Universal Mobile Telecommunication System (UMTS)
HSDPA

Vysokorychlostní přenos HSDPA je poprvé nově zaveden v UMTS Release 5. HSDPA přijímá nové techniky umožňující podstatně zvýšit přenosové rychlosti ve směru k uživateli (datový tok ve směru od uživatele zůstává stejný). V důsledku toho je nejvyšší teoretická přenosová rychlost na jednu buňku zvýšena z předchozích 2 Mbit/s až na 14,4 Mbit/s. Změny v architektuře sítě jsou patrné především v radiové části UTRAN. Klíčová myšlenka byla přesunout několik procedur pro správu radiových zdrojů do základnové stanice NodeB. Dříve, tj. v UMTS Release 99 a v UMTS Release 4, byla většina procedur prováděna dále od uživatele až v bloku RNC. Výhodou tohoto kroku je, že NodeB je mnohem "blíže" k uživatelům. Proto může mnohem efektivněji reagovat na měnící se kvalitu radiového kanálu a požadavků jednotlivých uživatelů. Procedury, které byly přesunuty do NodeB jsou znázorněny na níže uvedeném obrázku.

Porovnání procedur prováděných v základnové stanici pro HSDPA (Release 5) a pro Release 99/Release 4

## Rychlé plánování datových přenosů

Důležitým aspektem týkající se HSDPA je, že většina radiových zdrojů je sdílena mezi jednotlivými aktivními uživateli. Zbytek radiových zdrojů je především určen pro klasické volání či streamované video. Účelem rychlého plánování dat je poté přiřadit radiové prostředky, kterými NodeB disponuje, svým uživatelům. V HSDPA lze dynamicky přiřazovat data uživatelům každé 2 ms. Této době se říká časový interval přenosu TTI (Time Transmission Interval). Důvod, proč říkáme rychlé plánování přenosu je ten, že u původního standardu UMTS (UMTS Release 99 nebo Release 4), je minimální hodnota TTI 10 ms. Zkrácení hodnoty TTI je umožněno tím, že NodeB přímo komunikuje s připojenými mobilními terminály a přijímá tedy aktuální informace o jejich požadavcích a stavu radiového kanálu. Několik strategií pro přidělování zdrojů uživatelům je ukázáno na následujícím obrázku.

Plánování přenosu v HSDPA

Nejpopulárnější a zároveň nejjednodušší strategie se nazývá Round Robin (RR), kde se pravidelně střídají jednotliví aktivní uživatelé a nebere se žádný ohled na stav radiového kanálu. Hlavní nevýhodou této metody je to, že radiové zdroje jsou neefektivně využívány, protože uživatelé mající špatné podmínky na rádiu nemohou přenášet vysokými přenosovými rychlostmi. Důvod je ten, že musí být velká část přenosových prostředků použita pro zabezpečení správného přijetí právě generovaných dat. Druhá metoda plánování datových přenosů preferuje ty uživatele, kteří mají ideální přenosové podmínky. Jinými slovy, uživatel který má největší odstup nosné od šumu přijímá data vyslané základnovou stanicí NodeB. Proto se pro tuto metodu vžil název max-C/I (maximal Carrier to Interference). Výhoda této metody je ta, že přenosová kapacita na buňku je maximalizována, protože je vždy použita nejvyšší možná přenosová rychlost ve směru k uživateli. Na druhou stranu má ale tato strategie i podstatnou nevýhodu, protože uživatelé v blízkosti základnové stanice NodeB jsou preferováni před uživateli nacházející se na okraji buněk a mající podstatně horší podmínky pro přenos dat. Z toho důvodu byla navržena další metoda pro plánování přenosů, která se snaží najít určitý kompromis mezi oběma předchozími metodami. Tato metoda se snaží objektivně plánovat přiřazování radiových prostředků a je nazývána jako Proportional Fair (PF). Při použití PF jsou přiřazeny přijímací okamžiky pro aktivní uživatele jak v závislosti na kvalitě kanálu, tak i v závislosti na tom, jak dlouho danému uživateli nebyli přiděleny žádné prostředky. Proto se pro neaktivního uživatele neustále zvyšuje pravděpodobnost, že bude moci v příštím TTI přijímat data.

## Rychlé přeposílání chybných dat

Pokud UE není schopna správně dekódovat přijaté datové pakety, je nutné co nejrychleji tyto pakety poslat znovu. V předchozích verzích UMTS, je žádost o přeposlání špatně přijatých paketů zaslána do řídícího bloku RNC, který je zodpovědný za tuto operaci. V HSDPA je za tuto operaci zodpovědný NodeB, který je blíže k uživateli a to je taky hlavní důvod, proč mluvíme o rychlém přeposílání chybně přijatých paketů. Základní princip této metody v porovnání se starším standardem UMTS je znázorněn na následujícím obrázku.

Princip rychlého přeposílání dat v HSDPA

Další novinkou v HSDPA je princip mechanismu mající za úkol samotné přeposílání chybných paketů. Zatímco v původním standardu UMTS je použit jednoduchý ARQ (Automatic Repeat Request) princip, HSDPA využívá mnohem sofistikovanější mechanismus známý jako HARQ (Hybrid ARQ). Základní princip HARQ je ten, že je schopen dočasně uložit poškozená data do vyrovnávací paměti. Ta jsou poté zkombinována s přeposlaným paketem a tím se zvyšuje pravděpodobnost úspěšného dekódování a tedy i úspěšného přijetí paketů.

## Rychlá adaptace rádiového kanálu

Rychlou adaptací rádiového kanálu je myšlena adaptivní změna modulace a kódování (Adaptive Modulation and Coding (AMC)) v závislosti na kvalitě kanálu. Rychlá adaptace je prováděna přímo základnovou stanicí NodeB. Pokud je tedy kvalita přenosu špatná, je použita více robustní modulace a kódování, kdy je sice přeneseno méně informačních bitů (menší přenosová rychlost), ale je zajištěna menší chybovost přenosu. Jakmile jsou vlastnosti rádiového kanálu dostatečně zlepšené, což se projeví vyšším odstupem nosné k celkovému rušení (tj. větší poměr C/I), vybere základnová stanice efektivnější modulační schéma. Princip rychlé adaptace rádiového kanálu je zobrazen na následujícím obrázku. Poznamenejme, že ve starších verzích UMTS je rychlá adaptace prováděna řízením výkonu, ne změnou modulace a kódováním dat při přenosu. Další významný rozdíl je skutečnost, že HSDPA podporuje rovněž modulaci 16 QAM zatímco starší verze UMTS podporovali pouze modulaci QPSK.

Rychlá adaptace rádiového kanálu v HSDPA

## Vývoj HSDPA

Vzhledem k tomu, že ani původní HSDPA s maximálními přenosovými rychlostmi 14,4 Mbit/s není dostatečné, je HSDPA v novějších verzích standardu upravováno. Další navýšení přenosových rychlostí ve směru k uživateli je umožněno ve verzi 7 (Release 7) pomocí techniky MIMO (podrobnější vysvětlení principu MIMO budou popsány později v kapitole 31). Tímto způsobem může být teoreticky rychlost přenosu až zdvojnásobena, tedy maximální dosahovaná kapacita na jednu základnovou stanici je až 28,8 Mbit/s. Kromě toho je další navýšení umožněno zavedením ještě efektivnější modulace 64 QAM a tím je zvýšena přenosová kapacita buňky na přibližně 42 Mbit/s. Další zvyšování přenosové kapacity systému lze ve verzi 8 (Release 8) dosáhnout prostřednictvím rozšíření přenosového pásma na dvojnásobek pomocí tzv. metody Dual Carrier (DC). Ve výsledku to znamená, že při použití přenosového pásma 10 MHz místo původních 5 MHz je maximální přenosová rychlost ve směru k uživatelům až 84 Mbit/s.

Je nutné si uvědomit, že výše uvedené přenosové rychlosti jsou pouze teoretické a uživatel je schopný přenášet data podstatně menšími rychlostmi. To je způsobeno hned z několika důvodů. Prvním důležitým aspektem, který je nutno vzít v úvahu je ten, že maximální teoretické přenosové rychlosti nelze dosáhnout v reálném systému. Dostupná kapacita na jednu buňku je totiž silně závislá na kvalitě rádiového kanálu mezi uživatelem a základnovou stanicí, na maximálním povoleném vysílacím výkon a na režii přenosu potřebnou pro řízení celého systému. Kromě toho je skutečná dosahovaná kapacita jedné buňky dělena mezi jednotlivé aktivní uživatele. Další důležité omezení se pak vztahuje k samotnému mobilnímu terminálu a jeho schopnostem (např. terminál nemusí podporovat všechny typy modulace a kódování). V důsledku výše zmíněného jsou současné mobilní sítě schopné podporovat pouze přenosové rychlosti v řádu několika Mbit/s na jednoho uživatele.