HSDPA – HSUPA

Generalita’ Le principali innovazioni dell’HSDPA sono:

l’incremento dell’efficienza spettrale del sistema;

il miglioramento della gestione di informazioni intermittenti con alta velocità di picco; la massima velocità nominale raggiunge i 14 Mbit/s rispetto ai 2 Mbit/s di Release ‘99;

la flessibilità della trasmissione radio attraverso meccanismi adattativi, basati sulla rapida riconfigurazione delle risorse e sulla stima del canale trasmissivo.

Il dispiegamento della tecnologia HSDPA è stato pianificato attraverso un approccio che prevede un’introduzione graduale delle funzionalità di rete e del livello di QoS (Quality of Service) garantito. Le classi di servizio Interactive e Background (definite in 3GPP TS 23.107: “Quality of Service (QoS) concept

and architecture”), essendo quelle meno stringenti dal punto di vista della tolleranza al ritardo, sono state le prime ad essere supportate in rete. Tuttavia, se da un lato queste classi ben si adattano a servizi di tipo best effort, dall’altro non sono adatte al supporto di servizi a pacchetto con requisiti di tipo real time, per le quali invece è necessario che la rete sia in grado di garantire le classi Conversational e Streaming. Si noti che l’HSDPA di Release 5 è una tecnica che è ottimizzata esclusivamente per la tratta in downlink e che sfrutta i canali dedicati tradizionali DCH (Dedicated CHannel) per la trasmissione sul canale di ritorno in uplink. In questo contesto il 3GPP, a partire dalla Release 6, ha previsto una serie di ottimizzazioni anche per il canale di ritorno dando luogo alla tecnica HSUPA (High Speed Uplink Packet Access), nota anche come FDD Enhanced Uplink. L’HSUPA introduce un insieme di miglioramenti sui canali dedicati della tratta uplink E-DCH (Enhanced-Dedicated CHannel) del sistema UMTS, mediante una serie di funzionalità che mirano, da un lato, a supportare in maniera più efficiente servizi multimediali quali download di video e file, e-mail, gaming, video-streaming e, dall’altro, ad aumentare la capacità complessiva di sistema. In particolare, l’obiettivo della tecnologia HSUPA è quello di rendere possibile una copertura in uplink con alti bit rate di picco [fino ad un massimo teorico di 5,8 Mbit/s, anche se nella fase iniziale probabilmente non si supereranno 1,45 Mbit/s (data

rate calcolato a livello fisico)], riducendo al contempo il ritardo nelle trasmissioni a pacchetto e favorendo in tal modo il supporto di servizi PS real time. La tecnologia HSUPA costituisce quindi la naturale controparte, sulla tratta in uplink, della tecnologia HSDPA, inserendosi in tal modo nel framework evolutivo “HSPA” della rete UMTS che costituirà uno step intermedio nell’attesa del dispiegamento delle reti cellulari di quarta generazione LTE (Long Term Evolution). Di seguito sono evidenziate sia le principali caratteristiche della tecnologia HSUPA sia le differenze rispetto ad HSDPA.

Caratteristiche

La tecnologia HSUPA rende disponibile, per la tratta in uplink, un nuovo canale dedicato, E-DCH, a differenza della tecnologia HSDPA che invece utilizza un canale condiviso HS-DSCH (High Speed Downlink Shared Channel) per il downlink. Insieme con il canale E-DCH vengono inoltre introdotti nuovi canali fisici di segnalazione sia uplink che downlink. Da un punto di vista di strategie di RRM (Radio Resource Management), la risorsa condivisa in uplink è costituita dall’interference headroom (In altre parole la potenza totale ricevuta al Nodo B da tutti

gli utenti presenti nel sistema), cioè la massima interferenza accettabile sulla tratta uplink affinché il carico di cella (uplink load) non sia superiore a quello pianificato. In uplink i codici di scrambling dei diversi utenti non sono ortogonali e il power control (non presente nella tecnologia HSDPA) è essenziale per contenere il problema del near-far: il controllo della potenza è quindi la modalità principale per implementare in HSUPA tecniche di adattamento al canale. Il power control è applicato sulla base della stessa tecnica impiegata per il canale DCH Release ’99 (come in HSDPA, è obbligatoria la presenza di un canale fisico DPCCH

Release ’99 associato al canale E-DCH di HSUPA, mentre è facoltativa la presenza del canale dati DPDCH R’99), mediante l’uso di opportuni offset di potenza. In HSUPA non si utilizzano modulazioni ad elevata cardinalità, poco efficienti dal punto di vista delle prestazioni in presenza di canali selettivi in frequenza (i bit sono modulati solo con BPSK/QPSK, a differenza di HSDPA in cui è consentita anche la modulazione 16-QAM). Il motivo di questa scelta dipende dal fatto che mentre l’uplink è tipicamente limitato in potenza (virtualmente non ci sono limitazioni sui codici di canalizzazione impiegabili da un singolo utente), in downlink il numero limitato di codici (In HSDPA i codici

utilizzabili sono al massimo 15 con SF=16, condivisi tra tutti gli utenti) rende necessario l’impiego di modulazioni a cardinalità elevata per aumentare il bit rate a parità del numero di codici utilizzati.

L’impiego della tecnologia HSUPA richiede l’introduzione di nuovi protocolli MAC (Medium Access Control), per supportare le funzionalità specifiche di H-ARQ e Scheduling. In particolare sono introdotti i nuovi livelli MAC-e e MACes, unificati nello UE e distinti nell’UTRAN, situati rispettivamente nel Nodo B e nell’RNC.

FIGURA 1 Hybrid - ARQ a livello di Nodo B in HSUPA.

Analogamente a quanto previsto per HSDPA, anche in HSUPA sono utilizzati dei meccanismi di ri-trasmissione basati su tecniche H-ARQ (Hybrid-ARQ). A differenza di quanto accadeva in Release ’99, le ri-trasmissioni H-ARQ avvengono a livello di Nodo B (e non nel Radio Network Controller, RNC, figura 1) introducendo in questo modo notevoli benefici in termini di riduzione dei ritardi. Come in HSDPA, l’H-ARQ prevede una gestione multi-processo, che consente una trasmissione continua di più processi in parallelo che, a trasmissione avvenuta, restano in attesa di riscontri.

FIGURA 2 Scheduling in uplink a livello di Nodo B.

Lo scheduling degli utenti sulla tratta in uplink viene controllato dal Nodo B (figura 2) sulla base dei feedback inviati dagli UE. In particolare, negli header delle MAC-e PDU sono contenuti appositi campi di segnalazione attraverso cui l’UE indica allo scheduler del Nodo B informazioni riguardanti l’occupazione dei suoi buffer RLC, la priorità dei dati contenuti nel buffer e la potenza disponibile in trasmissione. In particolare sono trasmessi:

Scheduling Information: forniscono al Nodo B una visione dei buffer di trasmissione dello UE (e quindi delle risorse di cui avrebbe bisogno) e della potenza di trasmissione di cui può disporre per trasmettere il canale E-DCH.

Happy Bit: è un’indicazione del terminale sul suo grado di “soddisfazione” riguardo alle risorse che gli sono state assegnate dal Nodo B, ossia se è in grado di utilizzare maggiori risorse oppure se gli bastano quelle assegnate. Si tratta in sostanza di uno scheduling di tipo multipunto- punto, in cui però è il nodo centrale (Nodo B) a decidere come assegnare le risorse.

L’utilizzo del Soft Handover in uplink permette la trasmissione contemporanea dei dati verso più Nodi B (cosa che non era possibile in HSDPA a causa dell’utilizzo di un solo canale condiviso fra gli utenti). Il guadagno di macro-diversità così ottenuto rende più efficiente l’utilizzo della potenza e limita l’interferenza generata nelle celle adiacenti (attraverso il controllo multi-cella della potenza in uplink). La tecnologia HSUPA introduce la possibilità di utilizzare in uplink un TTI (Transmission Time Interval) da

2 ms, oltre a quello da 10 ms già utilizzato in Release ’99. A differenza però dell’HSDPA dove il TTI da 2 ms, abbinato a tecniche di Modulazione e Codifica Adattative (AMC) (il Node B, tenendo conto dei vincoli imposti

dai processi di H-ARQ e sulla base di meccanismi di stima della qualità del canale di trasmissione, determina in maniera altamente dinamica (in teoria ad ogni TTI, pari a 2 ms) il formato di modulazione e codifica (ad es. 16-QAM R=1/2) da utilizzare

nella trasmissione in downlink verso un certo UE) serviva a compensare l’assenza del power control, per HSUPA l’utilizzo del TTI da 2 ms è opzionale ed offre il beneficio di ridurre i ritardi di trasmissione legati all’Hybrid-ARQ nella tratta in uplink. Nella tabella 1 sono infine sintetizzate le principali differenze tra le tecnologie HSDPA e HSUPA, che mostrano come quest’ultima costituisce un’evoluzione del DCH piuttosto che un “reverse HSDPA”, pur rimanendone complementare dal punto di vista del sistema.

TABELLA 1 Principali differenze tra HSDPA e HSUPA.

Note Release ’99: la massima velocità in downlink è di 2,048 Mbit/s. Tuttavia un servizio a 2 Mbit/s assorbirebbe tutte le risorse della cella, per cui conviene limitare la velocità a 384 kbit/s per consentire l’accesso simultaneo a più utenti(4)

HSPA: è l’acronimo di “High Speed Packet Access”, e prevede l’utilizzo congiunto delle tecnologie HSDPA ed HSUPA, per

supportare la trasmissione High Speed su entrambe le tratte di downlink e di uplink):9)

Near-Far: In assenza di power control, i segnali degli utenti posti molto vicino alla stazione base potrebbero compromettere

la corretta ricezione di quelli degli altri utenti che giungono affievoliti a causa della maggiore distanza. (8)13)(14)

Abbreviazioni

3GPP 3rd Generation Partnership Project AMC Adaptive Modulation and Coding BPSK Binary Phase Shift Keying DCH Dedicated CHannel E-DCH Enhanced-Dedicated Channel FDD Frequency Division Duplex H-ARQ Hybrid-Automatic Repeat reQuest HSDPA High Speed Downlink Packet Access HS-DSCH High Speed Downlink Shared Channel

HSUPA High Speed Uplink Packet Access LTE Long Term Evolution MAC Medium Access Control QAM Quadrature Amplitude Modulation QoS Quality of Service QPSK Quadrature Phase Shift Keying RLC Radio Link Control RNC Radio Network Controller RRM Radio Resource Management TFC Transport Format Combination TTI Transmission Time Interval UE User Equipment