| Artículos | 01 ABR 2008

HSDPA: Multitud de posibilidades en movilidad

Tags: Histórico
Carlos Sánchez.
HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) se puede considerar como el primer paso en la evolución de redes móviles sobre protocolo WCDMA (UMTS). El segundo paso será aumentar la velocidad de datos en Uplink (subida), mejorar la capacidad y reducir el retraso. Inicialmente el ratio máximo hacia el usuario en WCDMA era, en condiciones ideales de radio, de 2 MB/s. La demanda de los usuarios por aumentar la velocidad de transmisión de datos estimuló la búsqueda de nuevas técnicas para poder aumentar dicha velocidad. La introducción de HSDPA en las especificaciones del estándar UMTS ofrecerá al usuario hasta 10 MB/s. Para ello, en el presente artículo se describen los cambios más significativos respecto a UMTS inicial.

High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) es un concepto incluido en WCDMA 3GPP (Third Generation Partnership Project) e incluidas sus especificaciones en la Release 5 specifications. Como se ha descrito anteriormente, el objetivo principal es el incremento de la velocidad de pico de usuario, la mejora de la calidad de servicio (QoS) y, en general, la mejora de la eficiencia del espectro para downlink (bajada) asimétrico.
Cuando HSDPA fue implementado coexistió sobre la misma frecuencia portadora que la de los servicios WCDMA. Este factor ha permitido la introducción de esta tecnología con unos costes que han sido relativamente bajos para la introducción de forma eficiente en las redes UMTS ya existentes.
La principal fuerza que empuja hacia velocidades mayores y retrasos menores es debido a las necesidades que servicios como la descarga de audio, vídeo y una gran cantidad de ficheros que se usan en PDA, smartphones, etc.
Más allá de todo lo anterior, el usuario puede descargar datos y al mismo tiempo atender llamadas de voz.
Desde aproximadamente 2005, en Asia y, posteriormente en el resto del mundo, millones de usuarios en el mundo están utilizando servicios comerciales UMTS como la vídeo telefonía, vídeo, música “on demand” a velocidades hasta 384 Kbps.
De hecho, es la capa de acceso radio especificada en la Release 99 de 3 GPP la que permitió alta calidad de servicio con videoconferencia, pero, por el contrario, no existe una gestión eficiente del espectro radio cuando el usuario utiliza aplicaciones que requieren ráfagas de tráfico.
La continua necesidad para mejorar le eficiencia espectral, el conocimiento mejorado de las experiencias de los usuarios y los nuevos servicios, nos han llevado hacia la estandarización de nuevas características definidas en 3GPP Release 5.
Una de las claves definidas en UMTS Rel’5 es High Speed Downlink Packet Access (HSDPA), que ofrece capacidad de datos significativamente superior y la velocidad de usuario de datos mayor en downlink (bajada), en comparación con UMTS Release 99.
Esto es posible gracias al uso de un nuevo canal de transporte compartido para downlink y un conjunto de pequeños mecanismos como son la codificación y modulación dinámica adaptativa, rápida planificación y rápida retransmisión, todos ellos implementados en UMTS.
Estas nuevas funcionalidades son totalmente compatibles con el anterior UMTS y pueden coexistir en la misma portadora de radio frecuencia del tráfico UMTS Release 99, lo que minimiza los costes de implantación para las operadoras.
La banda ancha y la convergencia cambiarán radicalmente la forma de comunicación que hasta la fecha conocíamos, disponiendo de acceso conjunto para cualquier tipo de servicio que demande banda ancha y difuminará las fronteras entre operadores de cable, ISP y operadores móviles.
Los principales aspectos técnicos que hay detrás de HSDPA son los siguientes:
1. Transmisión de canal compartido
2. Codificación y modulación adaptativa (AMC)
3. Método Fast Hybrid Automatic Repeat Request (H-ARQ)
4. Mejora de la planificación del nodo B
5. Fast cell site selection (FCSS)
6. Menor TTI (transmission time interval )
Veamos más en detalle estas características.

Transmisión de canal compartido
El concepto de HSDPA ha introducido varios canales físicos adicionales. Estos son: canal físico compartido de downlink de alta velocidad (HS-PDSCH) y otro llamado canal dedicado de control físico (HS-DPCCH).
HS-PDSCH. Este canal es compartido tanto en tiempo como en código entre usuarios adscritos al mismo nodo B. Es el mecanismo de transporte de los canales lógicos adicionales llamados HS-Downlink Shared Channel (HSDSCH) y HS-Shared Control Channel (HS-SCCH).
Las fuentes de códigos HS-DSCH consisten en uno o más códigos de canalización con un factor extendido fijo de 16. Por lo general, 15 de ellos pueden ser asignados dejando suficiente sitio para otras portadoras de datos o de control. Las fuentes de códigos disponibles están compartidas principalmente en el dominio temporal pero también es posible compartir fuentes de código usando multiplexación de código. Cuando se comparte tanto el código como el tiempo de dos a cuatro usuarios pueden compartir las fuentes de código con el mismo TTI.
HS-DPCCH. Este canal es de subida y es usado para transportar las señales de reconocimiento hasta el nodo B para cada bloque. También es usado para indicar la calidad del canal (CQI) usada para la codificacion y modulación adaptativa (AMC).

Codificacion y modulación adaptativa (AMC)
En las redes actuales, el control rápido de potencia es usado para la adaptación de la conexión radio. Dicho control de potencia se hace por slot de tiempo en WCDMA.
Básicamente, la adaptación de la conexión se requiere porque, en sistemas de comunicaciones celulares, el SINR de la señal recibida en el terminal del usuario varía en el tiempo entre 30 y 40 dB debido a pérdida de fase y a la localización geográfica en una célula concreta.
Para limitar este efecto y mejorar tanto la capacidad del sistema como la velocidad de pico para datos, la señal transmitida a un terminal de usuario se modifica en consonancia con las variaciones de señal hasta un proceso llamado adaptación de conexión.
En HSDPA la potencia de transmisión se mantiene sobre el TTI y usa codificación y modulación adaptativa como método alternativo para controlar la potencia en vez de mejorar la eficiencia espectral. HSDPA usa esquemas de modulaciones más altas como son 16-quadrature amplitude modulation (16QAM) además de QPSK.
La modulación a utilizar está adaptada según las condiciones del canal de radio. La modulación QPSK puede soportar 2 bits por símbolo donde 16QAM puede soportar 4 bits por símbolo y, por lo tanto, tiene dos veces la capacidad de pico en comparación con QPSK, de modo que se utiliza el ancho de banda del canal de forma más eficiente.
Las diferentes velocidades de código usadas son 1/4, 1/2, 5/8, 3/4. El Nodo B (Estación Base) recibe el informe del indicador de calidad de canal (CQI) y, a su vez, mide la potencia de los canales asociados. En base a esa información se determina la velocidad de transmisión de los datos.
En HSDPA, los usuarios que se encuentran cercanos al Nodo B tienen asignada una modulación más alta así como velocidades de código mayores (por ejemplo, 16 QAM y velocidad de código de 3/4) de manera que ambos irán decreciendo cuanta mayor sea la distancia entre usuario y Nodo B.
Ejemplo: 1TTI = 3 slots = 2ms = 2.560*3 chips = 7.680 chips = 480 símbolos en SF=16
480 símbolos = 960

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