образом, технология HSDPA позволяет эффективно использовать кодовое пространство канала HS-DSCH за счет его динамического распределения в процессе пакетной передачи информации по линии «вниз». Это одно из главных ее отличий от базовой версии UMTS, где в выделенных каналах кодовый ресурс может оставаться незадействованным (например при голосовом трафике, когда в течение определенного времени пользователь занимает выделенный канал, лишь частично используя находящийся в его распоряжении кодовый ресурс). Помимо сказанного, пиковая скорость передачи данных в канале HS-DSCH зависит от типа используемого абонентского терминала. В технологии HSDPA определены 12 классов оборудования пользователя, отличающиеся ограничением на количество используемых кодов, предельной скоростью передачи данных и используемыми форматами модуляции (табл. 8.2). Таблица 8.2 Классы и характеристики пользовательского оборудования в HSDPA Класс оборудования пользователя Максимальное количество кодов Пиковая скорость передачи данных, Мбит/с Формат модуляции 1 5 1.2 QPSK / 16 QAM 2 5 1.2 QPSK /16 QAM 3 5 1.8 QPSK /16 QAM 4 5 1.8 QPSK / 16 QAM 5 5 3.6 QPSK /16 QAM 6 5 3.6 QPSK / 16 QAM 7 10 7.2 QPSK / 16 QAM 8 10 7.2 QPSK /16 QAM 9 15 10.2 QPSK / 16 QAM 10 15 14.4 QPSK /16 QAM 11 5 0.9 QPSK 12 5 . 1.8 QPSK Удельная пропускная способность канала HS-DSCH, выделяемая каждому пользователю, определяется узлом Node В. Например, если последний (узел Node В) обслуживает 10 пользователей 7-й категории, каждому выделяется 1 кодовый канал со скоростью передачи информации 720 кБит/с. Если Node В перейдет затем на обслуживание одного такого пользователя, тот получит весь доступный кодовый ресурс. При этом, например, скорость передачи данных по линии «вниз» теоретически может достигнуть 7,2 МБит/с. 8.2.2.4. «Интеллектуализация» функций базовой станции (Node В). Сокращение временного интервала, отводимого на адаптирование параметров кода и формата модуляции к состоянию канала связи, явилось одной из причин передачи функций управления радиоресурсами МАС-уровня от контроллера радиосети (RNC) к базовым станциям (NodeB). С этой целью был введен новый элемент МАС-уровня – MAC-hs (Medium Access Control-high speed), называемый планировщиком пакетов (см. рис. 8.11)[2]. Обозначения на схеме: RRC – уровень протоколов управления радиоресурсами RLC – уровень протоколов управления звеньями радиосети MAC (MAC-HS) – уровень протоколов управления доступом к среде ARQ – запрос на повторную передачу Рис. 8.11. «Интеллектуализация» базовых станций (Node В) в HSDPA Реализация описанного в п. 8.2.2.3 принципа динамического выделения кодовых ресурсов и управление физическими каналами HS-PDSCH в составе транспортного канала HS-DSCH также обеспечивается модулем MAC-hs. Кроме того, последний отвечает за оперативное определение очередности передачи пакетов на БС и за реализацию процедур автоматических запросов на повторную передачу HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request). На последней мы остановимся в заключительном подразделе этого раздела (п. 8.2.2.5). 8.2.2.5. Механизм обработки автоматического запроса на повторную передачу. Для снижения чувствительности характеристик приема к ошибкам оценивания канала и задержке распространения, в дополнение к АМС введен т.н. «гибридный» алгоритм Hybrid ARQ (H-ARQ – hybrid automatic retransmission query) – комбинация стандартной процедуры запроса на повторную передачу ARQ и корректирующего кодирования. Этот алгоритм предназначается для адаптации параметров передачи к мгновенному состоянию радиоканала, когда принятый с ошибками блок данных сохраняется приемной стороной с целью улучшения качества приема этого же блока при повторной передаче. По сравнению с базовой версией UMTS, в UMTS/HSDPA уменьшено время обработки запроса на повторную передачу пакетов. Вследствие этого в назва- НИИ данной процедуры часто употребляется аббревиатура FHARQ (Fast HARQ). Цикл обработки запроса АС на повторную передачу потерянных или принятых с ошибками данных сокращен благодаря реализации функции обработки запросов на МАС-уровне Node В. Если применяемый помехоустойчивый код исправляет все ошибки в принятом блоке, необходимрсть повторной передачи последнего вообще отпадает. Ранее известные механизмы H-ARQ базировались на принципе «остановись и жди» (англ. Stop-and-Wait, SAW), рассмотренном в следующем примере (см. рис.* 8.12). Рис. 8.12. Реализация механизма H-ARQ на основе принципа Stop-and-Wait Предположим, БС отправляет абоненту первый информационный пакет по нисходящему каналу HS-PDSCH в момент времени t, не посылая второй пакет до тех пор, пока от абонента не придет сигнал подтверждения о получении первого пакета (АСК). В нашем примере абонентский терминал принимает первый пакет с ошибками, о чем сообщает своей БС сигналом NACK, который одновременно является запросом на повторную передачу. Получив NACK, БС (Node В) повторно посылает первый пакет в момент времени tx+At. Если тот принимается без ошибок, в момент времени /,+2Аг отсылается второй информационный пакет и т.д. Нетрудно увидеть причину неэффективности описанной выше процедуры: из-за задержек, вызванных необходимостью повторения пакетов, принятых с ошибками, общее время передачи возрастает. Поэтому в HSDPA был реализован новый механизм обработки запроса на повторную передачу, основанный на принципе параллелизма. Суть последнего заключается в реализации нескольких процессов «остановись и жди» одновременно. Не ожидая подтверждения получения пакета от абонентской станции, Node В продолжает отправку следующих пакетов через определённые интервалы времени. Не принятые пакеты (или же принятые с ошибками) подвергаются перемежению и отправляются повторно (для этого узел Node В помещает их между двумя последовательно передаваемыми пакетами в определенный момент времени) – рис. 8.13. Рис. 8.13. Обобщенный принцип реализации механизма ускоренных запросов на повторную передачу FHARQ в технологии HSDPA Поясним сказанное на примере рис. 8.14. Аналогично предыдущему случаю (см. рис. 8.12), базовая станция по нисходящему каналу HS-PDSCH отправляет некоторому абоненту первый информационный пакет в момент времени tx Терминал абонента принимает его с ошибками, о чем сообщает на Node В сиг налом NACK, запрашивая повторную передачу. Получив NACK, БС станция по сылает второй пакет в момент времени t+At, а первый пакет – повторно в мо мент tx+2At. Третий пакет, соответственно, отсылается в момент /,+ЗДг. Рис. 8.14. Реализация механизма H-ARQ в технологии HSDPA Отметим, что и в процессе эволюции систем UMTS от базовой версии к HSDPA в контроллере RNC сохраняется функция ARQ на уровне протоколов управления элементами радиосети (рис. 8.11). Передача управления повторной передачей пакетов с узла Node В на контроллер радиосети RNC осуществляется в том случае, когда реализованный на БС модуль H-ARQ не может самостоятельно осуществить повторную передачу утерянных или неправильно принятых абонентом пакетов до истечения времени сессии протокола TCP/IP.
Вы можете следить за любыми ответами на эту запись через RSS 2.0 ленту. Вы можете оставить ответ, или trackback с вашего собственного сайта.