HSPA - High Speed Packet Access

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1 HSPA - High Speed Packet Access 0

2 Downlink: HSDPA caratteristiche 1

3 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/ 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

4 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

5 HS-DSCH: High Speed - Downlink Shared Channel Il nuovo canale di trasporto HS-DSCH viene mappato su molteplici canali fisici HS- PDSCH 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 HS- DSCH non è soggetto a power control! 4

6 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

7 HSDPA vs R99 Throughput per cella HSDPA: fino a Mmbps Throughput per utente HSDPA: fino a Mbps R99:fino a 1.5 Mbps Mbps R99: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

8 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 Inoltre l HARQ è terminato tra NodoB e UE, diminuendo sia i tempi di latenza UTRAN Transport Block Encoder Puncturing Encoded Block (Rate 1/3) 1st Transmission (Self Decodable) Retransmission ( Non-self Decodable ) NACK ACK UE Decoding Error X X Combining and decoding OK 7

9 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 RX corretto Simbolo TX Simbolo RX errato! QPSK Regioni di decisione 16QAM Regioni di decisione 8

10 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

11 Modulazione e codifica adattativa (AMC) High Channel Quality 16QAM (4bit/symbol) Modulation Low Channel Quality QPSK (2bit/symbol) 15 HS-DPDCH Num. Channel 1 HS-DPDCH Rate 0,97 TBS=27952 Transport Block Size TBS=137 Rate 1/7 (Low Error Protection) (High Error Protection) 14 Mbps Throughput 68 kbps 10

12 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 Mobile 2 Decisione su scheduling e AMC* 11

13 Le UE Categories in 3GPP 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) HSPA+ 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

14 UE Categories in Release 5 Categorie più diffuse commercialmente Classe Max. Num. Codici Minimo intervallo inter-tti Bit rate di picco al livello fisico [Mbit/s] Bit rate di picco al livello RLC [Mbit/s] IR al max bit rate Modulazioni supportate ,2 1,1 No QPSK, 16-QAM ,2 1,1 Si QPSK, 16-QAM ,8 1,6 No QPSK, 16-QAM ,8 1,6 Si QPSK, 16-QAM ,6 3,4 No QPSK, 16-QAM ,6 3,4 Si QPSK, 16-QAM ,2 6,7 No QPSK, 16-QAM ,2 6,7 Si QPSK, 16-QAM ,6 No QPSK, 16-QAM ,4 No QPSK, 16-QAM ,9 0,8 No QPSK ,8 1,6 No QPSK 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

15 Capacità e throughput 14

16 Il fattore geometrico G Rappresenta il rapporto tra potenza ricevuta dalla cella servente e la somma interferenza inter-cella + rumore termico G( m, n) I oc Iˆ or N o P noise P TOT i j ( j) L( m, n, j) P ( i) L( m, n, i) TOT Î or I oc N o indica la densità spettrale di potenza ricevuta dal mobile dalla cella servente; indica la densità spettrale di potenza dell interferenza intercella ricevuta dal mobile; Cella 1 indica la densità spettrale del rumore termico valutata al ricevitore del mobile. P 1 L m,n,2 P 2 Cella 2.. P k Cella k (Terminologia 3GPP) L m,n,1 L m, n, k Dal G Factor, attraverso le curve di livello fisico (dipendenti dalla categoria del terminale), si ricava il throughput single user Pixel (m,n) P noise 15

17 Throughput [kbit/s]. Il Tput HSDPA si adatta alle condizioni radio Il formato di trasporto va scelto in funzione delle condizioni del canale radio 800 Bassa interferenza Elevata interferenza Alta probabilita di HS-DSCH_Ec_Ior = -6 db errore Necessita di utilizzare un formato Bassa probabilita di errore Poche ritrasmissioni Single link performance - Vehicular A 30 km/h channel di trasporto robusto anche con formati di trasporto non robusti UE category CQI 1 CQI 3 CQI 7 CQI 8 CQI 10 CQI 12 CQI 13 CQI 14 CQI G Factor Ior/Ioc [db] Interferenza crescente - simulatore di link TILAB - terminali con 5 codici - canale vehicular A a 30 km/h e 16

18 Throughput [kbit/s]. 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 Single modulation link performance and - Vehicular coding) A 30 ideali km/h channel (in grado di scegliere in ogni istante il formato che massimizza il throughput) UE category CQI 1 CQI 3 CQI 7 CQI 8 CQI 10 CQI 12 CQI 13 CQI 14 CQI G Factor Ior/Ioc [db] Interferenza crescente - simulatore di link TILAB - terminali con 5 codici - canale vehicular A a 30 km/h e 17

19 Scheduling 18

20 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 UE1 UE2 UE3 UE4 Ipotesi: Multiplazione di codice = 2 Terminali di categoria 8 (max 10 codici) Round Robin TTI 1 TTI 2 TTI 3 TTI 4 TTI 5 time Max C/I Channelization codes Channelization codes TTI 1 TTI 2 TTI 3 TTI 4 TTI 5 time TTI 1 TTI 2 TTI 3 TTI 4 TTI 5 time 19

21 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

22 Proportional Fair Vi sono algoritmi con caratteristiche intermedie (p.es.: distribuzione proporzionale) Re Salomone 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. 21

23 risorse Condivisione risorse tra R99 e HSDPA 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

24 High Speed Uplink Packet Access 23

25 Cos è l HSUPA (E-DCH) La Release 6 dello standard UMTS introduce l Enhanced Dedicated Channel (E- DCH) o High speed uplink packet access (HSUPA) Standard congelato nel Marzo 2005, ma lavori conclusi nella prima metà del 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

26 HSUPA: High Speed Uplink Packet Access HSUPA permette: -un aumento del throughput in uplink -un aumento dell efficienza spettrale -una riduzione del round trip delay tra portatili e rete mobile HSUPA richiede: - upgrade Hw/Sw in Node B e RNC per spostare i processi chiave più vicino al terminale mobile - terminali mobili con elevate capacità di elaborazione e memoria 25

27 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

28 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 Transport Block in a 10 ms TTI Max E-DCH Transport Block in a 2 ms TTI Max Throughput (Mbps) Category 1 1 SF4 10 ms ,71 Category 2 2 SF4 10 ms & 2 ms ,44 Category 3 2 SF4 10 ms ,44 Category 4 2 SF2 10 ms & 2 ms ,88 Category 5 2 SF2 10 ms Category 6 4 * SF2 10 ms & 2 ms ,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