Difference between revisions of "Examples of Communication Systems/Further Developments of UMTS"

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==High–Speed Downlink Packet Access==   
 
==High–Speed Downlink Packet Access==   
 
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Um dem steigenden Bedarf an höheren Datenraten im Mobilfunk gerecht zu werden und eine immer bessere Dienstgüte zu gewährleisten, wurde der Standard UMTS–Release 99 bis heute (2008) in fünf Phasen weiterentwickelt. In der Grafik sind die einzelnen Entwicklungsphasen zeitlich dargestellt.
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In order to meet the increasing demand for higher data rates in mobile communications and to ensure ever better quality of service, the UMTS Release 99 standard has been further developed in five phases up to the present day (2008). The diagram shows the individual development phases in chronological order.
  
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[[File:EN_Bei_T_4_4_S2.png|right|frame|Weiterentwicklung von UMTS zwischen 2000 und 2008]]
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[[File:EN_Bei_T_4_4_S2.png|right|frame|Further development of UMTS between 2000 and 2008]]
  
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Die wichtigsten Weiterentwicklungen waren
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The most important further developments were
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*das UMTS Release 5 mit&nbsp; '''HSDPA'''&nbsp; und
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*the UMTS Release 5 with&nbsp; '''HSDPA'''&nbsp; and
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*das UMTS Release 6 mit&nbsp; '''HSUPA'''.
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*the UMTS Release 6 with&nbsp; '''HSUPA'''.
 
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Für diese beiden Standards standen vor allem die Steigerung der zur Verfügung gestellten Datenraten für Downlink und Uplink sowie eine größere Bandbreiteneffizienz und Zellenkapazität im Vordergrund. Zusammen ergeben HSDPA und HSUPA den&nbsp; '''HSPA–Standard'''.
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For these two standards, the main focus was on increasing the data rates provided for downlink and uplink as well as greater bandwidth efficiency and cell capacity. Together, HSDPA and HSUPA make up the&nbsp; '''HSPA standard'''.
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*2002 wurde ''High–Speed Downlink Packet Access'' – abgekürzt&nbsp; '''HSDPA'''&nbsp; – mit dem UMTS Release 5 spezifiziert und 2006 eingeführt, um Datenrate und Durchsatz gegenüber dem ursprünglichen UMTS–Standard zu steigern sowie Antwortzeiten bei paketvermittelter Übertragung zu verkürzen.
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*In 2002, ''High-Speed Downlink Packet Access'' - abbreviated&nbsp; '''HSDPA'''&nbsp; - was specified with UMTS Release 5 and introduced in 2006 to increase data rate and throughput compared to the original UMTS standard as well as to reduce response times for packet-switched transmission.
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*In HSPDA betragen die zur Verfügung gestellten Datenraten zwischen&nbsp; $\text{500 kbit/s}$&nbsp; und&nbsp; $\text{3.6 Mbit/s}$&nbsp; – theoretisch sogar bis&nbsp; $\text{14.4 Mbit/s}$. Im Vergleich zur Datenrate von UMTS R’99&nbsp; $\text{(14.4 kbit/s}$&nbsp; bis&nbsp; $\text{2 Mbit/s)}$&nbsp; stellen diese Werte eine Verdoppelung bis Vervierfachung dar.
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*In HSPDA, the data rates provided are between&nbsp; $\text{500 kbit/s}$&nbsp; and&nbsp; $\text{3.6 Mbit/s}$&nbsp; - theoretically even up to&nbsp; $\text{14.4 Mbit/s}$. Compared to the data rate of UMTS R'99&nbsp; $\text{(14.4 kbit/s}$&nbsp; to&nbsp; $\text{2 Mbit/s)}$&nbsp; these values represent a doubling to quadrupling.
  
  
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[[File:EN_Bei_T_4_4_S1.png|right|frame|Kennzeichen von HSDPA]]
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[[File:EN_Bei_T_4_4_S1.png|right|frame|characteristics of HSDPA]]
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Folgende technische Verfahren tragen zur Steigerung der Leistungsfähigkeit von HSDPA gegenüber UMTS bei. Im Schaubild sind diese Features zusammengestellt:
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The following technical procedures contribute to the increase in performance of HSDPA compared to UMTS. The diagram compiles these features:
−
*Einführung eines zusätzlichen gemeinsam genutzten Kanals:&nbsp; '''HS–PDSCH''',
+
*Introduction of an additional shared channel:&nbsp; '''HS-PDSCH''',
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*Verwendung des&nbsp; '''Hybrid–ARQ'''–Verfahrens,
+
*Use of the&nbsp; '''Hybrid ARQ''' method,
−
*Minimierung der&nbsp; '''Verzögerungszeiten''',
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*minimization of&nbsp; '''delay times''',
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*Einführung eines&nbsp; '''Node B Schedulings''',
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*introduction of&nbsp; '''Node B scheduling''',
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*Verwendung von&nbsp; '''adaptiver''' Modulation, Codierung und Übertragungsrate.
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*Use of&nbsp; '''adaptive''' Modulation, coding and transmission rate.
  
 
 
 
 
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==Zusätzliche Kanäle in HSDPA==   
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==Additional channels in HSDPA==   
 
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Der&nbsp; ''High–Speed Downlink Physical High Speed Channel''&nbsp; – Kurzbezeichnung&nbsp; '''HS–PDCH'''&nbsp; – ist ein Hochgeschwindigkeits–Transportkanal, der für die Übertragung von Teilnehmerdaten verwendet wird. Er vereinigt die Eigenschaften eines gemeinsam genutzten und eines dedizierten Kanals:
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The&nbsp; ''High-Speed Downlink Physical High Speed Channel''&nbsp; - abbreviated&nbsp; '''HS-PDCH'''&nbsp; - is a high-speed transport channel used for the transmission of subscriber data. It combines the characteristics of a shared and a dedicated channel:
−
*Im Downlink können ein oder mehrere Kanäle von mehreren Teilnehmern gleichzeitig verwendet werden. Dies ermöglicht die simultane Übertragung gleicher Daten an unterschiedliche Teilnehmer sowie eine signifikante Erhöhung der Übertragungsgeschwindigkeit durch Bündelung mehrerer Kanäle dieser Art.
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*In the downlink, one or more channels can be used by multiple subscribers simultaneously. This allows simultaneous transmission of the same data to different subscribers as well as a significant increase in transmission speed by bundling several channels of this type.
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*In einem jeden HS–PDCH beträgt der Spreizfaktor&nbsp; $J = 16$. Dies bedeutet, dass in einer Zelle theoretisch bis zu fünfzehn solcher Kanäle gleichzeitig verwendet werden können. In der Praxis werden jedoch stets nur zwischen fünf und zehn Kanäle genutzt, da die restlichen Kanäle für den Betrieb anderer Dienste benötigt werden.
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*In any HS-PDCH, the spreading factor&nbsp; $J = 16$. This means that theoretically up to fifteen such channels can be used simultaneously in one cell. In practice, however, only between five and ten channels are ever used, since the remaining channels are required for the operation of other services.
  
  
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[[File:EN_Bei_T_4_4_S3neu.png|center|frame|Transportkanäle, logische Kanäle und physikalische Kanäle bei HSPA]]
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[[File:EN_Bei_T_4_4_S3neu.png|center|frame|Transport channels, logical channels and physical channels in HSPA]]
  
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Die Ressourcenzuteilung für den&nbsp; ''High–Speed Shared Data Channel''&nbsp; ('''HS–DSCH''')&nbsp; erfolgt über so genannte&nbsp; ''High–Speed Shared Control Channels''&nbsp; ('''HS–SCCH'''). Ein Empfänger muss daher in der Lage sein, bis zu vier solcher Kanäle gleichzeitig empfangen und decodieren zu können.
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Resource allocation for the&nbsp; ''High-Speed Shared Data Channel''&nbsp; ('''HS-DSCH''')&nbsp; is done via so-called&nbsp; ''High-Speed Shared Control Channels''&nbsp; ('''HS-SCCH'''). A receiver must therefore be able to receive and decode up to four such channels simultaneously.
  
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*Zusätzlich zu den oben vorgestellten Kanälen wird ein&nbsp; ''Dedicated Physical Control Channel''&nbsp; ('''DPCCH''') für die Übertragung von Kontrolldaten im Uplink und ein&nbsp; ''Dedicated Control Channel''&nbsp; ('''DCCH''')&nbsp; für die Lokalisierungsprozedur im Down– und Uplink genutzt.  
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*In addition to the channels presented above, a&nbsp; ''Dedicated Physical Control Channel''&nbsp; ('''DPCCH''') is used for the transmission of control data in the uplink and a&nbsp; ''Dedicated Control Channel''&nbsp; ('''DCCH''')&nbsp; for the localization procedure in the downlink and uplink.  
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*Für die Übertragung von IP–Nutzdaten in der Aufwärtsrichtung ist jeweils ein &nbsp; ''Dedicated Traffic Channel''&nbsp; ('''DTCH''')&nbsp; verantwortlich.
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*A&nbsp; ''Dedicated Traffic Channel''&nbsp; ('''DTCH''')&nbsp; is responsible for the transmission of IP payload data in the uplink direction respectively.
  
  
 
==HARQ procedure and "Node B Scheduling"  ==  
 
==HARQ procedure and "Node B Scheduling"  ==  
 
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Weiteres Merkmal von HSDPA ist die Reduzierung der Paketumlaufzeit&nbsp; (englisch:&nbsp; ''Round–Trip Delay'', RTD)&nbsp; und die Verwendung des HARQ–Verfahrens:
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Another feature of HSDPA is the reduction of packet round-trip delay (RTD) and the use of HARQ:
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*Die&nbsp; '''Paketumlaufzeit'''&nbsp; wurde durch HSDPA auf&nbsp; $\text{70 ms}$&nbsp; gesenkt (gegenüber&nbsp; $\text{160 ... 200 ms}$&nbsp; bei UMTS R’99), was für einige Anwendungen&nbsp; (zum Beispiel Web–Browsing)&nbsp; von großer Bedeutung ist. Diese Reduzierung wurde durch Verringern der Transportblocklänge auf ca.&nbsp; $2$&nbsp; Millisekunden erreicht (vorher hatte diese&nbsp; $\text{10 ms}$&nbsp; bzw.&nbsp; $\text{20 ms}$&nbsp; betragen).
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*The&nbsp; '''round-trip delay'''&nbsp; has been reduced by HSDPA to&nbsp; $\text{70 ms}$&nbsp; (compared&nbsp; $\text{160 ... 200 ms}$&nbsp; with UMTS R'99), which is of great importance for some applications&nbsp; (for example web browsing)&nbsp;. This reduction was achieved by decreasing the transport block length to about&nbsp; $2$&nbsp; milliseconds (previously this&nbsp; $\text{10 ms}$&nbsp; and&nbsp; $\text{20 ms}$&nbsp; respectively).
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*In jedem "Node B" wurde ein&nbsp; ''Hybrid Automatic Repeat Request''&nbsp; ('''HARQ''')&nbsp; implementiert, um die Übertragungsverzögerungen zu minimieren. Dieser Mechanismus verhindert, dass es durch das erneute Übertragen von fehlerhaften Blöcken zu signifikanten Verzögerungen kommt. Solche Verzögerungen können nämlich vom TCP–Protokoll als Blockierungen interpretiert werden, was dann zu weiteren Verzögerungen führt.
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*In each "Node B", a&nbsp; ''Hybrid Automatic Repeat Request'''&nbsp; ('''HARQ''')&nbsp; has been implemented to minimize transmission delays. This mechanism prevents significant delays from occurring due to retransmission of erroneous blocks. This is because such delays can be interpreted by the TCP protocol as blocking, which then leads to further delays.
  
  
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Unter Verwendung des HARQ–Mechanismus und mit Transportblocklängen von&nbsp; $\text{2 ms}$&nbsp; betragen die Übertragungsverzögerungen in HSPDA weniger als&nbsp; $\text{10 ms}$. Dies ist eine entscheidende Verbesserung im Vergleich zu UMTS, bei dem eine Fehlerdetektion (verbunden mit einer erneuten Übertragung) ca.&nbsp; $\text{90 ms}$&nbsp; in Anspruch nimmt.
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Using the HARQ mechanism and with transport block lengths of&nbsp; $\text{2 ms}$&nbsp; the transmission delays in HSPDA are less than&nbsp; $\text{10 ms}$. This is a crucial improvement over UMTS, where error detection (associated with retransmission) takes approximately&nbsp; $\text{90 ms}$&nbsp;.
  
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Beim HARQ–Verfahren wird bei jedem einzelnen Transportrahmen die Detektion eines bzw. keines Fehlers&nbsp; (englisch:&nbsp; ''Acknowledgement'', ACK/NACK)&nbsp; quittiert. Dieses Verfahren wird als&nbsp; '''Stop and Wait'''&nbsp; (SAW) bezeichnet.
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In the HARQ procedure, the detection of an error or no error is acknowledged for each individual transport frame. This procedure is referred to as&nbsp; '''Stop and Wait'''&nbsp; (SAW).
  
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[[File:EN_Bei_T_4_4_S4.png|right|frame|Vergrößerung der Datenrate durch HARQ]]
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[[File:EN_Bei_T_4_4_S4.png|right|frame|Increasing the data rate by HARQ]]
 
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$\text{Beispiel 1:}$&nbsp;   
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$\text{Example 1:}$&nbsp;   
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Die Grafik zeigt die erreichbare Datenrate in Abhängigkeit des Quotienten&nbsp; $E_{\rm B}/N_0$&nbsp; (in dB).  
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The graph shows the achievable data rate as a function of the quotient&nbsp; $E_{\rm B}/N_0$&nbsp; (in dB).  
  
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*Man erkennt entscheidende Verbesserungen durch den HARQ–Mechanismus, insbesondere bei kleinen Werten von&nbsp; $E_{\rm B}/N_0$.  
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*You can see decisive improvements by the HARQ mechanism, especially for small values of&nbsp; $E_{\rm B}/N_0$.  
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*Dagegen wird mit HARQ die Datenrate nicht weiter vergrößert, wenn&nbsp; $10 · \lg \E_{\rm B}/N_0 > 2 \ \rm dB$&nbsp; ist.}}
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*In contrast, HARQ does not further increase the data rate if&nbsp; $10 - \lg \E_{\rm B}/N_0 > 2 \ \rm dB$&nbsp;.}}
 
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Die folgende Grafik soll die&nbsp; '''Funktionsweise des HARQ–Verfahrens'''&nbsp; verdeutlichen. Es sind folgende Schritte zu unterscheiden:
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The following graphic is intended to illustrate&nbsp; '''how the HARQ process works'''. The following steps are to be distinguished:
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*Vor dem Senden informiert die Basisstation den Empfänger mit Hilfe des Kanals&nbsp; '''HS–SCCH'''&nbsp; über eine bevorstehende Übertragung, wobei ein&nbsp; '''HS–SCCH'''–Rahmen über drei Zeitschlitze verfügt.
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*Before transmission, the base station informs the receiver of an upcoming transmission using the&nbsp; '''HS-SCCH'''&nbsp; channel, where a&nbsp; '''HS-SCCH''' frame has three time slots.
−
*Die Kontrolldaten kommen beim Empfänger an und werden unmittelbar nach Ankunft des ersten&nbsp; '''SCCH'''–Zeitschlitzes ausgewertet.  
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*Control data arrives at the receiver and is evaluated immediately after the arrival of the first&nbsp; '''SCCH''' time slot.  
−
*Die Datenübertragung auf dem&nbsp; '''HS–PDSCH'''&nbsp; startet, sobald der Teilnehmer die ersten zwei Zeitschlitze des Kontrolldatenblocks erhalten hat.
+
*Data transmission on the&nbsp; '''HS-PDSCH'''&nbsp; starts as soon as the subscriber has received the first two time slots of the control data block.
−
*Innerhalb von&nbsp; $\text{5 ms}$&nbsp; nach Erhalt eines Datenrahmens muss der Empfänger den gesamten Rahmen decodiert und auf Fehler überprüft haben.
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*Within&nbsp; $\text{5 ms}$&nbsp; of receiving a frame of data, the receiver must have decoded the entire frame and checked for errors.
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*Bei fehlerfreier Übertragung wird eine positive Quittierung&nbsp; ('''ACK''')&nbsp; in Aufwärtsrichtung versendet, ansonsten wird ein&nbsp; ''Non Acknowledgement''&nbsp; ('''NACK''')&nbsp; geschickt.
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*If the transmission is error free, a positive acknowledgement&nbsp; ('''ACK''')&nbsp; is sent upstream, otherwise a&nbsp; ''Non Acknowledgement'''&nbsp; ('''NACK''')&nbsp; is sent.
  
  
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[[File:EN_Bei_T_4_4_S4b.png|center|frame|Zum  HARQ–Verfahren]]
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[[File:EN_Bei_T_4_4_S4b.png|center|frame|On the HARQ procedure]]
  
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Da der HARQ einen neuen Rahmen erst versendet, wenn die Quittierung der bereits übertragenen Rahmen vorliegt, muss der Empfänger in der Lage sein, bis zu acht HARQs zu verwalten. Dies garantiert die richtige Reihenfolge und dadurch die richtige Verarbeitung der Daten in den höheren Ebenen.
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Since the HARQ does not send a new frame until the acknowledgement of the already transmitted frames is received, the receiver must be able to manage up to eight HARQs. This guarantees the correct sequence and thereby the correct processing of the data in the higher levels.
  
 
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{{BlaueBox|TEXT=
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$\text{Zu erwähnen ist auch:}$&nbsp;   
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$\text{It is also worth mentioning:}$&nbsp;   
  
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Zusätzlich zu HARQ wurde in dem&nbsp; ''UMTS Release 5''&nbsp; ein&nbsp; '''Node B Scheduling'''&nbsp; eingeführt, um auf Veränderungen der Übertragungsbedingungen einzelner Teilnehmer (zum Beispiel durch Fading) schnell reagieren zu können.  
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In addition to HARQ, in the&nbsp; ''UMTS Release 5''&nbsp; a&nbsp; '''Node B Scheduling'''&nbsp; was introduced to be able to react quickly to changes in the transmission conditions of individual nodes (for example, due to fading).  
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*Mit Hilfe dieses Schedulings wird entschieden, welche Rahmen welchem Übertragungskanal zugewiesen werden.
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*This scheduling is used to decide which frames are assigned to which transmission channel.
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*Bei dem Scheduling werden Prioritäten vergeben. Ein Rahmen wird erst gesendet, wenn er über die höchste Priorität verfügt, was gleichbedeutend damit ist, dass er mit der größten Wahrscheinlichkeit richtig empfangen wird.  
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*Priorities are assigned during scheduling. A frame is only sent when it has the highest priority, which means that it is most likely to be received correctly.  
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*Durch dieses Scheduling wird die zur Verfügung gestellte Bandbreite besser ausgenutzt und die Zellenkapazität signifikant gesteigert.}}
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*This scheduling makes better use of the available bandwidth and significantly increases cell capacity.}}
 
 
 
 
  

Revision as of 20:05, 2 March 2023

  1. Examples of Communication Systems
  2. UMTS – Universal Mobile Telecommunications System
  3. Further Developments of UMTS


High–Speed Downlink Packet Access


In order to meet the increasing demand for higher data rates in mobile communications and to ensure ever better quality of service, the UMTS Release 99 standard has been further developed in five phases up to the present day (2008). The diagram shows the individual development phases in chronological order.

Further development of UMTS between 2000 and 2008

The most important further developments were

  • the UMTS Release 5 with  HSDPA  and
  • the UMTS Release 6 with  HSUPA.


For these two standards, the main focus was on increasing the data rates provided for downlink and uplink as well as greater bandwidth efficiency and cell capacity. Together, HSDPA and HSUPA make up the  HSPA standard.

  • In 2002, High-Speed Downlink Packet Access - abbreviated  HSDPA  - was specified with UMTS Release 5 and introduced in 2006 to increase data rate and throughput compared to the original UMTS standard as well as to reduce response times for packet-switched transmission.
  • In HSPDA, the data rates provided are between  $\text{500 kbit/s}$  and  $\text{3.6 Mbit/s}$  - theoretically even up to  $\text{14.4 Mbit/s}$. Compared to the data rate of UMTS R'99  $\text{(14.4 kbit/s}$  to  $\text{2 Mbit/s)}$  these values represent a doubling to quadrupling.


characteristics of HSDPA

The following technical procedures contribute to the increase in performance of HSDPA compared to UMTS. The diagram compiles these features:

  • Introduction of an additional shared channel:  HS-PDSCH,
  • Use of the  Hybrid ARQ method,
  • minimization of  delay times,
  • introduction of  Node B scheduling,
  • Use of  adaptive Modulation, coding and transmission rate.


Additional channels in HSDPA


The  High-Speed Downlink Physical High Speed Channel  - abbreviated  HS-PDCH  - is a high-speed transport channel used for the transmission of subscriber data. It combines the characteristics of a shared and a dedicated channel:

  • In the downlink, one or more channels can be used by multiple subscribers simultaneously. This allows simultaneous transmission of the same data to different subscribers as well as a significant increase in transmission speed by bundling several channels of this type.
  • In any HS-PDCH, the spreading factor  $J = 16$. This means that theoretically up to fifteen such channels can be used simultaneously in one cell. In practice, however, only between five and ten channels are ever used, since the remaining channels are required for the operation of other services.


Transport channels, logical channels and physical channels in HSPA

Resource allocation for the  High-Speed Shared Data Channel  (HS-DSCH)  is done via so-called  High-Speed Shared Control Channels  (HS-SCCH). A receiver must therefore be able to receive and decode up to four such channels simultaneously.

  • In addition to the channels presented above, a  Dedicated Physical Control Channel  (DPCCH) is used for the transmission of control data in the uplink and a  Dedicated Control Channel  (DCCH)  for the localization procedure in the downlink and uplink.
  • A  Dedicated Traffic Channel  (DTCH)  is responsible for the transmission of IP payload data in the uplink direction respectively.


HARQ procedure and "Node B Scheduling"


Another feature of HSDPA is the reduction of packet round-trip delay (RTD) and the use of HARQ:

  • The  round-trip delay  has been reduced by HSDPA to  $\text{70 ms}$  (compared  $\text{160 ... 200 ms}$  with UMTS R'99), which is of great importance for some applications  (for example web browsing) . This reduction was achieved by decreasing the transport block length to about  $2$  milliseconds (previously this  $\text{10 ms}$  and  $\text{20 ms}$  respectively).
  • In each "Node B", a  Hybrid Automatic Repeat Request  ('HARQ)  has been implemented to minimize transmission delays. This mechanism prevents significant delays from occurring due to retransmission of erroneous blocks. This is because such delays can be interpreted by the TCP protocol as blocking, which then leads to further delays.


Using the HARQ mechanism and with transport block lengths of  $\text{2 ms}$  the transmission delays in HSPDA are less than  $\text{10 ms}$. This is a crucial improvement over UMTS, where error detection (associated with retransmission) takes approximately  $\text{90 ms}$ .

In the HARQ procedure, the detection of an error or no error is acknowledged for each individual transport frame. This procedure is referred to as  Stop and Wait  (SAW).

Increasing the data rate by HARQ

$\text{Example 1:}$  The graph shows the achievable data rate as a function of the quotient  $E_{\rm B}/N_0$  (in dB).

  • You can see decisive improvements by the HARQ mechanism, especially for small values of  $E_{\rm B}/N_0$.
  • In contrast, HARQ does not further increase the data rate if  $10 - \lg \E_{\rm B}/N_0 > 2 \ \rm dB$ .


The following graphic is intended to illustrate  how the HARQ process works. The following steps are to be distinguished:

  • Before transmission, the base station informs the receiver of an upcoming transmission using the  HS-SCCH  channel, where a  HS-SCCH frame has three time slots.
  • Control data arrives at the receiver and is evaluated immediately after the arrival of the first  SCCH time slot.
  • Data transmission on the  HS-PDSCH  starts as soon as the subscriber has received the first two time slots of the control data block.
  • Within  $\text{5 ms}$  of receiving a frame of data, the receiver must have decoded the entire frame and checked for errors.
  • If the transmission is error free, a positive acknowledgement  ('ACK)  is sent upstream, otherwise a  Non Acknowledgement  (NACK)  is sent.


On the HARQ procedure

Since the HARQ does not send a new frame until the acknowledgement of the already transmitted frames is received, the receiver must be able to manage up to eight HARQs. This guarantees the correct sequence and thereby the correct processing of the data in the higher levels.

$\text{It is also worth mentioning:}$ 

In addition to HARQ, in the  UMTS Release 5  a  Node B Scheduling  was introduced to be able to react quickly to changes in the transmission conditions of individual nodes (for example, due to fading).

  • This scheduling is used to decide which frames are assigned to which transmission channel.
  • Priorities are assigned during scheduling. A frame is only sent when it has the highest priority, which means that it is most likely to be received correctly.
  • This scheduling makes better use of the available bandwidth and significantly increases cell capacity.


Adaptive modulation, adaptive coding and adaptive transmission rate


In HSDPA werden die Signale  adaptiv moduliert. Das bedeutet:

  • Unter guten Übertragungsbedingungen wird eine höherstufige Modulation  (16–QAM bzw. 64–QAM)  verwendet.
  • Bei schlechteren Bedingungen wird auf  Quaternary Phase Shift Keying  (QPSK) oder 4–QAM umgeschaltet.


Zusätzlich zur Modulation kann die Codierung sowie die Anzahl der von einem Teilnehmer gleichzeitig verwendeten  HS–DSCH–Kanäle je nach Kanalqualität flexibel und schnell  $($alle  $\text{2 ms)}$  verändert werden. Trotz der gleichzeitigen Verwendung von adaptiver Modulation und adaptiver Codierung wird die Leistung stets konstant gehalten.

Adaptive Modulation und Codierung in HSDPA

Die Leistungsregelung läuft in HSDPA unterschiedlich zu UMTS R’99 ab:

  • Die Sendeleistung wird stets an die Signalqualität angepasst, während die Bandbreite möglichst konstant gehalten werden sollte.
  • Nur falls die Leistung nicht mehr erhöht werden kann, wird der Spreizfaktor vergrößert und damit die Datenrate heruntergesetzt.


Die maximal erreichbare Datenrate hängt vorwiegend von der  Leistungsfähigkeit des Empfängers  und vom  Transportformat und den Ressourcenkombinationen  (TFRC) ab.

In der Tabelle sind verschiedene Parameterkombinationen für Modulation und Coderate angegeben und die daraus resultierenden Bitraten zu ersehen. Nicht berücksichtigt ist hier der Overhead.

High–Speed Uplink Packet Access


Seit UMTS R’99 wurden die Spezifikationen für den Uplink nicht mehr weiterentwickelt, obwohl die bidirektionalen symmetrischen Anwendungen immer mehr an Bedeutung gewonnen haben und immer größere Anforderungen an die Übertragungsgeschwindigkeiten gestellt wurden. Die Datenraten betrugen bis zur Einführung von Release 6 zwischen  $\text{64 kbit/s}$  und  $\text{128 kbit/s}$, bei idealen Bedingungen bis zu  $\text{384 kbit/s}$.

Mit dem UMTS Release 6 wurde 2004  High-Speed Uplink Packet Access  (HSUPA)  definiert und 2007 eingeführt. Dadurch wurden die Datenraten auf der Aufwärtsstrecke erheblich gesteigert. Diese betragen theoretisch bis zu  $\text{5.8 Mbit/s}$. In der Praxis werden – unter Berücksichtigung der gleichzeitigen Übertragung für mehrere Nutzer und der Empfängerkapazität – immerhin Übertragungsraten bis ca.  $\text{800 kbit/s}$  erreicht.

Die wesentliche Verbesserung durch HSUPA ist auf die Einführung eines zusätzlichen Aufwärtskanals zurückzuführen, dem  Enhanced Dedicated Channel  (E-DCH). Dieser minimiert unter anderem in den dedizierten Uplink–Kanälen den Einfluss von Anwendungen mit stark unterschiedlichen und teilweise sehr intensiven Datenaufkommen  (englisch:  Bursty Traffic).

Obwohl der  E–DCH  ein dedizierter Transportkanal ist, garantiert er dem Teilnehmer allerdings keine feste Bandbreite in Aufwärtsrichtung, wie es bei UMTS R’99 der Fall ist. Diese flexible und effiziente Zuteilung der Bandbreite in Abhängigkeit der Kanalbedingungen erlaubt eine wesentliche Steigerung der Zellenkapazität.

HSUPA im Überblick

Neben dem neuen Transportkanal  (E–DCH)  wurden auch im Uplink  (HSUPA)  analog zum Downlink  (HSDPA)  zusätzlich folgende Verfahren eingeführt:

  • Node B Scheduling,
  • Hybrid Automatic Repeat Request  (HARQ).


Die Verwendung von HSUPA im Uplink ist nur dann sinnvoll, wenn es mit HSDPA im Downlink kombiniert wird. Ihr Zusammenwirken steigert die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems signifikant.


UTRAN Long Term Evolution


Von  UMTS  zu  LTE

Long Term Evolution  $\rm (LTE)$  stellt ein Mobilfunksystem der vierten Generation dar, das von der  3gpp  parallel zu den unterschiedlichen Weiterentwicklungsphasen von UMTS entworfen und standardisiert wurde, um den stetig wachsenden Anforderungen an zukünftige Mobilfunksysteme gerecht zu werden. Dieses System wird auch als  High Speed OFDM Packet Access  $\rm (HSOPA)$  bezeichnet.

Das Schaubild fasst die Entwicklung der Mobilfunksysteme aus der Sicht des Jahres 2011 zusammen.
LTE wurde als zukunftsweisende Alternative zu den Mobilfunksystemen der dritten Generation rntwickelt. Die Grundzüge von LTE wurden 2004 definiert, konkrete Anforderungen wurden aber erst 2006 erstellt. Erste Systeme begannen 2011 mit dem Betrieb.

Nachfolgend sind einige Merkmale von UTRAN–LTE stichpunktartig und kommentarlos aufgelistet:

  • Die für GSM und UMTS zugewiesenen  Frequenzbereiche  werden weiterhin verwendet. Es ist eine Erweiterung in den Bereich um  $\text{2600 MHz}$  geplant.
  • Es können zwischen  $200$  und  $400$  aktive Teilnehmer gleichzeitig versorgt werden, was eine Steigerung der  Zellenkapazität  gegenüber UMTS um den Faktor $2$  bis $3$  bedeutet.
  • Die Reichweite beträgt  $\text{5 km}$  (bei optimaler Güte) bis zu  $\text{100 km}$  (mit reduzierter Qualität). Die maximalen Datenraten werden mit  $\text{100 Mbit/s}$  im Downlink und  $\text{50 Mbit/s}$  im Uplink angegeben.
  • Die Verzögerungszeiten werden auf weniger als  $\text{5 ms}$  bei größeren Bandbreitenzuweisungen und auf  $\text{10 ms}$  bei kleineren Bandbreitenzuweisungen herabgesetzt.
  • Die Bandbreiten können mit  $\text{1.25 MHz}$,  $\text{2.5 MHz}$,  $\text{5 MHz}$,  $\text{10 MHz}$,  $\text{15 MHz}$  und  $\text{20 MHz}$  in einem sehr weiten Bereich flexibel zugewiesen werden .
  • Die verwendeten Vielfachzugriffsverfahren sind  Orthogonal Frequency Division Multiple Access  (OFDMA)  im Downlink und  Single Carrier Frequency Division Multiple Multiplexing  (SC–FDMA)  im Uplink.
  • Trotz dieser vielfachen Neuerungen gibt es Kompatibilität zu den Mobilfunksystemen vorheriger Generationen geben und ein nahtloser Übergang zu diesen ist möglich.


Eine detaillierte Beschreibung von LTE finden Sie im vierten Hauptkapitel des Buches  Mobile Kommunikation. Dieses entstand allerdings ebenfalls schon 2011, also kurz nach Einführung. Für neuere Artikel verweisen wir auf das Internet.




Aufgabe zum Kapitel


Aufgabe 4.8: HSDPA und HSUPA



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