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

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

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 t_x+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 t_x 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 t_x+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.