Будучи расширением существующего стандарта UMTS, высокоскоростной пакетный доступ по нисходящему каналу (High Speed Downlink Packet Access, HSDPA) вводит в сеть радиодоступа пакетную передачу. Модификации архитектуры, такие, как введение новых методов модуляции или нового транспортного канала, позволяют увеличить пропускную способность в нисходящем канале, а также снизить время реакции — и то и другое обеспечивается в условиях растущей емкости системы.

В сотовых сетях универсальной системы мобильной связи (Universal Mobile Telecommunications System, UMTS) передача данных по магистральной сети изначально базировалась на IP и, таким образом, ориентировалась на коммутацию пакетов. В беспроводных сетях широкополосного множественного доступа с кодовым разделением каналов (Wideband Code Division Multiple Access, WCDMA), напротив, данные передаются по выделенным транспортным каналам (Dedicated Channel, DCH) с фиксированной пропускной способностью. Преимущество подхода заключается в том, что услуги с коммутацией каналов, где требуется высокое качество обслуживания, получают фиксированную пропускную способность: каналы резервируются за определенным пользователем.

Введение HSDPA стало решающим шагом в эволюции сетей беспроводного доступа UMTS, поскольку передача данных в нисходящем канале осуществляется с коммутацией пакетов — благодаря добавлению нового канала, доступного всем пользователям. Тем самым операторы, с одной стороны, могут более эффективно использовать ресурсы своей радиосети благодаря повышенной гибкости, а с другой — предлагать индивидуальные услуги данных для большого числа абонентов. Развитие HSDPA происходит в рамках проекта партнерства в области сетей третьего поколения (Third Generation Partnership Project, 3GPP) на базе UMTS. Наиболее значимые функции были готовы уже в конце 2002 г. как часть 3GPP версии 5.

Новым в технологии HSDPA является, прежде всего, введение высокоскоростного нисходящего разделяемого канала (High Speed Downlink Shared Channel, HS-DSCH), чем обеспечивается значительное повышение производительности HSDPA (см. Рисунок 1), правда, только совместно с перераспределением планирования пакетов (быстрое планирование), методом адаптивной модуляции и кодирования (Adaptive Modulation and Coding, AMC) и многокодовым режимом работы на первом уровне модели OSI (физический уровень передачи данных).

МНОГОКОДОВЫЙ РЕЖИМ

Доступные ресурсы нисходящего канала делятся между абонентами посредством различных кодов. Каналы «растягиваются» с фиксированным множителем 16. Таким образом, базовая станция может во время передачи выделять до 15 различных каналов HS-DSCH, а по оставшемуся транслируются необходимые служебные данные. Выделение имеющихся ресурсов кодирования осуществляется сначала с использованием метода мультиплексирования по времени: в этом случае к определенному моменту времени код получает один абонент. Сверх того существует возможность кодированного множественного доступа: в этом случае один и тот же интервал передачи используют два и более (до четырех) абонентов.

Дополнительно к новому транспортному каналу HSDPA расширяет структуру каналов WCDMA при помощи различных дополнительных управляющих каналов (см. Рисунок 2). Высокоскоростной разделяемый канал управления (High Speed Shared Control Channel, HS-SCCH) предназначается для передачи сигнальной информации, указывающей, например, какое мобильное радиоустройство будет получать пакеты данных следующим. Этот канал шифруется по-разному для каждого мобильного устройства. Он содержит и управляющую информацию: об используемых параметрах модуляции, схемах кодов, кодах каналов и гибридном протоколе автоматического запроса на повторную передачу (Hybrid Automatic Repeat Request, H-ARQ).

В распоряжение оконечных устройств — как в восходящем, так и в нисходящем направлении — предоставляется выделенный физический канал (Dedicated Physical Channel, DPCH) с низкой скоростью передачи данных. По нисходящему каналу передается сигнальная информация третьего уровня, а также команды управления мощностью передачи оконечного устройства в восходящем канале. Восходящий, напротив, служит в качестве канала обратной связи для передачи, к примеру, подтверждений ТСР. В случае необходимости по DPCH можно передавать и другие службы, включая голосовые. Кроме того, концепция HSDPA предусматривает создание в восходящем канале так называемого высокоскоростного выделенного физического канала управления (High Speed Dedicated Physical Control Channel, HS-DPCCH), по которому поступает информация об индикаторе качества канала (Channel Quality Indicator, CQI) и подтверждения H-ARQ.

НОВЫЙ МЕТОД АДАПТАЦИИ КАНАЛА

В классической сотовой сети глобальной системы мобильной связи (Global System of Mobile Communication, GSM) выражение «адаптация канала» означает оптимизацию эффективной скорости передачи данных путем выбора подходящего способа кодирования канала в соответствии с условиями передачи в соте. В радиосетях WCDMA третьего поколения качество соединения обеспечивается с помощью так называемого быстрого регулирования мощности. Излучается лишь требуемая мощность, которая при необходимости адаптируется практически без задержки по времени.

HSDPA достигает этой цели иным путем. Вместо постоянного регулирования мощности передачи метод соответствующим образом адаптирует форматы модуляции. Если в случае WCDMA Rel?99 использовалась лишь квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом (Quadrature Phase Shift Keying, QPSK), то HSDPA дополнительно применяет квадратурную амплитудную модуляцию (Quadrature Amplitude Modulation, 16QAM). Речь идет о модуляции более высокого порядка, позволяющей заметно повысить скорость передачи данных. Упомянутый выше новый метод АМС обеспечивает смену форматов модуляции и методов кодирования в реальном времени для поддержания необходимого качества услуг.

Мобильное конечное устройство предоставляет текущую информацию о качестве соединения, форматах модуляции и множественных кодах в виде данных CQI: HSDPA-совместимое устройство регулярно контролирует качество приема. Через равные промежутки времени оно отправляет результаты измерений в виде файлов CQI в беспроводную сеть, чтобы та приняла необходимые меры.

Снижение значений ниже определенного уровня может привести к автоматическому изменению как формата модуляции, так и голосового кода или количества кодов HS-DSCH. Таким образом, в любой момент обеспечивается необходимое качество услуг при оптимальном использовании радиоресурсов. Если абонент находится недалеко от базовой станции, он может использовать, к примеру, высокоэффективный метод 16QAM. А по мере приближения к границе соты система автоматически переключается на менее эффективную, но значительно более устойчивую модуляцию QPSK, при этом качество соединения снижается.

Схемы модуляции можно комбинировать с различными способами кодирования канала в зависимости от того, требуется ли устойчивый метод передачи данных или высокая скорость. При использовании 15 кодов посредством комбинирования 16QAM и кодирования канала на скорости в три четверти удается достичь 10,7 Мбит/с. В случае комбинации устойчивого QPSK и кодирования канала со скоростью в одну четверть хотя обеспечивается и более высокая надежность передачи, но скорость невысока — лишь до 1,8 Мбит/с.

ПОВТОРНАЯ ПЕРЕДАЧА

Протоколы ARQ служат для обеспечения надежной передачи путем ее повтора. Их общее название — гибридные протоколы ARQ (H-ARQ), поскольку помимо повторной передачи они обеспечивают и прямое исправление ошибок (Forward Error Correction, FEC).

В случае HSDPA используется протокол H-ARQ в соответствии с принципом «остановиться и ждать» (Stop and Wait, SAW). Из имеющихся протоколов ARQ (SAW, Go Back N и избирательный повтор) самым простым является SAW: после того как отправитель отсылает блок данных, ему приходится ждать подтверждения, прежде чем он сможет отправить новый пакет. Если в течение определенного времени (тайм-аута) ответа нет, этот блок необходимо отправить еще раз. Недекодированные блоки данных первичной передачи сохраняются в промежуточной памяти в виде «мягких битов» или «мягких символов» и комбинируются с повторной передачей, что повышает вероятность успешной расшифровки.

Концепция HSDPA предлагает две различные схемы комбинирования: инкрементальную избыточность (Incremental Redundancy, IR) и отслеживаемое комбинирование (Chase Combining, CC). Их поддержка зависит от возможностей мобильного устройства. Главная из них — отслеживаемое комбинирование: повторная передача представляет в этом случае идентичную копию первичной. При использовании инкрементальной избыточности во время каждой повторной передачи добавляются дополнительные биты четности из кода канала.

ОДНОВРЕМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ H-ARQ

Минимальная задержка между первоначальной передачей и первой повторной передачей у HDSPA составляет 12 мс. Необходимо избегать остановки всей передачи, поскольку повторить передачу нужно всего один раз. К тому же блоки данных передаются по нескольким различным, в большинстве случаев следующим один за другим, временным каналам по правилу ARQ «остановиться и ждать». По каждому каналу блок данных будет передаваться до тех пор, пока не будет расшифрован без ошибок или планировщик не решит перейти к передаче другого блока данных. Эти временные каналы называются процессами H-ARQ.

Иногда необходимо предоставить первичной передаче более высокий приоритет по сравнению с повторной, тогда процессы H-ARQ имеют сквозную нумерацию, на основе которой в случае параллельной передачи по HS-SCCH получающая сторона при повторной передаче распознает, к какой первичной передаче та относится. У HS-SCCH для номера процесса H-ARQ отведены три бита. Теоретически с их помощью можно различать до восьми процессов H-ARQ. Однако более вероятной представляется ситуация, когда одновременно выполняются от четырех до шести процессов SAW-ARQ.

УМЕРЕННЫЕ ЗАДЕРЖКИ

Рисунок 3. Поскольку планировщик пакетов в HSDPA расположен на базовой станции, решения о планировании передачи пакетов могут приниматься заметно быстрее.

За управление процессами SAW ARQ отвечает так называемый планировщик пакетов, который до сих пор располагался в контроллере радиосети (Radio Network Controller, RNC). С введением HSDPA он перемещается из RNC на базовую станцию (см. Рисунок 3). Преимущество такого подхода заключается в том, что для промежуточного хранения еще не подтвержденных пакетов и последующего планирования повторных передач не требуется привлекать контроллер радиосети. Это предотвращает возникновение обычных до сих пор задержек при обмене через интерфейс Iub (интерфейс между базовой станцией и контроллером радиосети). По сравнению с традиционной радиосетью достигаются заметное сокращение времени задержки в случае новой передачи и более быстрая доставка пакетов данных. Одновременно разгружается воздушный интерфейс.

Интервал передачи данных (Transmission Time Interval, TTI) сокращен в концепции TTI с привычных 10 мс (15 временных окон) до 2 мс (три временных окна). Тем самым повышаются эффективность и гибкость метода АМС и ускоряется планирование передачи пакетов.

ПРЕИМУЩЕСТВА ДЛЯ ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ И СЕТЕВЫХ ОПЕРАТОРОВ

HSDPA обладает сразу двумя существенными преимуществами. Во-первых, пропускная способность WCDMA может быть увеличена точно так же, как и скорость передачи данных в рамках эволюции GSM (Enhanced Data Rates for GSM Evolution, EDGE, EDGE). При благоприятном расположении терминала теоретически достижимы скорости до 10 Мбит/с. Во-вторых, HSDPA минимизирует вероятные задержки. Поэтому конечные пользователи, несомненно, оценят этот метод, прежде всего, благодаря лучшему качеству услуг, к примеру меньшему времени реакции приложений. Но выгоду получит и сетевой оператор: он сможет снизить затраты на передачу 1 бита.

Арндт Блекманн — менеджер по решениям компании Nokia. С ним можно связаться по адресу: http://www.nokia.de.

? AWi Verlag