Further Developments of UMTS

High–Speed Downlink Packet Access

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.

Weiterentwicklung von UMTS zwischen 2000 und 2008

Die wichtigsten Weiterentwicklungen waren

das UMTS Release 5 mit HSDPA und
das UMTS Release 6 mit HSUPA.

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 HSPA–Standard.

2002 wurde High–Speed Downlink Packet Access – abgekürzt HSDPA – 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.
In HSPDA betragen die zur Verfügung gestellten Datenraten zwischen 500 kbit/s und 3.6 Mbit/s – theoretisch sogar bis 14.4 Mbit/s. Im Vergleich zur Datenrate von UMTS R’99 (144 kbit/s bis 2 Mbit/s) stellen diese Werte eine Verdoppelung bis Vervierfachung dar.

Kennzeichen von HSDPA

Folgende technische Verfahren tragen zur Steigerung der Leistungsfähigkeit von HSDPA gegenüber UMTS bei. Im Schaubild sind diese Features zusammengestellt:

Einführung eines zusätzlichen gemeinsam genutzten Kanals: HS–PDSCH,
Verwendung des Hybrid–ARQ–Verfahrens,
Minimierung der Verzögerungszeiten,
Einführung eines Node B Schedulings,
Verwendung von adaptiver Modulation, Codierung und Übertragungsrate.

Zusätzliche Kanäle in HSDPA

Der High–Speed Downlink Physical High Speed Channel – Kurzbezeichnung HS–PDCH – ist ein Hochgeschwindigkeits–Transportkanal, der für die Übertragung von Teilnehmerdaten verwendet wird. Er vereinigt die Eigenschaften eines gemeinsam genutzten und eines dedizierten Kanals:

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.
In einem jeden HS–PDCH beträgt der Spreizfaktor $J = 16$. Dies bedeutet, dass in einer Zelle theoretisch bis zu $15$ 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.

Transport–, logische und Physikalische Kanäle bei HSPA

Die Ressourcenzuteilung für den High–Speed Shared Data Channel (HS–DSCH) erfolgt über so genannte High–Speed Shared Control Channels (HS–SCCH). Ein Empfänger muss daher in der Lage sein, bis zu vier solcher Kanäle gleichzeitig empfangen und decodieren zu können.

Zusätzlich zu den oben vorgestellten Kanälen wird ein Dedicated Physical Control Channel (DPCCH) für die Übertragung von Kontrolldaten im Uplink und ein Dedicated Control Channel (DCCH) für die Lokalisierungsprozedur im Down– und Uplink genutzt. Für die Übertragung von IP–Nutzdaten in der Aufwärtsrichtung ist jeweils ein Dedicated Traffic Channel (DTCH) verantwortlich.

HARQ–Verfahren und Node B Scheduling

Weiteres Merkmal von HSDPA ist die Reduzierung der Paketumlaufzeit (englisch: Round–Trip Delay, RTD) und die Verwendung des HARQ–Verfahrens:

Die Paketumlaufzeit wurde durch HSDPA auf 70 ms gesenkt (gegenüber 160 ... 200 ms bei UMTS R’99), was für einige Anwendungen (zum Beispiel Web–Browsing) von großer Bedeutung ist. Diese Reduzierung wurde durch Verringern der Transportblocklänge auf ca. 2 Millisekunden erreicht (vorher hatte diese 10 ms bzw. 20 ms betragen).
In jedem Node B wurde ein Hybrid Automatic Repeat Request (HARQ) 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.

Unter Verwendung des HARQ–Mechanismus und mit Transportblocklängen von 2 ms betragen die Übertragungsverzögerungen in HSPDA weniger als 10 ms. Dies ist eine entscheidende Verbesserung im Vergleich zu UMTS, bei dem eine Fehlerdetektion (verbunden mit einer erneuten Übertragung) ca. 90 ms in Anspruch nimmt.

Beim HARQ–Verfahren wird bei jedem einzelnen Transportrahmen die Detektion eines bzw. keines Fehlers (englisch: Acknowledgement, ACK/NACK) quittiert. Dieses Verfahren wird als Stop and Wait (SAW) bezeichnet.

Vergrößerung der Datenrate durch HARQ

$\text{Beispiel 1:}$ Die Grafik zeigt die erreichbare Datenrate in Abhängigkeit des Quotienten $E_{\rm B}/N_0$ (in dB).

Man erkennt entscheidende Verbesserungen durch den HARQ–Mechanismus, insbesondere bei kleinen Werten von $E_{\rm B}/N_0$.
Dagegen wird mit HARQ die Datenrate nicht weiter vergrößert, wenn $10 · \lg \E_{\rm B}/N_0 > 2 \ \rm dB$ ist.

Die folgende Grafik soll die Funktionsweise des HARQ–Verfahrens verdeutlichen. Es sind folgende Schritte zu unterscheiden:

Vor dem Senden informiert die Basisstation den Empfänger mit Hilfe des Kanals HS–SCCH über eine bevorstehende Übertragung, wobei ein HS–SCCH–Rahmen über drei Zeitschlitze verfügt.
Die Kontrolldaten kommen beim Empfänger an und werden unmittelbar nach Ankunft des ersten SCCH–Zeitschlitzes ausgewertet.
Die Datenübertragung auf dem HS–PDSCH startet, sobald der Teilnehmer die ersten zwei Zeitschlitze des Kontrolldatenblocks erhalten hat.
Innerhalb von 5 ms nach Erhalt eines Datenrahmens muss der Empfänger den gesamten Rahmen decodiert und auf Fehler überprüft haben.
Im Falle einer fehlerfreien Übertragung wird eine positive Quittierung (ACK) in Aufwärtsrichtung versendet, ansonsten wird ein Non Acknowledgement (NACK) geschickt.

Zum HARQ–Verfahren

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.

$\text{Zu erwähnen ist auch:}$

Zusätzlich zu HARQ wurde in dem UMTS Release 5 ein Node B Scheduling eingeführt, um auf Veränderungen der Übertragungsbedingungen einzelner Teilnehmer (zum Beispiel durch Fading) schnell reagieren zu können.

Mit Hilfe dieses Schedulings wird entschieden, welche Rahmen welchem Übertragungskanal zugewiesen werden.
Bei dem Scheduling werden Prioritäten vergeben und 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.
Durch dieses Scheduling wird die zur Verfügung gestellte Bandbreite besser ausgenutzt und die Zellenkapazität signifikant gesteigert.

Adaptive Modulation, Codierung und Übertragungsrate

In HSDPA werden die Signale adaptiv moduliert. Das bedeutet:

Unter guten Übertragungsbedingungen wird 16–QAM bzw. 64–QAM verwendet.
Bei schlechteren Bedingungen wird auf QPSK umgeschaltet.

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

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 herunter gesetzt.

Die maximal erreichbare Datenrate hängt vorwiegend von der Leistungsfähigkeit des Empfängers sowie 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 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 64 und 128 kbit/s, bei idealen Bedingungen bis zu 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 5.8 Mbit/s. In der Praxis werden – unter Berücksichtigung der gleichzeitigen Übertragung für mehrere Nutzer und der Empfängerkapazität – immerhin Übertragungsraten bis ca. 800 kbit/s erreicht.

Die wesentliche Verbesserung durch HSUPA ist auf die Einführung eines zusätzlichen Aufwärtskanals zurückzuführen, dem so genannten 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.

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 Time Evolution

Long Term Evolution (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 (HSOPA) bezeichnet.

LTE stellt eine zukunftsweisende Alternative zu den aktuellen Mobilfunksystemen der dritten Generation dar. 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 sollen weiterhin verwendet werden, allerdings ist eine Erweiterung in den Bereich um 2600 MHz geplant.
Es sollen zwischen 200 und 400 aktive Teilnehmer gleichzeitig versorgt werden können, was eine Steigerung der Zellenkapazität gegenüber UMTS um den Faktor 2 bis 3 bedeutet.
Die Reichweite soll von 5 km (bei optimaler Güte) bis zu 100 km (mit reduzierter Qualität) reichen. Die maximalen Datenraten sind 100 Mbit/s im Downlink und 50 Mbit/s im Uplink.
Die Verzögerungszeiten sollen auf weniger als 5 ms bei größeren Bandbreitenzuweisungen und auf 10 ms bei kleineren Bandbreitenzuweisungen herabgesetzt werden.
Die Bandbreiten sollen mit 1.25 MHz, 2.5 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz und 20 MHz in einem sehr weiten Bereich flexibel zugewiesen werden können.
Vielfachzugriffsverfahren sind Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) im Downlink und Single Carrier Frequency Division Multiple Muplexing (SC–FDMA) im Uplink.
Trotz dieser vielfachen Neuerungen soll es Kompatibilität zu den Mobilfunksystemen vorheriger Generationen geben und ein nahtloser Übergang zu diesen möglich sein.

Das Schaubild fasst die Entwicklung der Mobilfunksysteme aus der Sicht des Jahres 2011 zusammen.

Aufgabe zum Kapitel

Aufgabe 4.8: HSDPA und HSUPA