HSDPA do sítí 3G

Mobilní provozovatelé již dávno nevystačí s nabídkou pouhého telefonování kdykoli a kdekoli. Nárůst zájmu o další datové, video i multimediální služby po širokopásmových přípojkách znamená nutnost přizpůsobit se: umožnit plnohodnotnou rychlou datovou komunikaci i v mobilních sítích.

Požadavek rychlé datové komunikace v mobilních sítích byl důvodem, proč vznikla třetí generace mobilních sítí (3G). Slibné maximum 2 Mb/s (pro stacionárního uživatele) se mohlo zdát dostatečných v době vzniku specifikace pro UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), ale vývoj posledních několika let v oblasti širokopásmových sítí jednoznačně ukázal, že to stačit nebude.

Mobilní sítě 3G slibují podporovat mobilní uživatele maximálně rychlostmi do 384 kb/s při chůzi a 128 kb/s při jízdě v automobilu. Reálná rychlost kolem 100 kb/s je však žalostně málo pro aplikace náročné na šířku pásma, jako video nebo multimédia, zejména pokud se jedná o aplikace v reálném čase (např. videokonference).

Ve světě je dnes podle posledních odhadů kolem 16 milionů UMTS mobilních telefonů v užívání. V současnosti již mnohde mohou využívat mezi plejádou služeb také mobilní TV. V budoucnu bude nových služeb díky využití jednotného přenosu libovolných dat po IP ještě přibývat, mezi jiným poroste zájem o kombinaci služeb – např. dva uživatelé v rámci telefonní konverzace si budou moci díky podpoře sdílení obsahu společně prohlížet video. Trh se stahováním mobilního obsahu se má podle průzkumu LogicaCMG ztrojnásobit v průběhu následujícího roku – do poloviny 2006 má dosáhnout hodnoty 7,6 miliard eur.

Mobilní provozovatelé se ale nezaměřují jen na spotřebitelský sektor, velice důležitá je pro ně podpora podnikových aplikací, mezi jiným vzdálený přístup k intranetu, stahování objemných souborů a kolaborativní práce u mobilních uživatelů. Nicméně nejnovější průzkum IDC (2005 Enterprise Mobility Survey) ukazuje, že podnikatelský sektor je velice opatrný vzhledem k nasazování mobilních řešení – pouhých 6 % z dotázaných organizací jej podporuje.

Rychlejší 3G

Vývoj mobilních sítí 3G se snaží docílit stále vyšší propustnosti sítě. Technické vyspělé prvky vylepšující propustnost sítě většinou umožnily pouze zlepšit uživatelem vnímanou kvalitu služby, nebo výkonnost celého systému, ale ne obojí. U nových vývojových stupňů technologie WCDMA (WCDMA Evolved, Wideband Code Division Multiple Access) by mělo být možné zajistit vylepšení v obou směrech současně.

Konkrétně se jedná o vylepšení mobilních datových služeb typu best effort, na což jsme zvyklí z IP sítí, typicky pro prohlížení webových stránek a stahování souborů. Tyto paketové datové služby přinesla technologie WCDMA jako podstatný kvalitativní rozdíl od předchozí generace mobilních sítí 2G. Jejich postupný vývoj představuje v prvním kroku specifikace 3GPP pro rychlejší stahování dat HSPDA (High-Speed Downlink Packet Access) v Release 5 a následně v druhém kroku rychlejší zpětná komunikace se sítí HSUPA (High-Speed UplinkPacket Access) v Release 6. Obě vylepšení znamenají vyšší datové rychlostí a kratší zpoždění díky inteligentním mechanizmům plánování vysílání (scheduling), rychlého řízení chyb (HARQ, Hybrid Automatic Repeat reQuest) a adaptace modulace a kódování (AMC, Adaptive Modulation and Coding).

V třetím kroku se ovšem již pracuje na vývoji nového rádiového rozhraní na podporu ještě vyšších rychlostí. Rozhraní bude pravděpodobně stavět na OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) a bude umožňovat velmi rychlé přepínání mezi kanálem OFDMA (OFDM Access) a WCDMA. Na tomto řešení v 3GPP pracuje skupina pod označením RAN LTE. Ta má vyprodukovat novou specifikaci do roku 2007, takže nejnovější produkty by se mohly na trh dostat v roce 2009.

V sítích postavených podle v současnosti nejčastěji využívané specifikace Release 99 se rychlost v dopředném směru pohybuje do 384 kb/s a ve zpětném směru 64 kb/s (64/384). Release 5 nabízí 384/4.320 kb/s a Release 6 dokonce 4.320/13.440 kb/s. Jakkoli jsou tyto rychlosti velice slibné, dočkají se jich uživatelé v buňkách mnohem méně často než maximálních rychlostí v případě Release 99.

HSPDA jako hlavní trend?

Na HSDPA se začalo pracovat již v roce 2000. HSDPA (High-Speed Packet Downlink Access) je tahákem pro mobilní provozovatele, protože slibuje skutečně širokopásmové datové mobilní služby, několikrát vyšší než u UMTS. Maximum je 14,4 Mb/s, ale v praxi se uživatelé mohou těšit na 1 až 2 Mb/s.

Kapacita je tím vyšší, čím je menší buňka, resp. čím méně uživatelů službu sítě v jedné buňce využívá, protože kapacita je v rámci jedné buňky sdílená. Např. pro stahování hudby to znamená, že s HSDPA bude 25 uživatelů v buňce schopno stahovat rychlostí 550 kb/s, zatímco klasické UMTS pouhým deseti uživatelům umožní stahování rychlostí pouhých 80 kb/s.

Uživatel s HSDPA se také méně načeká než s UMTS, protože latence u HSDPA bude kolem 75 ms. Nejdůležitějším základem pro zlepšení vlastností je zavedení nového přenosového kanálu pro uživatelská data – sdíleného rychlého dopředného kanálu (HS-DSCH, High-Speed Dedicated Shared Channel). Základnová stanice v buňce zajistí díky plánovacímu algoritmu vysílání dat k jednotlivým uživatelům. Plánovač bude svá rozhodnutí zakládat na požadavcích dané služby, prioritě datového toku, dostupnosti síťových prostředků na rádiovém rozhraní, technických možnostech koncových zařízení i na zpětné vazbě od uživatelů týkající se kvality.

Jakmile základnová stanice rozhodne, který uživatel má obdržet paket přes HSDPA, musí o tom informovat příslušného uživatele. To se děje prostřednictvím samostatného signalizačního kanálu, který všichni účastníci průběžně sledují. Před přijetím datového paketu musí být uživatel také informován o způsobu modulace a o verzi kódu vybrané základnovou stanicí, rovněž prostřednictvím signalizačního kanálu.

Tento řídicí kanál také informuje mobilní koncové zařízení o požadavcích na rádiové rozhraní. HSDPA stejně jako UMTS používá WCDMA pro vícenásobný přístup k rádiovému rozhraní. Signál se díky WCDMA distribuuje přes celé kmitočtové spektrum na bázi kódu. Koncovému zařízení jednoho uživatele se může přidělit více kódů současně; pro dosažení maximální propustnosti s HSDPA musí mít uživatel rezervováno všech 15 kódů na sdíleném dopředném kanále.

Na rozdíl od UMTS, kde jsou datové pakety odesílány každých 10 ms, HSDPA je posílá každé 2 ms. Díky tomu také HSDPA dokáže reagovat podstatně rychleji na změny kvality v přenosovém prostředí či objemu přenášených dat.

Dynamická adaptace na podmínky

HSDPA používá adaptivní metody modulace a kódování, což zajišťuje uživatelům optimální zacházení ze strany sítě. Např. uživatel blízko základnové stanice potřebuje jen minimální ochranu proti chybám přenosu, protože kvalita přenosu je na tuto krátkou vzdálenost principiálně dobrá. Díky tomu si také užije vyšší přenosové rychlosti než uživatel na okraji buňky.

Každé koncové zařízení pravidelně posílá základnové stanice informace o kvalitě kanálu. Základnová stanice pak tyto informace použije pro rozhodnutí, kolik prostředků je na koncovém zařízení k dispozici a jakou modulaci má použít. HSDPA může vybrat mezi QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), které se používá v UMTS, a nově 16 QAM (Quadrature Amplitude Modulation).

Pro řešení chyb při přenosu se používá hybridní protokol ARQ (Automatic Repeat reQuest): při zjištění chyby v přijatém paketu automaticky vyšle základnová stanice paket znovu, případně s jiným kódem pro inkrementální nadbytečnost (incremental redundancy). Mobilní telefon ukládá dočasně všechny verze kódování přijatého paketu, které lze zkombinovat pro docílení efektivní opravy chyb (soft combining). Koncové zařízení si může vyžádat opětovné vyslání paketu tolikrát, kolikrát potřebuje pro jeho dekódování bez chyb. Signalizační kanál současně informuje, zda se posílá paket nový, nebo opětovně vyslaný.

29. 11. 2005

Autor: Ing. Rita Pužmanová, CSc., MBA