Aufgabe 4.8: HSDPA und HSUPA

HSDPA und HSUPA

Um eine bessere Dienstgüte zu erreichen, wurde der UMTS–Standard Release $99$ weiter entwickelt. Die wichtigsten Weiterentwicklungen waren:

UMTS Release $5$ mit HSDPA (2002),
UMTS Release $6$ mit HSUPA (2004).

Zusammengefasst werden diese Entwicklungen als High–Speed Packet Access (HSPA).

Das Schaubild zeigt einige Eigenschaften von HSDPA und HSUPA, die besonders zur Steigerung der Leistungsfähigkeit beitragen:

Beide nutzen Hybrid Automatic Repeat Request (HARQ) und $Node$ $B$ $Scheduling$.
Mit HSDPA wurde der Hochgeschwindigkeits–Transportkanal HS–PDSCH (High–Speed Physical Downlink Shared Channel) neu eingeführt, der von mehreren Nutzern gemeinsam belegt wird und die simultane Übertragung gleicher Daten an viele Teilnehmer ermöglicht.
Beim HSUPA–Standard gibt es den zusätzlichen Transportkanal Enhanced Dedicated Channel (E–DCH). Dieser minimiert unter anderem den negativen Einfluss von Anwendungen mit sehr intensivem bzw. stark unterschiedlichem Datenaufkommen.
Bei HSPA wird eine adaptive Modulation und Codierung verwendet; die Übertragungsrate wird entsprechend angepasst. Bei guten Bedingungen wird eine $16$–QAM ($4 \ \rm bit$ pro Symbol) bzw. $64$–QAM ($6 \ \rm bit$ pro Symbol) verwendet, bei schlechteren Bedingungen nur $4$–QAM (QPSK).
Die maximal erreichbare Bitrate hängt von der Leistungsfähigkeit des Empfängers ab, aber auch vom Transportformat und den Ressourcenkombinationen (TFRC).

Von den $10$ spezifizierten TFRC–Klassen seien hier willkürlich nur einige aufgeführt:

TFRC2: QPSK ($4$–QAM) mit Coderate $1/2 \Rightarrow$ Bitrate $240 \ \rm kbit/s$,
TFRC4: $16$–QAM, Coderate $1/2 \Rightarrow$ Bitrate $480 \ \rm kbit/s$,
TFRC8: 64–QAM, Coderrate $3/4 \Rightarrow$ Bitrate $1080 \ \rm kbit/s$.

Auf andere TFRC–Klassen wird in den Teilaufgaben (4) und (5) eingegangen.

Hinweis:

Dier Aufgabe gehört zum Themengebiet Weiterentwicklungen von UMTS.

Fragebogen

	UMTS (Release $99$),
	HSDPA,
	HSUPA.

	Die Übertragung eines Rahmens startet erst nach Auswertung der gesendeten Kontrolldaten durch den Empfänger.
	Bei fehlerfreier Übertragung wird eine positive Quittung versendet, ansonsten ein NACK (Non Acknowledgement).
	Die erreichbare Datenrate wird durch HARQ herabgesetzt, wenn man vom AWGN–Kanal und gleichem $E_{\rm B}/N_{0}$ ausgeht.

	Zuweisung von Prioritäten an die einzelnen Datenrahmen.
	Der Nutzer mit höchster Priorität bekommt den besten Kanal.
	Durch Scheduling wird die Zellenkapazität signifikant größer.

${\rm TFRC3}: R_{\rm B} \ = \ $

$\ \rm kbit/s$

${\rm TFRC10}: R_{\rm B} \ = \ $

$\ \rm kbit/s$

Musterlösung

(1) Die Datenübertragungsrate beträgt beim herkömmlichen UMTS zwischen $144 \ \rm kbit/s$ und $2 \ \rm Mbit/s$. Für den HSDPA (die Abkürzung steht für High–Speed Downlink Packet Access) werden Datenraten zwischen $500 \ \rm kbit/s$ und $3.6 \ \rm Mbit/s$ angegeben, und als Grenzwert sogar $14.4 \ \rm Mbit/s$. HSUPA (High–Speed Uplink Packet Access) bezieht sich dagegen auf den Aufwärtskanal, der stets eine kleinere Datenrate als der Downlink aufweist. In der Praxis werden Datenraten bis $800 \ \rm kbit/s$ erreicht, der theoretische Grenzwert liegt bei $5.8 \ \rm Mbit/s$. Richtig ist also der Lösungsvorschlag 2.

(2) Die beiden ersten Aussagen sind richtig. Eine detaillierte Beschreibung des HARQ–Verfahrens finden Sie im Theorieteil. Nicht richtig ist dagegen die Aussage 3. Das Diagramm auf Seite 4 von Kapitel 4.4 zeigt vielmehr, dass für $10 \cdot {\rm lg} E_{\rm B}/N_{0} = 0 \ \rm dB$ (AWGN–Kanal) die Datenrate von $600 \ \rm kbit/s$ auf nahezu $800 \ \rm kbit/s$ vergrößert werden kann. Unterhalb von –$2 \ \rm dB$ ist ausschließlich mit HARQ eine brauchbare Übertragung möglich. Bei guten Kanälen (EB/N0 über 2 dB) ist HARQ dagegen nicht erforderlich.

(3) Alle Aussagen sind richtig. Weitere Hinweise zum $Node$ $B$ $Scheduling$ finden Sie im Theorieteil von Kapitel 4.4.

(4) Die Bitrate $R_{\rm B} \underline{= 360 \ \rm kbit/s}$ ist wegen der größeren Coderate um den Faktor $(3/4)/(1/2) = 1.5$ größer als die Bitrate von TFRC2.

(5) Mit Coderate $1$ würde sich bei QPSK ($2 \ \rm bit$ pro Symbol) die Bitrate $480 \ \rm kbit/s$ ergeben. Bei $64$–QAM ($6 \ \rm bit$ pro Symbol) ist der Wert dreimal so groß: $R_{\rm B} \underline{= 1440 \ \rm kbit/s}$.