Высокоскоростная передача данных в пакетном режиме
При пакетной передаче данных в сетях UMTS используют специальные технологии: высокоскоростную передачу данных вниз (HSDPA – High Speed Downlink Packet Access) и вверх (HSUPA - High Speed Uplink Packet Access). Рассмотрим технологию высокоскоростной передачи вниз HSDPA, поскольку ее применение в действующих сетях обязательно.
Данные передают по физическому каналу HS-DSCH (High Speed Downlink Shares Channel) короткими кадрами длиной 2 мс с постоянным коэффициентом расширения спектра SF = 16, что позволяет отслеживать быстрые замирания сигнала в канале. Скорость передачи информации на мобильный терминал определяется:
- числом одновременно передаваемых на терминал парциальных каналов (кодов) в интервале Cch,16,1 до Cch,16,15; минимально терминал получает 1 код из указанного множества, максимально – 15 (рис.10.1). Коды, используемые в технологии HSDPA, приведены в табл. 10.1;
Рис. 10.1. Кодовое дерево для организации высокоскоростного доступа
Таблица 10.1
| Номер кода i | Код Cch, 16, i |
| 11111111-1-1-1-1-1-1-1-1 | |
| 1111-1-1-1-11111-1-1-1-1 | |
| 1111-1-1-1-1-1-1-1-11111 | |
| 11-1-111-1-111-1-111-1-1 | |
| 11-1-111-1-1-1-111-1-111 | |
| 11-1-1-1-11111-1-1-1-111 | |
| 11-1-1-1-111-1-11111-1-1 | |
| 1-11-11-11-11-11-11-11-1 | |
| 1-11-11-11-1-11-11-11-11 | |
| 1-11-1-11-111-11-1-11-11 | |
| 1-11-1-11-11-11-111-11-1 | |
| 1-1-111-1-111-1-111-1-11 | |
| 1-1-111-1-11-111-1-111-1 | |
| 1-1-11-111-11-1-11-111-1 | |
| 1-1-11-111-1-111-11-1-11 |
- модуляционно-кодирующей схемой; возможно использование модуляции 4-ФМ, 16-КАМ, 64-КАМ (рис. 10.2) при изменении скорости избыточного (защитного) кодирования от 0,25 до 0,97; при низких скоростях кодирования и при повторной передаче непринятых кадров применяют турбокоды;
Рис. 10.2. Созвездия сигналов, используемых в HSDPA
- числом одновременно принимаемых частотных каналов при использовании технологии агрегации полос; номинальная ширина полосы в стандарте UMTS составляет 5 МГц, эффективная полоса – 3,84 МГц;
- использованием пространственного мультиплексирования (многоантенной передачи MIMO).
Скорости передачи внутри кадра в зависимости от типа модуляции и скорости кодирования Rкода поясняет табл. 10.2.
Таблица 10.2
| Модуляция | Скорость кода Rкода | Скорость данных (1 код) | Скорость данных (5 кодов) | Скорость данных (15 кодов) |
| 4-ФМ | 1/4 | 119 кбит/с | 0,6 Мбит/с | 1,8 Мбит/с |
| 4-ФМ | 1/2 | 237 кбит/с | 1,2 Мбит/с | 3,6 Мбит/с |
| 4-ФМ | 3/4 | 356 кбит/с | 1,8 Мбит/с | 5,3 Мбит/с |
| 16-КАМ | 1/2 | - | 2,4 Мбит/с | 7,2 Мбит/с |
| 16-КАМ | 3/4 | - | 3,6 Мбит/с | 10,7 Мбит/с |
| 64-КАМ | 3/4 | - | 5,4 Мбит/с | 16,1 Мбит/с |
Абонентская аппаратура поделена на категории в соответствии с теми возможностями, которая она в режиме HSDPA поддерживает на физическом уровне. В Rel.12 существуют 38 категорий пользовательской аппаратуры. Эти категории описаны в табл. 10.3.
Во втором столбце табл. 10.3 указано максимальное число парциальных каналов (кодов), которое может принимать UE одновременно в одном частотном канале.
В третьем столбце приведен минимальный временной интервал между следующими друг за другом кадрами. Если он равен 1, то кадры могут следовать непрерывно. Когда он равен 2, временной зазор должен быть не меньше 2 мс (длины одного кадра), если он равен 3, временной зазор должен составлять не менее 4 мс (удвоенной длины кадра).
В 4 столбце указано число частотных каналов, которое UE может принимать одновременно, используя технологию агрегации частотных полос для увеличения скорости передачи данных. Это число может составлять 2, 3, 4, 6 и 8 частотных каналов, которые могут находиться в разных диапазонах.
Столбец 5 характеризует возможности использования пространственного мультиплексирования (MIMO) при передаче нескольких потоков данных в одном физическим канале с разных антенн базовой станции. В левой части дроби указано максимальное число частотных каналов, где может быть реализовано MIMO, в правой – число независимых потоков данных в одном физическом канале.
6 столбец содержит информацию о поддерживаемых UE видах модуляции. В 7 столбце приведены предельные сквозные скорости передачи данных на UE разных категорий.
Для каждой категории и абонентских станций существуют 30 вариантов форматов передачи, характеризуемых модуляционно-кодирующей схемой, числом выделенных абоненту кодов и уровнями передаваемых парциальных сигналов (кодов)[3] . Каждому формату соответствует численное значение индикатора качества канала CQI (Channel Quality Indicator). Для разных категорий UE разработаны разные таблицы соответствия CQI и формата передачи, поименованные буквами: A,B,C…K (TS 25.214). Так, для UE категорий 1 – 7 (табл. 10.3) используют таблицу соответствия А, для станций категорий 7 и 8 – таблицу В, станций категорий 10, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28 – 38 (без использования модуляции 64-КАМ и MIMO) таблицу D, станций категорий 14, 18, 20, 24, 28 – 38 (без использования MIMO, но с использованием 64-КАМ) таблицу G и т.д. Приведем в качестве примера таблицы соответствия D (табл. 10.4) и G (табл. 10.5).
Таблица 10.3
| Категория UE по каналу HS-DSCH | Максимум принимаемых кодов по каналу HS-DSCH | Минимальный интервал между кадрами | Максимальное число принимаемых частотных каналов | Число частотных каналов с реализацией MIMО/ число независимых потоков данных в канале | Используемые виды модуляции | Максимальная сквозная скорость передачи, Мбит/с |
| 4-ФМ 16-КАМ | 1,2 | |||||
| 1,2 | ||||||
| 1,8 | ||||||
| 1,8 | ||||||
| 3,6 | ||||||
| 3,6 | ||||||
| 7,2 | ||||||
| 7,2 | ||||||
| 10,1 | ||||||
| 14.0 | ||||||
| 4-ФМ | 0,9 | |||||
| 1,8 | ||||||
| 4-ФМ 16-КАМ 64-КАМ | 17,6 | |||||
| 21,1 | ||||||
| 1/2 | 4-ФМ 16-КАМ | 23,4 | ||||
| 1/2 | 28,0 | |||||
| 17 [4] | 4-ФМ 16-КАМ 64-КАМ | 17,6 | ||||
| 1/2 | 4-ФМ 16-КАМ | 23,4 | ||||
| 18 [5] | 4-ФМ 16-КАМ 64-КАМ | 21,1 | ||||
| 1/2 | 4-ФМ 16-КАМ | 28,0 | ||||
| 1/2 | 4-ФМ 16-КАМ 64-КАМ | 35,3 | ||||
| 1/2 | 42,2 | |||||
| 4-ФМ 16-КАМ | 23,4 | |||||
| 28,0 | ||||||
| 4-ФМ 16-КАМ 64-КАМ | 35,3 | |||||
| 42,2 | ||||||
| 2/2 | 4-ФМ 16-КАМ | 46,7 | ||||
| 2/2 | 55,9 | |||||
| 2/2 | 4-ФМ 16-КАМ 64-КАМ | 70,6 | ||||
| 2/2 | 84,4 | |||||
| 63,3 | ||||||
| 3/2 | 126,6 | |||||
| 84,4 | ||||||
| 4/2 | 168,8 | |||||
| 126,6 | ||||||
| 6/2 | 253,2 | |||||
| 168,8 | ||||||
| 8/2 | 337,5 | |||||
| 2/2 и 2/4 | 168,8 | |||||
| 4/2 и 4/4 | 337,5 |
Таблица 10.4
| CQI | Размер транспортного блока (бит) | Число выделяемых кодов | Модуляция |
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ |
Таблица 10.5
| CQI | Размер транспортного блока (бит) | Число выделяемых кодов | Модуляция |
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 64-КАМ | |||
| 64-КАМ | |||
| 64-КАМ | |||
| 64-КАМ | |||
| 64-КАМ |
Выбор формата передачи и числа кодов для конкретного абонента BS производит специальная программа в NodeB ‒ планировщик (scheduler). Между NodeB и всеми UE, обслуживаемыми по технологии HSDPA, работает канал обратной связи в реальном времени. UE постоянно измеряют отношение сигнал/суммарная помеха (Es/N0), меняющееся во времени из-за перемещения абонента и замираний сигнала. В соответствии с измеренным (Es/N0) UE определяет оптимальный формат передачи в виде СQI и передают значение СQI на NodeB по специальному выделенному каналу управления HS-DPCCH (High Speed Dedicated Physical Control Channel). Планировщик анализирует информацию, поступающую по каналам HS-DPCCH от всех UE, и назначает время и форматы передач пакетного трафика вниз (рис. 10.3).
Рис. 10.3. Структура каналов при реализации технологии HSDPA
Сказанное иллюстрирует рис. 10.4. Верхняя кривая – результат измерения отношения (Es/N0) в UE. Нижняя кривая – соответствующий этим измерениям формат передачи, в которым UE готова принимать пакеты. BS выбирает для передачи пакетов конкретной UE моменты наилучших условий приема, что повышает общую пропускную способность сети и снижает задержки при передаче. Планировщики работают на основе пропорционально справедливого алгоритма управления канальным ресурсом, что обеспечивает обслуживание всех абонентов при оптимизации использования канального ресурса.
Рис. 10.4. Адаптивное управление передачей трафика вниз
Структура каналов при HSDPA показана на рис. 10.5. Информацию вниз передают по каналу HS-PDSCH в виде пакетов длительностью 2 мс. Для приема этой информации UE прослушивает специальный общий канал управления HS-SCCH (High Speed Shared Control Channel). По нему UE передают быстроменяющиеся параметры канала HS-PDSCH. В обратном направлении каждой UE выделяют специальный физический канал управления HS-DPCCH (High Speed Dedicated Physical Control Channel) для передачи в сеть подтверждений о приеме пакетов и информации об оптимальном TFRC по измерениям сигнала и помех на входе приемника UE. Кроме того, абонентским станциям выделяют дуплексный канал DCH для передачи сигнализации и команд управления, в частности, регулировки мощности. По Uplink и Downlink DCH возможна также передача другого (не высокоскоростного, например, телефонного) трафика.
Обычно при отсутствии дополнительного трафика вниз вместо канала DCH используют канал F-DPCH c SF=256. Он предназначен только для передачи команд ТРС управления мощности передатчиков UE. Каждый TS содержит 20 информационных бит, по 2 бита на одну UE, так что канал F-DPCH может управлять мощностью 10 UE одновременно. Сигнализацию при этом передают в пакетном режиме через HS-DSCH.
Применение HSDPA целесообразно не для всех классов услуг. Поскольку один общий канал HS-PDSCH распределен между всеми активными абонентскими станциями, фиксировать временную задержку при передаче данных становится затруднительно. Поэтому для приложений, работающих с потоковым трафиком выгоднее использовать обычные выделенные каналы UMTS. С другой стороны, HSDPA – технология весьма гибкая, позволяет перераспределять ресурсы канала очень быстро, каждые 2 мс. Поэтому планировщик трафика может отдавать предпочтение при передаче высокоприоритетным потоковым данным или IP телефонии.
Рис. 10.5. Структура каналов при HSDPA
Остановимся на особенностях радиоинтерфейса, то-есть, на взаимодействии трех физических каналов: HS-PDSCH, HS-SCCH и HS-DPCCH. Первые два – общие прямые каналы, последний – выделенный обратный канал (рис. 10.6). Следует обратить внимание на временные соотношения между каналами на рис. 10.6, которые строго фиксированы в сети.
Рис. 10.6. Структура каналов при HSDPA
Информацию о передаче пакета UE получает по каналу HS-SCCH. Спецификации не регламентируют количество этих каналов в соте, но на практике их число не превышает 4. Абонентская станция может принимать одновременно до 4 каналов HS-SCCH, выделяя из них тот, по которому передают информацию, предназначенную ей. В каналах HS-SCCH SF=128, одно сообщение занимает 3TS (рис. 10.7).
Информацию о субкадре конкретному абоненту начинают передавать на 2 TS раньше, чем сам субкадр по каналу HS-PDSCH, так что он наложен на субкадр HS-SCCH одним таймслотом. Это может показаться странным, так как, казалось бы, мобильная станция должна сначала прочитать субкадр HS-SCCH, чтобы знать, адресован ли ей HS-PDSCH канал. На самом деле, особенностью HSDPA является то, что идентифицировать UE, а значит, определить, адресован ли ей канал трафика, можно уже по первому таймслоту HS-SCCH субкадра. Данные в этом таймслоте маскированы символьной строкой, представляющей собой идентификатор UE H-RNTI. Декодировать строку (а значит, и таймслот) можно только с помощью такого же идентификатора. При этом первый таймслот содержит информацию о предоставленных абоненту кодах (7 бит) и схеме модуляции (1 бит), так что после декодирования этих данных абонентская станция готова к приему пакета трафика.
Рис. 10.7. Структура пакета канала HS-SCCH
Два других тайм-слота пакета HS-SCCH содержат следующую информацию:
- размер транспортного блока (6 бит),
- данные о HARQ (3 бита),
- данные об избыточности и виде созвездия модуляции (3 бита),
- индикатор нового сообщения (1 бит).
Общее число информационных бит равно 37. После избыточного кодирования их число возрастает до 120.
После того, как мобильная станция приняла кадр HS-PDSCH, она отправляет на NodeB подтверждение о приеме ACK (acknowledgement), или отчет о неполучении NACK в случае наличия ошибок в кадре, используя канал HS-DPCCH. Для защиты самого отчета используют мощное избыточное кодирование. Отчет, передаваемый всего одним битом: 1 – ACK, 0 – NACK, канальный кодер повторяет 10 раз, так что на его выходе оказывается 10 бит.
Информация об ACK или NACK занимает первый TS субкадра канала HS-DPCCH. В двух остальных UE передает информацию о состоянии канала CQI (Channel Quality Information). Это число в диапазоне 1…30, определяющее, какой максимальный объем данных (с какой максимальной скоростью передачи) UE готова принять в очередном субкадре.
Повторная передачу непринятых блоков осуществляют на основе технологии HARQ (Hybrid Automatic Repeat request).
Протокол HARQ, выбранный для HSDPA, основан на принципе остановки stop и ожидания wait (SAW). При SAW базовая станция продолжает осуществлять передачу текущего блока, пока этот блок не будет успешно получен UE. Для того чтобы использовать время до повторной передачи, промежуток заполняют другими пакетами. На практике задержка между исходной и первой повторной передачей порядка 8-12 мс. Управление повторной передачей осуществляет NodeB. Таким образом, технология HSDPA позволяет использовать продвинутую стратегию повторной передачи с меньшими задержками и большей спектральной эффективностью даже для потокового сервиса, сильно чувствительного к задержкам.
HSDPA поддерживает два алгоритма повторной передачи данных:
- возрастающую избыточность (incremental redundancy, IR),
- повторение попытки (chase combining, CC).
HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) представляет собой схему адаптации канала, в которой отчеты о передаче, относящиеся к канальному уровню, используют для принятия решения о повторной передаче. Принимая очередной пакет, мобильная станция проверяет его на наличие ошибок, декодируя Check Redundancy Code (CRC). Размер CRC постоянный и составляет 24 бита на 3 таймслота. Если ошибки обнаружены и их невозможно исправить силами избыточного кодирования, UE посылает отчет о неполучении информации, запрашивая ее повторную передачу. При этом пакет, принятый с ошибками, не удаляют, а сохраняют в буфере UE. Получив повторно переданный пакет, мобильная станция вновь проверяет его на ошибки. При наличии таковых его объединяют со старым пакетом из буфера, что при использовании турбокодирования значительно повышает вероятность исправления ошибок. В этом состоит сущность метода Chase Combining.
Алгоритм Incremental Redundancy состоит в том, что каждый повторно передаваемый пакет не просто вновь пересылают по радиоканалу, но и кодируют всякий раз по-разному. В частности, при новом кодировании в процессе перфорации выбрасывают другие биты, чем при предыдущей передаче, В результате декодер получает существенную дополнительную информацию, что улучшает процесс декодирования. Однако, использование алгоритма IR требует увеличения объема буфера данных в UE. Передачу пакета вкупе с вышеуказанными технологиями повторяют до тех пор, пока он не будет принят без ошибок, либо не будет превышено максимально допустимое число повторных передач.