High Speed Packet Access
High Speed Packet Access (HSPA) — семейство протоколов для мобильной связи, объединяющее технологии High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) и High Speed Uplink Packet Access (HSUPA), которые расширяют и улучшают производительность существующих сетей мобильной связи третьего поколения (3G), использующих протоколы WCDMA[1]. Дальнейшим развитием стандарта стал протокол Evolved High Speed Packet Access (также известный как HSPA+), представленный в конце 2008 года и получивший широкое распространение с 2010 года. Новый стандарт допускает скорость передачи данных до 337 Мбит/с в направлении «вниз» и до 34 Мбит/с «вверх», однако такие скорости редко достигаются на практике[2].
Общее описание
Первые спецификации High Speed Packet Access поддерживали максимальную скорость передачи данных до 14 Мбит/с в направлении «вниз» и до 5,76 Мбит/с — «вверх». Также были снижены задержки и повышена ёмкость системы: в направлении «вниз» — до пяти раз больше по сравнению с исходным протоколом WCDMA, в направлении «вверх» — в два раза.
High Speed Downlink Packet Access (HSDPA)
High Speed Downlink Packet Access (HSDPA, англ. High Speed Downlink Packet Access) — усовершенствованный протокол мобильной связи третьего поколения из семейства High Speed Packet Access (HSPA). HSDPA также известен как 3.5G или 3G+. Он позволяет сетям на базе Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) обеспечивать более высокие скорости передачи данных и большую ёмкость, снижая задержки и время отклика.
HSDPA был представлен в спецификации 3GPP Release 5. Одновременно появилась новая технология для передачи данных «вверх» (uplink) со скоростью 384 кбит/с (предельная скорость ранее была 128 кбит/с). Evolved High Speed Packet Access (HSPA+), представленный в 3GPP Release 7, существенно повысил скорость передачи данных за счёт использования 64QAM-модуляции, технологий MIMO и Dual-Carrier HSDPA. В Release 11 3GPP стало возможным достижение скоростей до 337,5 Мбит/с[3].
Первая фаза HSDPA в Release 5 включала базовые функции, позволявшие достичь пиковых скоростей передачи данных 14,0 Мбит/с при существенном снижении задержек. Это позволило уменьшить стоимость передачи данных одного бита и обеспечило расширенную поддержку приложений, требующих высокой производительности передачи пакетных данных. Ключевые особенности HSDPA включают передачу по общему каналу и многокодовые передачи, более высокие виды модуляции, короткий интервал передачи (TTI), быстрое переключение каналов и планирование, а также ускоренный протокол гибридного автоматического запроса повторной передачи (HARQ). Новые элементы: каналы HS-DSCH, квадратно-фазовая манипуляция (QPSK), 16-квадратурная амплитудная модуляция (16-QAM) и протокол MAC-hs (High Speed Medium Access Control) на базовых станциях.
Модернизация сетей WCDMA до HSDPA зачастую осуществляется простым обновлением программного обеспечения. При этом голосовые вызовы обычно имеют больший приоритет, чем передача данных.
Категории пользовательского оборудования
Следующая таблица (по данным таблицы 5.1a стандарта 3GPP TS 25.306 Release 11)[4] демонстрирует максимальные скорости передачи данных различных классов устройств и сочетание характеристик, позволяющих их достичь. Максимальная скорость зависит от числа бит в транспортном блоке HS-DSCH за интервал TTI (2 мс) и минимального интервала между TTI. Например, оборудование категории 10 может декодировать 27 952 бита за 2 мс, что составляет 13,976 Мбит/с (а не 14,4 Мбит/с, как иногда ошибочно указывается). Категории 1-4 и 11 имеют интервалы передачи 2 или 3 (TTI), что снижает максимальную скорость передачи данных. Dual-Cell и MIMO 2x2 удваивают максимальную скорость за счёт передачи по разным несущим или пространственным потокам соответственно. Приведённые в таблице значения округлены до одного знака после запятой.
| Категории пользовательского оборудования (UE) HSDPA | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Категория | Релиз | Макс. число HS-DSCH кодов (на ячейку) | Модуляция[note 1] | MIMO, Multi-Cell | Скорость кодирования при макс. скорости передачи данных[note 2] | Макс. скорость передачи данных вниз (Мбит/с)[note 3] |
| 1 | 5 | 5 | 16-QAM | 0,76 | 1,2 | |
| 2 | 5 | 5 | 16-QAM | 0,76 | 1,2 | |
| 3 | 5 | 5 | 16-QAM | 0,76 | 1,8 | |
| 4 | 5 | 5 | 16-QAM | 0,76 | 1,8 | |
| 5 | 5 | 5 | 16-QAM | 0,76 | 3,6 | |
| 6 | 5 | 5 | 16-QAM | 0,76 | 3,6 | |
| 7 | 5 | 10 | 16-QAM | 0,75 | 7,2 | |
| 8 | 5 | 10 | 16-QAM | 0,76 | 7,2 | |
| 9 | 5 | 15 | 16-QAM | 0,70 | 10,1 | |
| 10 | 5 | 15 | 16-QAM | 0,97 | 14,0 | |
| 11 | 5 | 5 | QPSK | 0,76 | 0,9 | |
| 12 | 5 | 5 | QPSK | 0,76 | 1,8 | |
Дальнейшие категории оборудования определены для Evolved HSPA (HSPA+) начиная с 3GPP Release 7 и приведены в Категориях пользовательского оборудования Evolved HSDPA.
Примечания
- ↑ 16-QAM предполагает поддержку QPSK; 64-QAM предполагает поддержку 16-QAM и QPSK.
- ↑ Максимальная скорость кодирования не ограничена. Значение, близкое к 1, означает достижение максимальной скорости только в идеальных условиях (обычно оборудование напрямую соединяют с передатчиком для демонстрации).
- ↑ Указанные в таблице значения относятся к физическому уровню. На уровне приложений скорость составляет примерно 85% от этого значения из-за накладных расходов (IP-заголовки и т. д.).
Внедрение
По состоянию на 28 августа 2009 года, 250 сетей HSDPA коммерчески предлагали услуги мобильного широкополосного доступа в 109 странах. 169 сетей поддерживали пиковую скорость 3,6 Мбит/с, и всё большее число операторов предлагало услуги до 21 Мбит/с[5].
Сети CDMA2000-EVDO изначально имели преимущество по производительности, в особенности успешные реализации в Японии. Однако с ростом числа внедрений HSDPA в мире ситуация изменилась в пользу этого стандарта.
В 2007 году всё больше операторов стало продавать USB-модемы с поддержкой HSDPA для обеспечения мобильного широкополосного доступа. Кроме того, выросла популярность стационарных устройств — «заменителей проводной связи», предоставляющих доступ по HSDPA через Ethernet и Wi-Fi, а также порты для подключения стационарных телефонов. Некоторые поставщики заявляли скорости «до 7,2 Мбит/с» [5] при идеальных условиях, однако при слабом сигнале либо в помещениях фактическая скорость могла быть значительно ниже.
High Speed Uplink Packet Access (HSUPA)
High Speed Uplink Packet Access (HSUPA, англ. High Speed Uplink Packet Access) — протокол семейства HSPA для передачи данных в направлении «вверх» в сетях третьего поколения. Он определён в стандарте 3GPP Release 6 и увеличивает скорость передачи данных на uplink до 5,76 Мбит/с, расширяет ёмкость и сокращает задержки. Эти улучшения позволяют использовать новые сервисы — например, передачу голосовых звонков через IP (VoIP), загрузку фотографий и отправку крупных почтовых сообщений.
HSUPA стал вторым крупным шагом в развитии UMTS и позднее был вытеснен более производительными технологиями, такими как LTE (150 Мбит/с вниз, 50 Мбит/с вверх) и LTE Advanced (более 1 Гбит/с вниз).
Технология
HSUPA добавляет каналу WCDMA новый транспортный канал Enhanced Dedicated Channel (E-DCH). К основным новым возможностям относятся многокодовые передачи, сокращённый интервал передачи (TTI), позволяющий быстро адаптировать канал, ускоренное планирование ресурсов, быстрый гибридный ARQ с инкрементным резервированием и более эффективные повторные передачи. Как и в HSDPA, используется алгоритм пакетного планирования, но здесь применяется принцип «запрос-разрешение»: пользовательское устройство (UE) запрашивает разрешение на передачу, а планировщик решает приоритет и количество разрешённых устройств. Передача запроса содержит данные о буфере и очереди UE, а также о запасе мощности устройства.
В отличие от HSDPA, передачи в uplink не являются ортогональными по отношению друг к другу.
Стандарт предусматривает также передачу в режиме «по инициативе UE» (non-scheduled), позволяя, например, приложению VoIP реализовать минимальные задержки и гарантированную пропускную способность — такие задачи часто невозможно обеспечить даже планировщиком Node B с сокращённым TTI.
Каждый MAC-d поток (QoS) может быть настроен либо на режим запроса, либо на неуправляемый режим. UE может отдельно регулировать скорость передачи для каждого потока. Максимальная скорость для неуправляемых потоков задаётся при установлении сеанса связи и, как правило, не меняется в процессе. Мощность для управляемых потоков регулируется динамически с помощью Node B посредством «абсолютных» и «относительных» разрешений.
На физическом уровне HSUPA вводит следующие новые каналы:
- E-AGCH (Absolute Grant Channel)
- E-RGCH (Relative Grant Channel)
- F-DPCH (Fractional-DPCH)
- E-HICH (E-DCH Hybrid ARQ Indicator Channel)
- E-DPCCH (E-DCH Dedicated Physical Control Channel) — несёт управляющую информацию для E-DCH
- E-DPDCH (E-DCH Dedicated Physical Data Channel) — несёт данные E-DCH
Категории пользовательского оборудования
В следующей таблице приведены скорости передачи данных в uplink для различных категорий HSUPA:
| Категории пользовательского оборудования (UE) HSUPA | |||
|---|---|---|---|
| Категория HSUPA | Релиз | Макс. скорость передачи вверх (Мбит/с) | Модуляция |
| 1 | 6 | 0,73 | QPSK |
| 2 | 6 | 1,46 | QPSK |
| 3 | 6 | 1,46 | QPSK |
| 4 | 6 | 2,93 | QPSK |
| 5 | 6 | 2,00 | QPSK |
| 6 | 6 | 5,76 | QPSK |
Дальнейшие категории оборудования определены для Evolved HSPA (HSPA+) начиная с 3GPP Release 7 и приведены в Категориях пользовательского оборудования Evolved HSUPA.
Evolved High Speed Packet Access (HSPA+)
Evolved HSPA (Evolved High Speed Packet Access, HSPA+; также HSPA Evolution) — беспроводной стандарт широкополосного доступа, определённый в 3GPP Release 7 (WCDMA). Является развитием HSPA, полностью обратно совместим с версией Release 99 (оригинальный WCDMA). Evolved HSPA обеспечивает скорость передачи данных от 42,2 до 56 Мбит/с вниз и до 22 Мбит/с вверх (на каждого пользователя и при ширине полосы 5 МГц) при использовании MIMO 2x2 и модуляции 64QAM, а при Dual Cell технологиях эти показатели могут быть удвоены.
С 2011 года HSPA+ получил широкое распространение среди операторов WCDMA (почти 200 внедрений по всему миру)[6].
Примечания
- ↑ Nomor Research: White Paper "Technology of High Speed Packet Access" (англ.). nomor.de. Дата обращения: 25 июня 2024. Архивировано 23 января 2009 года.
- ↑ Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); UE Radio Access capabilities (англ.). ETSI (январь 2014). Дата обращения: 25 июня 2024.
- ↑ HSPA (англ.). About Us. Дата обращения: 25 июня 2024.
- ↑ 3GPP TS 25.306 v11.0.0 (англ.). 3gpp.org. Дата обращения: 25 июня 2024.
- ↑ 1 2 Vodafone UK - Maintenance (англ.). vodafone.co.uk. Дата обращения: 25 июня 2024.
- ↑ DC-HSPA+ brings 42 Mbps to 39 networks (англ.). 3GPP. Дата обращения: 25 июня 2024.
Литература
- Sauter, Martin. Communication Systems for the Mobile Information Society : [англ.]. — John Wiley, 2006. — ISBN 0-470-02676-6.
- Harri Holma and Antti Toskala. HSDPA/HSUPA for UMTS: High Speed Radio Access for Mobile Communications : [англ.]. — Wiley, 2006. — ISBN 0-470-01884-4.
- Stuhlfauth, Reiner. High Speed Packet Access: Technology and measurement aspects of HSDPA and HSUPA mobile radio systems : [англ.]. — 2012. — ISBN 978-3-939837-14-5.
Ссылки
- 3GPP
- Домашняя страница спецификаций 3GPP 3GPP Specifications Home Page (англ.). 3gpp.org. Дата обращения: 25 июня 2024. Архивировано 26 октября 2008 года.
- GSM Association о HSPA
- Публичный форум обсуждения HSPA
- 3.5G ускоряет рост мобильного широкополосного доступа, ericsson.com
- Dual carrier HSPA: DC-HSPA, DC-HSDPA, radio-electronics.com
- Особенности реализации HSDPA Understand HSDPA's implementation challenges (англ.). mobilehandsetdesignline.com. Дата обращения: 25 июня 2024. Архивировано 16 февраля 2010 года.
- Nomor Research: White Paper "Technology of High Speed Packet Access" Nomor Research: White Paper "Technology of High Speed Packet Access" (англ.). nomor.de. Дата обращения: 25 июня 2024. Архивировано 23 января 2009 года.
- Nomor 3GPP Newsletter 2009-03: Standardisation updates on HSPA Evolution Nomor 3GPP Newsletter 2009-03: Standardisation updates on HSPA Evolution (англ.). nomor.de. Дата обращения: 25 июня 2024. Архивировано 1 февраля 2014 года.