Espèces d`espaces

HSPA - High Speed Packet Access
0
Downlink: HSDPA
caratteristiche
1
Cos’è l’HSDPA?
E’ un insieme di funzionalità radio introdotte in UTRAN R5 finalizzate a:

Fruizione ottimale di servizi a pacchetto asimmetrici (DL): Streaming, Interattivi
ed FTP/e-mail

fino a 14 Mbit/s
Gestione di flussi intermittenti con elevata velocità di picco (i.e. no canale
dedicato come in R99)

Incrementare l’efficienza spettrale rispetto all’UMTS di Release 99 (almeno 2
volte efficienza spettrale R99)

Ridurre i tempi di latenza in rete.
Il percorso nello standard 3GPP:

Metà 2000: inizio dei lavori nell’ambito della Release 5 (R5)

Fine 2001: prime specifiche di R5, in forma ancora incompleta

Fine 2003: specifiche per il servizio commerciale (il rilascio da parte dei
costruttori di apparati e terminali è avvenuto durante il 2005).
2
Caratteristiche principali della tecnologia HSDPA
Utilizzo di un canale condiviso in downlink, detto High Speed Downlink Shared Channel
(HS-DSCH). Un insieme di codici a SF=16 è visto come una risorsa condivisa tra più utenti. I
codici sono assegnati con schedulazione dinamica ad un utente solo se devono essere
effettivamente trasmessi dei dati. Più codici a SF=16 possono essere allocati istantaneamente
ad un singolo utente (modalità multi-code). Su HS-DSCH non è previsto l’impiego né del
soft/softer handover né del fast power control.
Attraverso
la
funzionalità
di
Packet
Scheduling
(dipendente
in
generale
dall’implementazione del vendor) il Node B può determinare quando inviare pacchetti a
ciascun mobile basandosi ad esempio sulle condizioni del canale, sull’occupazione delle code
ed eventualmente assegnare agli utenti una priorità in funzione dei requisiti di QoS, con una
granularità temporale minima di 2 ms.
3
HS-DSCH: High Speed - Downlink Shared Channel
 Il nuovo canale di trasporto HS-DSCH viene mappato su molteplici canali fisici HSPDSCH con uno spreading factor fisso e pari a 16 e organizzato in sotto-trame di 2ms
(3 Time Slot) che determinano il Transmission Time Interval (TTI).
 Multicoding: fino a 15 codici possono essere allocati insieme per trasportare lo stesso
canale di trasporto HS-DSCH, perchè un codice deve essere lasciato libero per ospitare
i canali di segnalazione con spreading factor più bassi.
Il numero di codici HS-PDSCH
allocabili per un terminale
dipende dalla categoria del
terminale
 A differenza del DCH di Release 99, l’HSDSCH non è soggetto a power control!
4
Nuove features radio della tecnologia HSDPA
 Nuovi meccanismi di stima del canale in downlink: il NodeB può richiedere al mobile
di inviare periodicamente un Channel Quality Indicator (CQI) specifico dell’HSDPA sul
nuovo canale in uplink, High Speed Dedicated Physical Control Channel (HS-DPCCH).
La segnalazione associata all’HS-DSCH è trasportata in downlink sul nuovo canale
associato di segnalazione High Speed Shared Control Channel (HS-SCCH).
 Adaptive modulation and coding (AMC): Il NodeB, tenendo conto dei vincoli imposti
dalla categoria del terminale, sulla base dei meccanismi di stima della qualità del
canale di trasmissione (CQI), identifica in maniera altamente dinamica (con
granularità minima teorica del TTI HSDPA, ovvero 2 ms) il migliore formato di
modulazione e codifica (TFRC) da utilizzare nella trasmissione verso un certo UE. Di
fatto l’AMC, nei confronti del HS-DSCH, sostituisce la funzionalità del fast power
control sul canale DCH presente in release ’99.
 Utilizzo della modulazione 16-QAM: l’aggiunta di nuovi schemi di modulazione
comporta un aumento della complessità del terminale). Non prevista nelle prime
implementazioni dei vendors.
 Utilizzo di Schemi di ripetizione ibridi (H-ARQ, Hybrid – Automatic Repeat reQuest)
che sfruttano l’informazione contenuta nelle copie (ritrasmissioni) che giungono
errate al ricevitore. I protocolli di ritrasmissione sono implementati nel Node B.
 Il traffico uplink continua ad essere trasportato su canali dedicati (anche per gli
utenti che utilizzano in downlink il canale HS-DSCH)
5
HSDPA vs R99
Throughput
per cella
HSDPA: fino a
 Mmbps
R99:fino a
1.5 Mbps
Mbps
Throughput
per utente
R99:fino a
0.384 Mbps
HSDPA: fino
a  Mbps
Mbps
Una cella UMTS in
condizioni realistiche può
gestire al più 4 chiamate
a 384 kbit/s (hard
blocking) che
corrispondono ad un
throughput aggregato di
picco di circa 1.5 Mbit/s
6
Meccanismi di ritrasmissione di tipo ibrido (HARQ)
Utilizzo tecniche di ritrasmissione ibride: H-ARQ (Hybrid – Automatic Repeat Request)
 Diversamente dall’ARQ
tradizionale, nella tecnica
HARQ il blocco corrotto non
è scartato, ma viene
ricombinato nel
decodificatore dell’UE con
le ritrasmissioni successive
 minor numero di
ritrasmissioni necessarie a
fronte di un blocco corrotto
UE
Transport Block
Encoder
Encoded Block (Rate 1/3)
Puncturing
1st Transmission (Self Decodable)
NACK
X
Retransmission
(Non-self Decodable)
ACK
 Inoltre l’HARQ è terminato
tra NodoB e UE, diminuendo
sia i tempi di latenza
Decoding Error
UTRAN
X
Combining and
decoding OK
7
Modulazione 16-QAM
Permette di trasportare 4 bits per simbolo invece dei 2 della QPSK con un uso più efficiente
della banda.
Introduce zone di decisione aggiuntive per cui occorre una stima ancora più precisa per
separare correttamente i simboli ricevuti.
Tale modulazione è più sensibile all’interferenza, al rumore ed alle distorsioni di canale, per
cui permette di migliorare le prestazioni solo in condizioni di canale molto buone.
Simbolo RX errato
Simbolo TX
Simbolo TX
Simbolo RX corretto
Simbolo RX errato!
Regioni di decisione
QPSK
Regioni di decisione
16QAM
8
Formati di trasmissione
I formati di trasmissione sono definiti in base a:
1) Il numero di codici con SF=16 assegnati nel TTI per il canale HS-PDSCH
2) La modulazione (QPSK o 16-QAM)
3) La dimensione del blocco radio (Transport Block), che può assumere 64
valori per ogni combinazione di numero di codici e modulazione.
Complessivamente, il numero teorico di formati di trasmissione è pari a
2 Modulazioni x 15 Codici x 64 Dimensioni Blocco = 1920
A pari modulazione e numero di codici, al crescere della dimensione
del transport block diminuisce la protezione che introduce con la
codifica a correzione d’errore
 Con 15 codici, modulazione 16-QAM e con la codifica meno protetta,
la velocità di picco è di 14 Mbit/s

9
Modulazione e codifica adattativa (AMC)
High Channel Quality 
16QAM
(4bit/symbol)
15 HS-DPDCH
Rate  0,97
TBS=27952
Low Channel Quality 
Modulation
Num. Channel
Transport Block Size
(Low Error Protection)
 14 Mbps
QPSK
(2bit/symbol)
1 HS-DPDCH
TBS=137
Rate  1/7
(High Error Protection)
Throughput
 68 kbps
10
Il Channel Quality Indicator (CQI)
 Il CQI è una metrica calcolata dal terminale ogni 2 ms in base al canale pilota
(CPICH), e indica il formato di trasmissione (potenza, modulazione, schema di
codifica) che il mobile stima di poter ricevere nel TTI successivo con Block Error
Rate (BLER) non superiore al 10%.
Mobile 1
Decisione su
scheduling e AMC*
Mobile 2
11
Le UE Categories in 3GPP
HSPA+
 HSDPA è stato introdotto con data rate via via crescenti, man mano che
diveniva possibile commercializzare terminali appartenenti a UE categories
più performanti.
 Le categorie di terminali (UE categories) sono definite in 3GPP in base a:
 Il massimo bit rate sostenuto, calcolato su una intera trama
 Il numero di codici che possono essere ricevuti in parallelo per ogni TTI
 Le modulazioni gestite (solo QPSK, o QPSK e 16-QAM)
 L’intervallo minimo che deve trascorrere tra la ricezione di due TTI
successivi, espresso in TTI
 La dimensione delle memoria disponibile nello UE per l’HARQ, che può
distinguere due classi a parità degli altri valori: la classe meno potente
solitamente non gestisce la Incremental Redundancy al massimo bit rate.
12
Classe
Bit rate di
Bit rate di
Max. Num. Minimo intervallo
picco al livello picco al livello
Codici
inter-TTI
fisico [Mbit/s] RLC [Mbit/s]
IR al max
bit rate
Modulazioni
supportate
1
5
3
1,2
1,1
No
QPSK, 16-QAM
2
5
3
1,2
1,1
Si
QPSK, 16-QAM
3
5
2
1,8
1,6
No
QPSK, 16-QAM
4
5
2
1,8
1,6
Si
QPSK, 16-QAM
5
5
1
3,6
3,4
No
QPSK, 16-QAM
6
5
1
3,6
3,4
Si
QPSK, 16-QAM
7
10
1
7,2
6,7
No
QPSK, 16-QAM
8
10
1
7,2
6,7
Si
QPSK, 16-QAM
9
15
1
10
9,6
No
QPSK, 16-QAM
10
15
1
14
13,4
No
QPSK, 16-QAM
11
5
2
0,9
0,8
No
QPSK
12
5
1
1,8
1,6
No
QPSK
Categorie più diffuse
commercialmente
UE Categories in Release 5
Il supporto della 16QAM si è rivelato inizialmente problematico per cui sono state aggiunte le
categorie con solo QPSK, che sono state le prime rilasciate (HSDPA 1.8 Mbps)
13
Capacità e throughput
14
Il fattore geometrico G
Rappresenta il rapporto tra potenza ricevuta dalla cella servente e la
somma interferenza inter-cella + rumore termico
Iˆor
PTOT ( j )  L( m, n, j )
G ( m, n) 

I oc  N o Pnoise   PTOT (i )  L( m, n, i )
i j
Î or
indica la densità spettrale di potenza ricevuta dal mobile dalla cella servente;
indica la densità spettrale di potenza dell’interferenza interI oc cella
ricevuta dal mobile;
Cella 1
No
indica la densità
spettrale del rumore
termico valutata al
ricevitore del mobile.
P1
(Terminologia 3GPP)
 Dal G Factor, attraverso le curve di livello
fisico (dipendenti dalla categoria del
terminale), si ricava il throughput single user
Cella 2
P2
…..
Lm,n ,2
Cella k
Pk
Lm,n ,k
Lm,n ,1
Pixel (m,n)
Pnoise
15
Il Tput HSDPA si adatta alle condizioni radio
 Il formato di trasporto va scelto in funzione delle condizioni del canale radio
Bassa interferenza 
Elevata interferenza  Alta probabilita’ di
HS-DSCH_Ec_Ior = -6 dB
Bassa probabilita’ di errore  Poche ritrasmissioni
errore  Necessita’
di
utilizzare
un formato
Single link performance - Vehicular A 30 km/h channel
anche con formati di trasporto non robusti
di trasporto robusto
UE category 1-6
800
700
Throughput [kbit/s]
.
CQI 1
500
CQI 3
CQI 7
CQI 8
400
CQI 10
CQI 12
300
CQI 13
CQI 14
200
CQI 15
600
100
0
-10
-5
0
5
10
Ior/Ioc [dB]
G Factor
[dB]
Interferenza crescente
15
20
- simulatore di link TILAB
- terminali con 5 codici
- canale vehicular A a 30 km/h e
16
Il Tput HSDPA si adatta alle condizioni radio
 Il formato di trasporto va scelto in funzione delle condizioni del canale radio
 La curva nera rappresenta
il comportamento del terminale in presenza di meccanismo di
HS-DSCH_Ec_Ior = -6 dB
AMC (Adaptative
and
coding)
ideali
(in grado di scegliere in ogni istante il
Single modulation
link performance
- Vehicular
A 30
km/h channel
UE category 1-6
formato che massimizza il throughput)
800
700
Throughput [kbit/s]
.
CQI 1
500
CQI 3
CQI 7
CQI 8
400
CQI 10
CQI 12
300
CQI 13
CQI 14
200
CQI 15
600
100
0
-10
-5
0
5
10
Ior/Ioc [dB]
G Factor
[dB]
Interferenza crescente
15
20
- simulatore di link TILAB
- terminali con 5 codici
- canale vehicular A a 30 km/h e
17
Scheduling
18
Scheduling
Lo scheduler suddivide le risorse radio multiplando gli utenti, sia nel dominio del
tempo che in quello dei codici (multi-coding) e lavora assegnando le risorse per
raggiungere un obiettivo prefissato.
radio channel quality
Ipotesi:
UE1
 Multiplazione di codice = 2
UE2
 Terminali di categoria 8 (max
10 codici)
UE3
UE4
Round Robin
TTI 1
TTI 2
TTI 2
TTI 4
TTI 5
Max C/I
time
Channelization codes
Channelization codes
TTI 1
TTI 3
TTI 3
TTI 4
TTI 5
time
TTI 1
TTI 2
TTI 3
TTI 4
TTI 5
time
19
Algoritmi di scheduling HSDPA
 Esempi di algoritmi di scheduling
Round Robin (RR): l’allocazione delle risorse alle diverse
connessioni segue un ordine ciclico, senza considerare le
condizioni del canale  alta imparzialità
“rubare ai ricchi per dare ai poveri”
Massimo C/I: per ogni intervallo di trasmissione (TTI), le
risorse vengono assegnate alla connessione che misura le
condizioni radio migliori e quindi con il throughput
atteso più alto, per massimizzare il rendimento del
sistema  bassa imparzialità
“rubare ai poveri per dare ai ricchi”
20
Proportional Fair
 Vi sono algoritmi con caratteristiche intermedie (p.es.: distribuzione
proporzionale)
Cerca di mediare fra due opposte esigenze:
massimizzare l’efficienza della rete e garantire un
livello di servizio minimo a tutti gli utenti, compresi
quelli che si trovano in condizioni radio sfavorevoli.
Uno dei meccanismi utilizzati è assegnare a ciascun
utente una priorità che tiene conto in maniera dinamica
delle risorse che gli sono state assegnate in precedenza.
Re Salomone
21
Condivisione risorse tra R99 e HSDPA
risorse
HSDPA
R99
canali comuni
tempo
HSDPA si basa sul paradigma del “best effort” utilizzando le risorse non
usate istantaneamente (potenza, codici, capacità di trasmissione ecc.)
dall’UMTS R99 e dai canali comuni trasmessi dalla cella.
Rio 3-6 Dec 2010
TIM A.Guerrieri - HSDPA
22
22
High Speed Uplink Packet Access
23
Cos’è l’HSUPA (E-DCH)
 La Release 6 dello standard UMTS introduce l’Enhanced Dedicated Channel (EDCH) o High speed uplink packet access (HSUPA)
 Standard congelato nel Marzo 2005, ma lavori conclusi nella prima metà del
2006.
 HSUPA rappresenta per l’uplink quello che HSDPA è per il downlink: esistono
molte somiglianze tra le due tecnologie (es. Hybrid ARQ) ma anche
significative differenze (es. canali dedicati e non condivisi)
 Lo scopo di questa tecnologia è fornire migliori throughput (5.76 Mbps) e
latenze ridotte (<100 ms) agli utenti
 Il focus è su servizi streaming, interactive e background, ma senza escludere
conversational (e.g. VoIP). Utilizzata congiuntamente con HSDPA abilita servizi
simmetrici con elevati throughput e latenze ridotte.
24
HSUPA: High Speed Uplink Packet Access
HSUPA permette:
-un aumento del throughput in
HSUPA richiede:
uplink
- upgrade Hw/Sw in Node B e RNC per
-un aumento dell’ efficienza
spettrale
-una riduzione del round trip
delay tra portatili e rete mobile
spostare i processi chiave più vicino al
terminale mobile
- terminali mobili con elevate capacità
di elaborazione e memoria
25
HSUPA scheduling
 In uplink la “risorsa condivisa” è il Received Total Wideband Power (RTWP) al
Node B cioè il livello di interferenza generato dagli UE nella cella:
Trasmettendo molta potenza lo UE può ottenere una trasmissione corretta anche
usando configurazioni del livello fisico poco protette ma che forniscono alti data rate.
Tuttavia, usando molta potenza, lo UE aumenterà il livello di interferenza nella cella, di
fatto consumando una parte significativa delle risorse della cella.
 Lo scheduling in HSUPA si basa su un meccanismo di “request-grant”.
 Lo UE richiede risorse al Node B attraverso le Scheduling Information (SI). La SI
fornisce una indicazione della quantità e priorità dell’informazione memorizzata
nei buffer di trasmissione dello UE.
 Il Node B alloca le risorse agli UE attraverso i ServingGrant (TTI=10 o 2 ms.)
 Il Serving grant fissa la quantità di potenza che lo UE può usare per la trasmissione
dell’E-DCH,
 In ogni TTI lo UE informa il Node B indicando se è soddisfatto o meno
dell’allocazione corrente attraverso l’Happy Bit.
26
HSUPA UE categories
 Come nel caso di HSDPA sono state definite diverse categorie di UE:
E-DCH
Category
Max num.
E-DPDCH
min.
SF
Supported
TTI
Max E-DCH
Max E-DCH
Transport
Transport Max Throughput
Block
Block
(Mbps)
in a 10 ms TTI in a 2 ms TTI
Category 1
1
SF4
10 ms
7110
-
0,71
Category 2
2
SF4
10 ms & 2 ms
14484
2798
1,44
Category 3
2
SF4
10 ms
14484
-
1,44
Category 4
2
SF2
10 ms & 2 ms
20000
5772
2,88
Category 5
2
SF2
10 ms
20000
-
2
Category 6
4*
SF2
10 ms & 2 ms
20000
11484
5,74
* In this case, when 4 E-DPDCH are used, 2 E-DPDCHs are transmitted with SF=2 and 2 E-DPDCHs with SF=4
27

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