Aufgaben:Exercise 4.8: HSDPA and HSUPA

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Übersicht zu 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  $\rm 16–QAM$  $(4$ bit pro Symbol$)$  bzw.  $64$–QAM  $(6$ bit pro Symbol$)$  verwendet, bei schlechteren Bedingungen nur  $\rm 4–QAM\ (QPSK)$.
• Die maximal erreichbare Bitrate hängt von der Leistungsfähigkeit des Empfängers ab, aber auch vom  Transportformat und den Ressourcenkombinationen  $ \text{(TFRC)}$.

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

• $\text{TFRC2:}$   $\rm 4–QAM\ (QPSK)$  mit Coderate  $R_{\rm C} =1/2$   ⇒   Bitrate $240 \ \rm kbit/s$,
• $\text{TFRC4:}$   $\rm 16–QAM$, mit Coderate  $R_{\rm C} =1/2$   ⇒   Bitrate $480 \ \rm kbit/s$,
• $\text{TFRC8:}$   $\rm 64–QAM$, mit Coderate  $R_{\rm C} =3/4$   ⇒   Bitrate $1080 \ \rm kbit/s$.

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

Hinweis:

• Die Aufgabe gehört zum Kapitel  Weiterentwicklungen von UMTS.

Fragebogen

1

Welcher Standard erlaubt die höchsten Datenraten?

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

2

Was versteht man unter  $\rm HARQ$  und was wird damit erreicht?

	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.

3

Was versteht man unter  $\rm Node \ B \ Scheduling$ ? Was erreicht man damit?

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

4

Wie groß ist die Bitrate von  $\rm TFRC3$  $($QPSK, Coderate  $R_{\rm C} =3/4)$ ?

$R_{\rm B} \ = \ $ $\ \rm kbit/s$

5

Wie groß ist die Bitrate von  $\rm TFRC10$  $($64–QAM, Coderate  $R_{\rm C} =1)$ ?

$R_{\rm B} \ = \ $ $\ \rm kbit/s$

Musterlösung

Solution

(1)  Richtig ist der Lösungsvorschlag 2.:

• 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 $5.8 \ \rm Mbit/s$.

(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 im Theorieteil 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 $(E_{\rm B}/N_{0} > 2 \ \rm dB)$ ist HARQ dagegen nicht erforderlich.

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

(4)  Die Bitrate $R_{\rm B}\hspace{0.15cm} \underline{= 360 \ \rm kbit/s}$ ist wegen der größeren Coderate um den Faktor (3/4)/(1/2) = $1.5$ größer als die Bitrate von TFRC2.

(5)  Mit der Coderate $R_{\rm C} =1$ 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: $R_{\rm B} \hspace{0.15cm}\underline{= 1440 \ \rm kbit/s}$.