Aufgabe 4.8: 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
Musterlösung
(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: $R_{\rm B} \hspace{0.15cm}\underline{= 1440 \ \rm kbit/s}$.
